專利名稱：基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)及制圖技術(shù)的發(fā)展使車輛導(dǎo)航系統(tǒng)獲得了飛速的發(fā)展。目前，隨著GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)，并結(jié)合其它導(dǎo)航系統(tǒng)(如DR)，車輛定位系統(tǒng)可確定行駛在每個(gè)街道和十字路口的車輛的準(zhǔn)確位置。
目前，汽車導(dǎo)航市場(chǎng)GPS/Dead Reckoning(航位推算導(dǎo)航，以下簡(jiǎn)稱DR)組合已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于陸地車輛的導(dǎo)航、追蹤以及車隊(duì)管理等服務(wù)中。然而在城市，由于高樓、立交橋、隧道、無線電干擾等，往往造成GPS信號(hào)接收困難或丟失，不能準(zhǔn)確導(dǎo)航定位。GPS信號(hào)在都市中長(zhǎng)時(shí)間失蹤，此時(shí)GPS無法校正DR，DR的誤差可以累計(jì)達(dá)到幾百米，以至于完全失去對(duì)車輛的位置正確估計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種利用地圖匹配、GPS和DR三者緊密結(jié)合形成的基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法。
本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是一種基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法，該方法包括有以下步驟車載GPS接收機(jī)連續(xù)接收衛(wèi)星定位信息，同時(shí)車載傳感器接收車輛的角度變化、行駛里程的數(shù)據(jù)；根據(jù)GPS質(zhì)量指標(biāo)以及車輛行駛距離差設(shè)定范圍，對(duì)接收到的衛(wèi)星定位信息、車輛角度和里程數(shù)據(jù)，進(jìn)行可靠性分析a、在符合GPS質(zhì)量指標(biāo)以及在車輛行駛距離差設(shè)定范圍內(nèi)，表明接收的信息或數(shù)據(jù)可靠，輸出衛(wèi)星定位信息、車輛角度變化和行駛里程數(shù)值；b、否則，表明接收的信息或數(shù)據(jù)不可靠，繼續(xù)接收衛(wèi)星定位信息、車輛角度和里程數(shù)據(jù)；利用電子地圖對(duì)輸出的定位信息進(jìn)行地圖匹配a.匹配結(jié)果不同，對(duì)接收信息進(jìn)行檢驗(yàn)和糾正；b.匹配結(jié)果相同或相似，表明接收信息正確；輸出準(zhǔn)確的車輛位置。
進(jìn)一步地，所述的車輛角度變化由安裝在車輛上的陀螺儀檢測(cè)得出。
進(jìn)一步地，所述的GPS質(zhì)量指標(biāo)為信號(hào)噪聲比、GDOP。
進(jìn)一步地，所述的地圖匹配為道路識(shí)別、道路位置確定、匹配檢驗(yàn)和糾錯(cuò)。
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)利用GPS定位技術(shù)，結(jié)合DR和電子地圖實(shí)施高精度的車輛導(dǎo)航定位，使GPS、DR和地圖匹配進(jìn)行緊密組合，提高系統(tǒng)的整體性能，構(gòu)成高性能組合車載導(dǎo)航系統(tǒng)，克服前面所述的在城市導(dǎo)航遇到的各類問題。本系統(tǒng)為在都市環(huán)境下提供精確、可靠的定位提供了解決方案。大量的實(shí)地測(cè)試結(jié)果證明了系統(tǒng)的良好性能和可靠性，其在城市范圍定位覆蓋率大于95％，可以滿足不同車輛在大中型城市的導(dǎo)航定位要求。


圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為地圖匹配流程圖；圖3為車輛在路段上位置和誤差；圖4為車輛軌跡關(guān)鍵點(diǎn)選擇；圖5為車輛軌跡相似分析方法。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
如圖1所示的一種基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法，該方法包括有以下步驟車載GPS接收機(jī)連續(xù)接收衛(wèi)星定位信息，同時(shí)車載傳感器陀螺儀接收車輛的角度變化、行駛里程的數(shù)據(jù)；根據(jù)GPS質(zhì)量指標(biāo)信號(hào)噪聲比、GDOP，以及車輛行駛距離差設(shè)定范圍，對(duì)接收到的衛(wèi)星定位信息、車輛角度和里程數(shù)據(jù)，進(jìn)行可靠性分析a、在符合GPS質(zhì)量指標(biāo)以及在車輛行駛距離差設(shè)定范圍內(nèi)，表明接收的信息或數(shù)據(jù)可靠，輸出衛(wèi)星定位信息、車輛角度變化和行駛里程數(shù)值；b、否則，表明接收的信息或數(shù)據(jù)不可靠，繼續(xù)接收衛(wèi)星定位信息、車輛角度和里程數(shù)據(jù)；利用電子地圖對(duì)輸出的定位信息進(jìn)行地圖匹配道路識(shí)別、道路位置確定、匹配檢驗(yàn)和糾錯(cuò)a.匹配結(jié)果不同，對(duì)接收信息進(jìn)行檢驗(yàn)和糾正；b.匹配結(jié)果相同或相似，表明接收信息正確；輸出準(zhǔn)確的車輛位置。
該車輛導(dǎo)航方法從3個(gè)基本的信息源獲得數(shù)據(jù)，它們是GPS接收機(jī)一臺(tái)GPS接收機(jī)被安裝在車上接收衛(wèi)星信號(hào)。這些信號(hào)用來精確確定車輛的位置.其輸出包括測(cè)量位置和其它輔助信息如GDOP，信號(hào)噪聲比，定位衛(wèi)星數(shù)目等用于檢測(cè)GPS位置質(zhì)量。
車載傳感器包括測(cè)量角速率變化的陀螺儀及輸出電子速度脈沖的里程計(jì)。這些數(shù)據(jù)被用來進(jìn)行航位推算，以便確定車輛相對(duì)道路的運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)庫包括道路網(wǎng)絡(luò)，道路拓樸關(guān)系，交通規(guī)則，道路屬性等多種參數(shù)用于匹配算法。
該車輛導(dǎo)航方法與其他現(xiàn)有方法比較，具有以下特點(diǎn)1.利用多種信息源數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化組合算法，以獲得車輛在路網(wǎng)上的最優(yōu)估計(jì)；2.采用了以目標(biāo)導(dǎo)向的新的地圖匹配方法，以提高匹配的可靠性和自動(dòng)糾錯(cuò)功能；3.解決了城市中當(dāng)GPS信號(hào)長(zhǎng)期無法接受，以至導(dǎo)航系統(tǒng)無法工作的問題.
該車輛導(dǎo)航方法由導(dǎo)航定位單元和地圖匹配單元組成。導(dǎo)航定位單元輸入GPS位置和質(zhì)量信息，DR測(cè)量值(方向變化和行駛距離)。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，DR系統(tǒng)需要一個(gè)起始坐標(biāo)和方向，如存在高精度GPS信號(hào)時(shí)，以GPS位置坐標(biāo)為起始坐標(biāo)。起始方向由平均GPS觀測(cè)提供。在很多情況下，由于GPS信號(hào)不存在，我們將系統(tǒng)存儲(chǔ)的上次最后時(shí)刻位置和方向作為DR系統(tǒng)起始坐標(biāo)。在正常工作情況下，本單元利用GPS和DR位置輸出，采用一個(gè)卡爾曼濾波器估計(jì)優(yōu)化位置和DR系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。本單元輸出GPS位置，GPS質(zhì)量指標(biāo)(如信號(hào)噪聲比，GDOP等)，DR車輛行駛距離，DR方向變化，DR位置，以及GPS/DR的優(yōu)化估值位置和估值精度。
在地圖匹配單元中，為保證GPS/DR系統(tǒng)的輸出正確性，本系統(tǒng)采用以下幾個(gè)參數(shù)判別從定位單元輸出的位置信息的正確性，包括1.GDOP＜a2.信號(hào)噪聲比S/N＞b3.行駛距離|(Xi-Xi-1)2+(Yi-Yi-1)2-sΔt|<Σ]]>式中，a，b，∑為門限值。(Xi，Yi)，(Xi-1，Yi-1)為GPS系統(tǒng)時(shí)間ti，ti-1的位置輸出，s為DR系統(tǒng)速度，Δt＝ti-ti-1。
當(dāng)GPS/DR輸出位置通過以上檢測(cè)，車輛位置將與地圖進(jìn)行地圖匹配。我們采用的地圖匹配方法將按功能分成分為道路識(shí)別和道路位置確定和匹配檢驗(yàn)和糾錯(cuò)三個(gè)部分(如圖2所示)。
地圖道路網(wǎng)由路段和節(jié)點(diǎn)組成，將地圖匹配問題分解成兩個(gè)步驟首先確定車輛在道路網(wǎng)中的某個(gè)路段上(道路識(shí)別)；然后確定車輛在此路段上的位置。由于任何匹配算法都可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此必須檢測(cè)匹配是否正確，如果不正確，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行糾錯(cuò)。
對(duì)于道路識(shí)別，首先將在GPS/DR誤差范圍內(nèi)的所有可能道路路段作為候選路段。然后，根據(jù)多數(shù)據(jù)加權(quán)組合方法，確定車輛在哪個(gè)路段上。其判別方法為1.距離車輛測(cè)量位置應(yīng)該與行駛道路相距不遠(yuǎn)。
表達(dá)為Sd＝(1-d/dmax)，其中Sd為距離測(cè)試評(píng)分，d是車輛測(cè)量位置到候選道路的垂直距離，dmax是GPS/DR傳感器的誤差橢圓的半徑。從上式可以看出，距離越近的道路測(cè)試評(píng)分越高。
2.行駛方向車輛行駛方向應(yīng)該與行駛道路的方向相近。
表達(dá)為Sk＝1-Δβ/90，當(dāng)Δβ＞90時(shí)，Sk＝0；Sk是角度誤差測(cè)試評(píng)分，Δβ為車輛行駛方向應(yīng)該與行駛道路的方向的差值，Δβ越小，Sk越高。
3.車輛方向改變量車輛行駛方向改變倆應(yīng)該與道路切線方向改變量相近。
表達(dá)為Sc＝1-Δω/20，其中Δω＝|ωc-ωr/6|，ωr是道路切線方向改變量，而ωc是陀螺儀采集的車輛行駛方向改變量。
4.道路拓?fù)滠囕v行駛在連通的道路上。如果候選道路與車輛行駛的上條道路相連，則Sj＝1，否則等于0.5；5.交匯處的法定轉(zhuǎn)向表達(dá)為Sp＝1，當(dāng)轉(zhuǎn)向合法，Sp＝0.5則轉(zhuǎn)向不合法。
對(duì)每條候選道路，其總的判據(jù)測(cè)試評(píng)分為ST＝aSd+bSh+cSc+Sj+Sp，其中系數(shù)a，b和c為系數(shù)。對(duì)所有候選路段，我們選擇ST最大值的路段為車輛所在路段。
當(dāng)車輛所在路段確定后，下一步工作是確定車輛在此路段中的位置。首先從此路段起點(diǎn)開始，采用DR的里程輸出，確定在此路段的近似位置，并給出相應(yīng)的誤差橢圓，如圖3所示。
圖中O為車輛近似位置，參數(shù)A，B為誤差橢球大小，B由DR里程儀質(zhì)量確定，A由道路寬度確定。
最終，車輛位置由下式確定。
X＝C1-1(C1+C2)-1X1+C2-1(C1+C2)-1X2式中X1，C1為GPS/DR系統(tǒng)輸出的位置和協(xié)方差矩陣。X2，C2為車輛在道路上的近似位置和協(xié)方差矩陣。
由于測(cè)量誤差的影響，任何地圖匹配算法都不可能做到完全正確，因此，本系統(tǒng)在當(dāng)車輛位置確定后，還要對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)。如果出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤，系統(tǒng)還將具備自動(dòng)糾錯(cuò)功能。本專利提出一種匹配錯(cuò)誤自動(dòng)檢測(cè)和糾錯(cuò)技術(shù)。本方法基于以下假設(shè)，即由DR系統(tǒng)產(chǎn)生的位置軌跡與真實(shí)車輛運(yùn)行的道路軌跡相似。對(duì)DR系統(tǒng)其主要誤差是角度漂移和長(zhǎng)度標(biāo)定誤差。此類誤差會(huì)引起位置軌跡發(fā)生旋轉(zhuǎn)和尺度變化。經(jīng)其軌跡圖型將與真實(shí)車輛相似。由于一般匹配錯(cuò)誤發(fā)生在道路交匯點(diǎn)，本方法將從每個(gè)道路交匯點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)車輛到達(dá)一個(gè)道路交匯點(diǎn)，我們開始記錄由DR系統(tǒng)產(chǎn)生的位置軌跡。當(dāng)此記錄位置軌跡存在一定顯著變化特征后，我們將在一定范圍內(nèi)搜索地圖中所有可能的道路組合。然后比較每個(gè)道路組合與DR位置軌跡的相似程度。如果DR位置軌跡與匹配的道路相似，則說明匹配正確。如果不相似，將在所有道路中選擇最為相似的道路作為正確的道路。由于本方法需要一段時(shí)間才能確定車輛運(yùn)行的道路，因此主要用于對(duì)其它地圖匹配方法的補(bǔ)充。對(duì)匹配錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)和糾錯(cuò)。
由于匹配錯(cuò)誤大多以道路交匯點(diǎn)開始，因此首先我們先判斷車輛是否接近一個(gè)道路交匯點(diǎn)，如不在道路交匯點(diǎn)，而且車輛位置已經(jīng)匹配到一個(gè)給定路段，則無需進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)判斷車輛到達(dá)一道路交匯點(diǎn)，系統(tǒng)開始記錄一段DR系統(tǒng)位置軌跡，記錄時(shí)間長(zhǎng)短取決于軌跡有多少關(guān)鍵點(diǎn)，一般四五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)即可。
軌跡關(guān)鍵點(diǎn)選擇算法如圖四所示，如一段軌跡的起始和終點(diǎn)為1和2.連接點(diǎn)1和2為X軸，垂直于X方向?yàn)閅軸，在此坐標(biāo)下，在軌跡中尋找最大最小值(如a和c點(diǎn)如圖4所示)如|Ya-Yc|＞∑，∑為門限值。則將弧段1-2分成1a，ac和c2三個(gè)弧段，對(duì)每個(gè)子弧段用，同樣方式尋找最大最小值。如|Ya-Yc|＞∑則停止分段。式中Ya，Yc為a，c兩點(diǎn)Y軸坐標(biāo)值。
當(dāng)所有關(guān)鍵點(diǎn)選出后，將DR軌跡與已匹配的道路路段相比較，比較其相似性，其原理如圖5所示。圖中有兩條曲線，其關(guān)鍵點(diǎn)分別為1、2、3、4、5、6和1’、2’、3’、4’、5’、6’關(guān)鍵點(diǎn)將原曲線分成若干子弧段。如兩曲線相似則要求相鄰弧段長(zhǎng)度比近似相等，而且相鄰弧段角度變化近似相等，或|d12d23-d1′2′d2′2′|<Σ--|LM′1′2′-LM12|≤Y]]>式中d為弧段距離，∑，Y為門限值。
如DR軌跡與已匹配的道路滿足上述公式說明地圖匹配正確。否則出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤。
當(dāng)出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤，我們將在地圖一定范圍內(nèi)尋找所有可能的道路組合，與DR軌跡進(jìn)行相似比較，并以最為相似的道路路段作為新的匹配結(jié)果。這樣我們將可以糾正原有匹配錯(cuò)誤。
權(quán)利要求
1.一種基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法，該方法包括有以下步驟車載GPS接收機(jī)連續(xù)接收衛(wèi)星定位信息，同時(shí)車載傳感器接收車輛的角度變化、行駛里程的數(shù)據(jù)；根據(jù)GPS質(zhì)量指標(biāo)以及車輛行駛距離差設(shè)定范圍，對(duì)接收到的衛(wèi)星定位信息、車輛角度和里程數(shù)據(jù)，進(jìn)行可靠性分析a、在符合GPS質(zhì)量指標(biāo)以及在車輛行駛距離差設(shè)定范圍內(nèi)，表明接收的信息或數(shù)據(jù)可靠，輸出衛(wèi)星定位信息、車輛角度變化和行駛里程數(shù)值；b、否則，表明接收的信息或數(shù)據(jù)不可靠，繼續(xù)接收衛(wèi)星定位信息、車輛角度和里程數(shù)據(jù)；利用電子地圖對(duì)輸出的定位信息進(jìn)行地圖匹配a.匹配結(jié)果不同，對(duì)接收信息進(jìn)行檢驗(yàn)和糾正；b.匹配結(jié)果相同或相似，表明接收信息正確；輸出準(zhǔn)確的車輛位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法，其特征在于所述的車輛角度變化由安裝在車輛上的陀螺儀檢測(cè)得出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法，其特征在于所述的GPS質(zhì)量指標(biāo)為信號(hào)噪聲比、GDOP。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法，其特征在于所述的地圖匹配為道路識(shí)別、道路位置確定、匹配檢驗(yàn)和糾錯(cuò)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多信息源的地圖匹配車輛導(dǎo)航方法，包括有車載GPS接收機(jī)連續(xù)接收衛(wèi)星定位信息，同時(shí)車載傳感器接收車輛的角度變化、行駛里程的數(shù)據(jù)；進(jìn)行可靠性分析，利用電子地圖對(duì)輸出的定位信息進(jìn)行地圖匹配，輸出準(zhǔn)確的車輛位置。本發(fā)明利用GPS定位技術(shù)，結(jié)合DR和電子地圖實(shí)施高精度的車輛導(dǎo)航定位，使GPS、DR和地圖匹配進(jìn)行緊密組合，提高系統(tǒng)的整體性能，構(gòu)成高性能組合車載導(dǎo)航系統(tǒng)，克服前面所述的在城市導(dǎo)航遇到的各類問題。本系統(tǒng)為在都市環(huán)境下提供精確、可靠的定位提供了解決方案。
文檔編號(hào)G01S5/02GK1837753SQ20051005566
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月22日
發(fā)明者趙志弘, 陳武, 李志林 申請(qǐng)人:趙志弘, 陳武, 李志林