第二章智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)的組成與原理§2.1車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展概況 §2.1.1發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展概況

車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)就是對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，顯示車輛的地理位置并提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息（包括路徑選擇優(yōu)化等功能），它是電子技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)集于一體的綜合系統(tǒng)。從二十世紀(jì)60年代開始，車輛定位和導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。美國(guó)、日本、歐洲等主要發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都積極開展相關(guān)的研究。

60年代末期，美國(guó)公路局（現(xiàn)稱聯(lián)邦公路局）提出了一種電子路徑引導(dǎo)系統(tǒng)ERGS。這是一種具有無(wú)線路徑引導(dǎo)能力的導(dǎo)航系統(tǒng)，它利用短距離信標(biāo)（beacon）網(wǎng)絡(luò)作為通信媒介，駕駛員可以通過(guò)控制臺(tái)輸入目的地碼，當(dāng)車輛接近主要交叉路口時(shí)，目的地碼經(jīng)車載無(wú)線收發(fā)機(jī)發(fā)出，由埋在路面下的環(huán)形天線接收并傳送到路邊的控制器?？刂破髋c中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，可以獲得實(shí)時(shí)交通信息。在接收到目的地碼后，控制器將其與交通數(shù)據(jù)結(jié)合，規(guī)劃最佳的行駛路徑，并將路徑引導(dǎo)指令通過(guò)信標(biāo)發(fā)送到車上。

70年代初期，美國(guó)開發(fā)了一種自主導(dǎo)航系統(tǒng)，這種系統(tǒng)利用航位推算（dead-reckoning）模塊，借助于地圖匹配（map-matching）算法進(jìn)行車輛定位，確定車輛沿著路徑行駛的位置。該系統(tǒng)的第二版本能夠把路徑引導(dǎo)指令顯示在車內(nèi)的等離子顯示器上。 1985年，美國(guó)易泰克（ETAK）公司推出了一種稱為Navigator的汽車自主導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)配有數(shù)字地圖庫(kù)，采用航位推算和地圖匹配技術(shù)，定位誤差可由已知道路的位置和方向來(lái)修正，航位推算傳感器包括磁羅盤和車速傳感器。

進(jìn)入90年代，隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)開始進(jìn)入真正的實(shí)用階段。特別是美國(guó)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的成功發(fā)展和建立，為全球范圍內(nèi)的用戶提供了一種廉價(jià)、實(shí)用的定位手段，使車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了高潮。

1994年，第一個(gè)裝有GPS接收機(jī)的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)Guidestar投入市場(chǎng)。與此同時(shí)，定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的概念和相關(guān)的研究范圍也開始逐漸擴(kuò)展，從單一的車輛定位和導(dǎo)航發(fā)展到集交通基礎(chǔ)設(shè)施智能化、交通工具智能化、交通管理智能化概念為一體的智能交通系統(tǒng)（IntelligentTransportationSystem)。

目前，智能交通系統(tǒng)（ITS）已經(jīng)成為許多國(guó)家的熱門研究領(lǐng)域。如在美國(guó)芝加哥進(jìn)行的ADVANCE項(xiàng)目（1991.7-1996.12）的研究為動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)建立了系統(tǒng)性的研究基礎(chǔ)，該系統(tǒng)是一種基于實(shí)時(shí)交通條件的分布式路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)，車輛定位主要采用差分GPS，在GPS處于盲區(qū)時(shí)輔以航位推算法進(jìn)行定位。 日本是當(dāng)今車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)和智能交通系統(tǒng)發(fā)展最成功的國(guó)家之一。日本從80年代的RACS和AMTICS發(fā)展到當(dāng)前的ATIS、VICS和UTMS。

歐洲80年代推出CARIN和EVA車輛自主導(dǎo)航系統(tǒng)。CARIN利用了推算定位和地圖匹配技術(shù)及彩色顯示器來(lái)顯示地圖，它是第一個(gè)采用CD-ROM存儲(chǔ)數(shù)字地圖的導(dǎo)航系統(tǒng)。EVA除了推算定位、地圖匹配和依次轉(zhuǎn)向路徑引導(dǎo)，它還可以同時(shí)用可視顯示和聲音合成輸出來(lái)給司機(jī)提供導(dǎo)航。80年代中期以來(lái)，智能交通系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃PROMETHUS和DRIVE一直在歐洲大規(guī)模地實(shí)施中?！?.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)在此方面的研究起步較晚，但由于ITS是21世紀(jì)交通運(yùn)輸發(fā)展的必由之路，因此目前中國(guó)政府和有關(guān)單位也十分關(guān)注世界ITS的發(fā)展趨勢(shì)。交通部在制定《公路、水運(yùn)”九五”科技發(fā)展計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃》時(shí)就已將ITS的發(fā)展列入其中，并從1995年開始派團(tuán)參加每屆的ITS世界大會(huì)。交通部于1998年成立了“ITS工程研究中心”，完成了“智能運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究”科研課題，同時(shí)計(jì)劃在今后若干年先后進(jìn)行“GPS路政車輛系統(tǒng)”，“自動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)算法研究”等方面的研究?！?.1.3 現(xiàn)代車輛定位技術(shù)

在車輛定位導(dǎo)航技術(shù)中，定位是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能的前提與基礎(chǔ)。 車輛定位是指確定車輛在地球表面上的坐標(biāo)。常用的表示某個(gè)物體在地球表面位置的方式為經(jīng)緯度。

經(jīng)度：物體在地球表面的位置和地心的連線與格林威治0度經(jīng)線所在平面的夾角即為該位置的經(jīng)度，根據(jù)位置的不同經(jīng)度又可分為東經(jīng)和西經(jīng)。

緯度：物體在地球表面的位置和地心的連線與赤道平面的夾角即為該位置的緯度，位置在北半球則為北極，位置在南半球則為南極。目前移動(dòng)目標(biāo)定位技術(shù)主要有三種：

★ 獨(dú)立定位

★ 地面無(wú)線電定位

★ 衛(wèi)星定位一、無(wú)線電定位

地面無(wú)線電定位的原理是電磁波的恒定傳播速率和路徑的可預(yù)測(cè)性原理。

常用的無(wú)線電定位技術(shù)有三種：到達(dá)時(shí)間（TOA）、到達(dá)角度（AOA）和到達(dá)時(shí)間差（TDOA）。

TOA通過(guò)測(cè)量從多個(gè)已知位置的發(fā)射機(jī)傳來(lái)的無(wú)線電信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間來(lái)確定接收機(jī)的位置。

AOA通過(guò)三角測(cè)量法定為，信號(hào)由車載發(fā)射機(jī)發(fā)射，處在已知位置的天線陣列接收信號(hào)并計(jì)算信號(hào)到兩個(gè)或多個(gè)天線單元的入射角，車輛位置由入射角的交叉點(diǎn)確定。

TDOA采用三邊測(cè)量法定位，由多個(gè)已知位置的發(fā)射機(jī)發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)，移動(dòng)接收機(jī)接收信號(hào)并測(cè)量至少兩組信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差，由此確定接收機(jī)的位置。 目前地面無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在航海和航空領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，大約有100種不同類型的系統(tǒng)正在世界各地運(yùn)營(yíng)，如著名的Loran-C和OMEGA。Loran-C無(wú)線電定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介★羅蘭C（Loran-longrangenavigation)★陸基、低頻脈沖相位導(dǎo)航系統(tǒng)★中遠(yuǎn)程精密無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)★主要包括地面設(shè)施和用戶設(shè)備兩大部分。地面設(shè)施：發(fā)射臺(tái)組和監(jiān)測(cè)站★工作原理：雙曲線無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。用戶設(shè)備接收到兩個(gè)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差DTOA，乘以電波傳播速度，可換算為距兩個(gè)臺(tái)的距離差值—為一雙曲線，再接收另外兩個(gè)臺(tái)的信息，便可得另一雙曲線，兩條雙曲線的交點(diǎn)，就可計(jì)算出用戶位置。

然而，因?yàn)闊o(wú)線電定位信號(hào)容易受到地面障礙物的干擾，從而產(chǎn)生信號(hào)衰減和多路徑效應(yīng)，造成定位精度下降或失效。因此地面無(wú)線電定位技術(shù)目前很少應(yīng)用于陸地車輛定位。二、衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

GNSS：GlobalNavigationSatelliteSystem.

是以導(dǎo)航定位衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)來(lái)確定載體位置而進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)。

1957年10月，世界上第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射成功使人類在空間建立導(dǎo)航無(wú)線電發(fā)射基準(zhǔn)站的設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)，星基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)也隨之應(yīng)運(yùn)而生，這就是衛(wèi)星定位系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)的定位方法相比，衛(wèi)星導(dǎo)航不但能夠在全球范圍內(nèi)為陸地、海洋以及近地空間的用戶提供連續(xù)準(zhǔn)確的位置、速度和時(shí)間信息，而且用戶設(shè)備體積小、重量輕、功耗小、價(jià)格低、易于操作，從而給導(dǎo)航技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化。常用GNSS：GPS：GlobalPositioningSystem,美國(guó)GLONASS：GlobalNavigationSatelliteSystem,俄羅斯BDSTAR：北斗雙星，中國(guó)GALILEO：歐州1、GPS系統(tǒng) ★ 定位原理 L=tR×c 其中，tR為信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)的時(shí)延。 地球或空間中的某一點(diǎn)的位置可以由經(jīng)度、緯度和海拔高度確定。除此之外，還有一個(gè)未知數(shù)鐘差，鐘差即為衛(wèi)星時(shí)鐘和接收機(jī)時(shí)鐘的差。如果在某個(gè)時(shí)間，GPS接收機(jī)能夠捕獲到四顆衛(wèi)星，就可以解算出四個(gè)未知數(shù)，從而獲得位置信息。

由三部分組成：

★ 空間衛(wèi)星

★ 地面監(jiān)控系統(tǒng)

★ 用戶接收設(shè)備空間衛(wèi)星部分

空間衛(wèi)星部分由均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)的24顆衛(wèi)星組成，包括三顆備用衛(wèi)星。

地面監(jiān)控部分

由分布在全球的1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站組成，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集、故障診斷、跟蹤監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星調(diào)度、導(dǎo)航電文編輯和注入等工作。用戶接收機(jī)部分

用來(lái)接收衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。GPS系統(tǒng)的主要特點(diǎn)★全球地面連續(xù)覆蓋。由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多且分布合理，在地球上的任何地點(diǎn)都可以連續(xù)同時(shí)觀測(cè)到至少四顆衛(wèi)星，從而保證了全球、全天候連續(xù)實(shí)時(shí)定位的需要?！锕δ芏?，精度高。其實(shí)時(shí)定位速度快；抗干擾性好，保密能力強(qiáng)；一旦工作不間斷發(fā)射導(dǎo)航電文。2、GLONASS(全球軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))

GLONASS其是前蘇聯(lián)研制并為俄羅斯繼續(xù)發(fā)展的第二代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在整個(gè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、信號(hào)組成、定位原理和系統(tǒng)功能等方面與GPS系統(tǒng)相似，同樣由空間衛(wèi)星網(wǎng)、地面支持網(wǎng)和用戶設(shè)備組成，可用于海上、空中、陸地等各類用戶的定位、測(cè)速及精密授時(shí)。GPS和GLONASS的主要區(qū)別★信號(hào)分割體制不同： GLONASS使用FDMA（頻分多址）擴(kuò)頻體制來(lái)區(qū)分不同的衛(wèi)星，即不同的GLONASS衛(wèi)星發(fā)射頻率不同的信號(hào)，但所有衛(wèi)星信號(hào)上調(diào)制的偽隨機(jī)碼都相同。 GPS采用CDMA（碼分多址）方式，所有衛(wèi)星都使用相同的頻率，而在載波上調(diào)制的偽隨機(jī)碼隨衛(wèi)星不同而不同?！锒ㄎ痪炔煌?/p>

GPS系統(tǒng)使用的偽隨機(jī)碼速率比GLONASS的相應(yīng)碼速率高一倍，其分辨率也高一倍，從理論上講GPS系統(tǒng)的定位定位精度比GLONASS高。★空間衛(wèi)星分布情況不同 GLONASS系統(tǒng)能為高緯度地區(qū)提供封更好的覆蓋，而GPS的優(yōu)勢(shì)在中低緯度地區(qū)。3、其他衛(wèi)星地位系統(tǒng)

★歐盟將在2008年推出民用的伽利略系統(tǒng)，定位精度在1米之內(nèi)?！镂覈?guó)已投入運(yùn)行北斗雙星定位系統(tǒng)，但主要是面向軍隊(duì)用戶。三、獨(dú)立定位

與前兩種技術(shù)相比，獨(dú)立定位技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是完全自主，不需要使用通信設(shè)備，因此受外界因素的影響小。 最典型的獨(dú)立定位技術(shù)是慣性導(dǎo)航，它依據(jù)牛頓力學(xué)原理定位，通過(guò)利用各種慣性傳感器測(cè)量載體的速度、加速度、位移、航向等信息，解算出載體在慣性坐標(biāo)系中的相對(duì)位置。

慣性導(dǎo)航的定位精度主要取決于磁羅盤、陀螺儀、加速度計(jì)等慣性傳感器的測(cè)量精度。 如果不考慮設(shè)備的體積、成本和安裝校準(zhǔn)的復(fù)雜度，采用精密慣性器件可以使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)達(dá)到并長(zhǎng)時(shí)間保持很高的定位精度。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是具有誤差累計(jì)效應(yīng)，其定位精度會(huì)隨定位過(guò)程的進(jìn)行不斷下降。磁羅盤

磁羅盤是用來(lái)測(cè)量其所在位置磁北的儀器。我國(guó)古代開始使用的指南針也是磁羅盤，只是經(jīng)度不夠高。 現(xiàn)在的磁羅盤的精度可以達(dá)到很高，精度可以達(dá)到±0.5度。 磁羅盤的體積很小，使用起來(lái)非常方便。但從測(cè)試原理上分析，其很容易受到干擾。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)★ 地心慣性坐標(biāo)系 慣性坐標(biāo)系是符合牛頓力學(xué)定律的坐標(biāo)系，即是絕對(duì)靜止或只做勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。由于宇宙空間中的萬(wàn)物都處于運(yùn)動(dòng)之中，因此想尋找絕對(duì)的慣性坐標(biāo)系是不可能的。我們只能根據(jù)導(dǎo)航的需要來(lái)選取慣性坐標(biāo)系。對(duì)于在地球附近運(yùn)動(dòng)的飛行器選取地心慣性坐標(biāo)系是合適的。地心慣性坐標(biāo)系不考慮地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然更略去了太陽(yáng)相對(duì)宇宙空間的運(yùn)動(dòng)。

地心慣性坐標(biāo)系的原點(diǎn)Oe選在地球的中心，它不參與地球的自轉(zhuǎn)。習(xí)慣上我們將zi軸選在沿地軸指向北極的方向上，而xi、

yi軸則在地球的赤道平面內(nèi)，并指向空間的兩顆恒星?！?地球坐標(biāo)系

地球坐標(biāo)系是固連在地球上的坐標(biāo)系，它相對(duì)慣性坐標(biāo)系以地球自轉(zhuǎn)角速率we旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度為15度/小時(shí)。地球坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地球中心Oe，Oeze軸與Oezi軸重合，Oexeye在赤道平面內(nèi)，xe軸指向格林威治經(jīng)線，ye軸指向東經(jīng)90°方向?！?地理坐標(biāo)系 地理坐標(biāo)系是在車體上用來(lái)表示車體所在位置的東向、北向和垂線方向的坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系的原點(diǎn)選在車輛的重心處，xt指向東，yt指向北，zt沿垂線方向指向天。x軸和y軸構(gòu)成的平面為地球上某一點(diǎn)與地球相切的平面，其中x軸沿該平面指向正東方向，y軸為北向，z軸垂直該平面向上?！?地球自轉(zhuǎn)角速度的分解★ 陀螺

本質(zhì)上說(shuō)陀螺是角速度傳感器?！?靜基座尋北★ 方向保持★ 加速度計(jì)

慣性系統(tǒng)

慣性系統(tǒng)由陀螺和加速度計(jì)組成，可以測(cè)出車輛的方向，從而給出車輛行進(jìn)的方向。里程計(jì)

里程計(jì)可以測(cè)量出車輛行駛的距離，里程計(jì)裝在車軸上，用來(lái)測(cè)量車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檐囕S每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，車輛行駛的距離是確定的，因而可以通過(guò)測(cè)量車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)獲得車輛行駛的距離。 里程計(jì)在使用之前必須標(biāo)定?！锖轿煌扑愕膶?shí)現(xiàn)

利用慣性系統(tǒng)得到了車輛行駛的方向，又由里程計(jì)得到了車輛在單位時(shí)間內(nèi)行駛的距離，加上車輛的初始位置，就可以得到車輛的實(shí)時(shí)位置了。(x0,y0)(x1,y1)(xn,yn)d0d1dn-1其中（x0,y0)為0時(shí)刻車輛的初始位置，di是行駛距離，車輛常用的定位方法

其一 采用衛(wèi)星定位的方法，可以得到全天候的車輛定位。 其二 采用航位推算的方法。如果知道了車輛的起始位置，又通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或磁羅盤獲得車輛的航向、通過(guò)里程計(jì)測(cè)出車輛行駛的距離，就可以推算出車輛的實(shí)時(shí)位置。

§2.2智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)的組成與原理

智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)（IntelligentVehicleLocationandNavigationSystem）是應(yīng)用自動(dòng)車輛定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的高科技綜合系統(tǒng)。1、自動(dòng)車輛定位 智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)可在車輛出行時(shí)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地確定出車輛當(dāng)前的位置，并以圖形化方式顯示在電子地圖背景中。2、行車路線設(shè)計(jì) 智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)可依據(jù)駕駛員提供的起點(diǎn)、終點(diǎn)和途徑點(diǎn)，自動(dòng)規(guī)劃出旅行代價(jià)最少的最佳行駛路線。3、路徑引導(dǎo)服務(wù) 智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)可在出行過(guò)程中產(chǎn)生語(yǔ)音或圖形的實(shí)時(shí)引導(dǎo)指令，幫助駕駛員沿預(yù)定行車路線順利抵達(dá)目的地。4、綜合信息服務(wù) 智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)可向用戶提供與電子地圖有關(guān)的信息檢索與查詢服務(wù)，如按用戶要求顯示停車場(chǎng)、主要旅游景點(diǎn)、賓館飯店等服務(wù)設(shè)施的位置的數(shù)據(jù)資料，并在電子地圖中指示其所處的位置。5、無(wú)線通信功能 智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)可接收實(shí)時(shí)交通廣播信息，使用戶及時(shí)掌握最新的道路狀況，同時(shí)還可將車輛狀況報(bào)告給交通控制中心，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、求助和通信功能。智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)的組成1、電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)

電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)是現(xiàn)代車輛導(dǎo)航系統(tǒng)必不可少的組成部分，它包含以預(yù)定格式存儲(chǔ)的數(shù)字化導(dǎo)航地圖，為系統(tǒng)提供諸如地理特征、道路位置及坐標(biāo)、交通規(guī)則、基礎(chǔ)設(shè)施等多種重要信息。2、地理信息引擎

地理信息引擎是操作和查詢電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，提供電子地圖的顯示、瀏覽、動(dòng)態(tài)刷新、縮放等功能和相關(guān)的信息檢索與查詢服務(wù)。3、定位模塊

定位模塊由定位傳感器和數(shù)據(jù)處理及濾波電路組成，其功能是提供實(shí)時(shí)、連續(xù)的車輛位置估計(jì)