3.1GPS误差..
GPS信号从卫星中发出到被车载.. GPS接收机获得并计算出车辆位置和其他运行信息的过程中，有多种因素会影响到车辆从.. GPS信息获得的位置的准确性。从2000年.. 5月，.. GPS的.. S/A(Selective Availability)被美国政府取消后，理想环境下的GPS定位精度已经可以达到.. 20米以内，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。影响.. GPS信号准确性的各种误差其性质各不相同，仔细比较研究各种误差的性质，是我们校正这些误差的基础。..
3.1.1 GPS误差分类..
GPS误差主要包括以下几个方面卫星星历误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应、天线位置误差以及接收机软件和硬件造成的误差，总的来说可以分为系统误差和随机误差.. [3]。
系统误差：
1. 卫星星历误差
在进行.. GPS定位时，计算在某时刻.. GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。
2．卫星钟差
卫星钟差是.. GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与.. GPS标准时间之间的误差。
3．卫星信号发射天线相位中心偏差
卫星信号发射天线相位中心偏差是.. GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。
4．电离层延迟
由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得.. GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。
5．对流层延迟
由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得.. GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播路径上的温度、湿度和气压有关。
6．接收机钟差
接收机钟差是.. GPS接收机所使用时钟的钟面时与.. GPS标准时之间的差异。
7．接收机天线相位中心偏差
接收机天线相位中心偏差是.. GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。
随机误差：
1. 多路径效应
由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。
在进行.. GPS定位时，定位结果还会受到处理与控制软件和硬件等的噪声影响。在以上介绍的各种误差中接收机钟差、接收机天线相位中心偏差、接收机软件和硬件造成的误差随所采用的.. GPS接收设备不同而不同。其他误差范围如下表所示[3]：
3.1.2各种类误差特点
通过我们上面的误差成因分析可以看出，多路径误差和接收机软件硬件造成的测量噪声在车辆运行中是随机变化的，当前时刻和前一时刻的误差没有关系，这类误差也可以称其为不稳定的跳跃误差；系统误差中的各项虽然没有准确的计算方式，但是它们的误差值在一定时间段内会保持相对稳定的，也就是说当前时刻的误差值与前一时刻（或一定时间内的）的误差值相比变化比较小，可以称其为相对稳定的慢漂移误差，简称慢漂移误差。
系统误差在相邻时刻或者短时间间隔内具有高度相关性，这意味着在相似环境下较短时间内，.. GPS主要误差相对稳定[15]。有效利用.. GPS误差的这种特性使新地图匹配算法能够利用历史时刻的轨迹偏差作为虚拟差分量对.. GPS轨迹位置进行有效的校正，特别是对于其他算法不能有效处理的沿道路方向上的误差进行克服。
对于.. GPS轨迹位置主要误差的慢漂移特性以及时间与空间的相关性，我们通过对实际观测数据的统计也证明了这种慢漂移性和相关性的存在，如图.. 3.2，图.3.3所示。
图3.2 GPS轨迹信息中位置信息误差的期望随时间的变化
图3.3 GPS轨迹位置信息误差的自相关函数
图3.2中车辆位置观测值的误差期望是渐变的，当车辆在同一路段或者相邻路段上行驶时（时间<300s），误差的期望值在定位的精度范围内基本保持不变（<1m），也就是说在一段连续时间内GPS的误差有相似趋势（方向和大小）。图3.3中，位置观测误差的自相关函数并不是冲激函数d (k )，这说明从GPS车载
接收器获得的车辆位置信息并不是白噪声，当前时刻的位置概率分布与前面时刻有关。总结两幅图的信息我们可以知道，GPS轨迹误差并不总是均值为0的均匀分布，在某段时间内总有一个相对稳定的偏差量，
GPS误差以这个偏差量为中心 均匀分布，这正是慢漂移误差与随机误差共同作用的结果；GPS轨迹误差与历史轨迹误差有关，根据历史误差可以对当前误差进行估计或者预测。
3.1.3常见克服
GPS误差方法在利用GPS进行定位或导航的应用中，多种方法被用来降低GPS误差带来的影响，其中既有基于硬件的方法也有软件的方法。主要包括三种：差分GPS、组合定位以及滤波和地图匹配算法。其中前两种主要靠硬件方式提高GPS轨迹的准确度，第三种方法主要是软件算法上的实现。
3.1.3.1差分GPS
为了消除或者减少GPS误差使民用的精确度提升，采用利用地面确定位置基站协助GPS定位的方法，称为差分全球定位系统(Differential GPS), 简称DGPS。在固定地点的基站通过自己的位置和接收到的GPS卫星信号来估算当前时刻各个GPS卫星信号的误差。也就是利用已知位置处的GPS误差来估算位置位置处的
GPS误差，亦即利用附近的已知参考坐标点(由其它测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个实时
(Real time)误差值加入本身坐标运算的考虑, 便可获得更精确的值，前提是GPS信号对应的是相同的卫星也就是基站与差分GPS用户在临近区域。
差分GPS对于处理卫星位置和大气层延迟误差具有非常明显的效果，因为这些误差在基站与临近GPS接收器之间是相关或者说相似的。
差分GPS主要能够校正共性误差，也就是说在基站和普通接收机上都有相似取值的误差。多路径误差、硬件噪声、接收机钟差和天线位置误差等都无法克服。差分GPS用户距离基站距离越近，克服误差的效果越好。
3.1.3.2组合定位系统
单独的GPS定位系统无法获得车辆的准确位置，如果与其他定位设备或者传感器进行信息融合，他们之间互相进行补偿组成组合导航系统，可以得到更高的定位精度。组合信息通常来源于一个时间周期的多个传感器，或者来自于延长时间周期的单个传感器。组合定位系统具有提供高精度和容错的潜力。
多传感器集成和融合给一个系统提供额外的益处。这包括坚固的操作性能，扩展的空间覆盖，扩展的时间覆盖，增强的可信度，改进性能，增强空间分辨率，提供系统操作的可靠性，增加了维数，各种设备的充分利用以及减少模糊等等。尽管传感器融合有许多优点，但大多数融合方法明显地或隐含地产生某些假设。如果假设的传感器模型不能恰当地描述来自真实传感器数据，则一个完美的传感器模型和评价理论也不可能产生所期望的结果。当前使用比较普遍的传感器融合模型是卡尔曼滤波器。
3.1.3.3 滤波和地图匹配算法
滤波和地图匹配算法是克服GPS误差的软方法。通过一些滤波器，如卡尔曼滤波器，对GPS信号进行滤波，可以一定程度上消除GPS的随机误差。实际上对GPS误差有更好校正效果的是地图匹配算法。地图匹配算法的目标是将从GPS获得的带有误差的车辆位置匹配到交通矢量地图的对应道路对应点上。当交通矢量地图是准确的时，通过地图匹配算法获得的地图上的映射位置就是车辆的准确位置，也就是通过地图匹配误差和准确地图信息消除了GPS位置信号中的误差影响。
地图匹配算法是我们的研究重点，卡尔曼滤波也是我们要应用的工具，在论文后面的部分中会进一步详细介绍。
3.2 交通矢量地图误差
鉴于矢量地图准确性对整个智能交通系统都有着非常重要的作用，如何提高其准确性是当前研究的一个重点。通过现代的高精度测量手段、改进矢量地图生成方法和对矢量地图校正方法的研究.. [7]，当前许多大城市的地图已经非常准确了，特别是欧美等国家的交通矢量地图准确性非常高。但是对于交通矢量地图来说，要完全消除一个区域地图的所有误差是不可能的。交通矢量地图误差的研究，特别是对于道路网位置误差的研究，是提高.. GPS车辆导航系统准确性可靠性的一个重要方面，而实际上对交通矢量地图误差的分析，以及在地图匹配算法中进行处理是当前大部分相关研究都忽视了的一个方面。..
3.2.1 矢量地图生成过程简介
要研究矢量地图的误差，我们必须清楚矢量地图的生成过程，从而才可能知道误差的来源。要生成一副交通矢量地图，首先是生成地图的矢量文件，生成矢量地图的拓扑结构——矢量库。通常的方法是采用从点位图中识别、生成矢量地图的方式。我们将从纸制地图扫描得到的点位图进行识别，提取出其中的道路信息，然后将这些道路信息矢量化得到一副只包含道路信息的矢量文件，将这作为一副矢量地图的基础。然后，在这个基础上进行编辑、校正，并输入各种地图上的有关数据，生成电子地图的数据库，最终生成一个完整而准确的矢量地图.. [5]，如图.. 3.5所示。
图.. 3.5交通矢量地图的生成
从图.. 3.5的框图中我们可以看出生成一副较完备矢量交通地图，主要包括以下三个步骤：
①彩色地图的道路识别；
②地图矢量化；
③矢量地图的校正和地图信息的添加；
彩色地图的道路识别，就是根据一幅彩色交通地图，利用一定的算法，提取出其中的道路、区域信息，形成一幅黑白位图.. [4]。地图矢量化则是根据得到的线状的黑白位图抽取出有意义的模式特征。矢量化后的地图经过校正和添加地图信息就可以应用于车辆监控和导航系统了。..
3.2.2 交通矢量地图误差分析
通过上面交通矢量地图生成过程的介绍，我们知道了其重要的三个步骤：彩色地图的道路识别，地图矢量化，矢量地图的校正和地图信息的添加。对于地图误差来源的分析，也就从这三个步骤入手。
首先在彩色地图道路识别的步骤中，原始的彩色地图（扫描地图或者航拍地图）是带有误差的，包括整体线性误差和局部非线性误差。这些误差在道路识别过程中必然会被带入到识别的道路网中，并且道路识别过程中的模式匹配算法的不完善也会加入新的误差。
在地图矢量化过程中，需要先将第一步得到的道路网中道路的宽度缩小到.. 1个像素单位，在这一过程中由于原始地图道路宽度的不均匀，得到的结果可能会有与原始道路状况不符合的道路线弯曲。在接下来的地图道路矢量化过程中，也会产生一些地图的局部误差。
经过最后一步的矢量地图校正，大部分道路网位置误差可以得到修正，但是在地图的局部位置，由于校正过程中采样点密度不够或者分布不够均匀，会残留局部的非线性误差，包括平移误差和旋转误差。
通过论文第二章对矢量交通地图的结构介绍，我们可以知道，对矢量交通地图，节点是形成交通道路网络最基本的单元。节点位置精度唯一决定了道路位置的精度。在交通矢量地图中不管哪一种道路位置的不准确都是由节点位置不准确引起的。图.. 2中是交通矢量地图中平移误差和局部旋转误差的示意图。实线表示的是地图上的道路，虚线表示的是道路在地图上准确位置的所在。图中的箭头表示地图上点与准确位置之间的偏差关系。
图3.6交通矢量地图中道路的平移误差和旋转误差
从图3.6中我们可以看出，地图道路上相邻两点的误差是连续的，也就是说沿某一条道路，其地图位置与实际位置是连续渐变的。地图误差的这种连续变化特性也是可以在地图匹配算法中加以利用来克服地图误差带来的匹配误差。而且由于使用中的交通矢量地图都是按照经纬度经过一定的校正处理，所以不会有大幅度的变化，其连续慢变化的特性与GPS误差中的慢漂移误差的缓慢变化相似。
