摘要：本文針對單一導航定位技術的精度和使用范圍在車輛導航定位應用中的局限性，提出了采用GPS/DR與電子地圖組合導航的方案。GPS/DR與電子地圖組合導航是一種較為理想的車輛導航方式。它既克服了GPS信號受阻時定位間斷或失效的缺點，又避免了航位推算定位誤差隨時間的積累，提高了導航定位的精度并擴展了使用范圍。
　　關鍵詞：地圖匹配，車輛導航，GPS定位
　　一、引言
　　 目前，車輛導航系統已經廣泛的走入了大眾的生活當中，大家也越來越多的認識到了導航系統。目前，世界范圍內主要有以下幾種定位技術應用于車輛導航：
　　 1、全球定位系統(GPS)；
　　2、慣性導航系統(INS：InertialNavigationSystem)；
　　3、航位推算系統(簡稱DR：DeadReckoning)；
　　4、地圖匹配(MM：MapMatching)；
　　5、地面無線電頻率定位(TRF：TerrestrialRadioFrequency)。
　　任何一種單一的導航系統其精度和使用范圍都有一定的限制，目前，用于車載的導航系統主要有以下兩種方案：
　　1、GPS與地圖匹配；
　　 2、GPS/DR與地圖匹配。
　　第一種方案系統結構簡單，但由于GPS信號容易受到遮擋，在隧道或者一些城市高樓較多的地方系統可靠性低，一般用于一些低成本的系統。第二種方案在各種情況下都能保持良好的性能，是一種最佳的方案。
　　本文的方案：以DR為主，GPS和地圖匹配來校正DR的位置，這樣能提供多頻率的輸出，使得車標顯示等更加平滑。圖1是導航系統匹配部分整體流程圖。
　　
　　
　　圖1GPS/DR組合地圖匹配的基本流程圖
　　
　　1. GPS/DR組合導航系統
　　1.1. GPS和DR的信號處理
　　1.1.1. GPS信號特點
　　（1）GPS信號為絕對位置；
　　（2）GPS信號容易受到遮擋和干擾。
　　DR信號特點
　　（1）DR信號為相對位置，所以需要初始對準；
　　（2）DR信號有累計誤差；
　　（3）DR信號幾乎不受干擾。
　　 通過以上對比我們發現，GPS和DR的組合能將GPS和DR的優缺點互補，在任何情況下都能提供準確的位置信息。
　　1.1.2. DR部分工作流程
　　 航位推算是一個累積的過程，因此，所有的傳感器誤差均會造成位置誤差的積累，產生定位誤差積累的原因主要有：
　　 （1）里程表誤差；
　　 （2）角速率陀螺漂移誤差；
　　 （3）航向誤差。
　　 減小這些誤差的方法有：
　　 （1）采用卡爾曼濾波技術對角速率陀螺信號進行濾波處理，減小干擾和漂移誤差；
　　 （2）利用GPS精確定位信息對導航傳感器的誤差進行校正。
　　 圖2是DR的工作流程圖：
　　
　　圖2DR方式的流程圖
　　1.1.3. GPS部分工作流程
　　 GPS主要用來對DR進行校正，校正速度因子來減小里程誤差，校正方向來減小航向誤差。下圖是GPS工作的具體流程：
　　
　　圖3GPS方式的流程圖
　　1.2. 地圖匹配
　　1.2.1. 道路拓撲網的組織
　　 車輛在行駛過程中一般都是在路上行駛，而且是從一條道路開往相鄰的道路，所以在此基礎上，我們通過道路拓撲關系組建一個樹形結構，樹形結構頂端就是車輛剛剛開始所在的道路，樹的枝葉就是其接續的道路。有了這個結構，我們就可以減少搜索的范圍，因為這里面包含了所有車輛可能行走的道路。
　　 設計這個結構有三個目的：一是為了提高系統性能，使搜索的道路盡量少；二是為了提高可靠性；三是可以保留所有道路的匹配信息，當發生匹配錯誤時，可以在一定程度上回溯。關于這個結構在實際應用中有以下幾個要點：
　　（1）什么時候加入接續的道路？當匹配到該道路的末尾時加入；
　　（2）什么時候剔除道路？一條道路可能有多個接續道路，但車輛只可能走其中一條，當確定車輛匹配在其中某一條時，要將其他道路剔除掉；
　　（3）沒道路數據時怎么辦？由于數據更新的原因，電子地圖中可能沒有車輛走行的道路數據。當車輛與結構中的所有道路都不匹配時就認為車輛走到了沒有數據的道路上。這時重新初始化樹形結構，并顯示車輛位置為信號當前位置。
　　1.2.2. 匹配的幾種狀態
　　 在匹配算法中設計了按不同狀態來處理的方式，這樣做是為了提高算法的可擴展性，可以在以后增加某些特殊情況的處理，而不需要對其他狀態進行較大改動。
　　（1）初始化狀態：剛開機或者車輛行駛到無道路數據的時候都會進入這個狀態，在這個狀態下系統會初始化道路拓撲網，形成樹形結構。
　　（2）停車狀態：當單獨使用GPS信號時，由于在速度較慢時GPS方向信息很不準確，而且GPS信號也有跳變，所以此時就顯示上一次的匹配位置。
　　（3）正常狀態：就是車輛已經匹配在道路上的狀態。
　　（4）轉彎狀態：車輛在轉彎過程中由于行走軌跡的突變，往往發生道路匹配錯誤，從而導致車標跳變，所以此處需要進行特殊的處理，減少跳變的發生。
　　1.2.3. 匹配流程
　　匹配流程見圖1：
　　（1）從GPS模塊取得坐標，判斷坐標是否有效，有效則傳給DR模塊；
　　（2）DR模塊判斷是否有有效的GPS信息，如果有則采用GPS信息，否則采用自身的推算結果；
　　（3）將上述結果傳給Dispatch模塊取得當前范圍內的道路數據，如果失敗或者當前范圍內沒有道路數據，則設當前狀態為初始化狀態；
　　（4）根據不同狀態計算相似度和匹配位置，同時進行添加接續道路和剔除道路的處理， 取得最佳匹配相似度記為S1；
　　 （5）計算規劃路徑中的最佳匹配位置和相似度，記為S2；
　　 （6）如果S1與S2的差值大于閾值，則觸發道路重計算；
　　 （7）利用最佳匹配位置來校正DR位置；
　　（8）返回GPS信息采集。
　　2. 效率分析及實驗
　　試驗表明，一次匹配過程耗時在200ms內，當系統每秒輸出3次定位數據時，匹配結果良好，且車標顯示比每秒輸出只有一次定位數據時要平滑得多。通過實際的駕駛測試，我們發現除了在某些平行路段以及實際路線與地圖數據相差較大的地段，匹配情況良好。
　　3. 結論
　　本文提出了GPS/DR與電子地圖組合定位在車輛導航中應用的方案，能夠提供多頻率的位置輸出。經過實際路上測試，匹配結果比較理想，對后續研究有一定的參考意義。
　　參考文獻
　　1 嚴蔚敏.數據結構.北京：清華大學出版社，2001
　　2 趙亦林著.譚國真譯.車輛定位與導航系統北京：.電子工業出版社，1999