改進的地圖匹配技術(shù)在車載導航系統(tǒng)中的應用

0引 言
　　隨著城市化的進展和汽車的普及，交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化，這成為長期以來困擾發(fā)展中國家和發(fā)達國家的嚴重問題。解決此問題的直接方法是提高路網(wǎng)的通行能力?？尚藿ü返目臻g有限，而且建設資金籌措困難。交通系統(tǒng)是復雜的大系統(tǒng)，我們應從系統(tǒng)論的觀點出發(fā)，把車輛和道路綜合起來考慮，運用各種高新技術(shù)系統(tǒng)解決交通問題，智能交通系統(tǒng)(intelligent transport system)應運而生。

　　整個智能交通系統(tǒng)都以車輛的定位導航為核心，車輛導航系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的中心部件，是其他各種功能應用的基礎。GPS或者GPS／INS或者GPS／DR方案以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、中高精度和良好的動態(tài)性能等優(yōu)點，被廣泛的應用于車輛導航系統(tǒng)。本文就是實現(xiàn)組合定位，在應用地圖匹配(map matching，MM)定位技術(shù)進行車輛定位，以便在行駛過程中為用戶提供準確可靠的實時定位信息，為智能交通管理系統(tǒng)的實現(xiàn)提供技術(shù)上的保障。

　　1地圖匹配的原理

　　地圖匹配是一種基于軟件技術(shù)的定位修正方法，其基本思想是將車輛定位軌跡與數(shù)字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來，并由此相對于地圖確定車輛的位置。

　　地圖匹配應用是基于以下2個假設條件：

(1)車輛總是行駛在道路上；
(2)采用的道路數(shù)據(jù)精度要高于車載定位導航系統(tǒng)的定位精度。當上述條件滿足時，就可以把定位數(shù)據(jù)和車輛運行軌跡同數(shù)字化地圖所提供的道路位置信息相比較，通過適當?shù)钠ヅ溥^程確定出車輛最可能的行駛路段以及車輛在該路段中的最大可能位置。如果上述假設不成立，則地圖匹配將產(chǎn)生錯誤的位置輸出，并可能導致系統(tǒng)性能的嚴重下降。一般認為用于匹配的數(shù)字地圖誤差不應超過巧米(真實地面距離)。由于陸地車輛在除進入停車場等之外的絕大多數(shù)時間內(nèi)都位于公路網(wǎng)絡中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的。

　　2地圖匹配算法

　　地圖匹配的算法是曲線匹配原理和地理空間接近性分析方法的融合。曲線匹配算法的基本思想是：如果對一條曲線做任意數(shù)量、任意比例的分割，分割點都落在另一條曲線上，則兩條曲線嚴格匹配。實際應用中，就是計算一條曲線上相對均勻的某一數(shù)量分割點到參考曲線的距離的平均值，將其作為到參考曲線的平均距離，并將此平均距離的倒數(shù)作為匹配優(yōu)劣的度量?？臻g接近性分析方法就是在已知的可能正確的地理數(shù)據(jù)集中，按照空間最接近的方法匹配當前定位數(shù)據(jù)。

　　地圖匹配算法可分為2個相對獨立的過程：一是尋找車輛當前行駛的道路；二是將當前定位點投影到車輛行駛的道路上。其基本辦法是按照曲線匹配的思想在車輛航跡的鄰近區(qū)內(nèi)搜索所有道路路段及其組合，把這些組合路線分別與車輛航跡求取匹配度量值，將取得最佳匹配度量值的組合路線作為車輛當前行駛路線。地圖匹配的常用算法有以下幾種：直接投影算法；相關(guān)性算法；半確定性算法；概率統(tǒng)計算法；模糊邏輯算法；基于計算幾何(非數(shù)值計算)知識(并暫時不考慮測量誤差)算法。

　　由于計算幾何知識算法不需要數(shù)據(jù)融合，極少需要考慮行車方向，非常直觀，并且減少了許多數(shù)值計算，具有極高的正確匹配率，能夠滿足快速、準確、實時地定位車輛位置的要求。因此，本系統(tǒng)選用基于計算幾何知識的地圖匹配算法。

　　基于計算幾何(非數(shù)值計算)知識(并暫不考慮測量誤差)，根據(jù)測量點位坐標有2種思路：

　　(1)不斷判斷剛測得的點位于道路的哪一側(cè)，如果剛測得的點與前期測得的某個點位于道路1的兩側(cè)，則車輛在道路1上行駛。如果道路1是一條彎曲的路徑，那么經(jīng)多次測量，并應用該方法也可以判斷車輛所處的道路。

　　(2)逐段計算測量點集的凸殼，依據(jù)道路與凸殼的交判斷車輛在哪條道路上行駛。

　　但當測量點全部位于1的同一側(cè)時，算法失敗。另該算法沒有考慮測量誤差，由此對GPS測量誤差的抗噪性差很有可能使算法失敗。

　　3改進的地圖匹配方法

　　在算法設計時基于以下4個方面的考慮：一是效率，地圖匹配算法必須能夠滿足車輛導航實時、快速的要求；二是精度，地圖匹配的目的就是有效地提高車輛定位目標的精度，并保持定位結(jié)果的穩(wěn)定性；三是不同交通狀況分別給出策略處理以提高道路選取得正確率和縮短匹配時間；四是程序設計，必須用可以量化的方式保證程序設計的可能性。基于上述考慮提出了以下的地圖匹配算法，算法分為3個步驟。

　　3.1數(shù)據(jù)預處理過程

　　利用各種規(guī)則形成的知識庫過濾掉異常定位數(shù)據(jù)，并對其進行有效插值。主要考慮的因素有：GPS板提供的PDOP值(一般取PROP>6)、地圖范圍(預先確定車輛行駛的有效地理區(qū)域)，以及車輛的行駛速度等。其規(guī)則如下：
規(guī)則1 IF PDOP>6 THEN GPS數(shù)據(jù)異常，轉(zhuǎn)規(guī)則5；
規(guī)則2 IF Pos(L，B)NOT IN MapArea THENGPS數(shù)據(jù)異常，轉(zhuǎn)規(guī)則5；
規(guī)則3 IF Pos( V)>Const Car Speed THENGPS數(shù)據(jù)異常，轉(zhuǎn)規(guī)則5；
規(guī)則4 IF Pos(V)規(guī)則5 IF Car In隧道或立交橋THEN GPS數(shù)據(jù)異常；ELSE DR子系統(tǒng)啟動獲取定位數(shù)據(jù)。

　　其中，MapArea為預先設定的車輛行駛的地理區(qū)域理論范圍；Pos(L，B)為當前車載GPS定位數(shù)據(jù)；Pos(V)為當前車輛行駛速度；Car Speed為預先設定的車輛行駛的最大理論值。

　　3.2車輛行駛路段的確定

　　美國取消SA干涉政策后，GPS的精度在正常狀況下小于25 m，在大部分路段可以直接投影獲得當前車輛行駛的道路。難于判斷的情況一般出現(xiàn)在車輛通視條件較差等原因引起的GPS定位精度降低或車輛在道路交叉口時。