GPS車載導航定位技術研究

劉興明，包曉光

（遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000）

隨著汽車的普及、交通需求的增長，道路運輸所帶來的交通擁堵，交通事故和環境污染等負面效應，逐步成為經濟和社會發展中的全球性問題。車載導航系統作為智能交通系統（ITS）的重要組成部分，是解決這一問題的重要途徑之一［1］。

近幾年，國內車載導航系統的發展如火如荼［2］。本文從系統設計、定位方法分析、信息提取和坐標轉換、導航電子地圖制作幾個方面研究車載導航定位技術。

1 系統設計

車載導航系統由導航計算機、天線、GPS接收機、控制面板、車速傳感器、陀螺傳感器、揚聲器、LCD顯示器、CD－ROM驅動器、存儲器、網絡通信接口、語音電路和紅外遙控器等組成［3］，如圖1所示。

圖1 GPS車載導航系統結構框圖

安裝在車上的GPS接收機通過天線源源不斷地接收GPS衛星信號，經過串口把這些信號傳輸到導航計算機，導航計算機提取出所需的經度、緯度、速度和航向等數據后，再將由車速傳感器和陀螺傳感器構成的DR系統的信息進行融合，通過坐標轉換、精度分析和誤差改正等算法得到車輛的定位信息，最后在由GIS軟件制作的電子導航地圖上顯示車輛的位置，同時，通過語音提示來引導駕駛員選擇最優的行駛路線。其中，電子地圖上顯示的不僅僅是車輛的當前位置，還包括車輛通行范圍內的地理信息，如加油站、醫院、學校等。另外，導航計算機還能夠利用通訊模塊進行無線通訊，來接收駕駛者的控制信息。

2 定位方法分析

隨著車載導航定位技術的飛速發展，各國研制的汽車導航定位系統采用的方法很多，但全球定位系統（GPS）、慣性導航系統（INS）、航位推算系統（DR）、地圖匹配（MM）、地面無線電頻率定位（TRF）等單一定位方法都存在一定的不足［4］，因此采用GPS/DR/電子地圖組合定位方法，由文獻［5］知這種方案是陸地車輛導航的最佳方案。

圖2是一種典型的GPS/DR/MM組合導航系統的硬件組成結構圖。DR系統由車速傳感器、角速率陀螺儀和數據采集卡構成。車速傳感器將測得的汽車速度經信號調理電路調理后傳給數據采集卡，同時，由角速率陀螺儀測出的速率信號經調理后一并傳給數據采集卡。然后數據采集卡將這路信號傳入導航計算機，加上通過串口讀取的GPS接收機信號，從而實現DR算法。DR系統的工作原理是：當可用衛星個數足夠時，即GPS接收機能接收到4顆以上GPS衛星信號，導航系統即采用GPS/DR/MM組合的方式；當載體接收不到足夠的衛星信號時，例如載體進入高樓林立的市區或隧道時，導航系統則進入DR模式，并將衛星信號丟失前的最后一點作為初始點，以其坐標位置與航向值作為初始數據，通過航位推算進行自主導航，同時由于GPS位置精度的原因，在結合數字地圖分析處理時會出現軌跡點偏離道路的現象，此時應用地圖匹配技術獲得結合路網的軌跡描述［6］。

圖2 GPS/DR/MM組合導航系統的硬件組成

3 數據提取與坐標轉換

3.1 GPS信號數據格式

GPS接收機采用NMEA0183標準，該標準是美國國家海洋電子協會（National Marine Electronics Association）為海用電子設備制定的標準格式。目前也已成了GPS導航設備統一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標準協議。

在接收GPS數據過程中，常用的定位語句是“GPRMC”語句，從$GPRMC段中可以獲得定位所需的經緯度、行駛速度等信息［7］。

$GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞＜CR＞＜LF＞

1）標準定位時間（UTC time）格式：時時分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）。

2）定位狀態，A＝數據可用，V＝數據不可用。

3）緯度，格式：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）。

4）緯度區分，北半球（N）或南半球（S）。

5）經度，格式：度度分分.分分分分。

6）經度區分，東（E）半球或西（W）半球。

7）相對位移速度，0.0至1 851.8knots。

8）相對位移方向，000.0至359.9度。

9）日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）。

10）磁極變量，000.0至180.0。

11）度數。

3.2 GPS信號坐標提取

通過編制程序，可以從GPS采集的數據中提取出經緯度，這些基本信息以MID或者MIF這種文件格式儲存，MIF文件由文件頭和數據段組成，文件頭包含的信息是圖形屬性信息中的名稱、類型、長度，數據段中包含了圖形實體的圖形數據，而MID文件為對應實體的屬性數據MIF.MID文件是MapInlo的外部數據交換文件，可以在MapInlo中使用，直接將定位數據在圖中顯示。

3.3 GPS車載導航系統坐標轉換

3.3.1 大地坐標轉換為空間大地直角坐標

WGS－84坐標系是大地坐標系，用大地緯度B，大地經度L和大地高H來表示點的位置。北京54坐標系和西安80坐標系是空間大地直角坐標系，用X，Y，Z來表示點的位置。

圖3所示的子午橢圓面相當于圖4所示的ONP平面，其中PP2＝Z，相當于圖4所示的Y；OP2相當于圖4所示的X。兩平面的經度L可視為相同，等于∠P1OP2，于是可以直接寫出：X＝xcosL，Y＝xsinL，Z＝Y得當已知橢球面上任一點P的大地坐標（B，L），可直接求出該點的空間大地直角坐標（X，Y，Z）。

圖3 子午橢圓面

圖4 ONP平面

如果P點恰好不位于橢球上，例如，位于大地高為H的P′點處，此時由大地坐標求空間大地直角坐標的公式則為

3.3.2 北京54坐標轉換為西安80坐標

1）將北京54坐標系中的平面坐標（X54，Y54）按照高斯投影坐標反算公式換算成大地坐標（B54，L54）。

2）將大地坐標（B54，L54）換算成西安80坐標系中的大地坐標（B80，L80）。

3）根據高斯投影坐標正算公式，將大地坐標（B80，L80）換算成平面坐標（X80，Y80）。

4 試驗結果及分析

首先，將導航數據導入相關軟件中生成行車路線；第2步，導入行車本地精確電子地圖；第3步，將導航數據與精確道路網數據進行匹配；第4步，計算修正匹配后的點位，并重新生成匹配后的線路效果，驗證算法結束［8－9］。

實驗選擇的行車路線為從遼寧省測繪局到沈陽市第十一中學。選擇這條線路的主要原因是線路兩旁5m范圍內均有高樓或樹木遮擋GPS信號，使定位結果產生誤差，針對這種GPS觀測環境較差的區域，對地圖匹配精度進行檢驗。這種情況下進行實地跑車實驗，具體匹配結果如圖5所示［10］。

圖5 車輛匹配前后的軌跡圖

實驗過程中，共進行了3次道路選擇，都沒有發生錯誤，由此可以說明該地圖匹配算法具有較高的可靠性和穩定性。圖5中，淺色的軌跡是匹配前GPS接收機定位數據連成的曲線，深色的軌跡是匹配后的行車路線。從圖中可以看出，匹配前定位數據存在很大的誤差，尤其是在交叉路口。匹配后，定位軌跡精確地符合到正確的道路上了。

對于一般道路的匹配，匹配時只需要利用最短距離投影法將GPS定位軌跡投影到道路中心即可。圖6和圖7分別為匹配前后的軌跡圖。

圖6 原始跑車軌跡

圖7 最短距離投影方法的匹配結果

從圖中可以看出，采用最短距離投影法匹配結果是正確的，符合實際情況。說明在一般道路時（尤其是直行道路）采用最短距離投影法具有較高的匹配效率。

5 結束語

一個基本的車載導航系統由導航計算機、GPS模塊、天線、控制面板、車速傳感器、陀螺傳感器、存儲器、網絡通信接口、語音電路、LCD顯示器、揚聲器和紅外遙控器等組成。

任何一種單一的定位方法都有其自身的局限性，因此，將幾種定位方法有效地組合，可大大提高定位精度和可靠性。其中，GPS/DR/MM組合定位方法是陸地車輛導航較好的組合定位方法。

GPS衛星信號所包含的定位信息有其特定的格式，利用Visual C＋＋編寫程序可將其中所需的定位信息提取出來；GPS定位系統應用的坐標系為WGS－84坐標系，最終，通過七參數模型將其定位坐標轉換成國家大地坐標系。

電子導航地圖的制作過程即是原始地圖信息的整合過程，將采集的數據構成不同的屬性集，按照適當的數據管理方式逐級分層，最終顯示在相應的導航設備上。

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