本章首先较为详细的介绍了车辆导航系统的组成结构，接着对车辆定位技术和矢量地图作了介绍，最后以GPS 实验室开发的车辆导航系统为例介绍了一个实际的车辆导航系统。
§2.1 车辆导航系统的结构
§2.1.1 车辆导航系统物理结构
从物理结构上来看，车辆导航系统可以分为以下三个组成部分：车载系统、无线通信系统和交通管理中心[12]。如图2.1 所示是车辆导航系统的物理结构图。
车载系统由以下两个模块组成：
1> 车辆定位模块。车辆定位模块利用GPS、GPS/DR 等定位方式对车辆定位，得到车辆的位置、速度和行驶方向等车辆信息；使用DSP 或车载计算机对车辆信息进行处理，实现车辆轨迹实时校正和导航路线选 择等功能；最后把处理结果显示在屏幕上，供用户参考。
2> 车载通信模块。车载通信模块负责车辆和无线通信系统的通信，获得实时的路况或其它信息。无线通信系统负责交通管理中心和车载系统之间的通信。交通管理中心负责接收车辆发送的报警求助等信息，接收道路交通信息采集车发回的路况信息，对这些信息处理后发送给导航车辆。
§2.1.3 车辆定位模块的逻辑结构
本文研究的是车辆定位模块中的车辆轨迹实时校正问题。从逻辑结构上看车辆定位模块可认为由三个层次组成：物理层、处理层和智能层。如图2.2 所示，物理层提供当前车辆的相关信息，包括定位、定向、定时信息，以及与当前位置相关的地理信息数据；处理层则在车辆相关信息的基础之上，进行一系列的数据处理，如车辆轨迹实时校正等；智能层则着重于车辆导航功能的实现，它包括专家系统，辅助决策系统，可以完成不同条件下的路径搜索，还能够将历史轨迹记录下来，以供参考。
§2.2 车辆定位技术
本节介绍了几种车辆导航系统中常用的定位方式及其定位原理。
§2.2.1 GPS 定位系统及其定位原理
GPS 系统由三个部分组成[13]：
空间部分：包括21 颗工作卫星，3 颗备用卫星，共24 颗在轨卫星。
地面支撑系统：包括1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。
用户设备部分：包括独立应用的各类GPS 接收机和与其他设备或系统组合应用的各类产品。
GPS 定位方法按照测量方法可以分为：伪距测量法、多普勒频移法、载波相位法和干涉法四种。其中伪距测量法简单易行，应用最为广泛。其基本原理如下。
用户接收机接收卫星信号，测定卫星至用户的传播时间，从而确定卫星至用户的距离。
距离和电波传播延迟时间的关系如下：
R = c *T
式中： c——光速；
T——电波传播延迟时间；
R——卫星到用户的距离。
根据卫星信号所含有的卫星星历信息，可以求得每颗卫星在发射时刻的位置，从而确定用户的位置在一个以卫星为球心，以R 为半径的球面上。用同样的方法，测定用户至三颗卫星的距离，可以确定用户在空间的位置，即三个球面的交点。如果测点在地面上，则只需要测量两维位置，故只需测定用户至两颗卫星的距离就可以测定用户的位置。
要测定用户至卫星的距离，就要测量卫星到用户的电波传播延迟时间，为此用户必须和卫星保持准确的时间同步。这就需要卫星和用户同时配备精确的原子钟。由于原子钟非常昂贵，一般用户是不可能配用原子钟的。因此卫星无源测距定位只能用于地面站测控卫星或某些特种用户。
由于用户设备不配用原子钟，用户接收设备测量得到的用户至卫星的距离就包含了由卫星钟和用户钟的钟差引入的误差。称这种含有钟差误差的测量距离为“伪距”。
测点P P 至第i 颗卫星S i 的伪距PR i 可由下式确定：
卫星位置( , , ) si si si X Y Z 和卫星钟偏差si Dt 由解调卫星电文并通过计算获得；电波传播延迟误差Ai Dt 用双拼测量法修正，或者利用卫星电文所提供的校正参数根据电波传播模型估算得到。伪距i PR 由接收机测定。观测点位置(X ,Y, Z) 和钟差u Dt 为方程组的4 个未知数，通过求解方程组获得。所以必须测量用户至4 颗卫星的伪距，可到四个方程才能求解所有未知数。这也就是为什么必须至少观测到4 颗卫星才能进行三维坐标定位的原因。对于陆上或者海上用户来说，如果知道天线的高度，则只需要测量用户至3 颗卫星的伪距就可以确定二维位置和用户钟相对于GPS 系统时的偏差。
§2.2.2 GPS/DR 系统的定位基本原理
GPS 能准确、实时的测定运动车辆的位置数据。但是在城市环境特别是在高楼林立的大城市中，常常发生GPS 信号受遮挡而使定位精度大大下降甚至无法定位的情况。所以在实际应用中，有时还需使用其他手段加以辅助。航位推算系统DR（Dead reckoning）是另一种比较常见的车辆定位方法，可以和GPS 定位系统组合应用，以弥补GPS 定位系统的不足。航位推算系统主要由测量航向角的传感器和测量距离的传感器构成。测量
航向角的传感器主要有罗盘仪和角速率陀螺等，测量距离的传感器主要有里程仪和加速度计。陀螺输出航向角的角速率信息，将陀螺输出的角速率信息积分可以得到载体的相对转角。如图2.2 所示，已知车辆的起始点( , ) 0 0 0 g x y 和初始航向角0 q ，通过实时测量车辆的行驶距离和航向角的变化，就可以实时推算出车辆的位置[14]。具体算法如下：
从上式可以看到：
1> 航位推算系统需要实时得到车辆前后时间距离的变化量s 和q ；
2> 航位推算系统工作需要通过其它手段得到车辆初始时刻的位置g 0 和 q 0 ；
3> 航位推算是一个累加的过程，因为不同时刻的测量误差和计算误差都会累积起来，所以随着时间的推移，航位推算系统的误差是一个发散的过程。
因此，在实际的导航系统中，可以采用组合导航技术把GPS 和DR 两种导航系统结合起来。这样可以利用GPS 系统提供的位置和速度信息对航迹推算系统的误差进行实时地校正和补偿，消除航迹推算系统的累积误差；而当GPS 信号丢失无法定位时，DR 系统可继续工作，提高了系统的可靠性和自主性。
§2.2.3 GPS/蜂窝网无线定位的基本原理
随着无线宽带蜂窝网络的日益完善，基于蜂窝网的无线定位的理论和应用研究也在不断的进行。本节介绍了CDMA 网络定位原理和GPS/CDMA 网络组合定位原理。
根据测量参数种类和算法运用的不同，CDMA 的定位技术主要有方向角定位和距离定位两种[15]。
1. 方向角定位方案：
如2.3 左图所示，基站利用天线阵列，测量移动终端发射信号的到达角度（AOA，Arrival of Angle），以此确定移动终端的位置。如果使用此系统，必须改变现有CDMA 网络的基站天线，在基站增加用于定位的硬件和软件设备[15]。由于无线链路的多径效应，移动终端发出的信号往往会通过多个路径、从各个角度到达接收端，使得接受端测得的入射角AOA 出现误差，由此产生较大的定位误差。为了降低多径效应的影响，现有无线蜂窝网络的基站天线及其它设备必须经过一些调整才能使用此种AOA 定位技术。
2. 距离定位方案：
距离定位方案通过估计信号电波从移动终端传播到基站的传输时间（TOA，time of arrival/TDOA）或传输时间差进行定位（TDOA，time difference of arrival）。
在现有CDMA 网络中，基站每时每刻向周围发送未经调制的前向导频信号。移动终端接收至少3 个基站的前向导频信号，用于测量信号传输时间（TOA）或传输时间差（TDOA），进行定位，如2.3 右图所示。
应当注意的是，如果利用TOA 进行地点定位，基站发射的信号必须包含时间标记，同时移动终端必须与各个基站保持严格同步，这在现有的无线通信网络条件下是很难做到的。因此仅用TOA 定位很难保证定位的精确性。而利用TDOA定位技术，发射信号则不必包含时间标记，同时避免了移动终端与基站保持同
步的要求[15]。
图2.4 GPS/蜂窝网无线定位方案
实践表明，在传统的CDMA 系统中，方向角AOA 技术或距离TOA/TDOA 技术的定位精度都有一定的限制。当移动终端与基站之间的直射路径被障碍物挡住后，无线电波只能在经过反射和衍射后到达接收端，此时测量到的数据，如到达时间、时间差、入射角度等，将不能正确反映发送端与接收端的真实距离，这种现象被称为非视距传播（NLOS）[16]。非视距传播造成定位算法性能的显著下降，事实证明即使在无多径效应和采用高精度定位技术的情况下，NLOS 传播也会引起测量误差。
为了满足人们对定位精度的需求提高，就需要研究开发新一代的无线定位系统。2002 年，美国QUALCOMM 公司在传统CDMA 网络定位的基础上设计出新型的无线蜂窝网和GPS 卫星联合定位系统——GPS One 系统。该方案改变了传统蜂窝网络系统的定位思路，显著提高了定位精度，使其更适用于移动终端处于城市街道和居室内的情况。GPS One 系统方案如图2.4 所示。图中的移动终端MS，是包含GPS 接收系统的手机。
当可见的GPS 卫星超过四颗时，移动终端的三维坐标均可以获得。只有三颗GPS 卫星可见时，可以得到移动终端经纬度坐标，当GPS 卫星可见少于三颗时，移动终端的经纬度坐标将通过对GPS 信号和蜂窝网的基站信号融合得到。
§2.3 矢量地图介绍
本节介绍了车辆导航系统的基础——矢量地图的结构。矢量地图可以随意缩放，缩放过程中不会失真，可以进行全局或者局部校正，更新起来也很方便。因此目前常见的车辆导航系统大都采用矢量地图。
§2.3.1 矢量地图简介
导航，就离不开地图，就象我们到达一个不熟悉的城市，先要购买旅游地图一样，车辆的导航也离不开导航地图。导航地图是整个车辆导航系统的基础，车辆导航系统的定位、路径寻优、轨迹校正等功能都不开导航地图的支持。和栅格地图相比，矢量电子地图数据量小，地图可以随意缩放，缩放过程中不会失真，可以进行全局或者局部校正，更新起来也很方便。因此绝大多数车辆系统中使用的电子地图是以矢量地图作为其表现形式的。
数据是矢量地图的核心，矢量地图可以看作由点、线、面这三种几何对象以及它们的属性数据构成的数据的集合，所以我们引入了地图矢量库和地图数据库这两个概念[18]。矢量库是一组图形描述数据，保存了地图的几何数据；数据库则是一组描述数据，保存地图各种几何对象的属性数据，二者之间通过地物对象的序号建立索引关系，如图2.5。
生成、编辑电子地图的过程就是生成、编辑地图矢量库和数据库的过程，下面我们来详细介绍一下这两个最重要的库。
§2.3.2 地图矢量库
一副地图可以看成是由点、线、面三种几何图形构成的。点指的是单位之类的地物实体，线则是道路、铁路之类的实体，而区划这类的实体就可以用面来表征。依照传统的习惯，把点、线、面这三类地物按照从上到下的顺序排列。矢量库定义出几何结构的位置形状信息。我们下面主要介绍一下与线标志有关的一些定义，也就是道路的有关定义[19]：
定义0：矢量边。是一些点的坐标的集合，表征着一条连续的折线。它有以下的性质：
a．点的排列顺序决定了折线的行进方向，决定了折线的形状和位置；
b．只有两个端点可以属于别的矢量边。
定义1：大节点、小节点、节点。大节点是矢量边的端点；小节点是指矢量边除端点之外的内部点；大节点和小节点统称节点。
定义2：弧。一条弧就是一条矢量边，是若干个节点的集合。组成弧的节点是顺序排列的。
定义3：路。路是若干条弧的集合。
§2.3.3 地图数据库
地图数据库中包含了各种地物的属性数据。
对于面地物，需要知道的属性有：类型、位置、形状、名称、颜色等；
对于点地物，需要知道的属性有：类型、位置、名称、显示图标、显示级别等；
对于线地物，需要知道的属性有：类型、位置、形状、名称、颜色、显示宽度、显示级别等；
上面提到的各种地物的属性数据中都有一项——类型，也就是它所属的组（Group）。组，定义出了某一批地物的缺省属性，是一些具有相同或相近属性的同类地物的集合。整个数据库的层次如下所示：
图2.7 地图数据库的层次
地图的数据库有四个层次，最上层当然是地图数据库，它由三个部分（Division）构成的，也就是点、面、线三大类地物；每个部分又由若干个组（Group）构成；每个组又由若干个地物实体（Entity）构成，实体，就是点、面、线这类的地物个体。这种分层结构使得配置地图数据库时显得特别的方便。
§2.3.4 地图矢量库的组织
在对车辆轨迹校正时，我们所关心的只是弧和节点位置数据的读取，下面我们就来看看在地图矢量库中是如何组织这些数据的。
前面提到，弧是节点的集合，路是弧的集合。我们可以把矢量库看成由三个表所构成，一个节点的表，每一行表示一个节点，X、Y 坐标组成这个表的两个列；一个弧的表，它的每一行表示一条弧，它的列是构成这条弧的点；还有一个路的表，它的每一行表示一条路，每一列构成这条路的所有的弧。
由于节点、弧、路之间的关系是很密切的，因此我们提供充分的机制，使得它们之间能够顺利的相互访问[19]。如图2.8 所示。每个节点、弧、路在矢量库中都有唯一的标识，我们称之为节点、弧、路的ID。
图2.8 地图矢量库的组织
§2.4 GPS 实验室开发的车辆导航系统
GPS 实验室开发的GPS 车辆导航系统将GPS 全球卫星定位技术与导航矢量地图技术相结合，实时准确地跟踪车辆的位置，将车辆的定位信息显示在电子矢量地图上，从而使用户得到自己准确的位置，并获知自己附近的道路情况。该导航系统具有车辆导航系统必备的功能，如定位和跟踪功能、查询功能、路线指引与提示功能、路线指引与提示功能、路径寻优功能等等[11]。
GPS 车辆导航系统由软件和硬件两部分组成。硬件包括：GPS 接收机（包括天线等附件）、笔记本电脑（包括串口线、电池等附件）。软件包括系统软件（WIN95/98 操作系统）、车辆导航系统软件和导航电子地图。出于方便科研和试验的考虑，我们选择了笔记本电脑作为车辆导航系统的硬件平台，这样我们
就把精力集中于车辆导航系统软件的研发。
GPS 接收机通过串口线与笔记本电脑相连，接收到GPS 卫星定位信号后，解算出车辆定位信息，将定位信息通过串口线输入车辆导航系统软件。车辆导航软件从定位信息中进一步解算出经纬度、速度、方向等车辆信息，然后在电子地图的背景上加以显示，并实现其他的导航功能。本实验室开发的导航软件界面如下图所示。
图2.9 本实验室开发的导航软件界面
