本章首先介绍论文研究的基本背景，并且根据领域现状提出我们的研究目标，本章的最后部分是论文内容的结构安排。
1.1 背景
近年来随着车辆数量的快速增长与道路网范围的扩大与复杂，公路交通系统的拥挤度和复杂性与日俱增，随之而来的是交通代价与浪费的不断提高，个人用户的出行不便。研究发现，仅美国的主要城市每年由于交通拥挤而造成的浪费就已超过475亿美元，每年因交通拥挤浪费的燃料达143.5亿升，浪费的工作小时为27亿。并且90年代以来，这些数字以每年5~10%的速度递增[1]。越来越多的新科技技术被用来保障交通舒畅和改善道路安全。由于计算机、信息和通信技术越来越广泛地应用于交通的辅助和交通条件的改善，兴起了一个新的交通研究领域——智能交通系统（ITS）。
智能交通系统(ITS)是未来交通系统的发展方向，其是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。当前ITS的服务领域有：先进的交通管理系统、先进的出行者信息系统、先进的公共交通系统、先进的车辆控制系统、营运车辆调度管理系统、电子收费系统、应急管理系统等。在本论文的研究中，我们研究的重点是智能交通系统的一个重要组成部分：车辆定位和导航系统，它在智能交通的各个领域中都有着重要作用。严格来说我们研究的是车辆定位与导航系统其中的一个重要组成模块——地图匹配算法。
尽管车辆定位和导航系统仅仅在最近几十年才开始出现在世界市场上，但是在人类文明史上，他的研究和发展已经有相当长的历史[1]。在过去20多年中，车辆导航系统得到了迅猛发展，到今天为止应用已经相当广泛，而且随着时间推移和技术发展，其普及趋势必将更加广泛而迅速。当前复杂的交通环境使用户对车辆导航系统更加依赖。车辆导航系统在疏导交通，减少到达目的地时间提高车辆运行过程安全性方面的贡献有目共睹。著名荷兰研究机构TNO最近公布了一项研究成果证明了车辆导航系统对于交通安全的重要作用[2]。其主要研究结论如下：
1. 当在未知区域要行驶到未知目的地时，卫星导航系统的使用能够帮助车辆驾驶者到达目的地。..
2. 卫星导航系统能够提高驾驶员的警惕性，缓解驾驶员压力。..
3. 没有使用卫星导航系统的驾驶员有.. 12%更大的可能性损坏车辆。..
4. 卫星导航系统的使用能够减少行驶距离的.. 16%。..
5. 车辆在未知区域要到达未知的目的地时，卫星导航系统能够减少.. 18%的行驶时间。
另外，该项研究还表明，导航系统能够减少车辆行驶过程中.. 50%的不恰当驾驶操作。卫星导航系统能够使驾驶员集中注意力在车辆驾驶上而不是找路。.. 78%的卫星导航系统用户感觉能够更好的掌控行驶过程中的各种状况。同时，卫星导航系统能够减少驾驶员.. 20%的工作量。
通常来说，导航系统有两个基本组成部分：.. 1）确定车辆地理位置的设备；.. 2）用来显示车辆位置的，由空间数字道路地图构成的地理信息系统（.. GIS）。最常见的车辆定位方式有航位推测（.. DR）传感器，地面无线电，全球导航卫星系统（如全球定位系统.. GPS），和集成导航系统（如集成航位推测和全球定位系统）。
在过去二十年中，卫星导航系统，特别是美国的全球定位系统（.. GPS）在陆地车辆定位领域中占据了主导地位。尤其从2000年.. 5月，GPS的S/A（Selective Availability）被美国政府取消后，GPS民用定位精度得到了很大的提高。虽然GPS定位系统是当前比较准确的卫星全球定位系统，但是定位过程中的误差是不 可避免的。在理想环境下的定位精度可以达到.. 15米。实际上在城市建筑密集地区以及山谷等影响.. GPS信号接收的环境下，.. GPS的定位误差会不同程度的增大。与此同时，由于交通矢量地图的创建和数字化的过程中，不同程度的数字道路网误差会被引入。定位系统的误差和交通地理信息系统的误差造成了导航过程中车辆位置与对应行驶道路不匹配的情况。在交叉路口，环岛，和复杂的立体交叉道路场合，这种不匹配的情况会更为严重。导航系统中的车辆位置匹配错误，不仅使用户无法确定自己当前的准确位置，更不可能在这种情况下完成路径规划与交通引导的功能。地图匹配算法就是针对这种匹配不准确问题设计的，通过同时考虑车辆行驶轨迹的历史信息和当前信息，以及交通矢量地图中的道路网拓扑结构，使车辆位置准确匹配到其所行驶道路上的对应位置上。地图匹配算法对于.. GPS 导航系统这种单一定位设备的车辆导航系统有着非常重要的作用。
车辆导航系统包括两个重要部分，首先要在交通矢量地图上确定车辆当前行驶所对应的道路，其次要确定车辆在这个地图道路弧上的准确对应位置。已经有很多应用于车辆导航系统的地图匹配算法被提出，其中大部分的研究重点都在于如何确定车辆行驶所对应的道路。确定对应道路是地图匹配的最基础任务，同时其正确与否直接决定了对应车辆位置点确定的准确性。但是现有算法在给予匹配道路准确性以其应有的重视的同时，并没有对车辆位置点的确定准确性给予足够的重视。大部分都是在确定了匹配道路之后，简单的用垂直匹配方法完成匹配点的确定，也就是过轨迹点做匹配道路的垂线，以垂足作为车辆位置的匹配点。这种情况造成了现有算法无法有效校正定位系统和交通地图在沿道路方向的误差。当车辆在远离交叉
路口的道路弧上行驶时，这种不准确性还显示不出其危害性，但是当车辆在交叉路口附近、转弯处或者其他复杂交通环境下，道路方向上的误差对于匹配准确性和可靠性方面的影响就显示出来。甚至会危害到后续节点确定匹配道路过程的准确性。
1.2 研究目标
根据上面的介绍我们可以看出地图匹配算法对于车辆导航系统的重要性，同时也能够了解到当前地图匹配算法存在的不足。随着交通状况的复杂，用户对车辆导航系统准确性和可靠性的要求不断提高，新的更准确的地图匹配算法设计是提高车辆导航系统准确性的一个重要途径。
在这篇硕士论文的研究中，首先会调研已经提出的应用于导航系统的地图匹配算法，找出现有算法的优缺点和问题所在。其次对GPS 误差和地图误差进行分析，总结其分布规律来为新算法的设计提供根据。在总结了现有算法和导航过程中的误差之后，我们根据其特点设计能够提高车辆导航定位系统准确性和可靠性的地图匹配算法，特别是对于现有算法没有解决的沿道路方向误差分量的校正提出可行的解决方法。同时将设计的地图匹配算法实现并应用于实际运行的车辆导航系统，通过实际导航过程来验证新地图匹配算法的效果。
1.3论文安排
论文的第二章会对车辆导航系统进行比较详细的介绍，使读者对整个研究的背景和对象有更深入的了解。第三章介绍车辆导航系统中的误差和误差特点，主要是GPS误差和交通电子地图误差。在第四章中会介绍 GPS车辆导航系统中的地图匹配算法问题、模型以及现有主要算法。论文第五章介绍新设计的利用虚拟差分修正量来校正GPS轨迹的地图匹配算法。论文第六章介绍新的改进卡尔曼滤波地图匹配算法。第七章将对整个研究进行总结，并对今后的工作进行展望。
