車載定位與地圖匹配

車載導(dǎo)航定位與地圖匹配PAGE58PAGE571緒論1.1研究本課題的背景及意義近年來，隨著我國交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，越來越多的高新技術(shù)應(yīng)用到道路運輸領(lǐng)域?！皩?dǎo)航”一詞也被借用到道路運輸中。導(dǎo)航[1](navigation)，“navigation”原為“航行”之意。它源于海洋船舶航行，初始形式是羅盤領(lǐng)航和天文導(dǎo)航，此后發(fā)展到陸地車輛和航空飛行器的行駛，以致“navigation”被譯作“領(lǐng)航”或“導(dǎo)航”。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航已發(fā)展成為一門重要的技術(shù)學(xué)科，涉及到計算機技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制和微電子技術(shù)等多種學(xué)科，形成了較為完備的科學(xué)體系，在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。車載導(dǎo)航系統(tǒng)（VehicleNavigationSystem）是智能交通系統(tǒng)（IntelligenttransportationSystems，簡稱ITS中當前需求最為迫切、應(yīng)用比較廣泛的一個重要的應(yīng)用系統(tǒng)。所謂車載導(dǎo)航，就是在應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，GIS）技術(shù)構(gòu)造的路網(wǎng)數(shù)字化地圖的基礎(chǔ)上，運用GPS（GlobalPositioningSystem）、DR（DeadReckoning）等定位技術(shù)進行車輛定位，確定最優(yōu)行駛路線，為出行者提供靜態(tài)的或?qū)崟r的最優(yōu)出行路線信息，并在出行過程中對駕駛員適時地做出路線指引。車載導(dǎo)航系統(tǒng)不僅極大地方便了出行者，使他們可以按照自己選定的最優(yōu)目標獲得最優(yōu)路線信息，而且還會對優(yōu)化交通流在整個路網(wǎng)的分配方面產(chǎn)生積極地影響。另外由于有了適時的路線指引，駕駛員可以集中精力駕駛，從而有助于提高交通安全水平，減少交通事故得發(fā)生。如何向用戶提供實時、準確的車輛位置成了車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重點和難點。但是無論采取GPS單點定位、差分GPS定位或是組合定位系統(tǒng)，都會由于導(dǎo)航信號的被干擾不可避免地存在一些誤差，使得電子地圖上顯示的車輛位置常常與實際位置不符，出現(xiàn)偏離道路的情形。為了解決這個問題，現(xiàn)在常用的方法一是提高GPS傳感器的定位精度和電子地圖的精度，顯然這種方法成本較高，而且也不能完全消除誤差；二是采用地圖匹配這樣一種軟技術(shù)對定位點的位置進行修正。在接收到車輛當前時刻有關(guān)的信息后，從電子地圖數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)信息，然后通過匹配算法得到車輛位置的偏差信息，并對其進行實時修正，從而準確顯示車輛的位置。它一方面減少了系統(tǒng)在硬件上的投入，節(jié)省資源和成本，另一方面又避免了其它定位技術(shù)無法克服的局限性?？梢哉f，地圖匹配算法的效果直接關(guān)系到車輛定位的精度，是車輛定位的基礎(chǔ)。因此，對車載導(dǎo)航的定位與地圖匹配算法的研究就顯得尤為重要。本課題涉及到定位技術(shù)、坐標轉(zhuǎn)換技術(shù)和地圖匹配技術(shù)。目前，市場上的導(dǎo)航定位技術(shù)和地圖匹配技術(shù)各異，性能也有很大差別?；诖?，本論文對其中的坐標轉(zhuǎn)換技術(shù)進行分析并簡化模型，以及地圖匹配技術(shù)進行分析，提出一種較高匹配精度的綜合地圖匹配算法。1.2車載導(dǎo)航系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展概況1.2.1國內(nèi)車載導(dǎo)航發(fā)展概況自1994年GPS系統(tǒng)進入全系統(tǒng)運營以來，我國的GPS產(chǎn)品品種齊全、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，已成為成熟、穩(wěn)定的系統(tǒng)。不過，在衛(wèi)星導(dǎo)航車輛應(yīng)用的市場與技術(shù)方面，中國遠遠落后于日、美、歐等發(fā)達國家。就我國的車輛導(dǎo)航儀和車輛監(jiān)控系統(tǒng)而言，前者又明顯落后于后者，這是由于車載導(dǎo)航儀一方面受技術(shù)涉及面廣、水準要求高、復(fù)雜程度大、研制周期長、價格昂貴等因素的制約，遠不是一般中、小公司所能勝任的；另一方面，出于國家安全考慮，國家對地圖數(shù)據(jù)進行控制，而且中國正在對基礎(chǔ)設(shè)施及路網(wǎng)進行大規(guī)模升級改造，導(dǎo)致獲取相關(guān)信息困難。所以，涉足車輛導(dǎo)航儀領(lǐng)域的國內(nèi)公司遠比車輛監(jiān)控終端廠商要少得多。此外，相關(guān)的基礎(chǔ)配套設(shè)施與資源也不完備:如實時交通信息發(fā)布和完善的導(dǎo)航電子地圖的提供和更新機制，均沒有實際有效的解決方案和途徑，因而市場推進困難重重。但面對龐大的汽車市場，汽車導(dǎo)航的前景不可估量。國內(nèi)的汽車導(dǎo)航企業(yè)，如瑞圖萬方、麥士威、城際高科等出現(xiàn)在國人視線中。而國家也非常關(guān)注導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這對汽車導(dǎo)航的發(fā)展能起到很大的推動作用，中國的汽車導(dǎo)航市場正逐步形成。此同時，海外一些技術(shù)成熟的導(dǎo)航品牌也開始大舉進入。此外，中國衛(wèi)通、航盛等也加大對導(dǎo)航市場的投入?？偟膩碚f，電子、IT、通訊等這些企業(yè)都在進軍汽車導(dǎo)航領(lǐng)域，這一行業(yè)已呈現(xiàn)出強有力的發(fā)展勢頭。下圖為中國2002-2007年車載GPS設(shè)備銷售量顯示：圖1-12002-2007年中國車載GPS銷售及增長率Fig.1-12002-2007SalesandgrowthofGPSinChina從2007年開始，中國車載GPS市場進入了一個嶄新的發(fā)展時期，日趨規(guī)?；氖袌鰧⒈３挚焖俚陌l(fā)展態(tài)勢。根據(jù)國家對車載導(dǎo)航市場調(diào)查，另外結(jié)合歐美日的導(dǎo)航發(fā)展趨勢，可以發(fā)現(xiàn)中國車載導(dǎo)航市場呈現(xiàn)以下特點：功能性增強。主要表現(xiàn)在增加語音、聲控、娛樂等功能。高科技的運用。主要表現(xiàn)在更多地運用高科技顯示技術(shù)，如三維技術(shù)。兩用型。表現(xiàn)在可以實現(xiàn)手機和車載導(dǎo)航兩用。便攜式。表現(xiàn)在外形美觀大方，即可車載及手持使用，也可在網(wǎng)上更新下載地圖。提供信息服務(wù)。表現(xiàn)在可顯示道路狀況及其它信息。1.2.2國外車載導(dǎo)航發(fā)展概況在西方國家，GPS的應(yīng)用呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢。自1996年美國將GPS向民用領(lǐng)域開放以來，GPS己向各領(lǐng)域滲透，年平均增長率約為50%。GPS在民用領(lǐng)域的應(yīng)用最常見的形式就是汽車導(dǎo)航。目前，國際上有三大汽車導(dǎo)航市場，包括日本、歐盟和北美市場。據(jù)資料顯示，日本的車載導(dǎo)航市場始于1992年，新車中裝配汽車導(dǎo)航儀的比例(即市場滲透率)由1992年的0.4%提高到1996年的2.2%，再到2000年的33%。據(jù)日本資訊機構(gòu)J.RePortS預(yù)測，到2010年，日本市場汽車導(dǎo)航儀的年銷售量將達到500萬臺，市場滲透率達到80%。繼日本之后，歐盟車載導(dǎo)航市場于1998年啟動，北美市場于2000年啟動。2004年，歐盟汽車導(dǎo)航儀的銷售量達到195萬臺，市場滲透率達到12%，同期北美汽車導(dǎo)航儀的銷售量為9O萬臺，市場滲透率接近5%。美國著名證券研究機構(gòu)TWP和投資銀行利曼兄弟公司均預(yù)測，到2009年，歐盟的市場滲透率將達到32%一34%，相當于530萬套；北美市場將達到21%一24%，相當于430萬套。盡管如此，分析師們普遍認為，導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)僅僅處于嬰兒期，未來5-8年將以每年35%左右的高速度增長。雖然長期以來，日本在全球汽車導(dǎo)航市場的占有率很大，但其它國家和地區(qū)的發(fā)展勢頭也很強勁，如圖顯示的是2005年全球市場調(diào)查結(jié)果:圖1-22005-2010全球汽車導(dǎo)航市場增長率Fig.1-2Growthoftheglobalvehiclenavigationmarket1.3全球車載導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)前景在汽車導(dǎo)航市場中，根據(jù)ST公司汽車產(chǎn)品事業(yè)部副總裁DemenicoRossi的統(tǒng)計，2008年P(guān)ND的出貨量同比增長了43%，從2007年的3200萬件增長到4600萬件。主要增長動力依然來自車載導(dǎo)航低于水準的普及率，對市場的教育和推廣的力度依然不夠。低成本的OEM導(dǎo)航儀（兩用便攜導(dǎo)航儀）將會在中級汽車中開辟新的市場，預(yù)計到2012年在歐美新售的汽車中，車載導(dǎo)航儀占有率將超過25%。2007-2013年OEM儀表板內(nèi)置導(dǎo)航儀的年均增長率將達到15%，便攜式導(dǎo)航儀的增長速度為16%，預(yù)計到2013年導(dǎo)航市場規(guī)模將達到汽車音響水平。圖1-3汽車導(dǎo)航市場Fig.1-3Marketofvehiclenavigation目前包括車載導(dǎo)航、無線導(dǎo)航和互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航三部分的中國基于位置服務(wù)（LBS）市場中。車載導(dǎo)航市場份額最大，成長最快。根據(jù)諾盛公司的研究，2005年中國LBS產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模為30．52億元，預(yù)計2008年可達114．12億元．其中車載導(dǎo)航市場占整個產(chǎn)業(yè)規(guī)模的90％以上。據(jù)北京諾盛電信咨詢公司相關(guān)分析報導(dǎo)車載導(dǎo)航終端市場前景如下：圖1-4車載導(dǎo)航終端市場預(yù)測Fig.1-4Vehiclenavigationterminalsmarket\o"點擊獲取釋義"prediction當前，車載導(dǎo)航系統(tǒng)還在進一步發(fā)展完善，發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下五個方面：1）向高集成度發(fā)展?，F(xiàn)在，汽車上的幾乎所有機械結(jié)構(gòu)部件都可以用電子裝置控制，但汽車內(nèi)部空間有限，構(gòu)件系統(tǒng)的空間更是極其有限。因此，器件和電路的微型化、集成化是必然的發(fā)展趨勢。2）向人性化智能化發(fā)展。車載信息終端正在向車上各種傳感器與司機交互的多媒體界面方向發(fā)展。使汽車更加智能化、人性化。表現(xiàn)在：安全方面、方便性方面、舒適性方面、語音控制方面。3）向多網(wǎng)互連方向發(fā)展。個人網(wǎng)絡(luò)的觸角正在向汽車延伸。只要接入信息網(wǎng)絡(luò)，汽車便和任何IT設(shè)備并元二致。隨著汽車越來越成為家庭和辦公室之外的流動的通信和娛樂空間，人們對汽車空間的網(wǎng)絡(luò)化、信息化、娛樂化的服務(wù)需求日益強烈。這種需求促使了汽車業(yè)與IT業(yè)的迅速融合。在歐美和日韓等汽車業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)，已有超過4000萬的汽車用戶選擇了基于“汽車+IT”技術(shù)的全新服務(wù)體系。這種全新的服務(wù)體系所依賴的就是車載信息系統(tǒng)。三大網(wǎng)(車上網(wǎng)絡(luò)、通訊網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng))和三小網(wǎng)(車上CAN、LIN、MOST(用于車載信息系統(tǒng)內(nèi)部多媒體信息傳輸))的互相通信是車載信息系統(tǒng)最顯著、最重要的發(fā)展趨勢。由此可以為用戶帶來眾多的服務(wù)。4）向以服務(wù)為中心的方向發(fā)展。汽車正在從代步工具的單一功能，向全方位出行服務(wù)的多功能方向發(fā)展，有越來越多的服務(wù)內(nèi)容將加入到車載信息終端中來。5）向信息采集終端發(fā)展。此前的車載信息終端只能被動地接收信息，而信息則由公共機構(gòu)或各汽車廠商的服務(wù)中心統(tǒng)一提供。即所謂的中央集權(quán)型網(wǎng)絡(luò)。2GPS全球定位系統(tǒng)2.1全球定位系統(tǒng)簡介全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem，GPS)是美國國防部主要為滿足軍事需要而建立的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。它具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位的能力，現(xiàn)已成為美國導(dǎo)航定位技術(shù)現(xiàn)代化的最重要標志。并被視為20世紀美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃后的又一重大科技成就。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)的軟件和硬件不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)在GPS已發(fā)展成為一個高速成長的產(chǎn)業(yè)，廣泛應(yīng)用于車輛定位、航海航空、測量等民用行業(yè)，特別是移動目標的定位監(jiān)控、防盜報警和指揮調(diào)度。GPS技術(shù)在國內(nèi)剛剛起步，具有廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用熱點已從最初的漁業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)入車輛應(yīng)用，尤其是車輛定位監(jiān)控和指揮調(diào)度應(yīng)用，通信、INTERNET突飛猛進的發(fā)展，針對位置的信息服務(wù)(LBS)也將走上快車道。2.1.1GPS系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分-GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分-GPS信號接收機。1)GPS衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，記作(21+3)GPS星座[2][3]。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度。衛(wèi)星的分布可保證在地球上任何地點、任何時刻、在高度角為15度以上的天空同時能觀測到4顆以上的衛(wèi)星。目前，在軌衛(wèi)星數(shù)超過28顆。2)地面監(jiān)控系統(tǒng)對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷-描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運行，都要由地面設(shè)備進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間，求出時鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。3)GPS信號接收機GPS信號接收機的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出接收機的位置。2.1.2衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的信號，是一種調(diào)制波，但有別于常用的調(diào)頻調(diào)幅信號。發(fā)射的信號包括三種信號分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼(即導(dǎo)航電文)。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，所有這些信號均在同一頻率f=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的。GPS利用L波段的兩種頻率的信號Ll和L2作載波，其頻率分別為1575.42MHz和1227.60MHz，目的在于測量和消除因電離層效應(yīng)引起的延遲誤差。在載波Ll上調(diào)制有C/A碼、P碼和數(shù)據(jù)碼，而在載波L2上只調(diào)制P碼和數(shù)據(jù)碼。GPS發(fā)射兩種測距碼：C/A碼和P碼(或Y碼)，均為偽隨機噪聲碼，簡稱偽碼。其中，C/A碼為粗碼，碼結(jié)構(gòu)是公開的，供一般用戶使用，定位精度可達20~40m。P碼是精碼，是結(jié)構(gòu)不公開的保密碼，難于捕獲，易于保密，定位精度可達5~10m。圖2-1GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)Fig.2-1StructureofGPSsatellitesignal2.1.3GPS定位原理GPS采用高軌測距體制，把接收機到GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量，為獲得距離測量值，主要采用兩種觀測方法：一種方法是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號(C/A碼或P碼)到達用戶接收機的傳播時間；另一種方法是載波相位觀測，通過測量接收機收到的具有多普勒頻移的載波信號與接收機產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差確定衛(wèi)星和接收機之間的距離，這種方法是目前最精確的觀測方法，但由于載波相位觀測存在整周模糊度以及周跳等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。在導(dǎo)航和動態(tài)定位中，主要有兩種定位方式：單點定位和差分定位[4]。單點定位是獨立確定待定點在地心坐標中的絕對位置。差分定位是通過在已知基準點上安置GPS接收機，通過測量結(jié)果與基準點的坐標進行比較產(chǎn)生坐標改正數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)鏈將改正數(shù)實時傳遞給相關(guān)用戶。本部分以采用測距碼觀測方法的單點定位方式說明GPS定位的基本原理。假定和分別是衛(wèi)星j發(fā)射信號時的GPS時和衛(wèi)星鐘時刻，和分別表示接收機收到的該衛(wèi)星信號時的GPS時和接收機時刻，則衛(wèi)星信號傳播時間為(2-1)但是，實際上我們只能觀測得和，因此實際測量的衛(wèi)星信號傳播時間為(2-2)設(shè)和分別表示衛(wèi)星鐘和接收機時刻的偏差，即(2-3)(2-4)則有(2-5)在考慮信號傳播過程的電離層延遲、對流層延遲和多路徑延遲等誤差后得到+(2-6)將式(2-6)兩邊乘上光速得到(2-7)公式(2-7)中，為接收機到衛(wèi)星的幾何距離，,為接收機和衛(wèi)星在地心空間直角坐標系中三維坐標；是實際上可得到的距離觀測量，由于和真實距離不同，所以稱為“偽距”。式(2-7)便是GPS定位的基本觀測方程。由于衛(wèi)星鐘差可由地面監(jiān)控系統(tǒng)測定并通過衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文提供給用戶，電離層和對流層延遲和也可通過導(dǎo)航電文提供電離層和對流層參數(shù)模型進行修正(經(jīng)過修正后仍然會存在殘差)，因此方程中有4個未知量需要求解。為了求4個未知量，至少需要對4顆衛(wèi)星同時觀測。假設(shè)某一時刻觀測到的衛(wèi)星數(shù)為N(N4)，則可得到觀測方程組(2-8)給定接收機的概略位置，對上面方程組中的每一式應(yīng)用Taylor級數(shù)展開，并略去高次項，得到(2-9)其中，，，，求出式(2-9)中的偏導(dǎo)數(shù)后，可寫為(2-10)其中，為接收機到第j顆衛(wèi)星的方向余弦，將上述方程組寫為矩陣形式，得到(2-11)其中(2-12)(2-13)(2-14)(2-15)用最小二乘法求解，得方程(2-16)當為非奇異時，其定位解為(2-17)2.1.4GPS定位誤差分析GPS定位的誤差來源于以下三個方面：與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與傳播路徑有關(guān)的誤差；與接收機有關(guān)的誤差。下面對這幾類誤差進行詳細分析。與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差：1)衛(wèi)星星歷誤差根據(jù)廣播星歷或其它軌道信息計算出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。解決辦法有：精密定軌、相對定位。2)衛(wèi)星鐘差誤差衛(wèi)星上使用的高精度原子鐘存在著固定偏差和隨機漂移，導(dǎo)致衛(wèi)星時鐘和GPS標準時之間不同步的偏差，叫做衛(wèi)星鐘差誤差。解決辦法有：連續(xù)監(jiān)測精確測定其運行狀態(tài)參數(shù)，對衛(wèi)星鐘差誤差進行改正模型，同步觀測值求差。3)衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差是指GPS衛(wèi)星上信號發(fā)射天線的標稱相位中心與其真實相位中心之間的偏差。與傳播路徑有關(guān)的誤差：1)電離層傳播誤差衛(wèi)星信號穿過電離層時，信號的路徑會發(fā)生彎曲，信號的傳播速度會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致測量誤差。解決辦法：對于單頻信號GPS接收機時，采用近似的電離層改正模型加以修正；對于雙頻接收機時，利用雙頻觀測數(shù)據(jù)加以修正；利用兩臺或多臺接收機，通過不相同的接收機對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，能夠很大程度上減弱電離層的折射影響。2)對流層傳播誤差對流層對衛(wèi)星信號的主要影響是折射效應(yīng)，使得衛(wèi)星信號的傳播速度發(fā)生變化，引起延時誤差。解決辦法：對對流層的折射效應(yīng)采用模型法進行修正，同步觀測值間求差。3)多路徑效益影響由于周圍地形和附近物體的反射，信號通過直射和反射等多條路徑到達接收機，造成測距誤差。解決辦法有：安裝天線的位置時盡量避開較強的反射面；針對多路徑誤差的周期性，采用取平均值加以減弱影響。與接收機有關(guān)的誤差：1)接收機鐘差接收機鐘差是指GPS接收機所使用鐘的鐘面時與GPS標準時間的差異。解決的辦法有：在單點定位時，把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨立的未知數(shù)，與觀測位置參數(shù)一并求解；在載波相位相對定位中，采用對觀測值求差的方法，可以有效地消除接收機鐘差的影響。2)天線相位中心誤差接收機天線相位中心誤差是指GPS接收機天線的標稱相位中心與其真實相位中心間的差異。解決辦法：同步觀測值間求差，或使用扼流圈天線。3GPS定位數(shù)據(jù)處理車載導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理過程包括定位和地圖匹配兩大主要環(huán)節(jié)，其中定位過程又包括數(shù)據(jù)解析、坐標轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理等。車載導(dǎo)航中GPS定位數(shù)據(jù)的處理流程為如下圖所示：圖3-1GPS定位數(shù)據(jù)處理流程Fig.3-1FlowofGPSpositioningdataprocessing3.1GPS數(shù)據(jù)格式GPS的統(tǒng)一標準格式是采用美國國洋電子協(xié)會(NationalMarineElectronicsAssociation)制定的NMEA.0183協(xié)議[14]，輸出采用ASC-II碼。NMEA.0183協(xié)議有十幾種格式，不同格式輸出不同的數(shù)據(jù)信息，常用格式在表3-1中已經(jīng)列出。表3-1NMEA.0183語句含義Tab.3-1MeaningsofNMEA.O183sentence語句含義包含信息量$GPRMC$GPRMB$GPGGA$GPGSA$GPGSV$GPGLL$GPBOD$GPRME$GPRMZ$GPRTE推薦最少量專業(yè)信息推薦定位信息GPS定位信息當前衛(wèi)星信息可見衛(wèi)星信息定位地理信息起點終點方位角估計誤差信息海拔高度信息當前路上點信息日期、時間、經(jīng)緯度、速度、航向角、定位狀態(tài)定位模式、道路起點和終點編號、終點經(jīng)緯度等時間、經(jīng)緯度、定位狀態(tài)、衛(wèi)星數(shù)量、水平精度因子等定位類型、正在用于解算位置的衛(wèi)星號、位置精度因子等GSV語句的總數(shù)、本句GSV的編號、可見衛(wèi)星總數(shù)等時間、經(jīng)緯度、定位狀態(tài)、模式指示從起點到終點的方位角、起點編號、終點編號水平估計誤差、垂直估計誤差、位置估計誤差高程、選用高程系統(tǒng)模式指示RTE語句的總數(shù)、本句RTE的編號、道路點的顯示模式實際導(dǎo)航應(yīng)用讀取GPS的空間定位數(shù)據(jù)時，若實時性要求不是很高，則一般每隔1s采樣一次數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)由以上所介紹的語句構(gòu)成，這些語句在輸出數(shù)據(jù)中的排列順序為：GPRMC、GPRMB、GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPGLL、GPBOD、PGRME、PGRMZ、GPRTE。其中，除了GPGSV和GPRTE語句外，其余語句的數(shù)量均為一條。GPGSV語句的數(shù)量要根據(jù)可見衛(wèi)星的總數(shù)來確定：每條GPGSV語句最多可以顯示4顆衛(wèi)星的信息，其他衛(wèi)星信息將在下一GPGSV語句中輸出(例如：可見衛(wèi)星數(shù)量為10顆，那么在一次輸出數(shù)據(jù)中，GPGSV語句的數(shù)量為3，并且這3條GPGSV語句是連續(xù)的)。同樣，GPRTE語句的數(shù)量也要根據(jù)道路點的數(shù)量來確定。以上所有語句的格式都是以ASC-II碼,以“$”開始，以“<CR><LF>”(回車換行符)結(jié)束，GP接收數(shù)據(jù)源，RMC為句型標識，GPRMC定位輸出語句，語句中的數(shù)據(jù)字段以逗號分隔，每條語句末端都是校驗符<hh>，該校驗符是“$”后的所有字節(jié)的8個比特“按位異或”生成的，用戶可以通過校驗符驗證得到的結(jié)果。NMEA通訊協(xié)議所定義的標準通訊接口參數(shù)為:波特率:480Obit/s;數(shù)據(jù)位:8位；停止位:1位；奇偶校驗:無；下面以GPRMC語句為例，對語句的格式和各字段的含義進行說明：$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF><1>UTC時間，hhmmss（時分秒）格式<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位，即衛(wèi)星數(shù)量少于4顆<3>緯度ddmm.mmmm（度分）格式<4>緯度半球N（北半球）或S（南半球）<5>經(jīng)度dddmm.mmmm（度分）格式<6>經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）<7>地面上的速度，范圍為0.0到999.9<8>方位角，范圍為000.0到359.9度（以真北為參考基準）<9>UTC日期，ddmmyy（日月年）格式<10>地磁變化，從000.0到180.0度<11>磁偏角方向，E（東）或W（西）<12>系統(tǒng)定位模式3.2車載導(dǎo)航常用坐標系統(tǒng)車載GPS接收機所接收的定位數(shù)據(jù)是WGS-84坐標系下的，而數(shù)字地圖中的位置信息是用戶所使用的平面坐標系。因此，要使導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)在數(shù)字地圖上正確顯示，必須進行相應(yīng)的坐標轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)坐標統(tǒng)一。一般來說，車載GPS坐標轉(zhuǎn)換方式有兩種：其一是先將WGS-84的大地坐標轉(zhuǎn)換為1954年北京大地坐標或1980年國家大地坐標，而后通過投影變換（如高斯投影）以及在投影平面上進行坐標強制轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)相應(yīng)的坐標轉(zhuǎn)換[5]；另一種方式是先將GPS接收的WGS-84大地坐標以WGS-84的參考橢球為基準進行高斯投影，然后通過平面坐標強制轉(zhuǎn)換（如仿射變換），將高斯投影后的平面坐標強制統(tǒng)一到國家平面坐標系或是局部任意坐標系，以實現(xiàn)坐標匹配。本論文中采用的是第二種坐標轉(zhuǎn)換方法，下面就所使用到的GPS坐標轉(zhuǎn)換公式及相應(yīng)的坐標轉(zhuǎn)換過程作簡要介紹，并對坐標轉(zhuǎn)換公式進行一些必要的簡化。3.2.1WGS-84坐標系WGS-84坐標系是一種協(xié)議地球坐標系，其定義及所采用的橢球參數(shù)為：坐標系的原點在地球質(zhì)心；Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向；X軸指向BIH1984.0的零度子午面與CTP赤道的交點；Y軸與X、Z軸構(gòu)成右手系，如圖3-2所示。圖3-2WGS-84坐標系Fig.3-2ReferenceframeofWGS-84WGS-84坐標系的四個橢球參數(shù)為：長半軸：a=63781372m地球引力常數(shù)：地球角速度：協(xié)議地球扁率：WGS-84橢球是一個定位在地心的旋轉(zhuǎn)等位橢球，該橢球的中心和坐標軸指向與WGS三維直角坐標系一致。3.2.21954年北京坐標系20世紀50年代，在我國天文大地網(wǎng)建立初期，鑒于當時的歷史條件，采用了克拉索夫斯基橢球元素，并與前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系進行聯(lián)測，通過計算建立了我國大地坐標系，定名為1954年北京坐標系，又稱舊BJ-54坐標系。舊BJ-54坐標系是我國測繪系統(tǒng)廣泛使用的一個參心坐標系，它的短軸Z平行于地球質(zhì)心指向地極的方向，大地起始子午面平行于格林尼治子午面；X軸在大地起始子午面內(nèi)，與Z軸垂直，指向經(jīng)度0；Y軸與ZOX構(gòu)成右手坐標系[6]。BJ-54坐標系的基本橢球參數(shù)為：長半軸：橢球扁率：第一偏心率：0.0069342162297歸結(jié)其要點為：1）北京坐標系的參考橢球是屬于克拉索夫斯基橢球；2）舊BJ-54坐標系的大地原點在前蘇聯(lián)的普爾科沃；3）采用多點定位進行了橢球定位；4）高程基準為1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面；5）高程異常以前蘇聯(lián)1955年大地水準面重新平差結(jié)果為起算數(shù)據(jù)，按我國天文水準路線推算而得。3.2.3新1954年北京坐標系（新BJ-54）新1954年北京坐標系（整體平差轉(zhuǎn)換值）是由1980新國家大地坐標系派生得來的，是作為老54系到80系的過渡而存在的。將其與80系和舊54系比較，歸結(jié)其要點為：新BJ-54坐標新的橢球基本參數(shù)：長半軸：橢球扁率：第一偏心率：0.00693421622971）多點定位。參心雖和老54坐標系參心不一致，但十分接近。2）定向明確。坐標軸方向和起始大地子午面與80系相同。坐標軸的旋轉(zhuǎn)參數(shù)為零。3）大地原點位于陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，但與80系大地原點大地起算數(shù)據(jù)不同。4）大地點高程以1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面為基準。5）提供的坐標是1980年國家大地坐標系整體平差轉(zhuǎn)換值，坐標精度和80系的坐標精度完全一樣。新老54系不存在橢球差異和定位差異，兩系統(tǒng)同一點坐標的不同主要是由于一個是全國統(tǒng)一平差的結(jié)果，另一個是局部平差結(jié)果的緣故產(chǎn)生的。3.3坐標轉(zhuǎn)換3.3.1高斯投影變換車載GPS接收機所得到的定位數(shù)據(jù)使用的是WGS-84坐標參考系，其定位數(shù)據(jù)包括緯度B和經(jīng)度L，按前面提及的第二種方式，下面將(B，L)通過高斯投影正算[7]轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標（x，y），其公式如下：(3-9)(3-10)式（3-9）和（3-10）中：X為赤道至緯度為B的子午弧長；卯酉圈曲率半徑：；輔助變量：；第二偏心率平方：；輔助變量：橢球點經(jīng)度與相應(yīng)中央子午線之差：a和b分別表示參考橢球的長短半徑。上述高斯正算公式，是其泰勒級數(shù)的展開式，它舍去了6次以上高次項，其子午線弧長計算式舍去8次以上高次項。該式縱橫坐標（x,y）的計算精度能夠達到0.001m，在一般的車輛導(dǎo)航和實時監(jiān)控系統(tǒng)中，實際并不需要如此高的計算精度，所以，可以根據(jù)車載GPS導(dǎo)航的實際精度要求，再忽略掉部分高階項，以期提高計算速度。3.3.2仿射變換在通常情況下，平面坐標系間的變換方式有相似變換、仿射變換、雙線性變換以及二次及三次多項式變換等。相似變換完全是兩平面坐標體系間的轉(zhuǎn)換，未考慮系統(tǒng)誤差，仿射變換在相似變換的基礎(chǔ)上考慮了縱橫坐標尺度因子的差異，而為了消除和削弱兩坐標系統(tǒng)之間的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、地球曲率以及地圖投影引起的誤差，一般需要二次或高次曲線方程來建立相互間的映射關(guān)系。下面是實際的車輛導(dǎo)航和實時監(jiān)控系統(tǒng)中常用到的坐標變換公式，式中的（u，v）及（x，y）對應(yīng)兩坐標體系，及為待定系數(shù)。(3-11)(3-12)(3-13)式（3-11）是相似變換公式，有4個參數(shù)，至少需要2對控制點來求取相應(yīng)的未知轉(zhuǎn)換參數(shù)。式（3-12）是仿射變換公式，有6個參數(shù)，至少需要3對控制點來求取相應(yīng)的未知轉(zhuǎn)換參數(shù)。式（3-13）是完整的二次多項式，有12個參數(shù)，至少需要6對控制點來求取相應(yīng)的未知轉(zhuǎn)換參數(shù)。在有多余控制點的情況下，一般采用最小二乘法來解算相應(yīng)的未知參數(shù)。在獲得相應(yīng)的未知轉(zhuǎn)換參數(shù)后，即建立起了兩平面坐標系之間的一一映射關(guān)系，即可實現(xiàn)相應(yīng)的坐標轉(zhuǎn)換。在車輛導(dǎo)航和實時監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)針對實際情況，根據(jù)其對車輛的動態(tài)定位精度要求來選擇相應(yīng)的坐標變換公式。以下是我對各坐標系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的一個總結(jié)，這個圖中，任何兩個坐標系之間可以進行轉(zhuǎn)換。圖3-3各坐標系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.3-3Relationshipbetweenthecoordinatesystems3.3.3坐標轉(zhuǎn)換公式的簡化及可靠性分析在車輛導(dǎo)航和實時監(jiān)控系統(tǒng)中，就目前的設(shè)備性能和技術(shù)水平來看，對不加差分改正的車輛，動態(tài)定位的最好精度在30m左右，而對加了差分改正的車輛，動態(tài)定位的最好精度也在2~5m左右。前面給出的式（3-9）和（3-10），計算精度能達到0.001m，它已經(jīng)可以用于大地測量及工程測量中的控制點坐標投影了。這樣的精度對車輛動態(tài)定位來說，顯然高出幾個數(shù)量級，一般的車輛動態(tài)定位的最好精度在2~5m之間，所以計算精度再高，對整體定位精度的提高意義不大。用前面的式（3-9）和式（3-10）參與計算，要占用更多的機時，這將影響整個系統(tǒng)的效率，所以對式（3-9）和式（3-10）進行適當?shù)暮喕潜匾摹：喕蟮霓D(zhuǎn)換公式如下：(3-14)(3-15)表3-2（3-9）與（3-14）和（3-15）投影比較（絕對值）mTab.3-2Projectionbetween（3-9）and（3-14）and（3-15）(value)m比較項目最小縱坐標差最大縱坐標差最小橫坐標差最大橫坐標差（3-9）和（3-14）投影比較15.034115.22531.85822.7023（3-9）和（3-15）投影比較0.02910.04640.00030.0006從上面的比較可以看出，式（3-14）與式（3-9）投影坐標相差達到了10m級，對于未加差分改正的GPS車輛定位來說，還勉強可以用，因為這種GPS車輛的定位精度一般來說都在50~100m之間，但對于加差分改正的GPS車輛定位，其定位精度一般都能達到m級，此時如果采用式（3-14），就將產(chǎn)生較大的計算誤差。式（3-15）與式（3-9）投影坐標間的計算較差在cm級，所以無論是對加差分改正的GPS車輛定位還是對未加差分改正的GPS車輛定位來說，都是適用的。4地圖匹配方法研究4.1地圖匹配的基本原理將用導(dǎo)航定位方法得到的車輛位置或行駛軌跡與車載的電子地圖道路數(shù)據(jù)相比較、匹配，從而找到車輛所在的道路，并且顯示出車輛的實時位置的軟件修正技術(shù)叫地圖匹配[8]（MapMatching，MM）。地圖匹配過程可分為兩個相對獨立的過程:1）尋找車輛當前行駛的道路；2）將當前定位點匹配到車輛行駛的道路上。地圖匹配的兩個條件是高精度的數(shù)字地圖和車輛在路網(wǎng)中行駛。如果條件成立，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。反之，則地圖匹配將產(chǎn)生錯誤的位置輸出，并可能導(dǎo)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(yīng)超過15m。由于陸地車輛在除了進入停車場等之外的決大多數(shù)時間都位于道路網(wǎng)絡(luò)中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的。在圖4-1中，點A、B、C都是GPS觀測點，顯然這些觀測點都沒有準確的定位在道路上，地圖匹配的任務(wù)就是通過一定的方法將這些點校正到道路的中心線上?，F(xiàn)在地圖匹配的算法有很多，但根據(jù)利用信息不同，大體上可以歸結(jié)為兩大類：（1）基于幾何信息的地圖匹配方法；（2）基于拓撲關(guān)系的地圖匹配方法[10]?；趲缀涡畔⒌牡貓D匹配方法有三類：點到點的匹配；點到線的匹配；線到線的匹配。前兩種可視為搜索問題，最后一種可視為統(tǒng)計估計問題。圖4-1地圖匹配示意圖Fig.4-1Schemeofmapmatching1）點到點的匹配點到點的匹配就是搜索地圖數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點、形狀點或自定義的點距離GPS觀測點最近的點作為匹配點。該方法簡單易行，實現(xiàn)快速，但是匹配結(jié)果與路段上待匹配的點集關(guān)系密切，待匹配的點越多，匹配效果越好。匹配形式如圖4-2顯示。圖4-2點到點的匹配Fig.4-2Matchingofpoint-to-point在圖4-2中，A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3都是GPS觀測點P的待匹配點。從圖中可以看出，距離PA3是最短的，按照點到點匹配方法，應(yīng)該將車輛匹配到A3點，但從圖中直觀看出，P點匹配到線段B上似乎更為合理些，因為P更靠近線段B。缺點在于匹配點少時匹配結(jié)果不準確。2）點到線段的匹配點到線段的匹配就是搜索所有可能的線段，以GPS觀測點到線段距離為判斷依據(jù)，觀測點到條線段距離最近的那條線段作為匹配路段，觀測點到匹配路段的投影點即為匹配點。這種方法同樣比較簡單，也很直觀，但該方法得到的結(jié)果的不足在于匹配結(jié)果會出現(xiàn)來回擺動的情況，當GPS觀測點距離多條路段的距離相等時就無法進行路段匹配了，匹配形式如圖4-3所示。圖4-3點到線段的匹配Fig.4-3Matchingofpointtotheline在圖4-3中，P1、P2、P3、P4是連續(xù)的GPS觀測點，它們的匹配結(jié)果是這樣的：(P1—>B1)，(P2—>A1)，(P3—>A2或P3—>B2)，(P4—>B3)。可以看出，匹配結(jié)果出現(xiàn)了在線段A、B間搖擺的情況，還有觀測點P3無法確定匹配點。點到點的匹配、點到線的匹配都是僅僅利用了當前觀測點位置進行匹配，沒有充分利用歷史和未來的觀測點位置，有很大的局限性。3）線到線的匹配線到線的匹配就是將一系列GPS觀測點擬合到道路網(wǎng)相應(yīng)的路段中，擬合的標準就是觀測點形成的折線到路段之間的距離，距離最短的為匹配路段。連線間的距離可以有很多種定義的方式，如定義兩折線X、Y的距離為取它們間最近點的距離，即。匹配的示意圖如圖4-4(a)所示。圖4-4線到線的匹配（a）Fig.4-4Matchingoflinetoline(a)在圖4-4(a)中，GPS觀測點出現(xiàn)了一個離群點P，按照上述的匹配方法，GPS觀測點被匹配到路段B上，這顯然不合理，合理的匹配應(yīng)該被匹配到線段A上。兩折線間距離的定義還可以如下，按照這樣距離計算方式同樣也會出現(xiàn)像圖4-4(b)那樣的錯誤匹配了。圖4-4線到線的匹配(b)Fig.4-4Matchingoflinetoline(b)在圖4—4（b）中，待匹配路段A的坐標為(6t，6)，待匹配路段B的坐標為(3，6t)，GPS觀測點連線的線段P的坐標為(6t，3)。按照上述距離計算方式，，至于的計算，如果距離定義有正負定義(定義線一側(cè)的點到線的距離為正，則另一側(cè)的點到線的距離就為負)，則；如果距離定義是取絕對值，則通過計算可得。按照匹配方法，就要選擇B為匹配路段了，但從圖上直觀的看，選擇A作為匹配路段似乎更為合理。在圖中，P的長度為6，如果要求以使得GPS觀測點正確的被匹配到A上，通過計算，P的長度至少是15，這顯然延遲太大，達不到實時校正車輛位置并正確顯示的要求。上述的三種地圖匹配方法相對來說都是計算簡單，僅利用了數(shù)字地圖的單一信息，不能保證任何時候都能得到正確的匹配結(jié)果，無法滿足真正地圖匹配的要求，因此根據(jù)這三種基本地圖匹配方法衍生出來了許多比較實用的地圖匹配算法[11]。4.2常用地圖匹配算法地圖匹配的常用算法有很多，比如最短距離算法、基于拓撲關(guān)系的算法、概率統(tǒng)計算法、模糊邏輯算法、相關(guān)性算等等。下面對其中的幾種進行簡要分析。4.2.1最短距離算法最短距離法是一種基礎(chǔ)的匹配方法。該方法根據(jù)道路屬性，預(yù)先設(shè)置一個匹配閾值，在數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫中的所有或部分路段中，計算當前獲取的GPS數(shù)據(jù)與各道路路段之間的距離以及GPS數(shù)據(jù)在該道路路段上的最短距離點，將在閾值范圍內(nèi)各路段的匹配距離進行比較，得到一條距離最短的路段，則該道路為GPS點的匹配路段，該最短距離點為GPS點的匹配點。最短距離法簡單易行，能在很大程度上消除地圖匹配中各種誤差產(chǎn)生的影響，但它沒有考慮GPS數(shù)據(jù)接收中的各種情況及道路的地形特征，通常作為一種基本方法，與其他匹配方法結(jié)合來得到好的效果。4.2.2概率統(tǒng)計算法基于概率統(tǒng)計的地圖匹配同樣是一種基礎(chǔ)的匹配方法。概率統(tǒng)計算法的基本思想是根據(jù)GPS接收到的數(shù)據(jù)，首先設(shè)置一個置信區(qū)域，并從中提取用以匹配的道路位置信息，依據(jù)已有匹配結(jié)果的概率統(tǒng)計，經(jīng)過比較判斷，確定車輛在這一置信區(qū)域內(nèi)的匹配路段。基于誤差模型[12]，根據(jù)接收的GPS定位數(shù)據(jù)建立緩沖區(qū)。按照統(tǒng)計理論，定位誤差橢圓可推導(dǎo)如下:(4-1)(4-2)(4-3)其中，是橢圓長半軸取向與正北方向的夾角，a和b是誤差橢圓的長、短軸，和分別是GPS東向和北向測量誤差的標準差，是協(xié)方差，是單位權(quán)值的后驗方差。通過改變的值來調(diào)整誤差橢圓的大小，獲得不同的可信度。在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中，利用GPS的接收模塊的參數(shù)來定義誤差橢圓。誤差橢圓的定義如下圖4-5誤差橢圓的定義Fig.4-5Definitionoferrorellipse該算法利用誤差橢圓確定了誤差區(qū)域，以便從數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫中提取候選路段的信息，從而減少候選路段的數(shù)目，縮短地圖匹配的計算時間，但它沒有歷史信息進行有效利用，當?shù)缆份^為密集的時候，可能會出現(xiàn)匹配點在幾條路段間反復(fù)跳躍的情況，與基于拓撲關(guān)系的地圖匹配方法相結(jié)合能得到較好的效果。4.2.3基于拓撲關(guān)系的算法拓撲空間關(guān)系是一種對空間結(jié)構(gòu)進行明確定義的數(shù)學(xué)方法。GIS中，常將空間事物抽象成點、線、面等幾何要素，并在點、線、面之間建立拓撲關(guān)聯(lián)關(guān)系。具有拓撲信息的矢量數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)分析必要的數(shù)據(jù)來源。數(shù)字地圖數(shù)據(jù)包含：1）節(jié)點：表示空間對象所在的位置，或者線段的起始、終止點，它具有特定的拓撲性質(zhì)。2）形狀點：表示線、面經(jīng)過的點，不具拓撲性質(zhì)。3）線（弧線）：起始與終止點為節(jié)點、并且具有若干形狀點的有序點集。4）面：由若干弧線相連的封閉曲線圍成的區(qū)域稱為面，面以弧線的形式表示，但通過代碼與弧線區(qū)別，且其內(nèi)部填充方式可以設(shè)置。建立道路網(wǎng)拓撲關(guān)系的一般步驟為：1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)壓縮（剔除冗余數(shù)據(jù)，提高計算速度）和自動斷鏈（使整幅圖圖形無相交或自相交鏈）。2）結(jié)點匹配：建立點、弧段關(guān)聯(lián)關(guān)系。3）追蹤多邊形：以左轉(zhuǎn)算法或右轉(zhuǎn)算法跟蹤，生成多邊形，建立多邊形與弧段的關(guān)系。4）多邊形嵌套關(guān)系的生成，建立多邊形嵌套關(guān)系樹，即找出多邊形包含的“島嶼”，建立多邊形與多邊形之間的關(guān)系。5）具有嵌套關(guān)系多邊形的關(guān)聯(lián)弧段的左右面的編號調(diào)整及多邊形內(nèi)點自動生成?；谕負潢P(guān)系的匹配算法是在道路層網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行的，是利用歷史軌跡對地圖數(shù)據(jù)庫的道路信息進行實時的模式識別的一種方式。拓撲關(guān)系在電子地圖中一般是指節(jié)點和路段之間的拓撲關(guān)系。在一段時間內(nèi)，車輛行駛的區(qū)域是有限的，而且這個區(qū)域的道路也是有限的，因此在區(qū)域中建立的道路實體對也是有限的。電子地圖足夠精確并且具有路網(wǎng)拓撲完整性是地圖匹配能夠正常工作的前提。由于受車輛速度的限制，在一定的時間內(nèi)，車輛只能駛經(jīng)有限的路段上。如下圖所示，假設(shè)當前時刻車輛行駛在道路1上，由于速度等各種因素的存在，在下一時刻，車輛只可能出現(xiàn)在道路2、道路3或道路4上，即與道路1相連的道路鏈上，不可能直接跳到道路5或道路6上。圖4-6道路拓撲關(guān)系Fig.4-6Topologicalrelationofroads基于拓撲關(guān)系的算法通過對前一次匹配結(jié)果和車輛前進方向的分析，利用道路層的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，來確定當前車輛的匹配位置。但是，這種方法也僅利用了電子地圖的單一信息，同時，其匹配效果有時也會受到拓撲關(guān)系質(zhì)量的影響，空間拓撲范圍越大，匹配效果就越差。4.2.4地圖匹配方法分析最短距離投影法邏輯簡單、速度快、實時性好、所需內(nèi)存空間少，但它沒有考慮GPS數(shù)據(jù)接收中的各種情況及道路的地形特征，通常作為一種基本方法，與其他匹配方法結(jié)合能得到較好的效果。概率統(tǒng)計算法考慮了道路的地形特征，與其他方法結(jié)合能較好的解決匹配時道路中的合點與并行路段的問題，缺陷在于沒有充分利用移動目標行駛軌跡前后的相關(guān)性?；谕負潢P(guān)系的算法對電子地圖的精確度依賴性太高，而且該算法僅僅建立了結(jié)點與結(jié)點、結(jié)點與道路、道路與道路之間的拓撲關(guān)系。但在實際的道路通行過程中，還有很多的交通規(guī)則，這些規(guī)則限制了移動目標只能在某些道路上運動，而不能在受限制的道路上運動，這些交通規(guī)則我們統(tǒng)稱為交通關(guān)系。兩條道路如果僅僅是物理上連通是不夠的，車輛是否能夠從一條道路運動到另一條道路還要遵守交通規(guī)則。因此，要建立良好的道路拓撲關(guān)系，還應(yīng)建立完整的交通關(guān)系以符合實際交通情況。基于以上這些情況，地圖匹配算法的研究應(yīng)該朝著多手段綜合運用，相互補充、相互完善、精確化方向發(fā)展，對算法本身的準確性應(yīng)該有一個檢驗機制，以最大程度保證算法的可靠性。4.3綜合地圖匹配算法地圖匹配算法包括三個主要的處理程序，即確定誤差區(qū)域、選取匹配路段和計算修正結(jié)果。圖4-7是地圖匹配的一般處理流程。圖4-7地圖匹配的一般流程Fig.4-7Generalflowofmapmatching基于以上幾種地圖匹配算法各自的優(yōu)缺點，本文把最短距離投影法、概率統(tǒng)計算法、拓撲關(guān)系算法進行綜合來提高地圖匹配的正確率。該算法對路網(wǎng)中比較復(fù)雜的交叉路段，并行路段，轉(zhuǎn)彎路段等都有較好的匹配效果。綜合地圖匹配算法，首先利用基于拓撲關(guān)系的算法進一步縮小車輛在地圖道路網(wǎng)絡(luò)中的準確位置的范圍，若此時只有一條路段符合要求，且又在誤差范圍內(nèi)，則利用最短距離投影算法進行投影;若此時還有多條路段，則利用概率統(tǒng)計算法進行最佳匹配路段的篩選。然后，利用最短距離投影算法進行檢驗。最后比較候選路段，選擇出最佳匹配路段，進行定位投影。4.3.1誤差區(qū)域的確定誤差區(qū)域，就是以一定的概率包含車輛實際位置的區(qū)域范圍，它以一定的準則進行選擇。地圖匹配首先是在獲取經(jīng)過處理后的GPS定位數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定誤差區(qū)域，以便從地圖數(shù)據(jù)庫中提取候選道路信息，從而減少候選路段的數(shù)目，縮短地圖匹配的計算時間。由于判斷路段是否落在橢圓區(qū)域內(nèi)，需要執(zhí)行大量的開方和乘積運算，對于選取候選路段很不方便。為了克服這個缺點，可以將誤差區(qū)域定義為矩形區(qū)域，該矩形為橢圓區(qū)域的最小包圍矩形。定義誤差區(qū)域的方法和概率統(tǒng)計算法相同，下面只介紹誤差區(qū)域矩形的確定方式。圖4-8矩形誤差區(qū)域Fig.4-8Areaofrectangularerror長和寬可以通過下式求出:(4-4)(4-5)誤差矩形計算方法簡單，使候選路段的選擇簡單化，對車輛軌跡范圍的快速劃定能提高地圖匹配的實時性，同時它包含誤差橢圓，匹配的可靠性也得到了保障。在求出矩形誤差區(qū)域后，誤差矩形內(nèi)所有的路段即成為待匹配路段，就可以進行最佳匹配路段的確定。4.3.2最佳匹配路段的確定在確定了車輛匹配的誤差區(qū)域之后，接下來就是尋找誤差區(qū)域中的最佳匹配路段，并希望最佳路段就是實際車輛行駛的路段。主要從三個方面來判斷車輛當前的最佳匹配路段[13]:1）當前車輛定位點距候選路段投影的距離；2）候選路段與前一匹配路段的拓撲關(guān)系；3）各候選路段的匹配概率。一般來說，與前一匹配路段相同或拓撲相連的路段，投影距離短，匹配概率大的路段，成為最佳匹配路段的可能性大。4.3.3綜合地圖匹配算法的匹配流程以下是我設(shè)計的綜合地圖匹配算法的匹配流程圖：4-9綜合地圖匹配算法流程Fig.4-9Flowchartofsyntheticmapmatchingarithmetic4.4實驗結(jié)果4.4.1定位數(shù)據(jù)的提取結(jié)果分析為了從GPS原始數(shù)據(jù)中提取用于定位的數(shù)據(jù)信息，我針對本論文中的跑車實驗數(shù)據(jù)用C++編輯了從原始數(shù)據(jù)中提取經(jīng)緯度信息的程序，經(jīng)過驗證，程序運行正常。以下是截取的部分原始數(shù)據(jù)：圖4-10數(shù)據(jù)樣例Fig.4-10Sampledata以上數(shù)據(jù)為一個定位點的數(shù)據(jù)，包括GPRMC、GPGGA、GPGSA等數(shù)據(jù)。從上面數(shù)據(jù)還可以看出有些數(shù)據(jù)缺失，即分隔符“，”之間沒有數(shù)據(jù)，經(jīng)程序提取后輸出為：圖4-11提取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)Fig.4-11Extractingdataoflatitudeandlongitude經(jīng)過數(shù)據(jù)提取，我們就知道了當前車輛在WGS-84坐標下的經(jīng)緯度參數(shù)，這些可以作為下一階段坐標換的輸入；另外未提取的車速、航向等信息可以作為判斷壞點和地圖匹配的輔助信息。4.4.2坐標轉(zhuǎn)換的實例分析為了對第三章中的坐標轉(zhuǎn)換方法進行檢驗，對其進行編程實現(xiàn)，以下利用位于遼寧工程技術(shù)大學(xué)校園內(nèi)較高精度的控制點坐標參與計算。所給的校園控制點坐標是西安80的坐標，首先用COORDGM坐標轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換到北京54坐標?？刂泣c坐標數(shù)據(jù)如表4-1所示。表4-1控制點坐標Tab.4-1Coordinatesofcontrolpoint點號WGS-84大地坐標北京54平面坐標B(dd.mmsssssss)L(dd.mmsssssss)x(m)y(m)142.012693190121.3926695024654410.576513037.269242.011441056121.3926628044654024.236513036.438342.010362603121.3923949284653691.373512975.417442.012196199121.3930360744654257.389513121.885542.011119164121.3937495754653925.382513286.658642.010826706121.3928859784653834.777513088.134742.011828400121.3918941934654143.425512859.387842.010632893121.3934193524653775.205513210.962942.011224887121.3940707744653958.141513360.496利用所編輯的程序?qū)ι鲜鯳GS-84坐標進行轉(zhuǎn)換，然后與所給的北京54平面坐標進行比較，從而驗證轉(zhuǎn)換方法的可用性。下圖是坐標轉(zhuǎn)換程序輸出的結(jié)果圖。圖4-12坐標轉(zhuǎn)換結(jié)果Fig.4-12Resultsofcoordinatetransformation轉(zhuǎn)換結(jié)果與已知數(shù)據(jù)的比較如表4-2所示。表4-2轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)比較Tab.4-2Comparisonbetweentheconverteddataandtheknowndata點號平面坐標轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（m）已知數(shù)據(jù)（m）差值（m）456789x4654257.7734654257.3890.384y513122.258513121.8850.373x4653925.7984653925.3820.416y513287.095513286.6580.437x4653835.1544653834.7770.377y513088.589513088.1340.455x4654143.7584654143.4250.333y512859.781512859.3870.394x4653775.6064653775.2050.401y513211.429513210.9620.467x4653958.5724653958.1410.431y513360.927513360.4960.431通過以上比較可知，利用先將WGS-84大地經(jīng)緯度以WGS-84的參考橢球為基準進行高斯投影，然后通過平面坐標的強制轉(zhuǎn)換將高斯投影后的坐標強制統(tǒng)一到國家或本地的平面坐標，這種坐標轉(zhuǎn)換方法得到的坐標數(shù)據(jù)差值都在米級以下，這樣的精度對于車載導(dǎo)航來說是完全可以接受的。因此，采用以上坐標轉(zhuǎn)換方法，對車載導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換在精度和效率方面都是可行的。經(jīng)過理論分析和實驗結(jié)果可知，GPS車載導(dǎo)航精度，更多地依賴于系統(tǒng)硬件設(shè)備能提供的動態(tài)定位精度，坐標轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差只要不對整體定位精度產(chǎn)生影響，則應(yīng)簡化計算公式及過程，以提高定位與地圖匹配的實時性。4.4.3地圖匹配實驗分析前面章節(jié)對綜合地圖匹配算法進行了分析，本節(jié)中，就利用車載導(dǎo)航相關(guān)跑車數(shù)據(jù)對算法的有效性進行驗證。數(shù)據(jù)采集的過程，信息的提取等在前面已經(jīng)詳細介紹了。將導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件中生成行車路線；第二步，導(dǎo)入行車本地精確電子地圖；第三步，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)與精確道路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行匹配；第四步，計算修正匹配后的點位，并重新生成匹配后的線路效果，驗證算法結(jié)束。實驗的行車路線是：遼寧省測繪局內(nèi)部廣場→遼寧省測繪局北門→萬方門→市十一中學(xué)正門。設(shè)計這一路線的目的是：在GPS觀測環(huán)境較差、道路簡化比較嚴重的特殊地區(qū)，對地圖匹配算法的匹配精度進行檢驗。由遼寧省測繪局內(nèi)部廣場到遼寧省測繪局北門的這段道路，在其兩側(cè)5m范圍內(nèi)，均有高樓和樹木遮擋，使GPS的定位結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。選取的線路滿足實驗要求。這種情況下進行實地跑車實驗，具體的匹配結(jié)果如下圖所示。圖4-13車輛匹配前后的軌跡圖Fig.4-13Rootoftrackmatchingfrombeginningtoend實驗過程中，共進行了三次道路選擇，都沒有發(fā)生錯誤，由此可以說明該地圖匹配算法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。如圖4-13中，綠色的軌跡是匹配前GPS接收機定位數(shù)據(jù)連成的曲線，紅色的軌跡是匹配后的行車路線。從圖中可以看出，匹配前定位數(shù)據(jù)存在很大的誤差，尤其是在交叉路口。匹配后，定位軌跡精確地附合到正確的道路上了。對于一般道路的匹配，匹配時只需要利用最短距離投影法將GPS定位軌跡投影到道路中心即可。下圖（4-14）和（4-15）分別為匹配前后的軌跡圖。圖4-14原始跑車軌跡Fig.4-14Trackoforiginalracing圖4-15最短距離投影方法的匹配結(jié)果Fig.4-15Resultofminimumdistancematchingprojection從圖中可以看出，采用最短距離投影法，匹配結(jié)果是正確的，符合實際情況。說明在一般道路時（尤其是直行道路）采用最短距離投影法具有較高的匹配效率。5結(jié)論與展望5.1全文總結(jié)車載導(dǎo)航中的地圖匹配是當前應(yīng)用比較熱門的一項技術(shù)，無論是從單個車輛的導(dǎo)航應(yīng)用還是交通調(diào)控來說，都是必不可少的工具。隨著這門技術(shù)的發(fā)展成熟，應(yīng)用范圍會越來越廣泛。中國也在加緊開發(fā)北斗導(dǎo)航，同時移動基站的定位和與導(dǎo)航設(shè)備的通信也是當前的發(fā)展方向之一。但是，無論哪種技術(shù)應(yīng)用在導(dǎo)航上，都離不開數(shù)據(jù)處理和地圖匹配。本文通過對GPS數(shù)據(jù)的處理和現(xiàn)有地圖匹配算法的研究，結(jié)合道路的特點，設(shè)計了一種綜合的匹配方法，并給出了實驗結(jié)果。以下是對本論文的總結(jié)：1）對當前車載導(dǎo)航市場及發(fā)展趨勢做了詳細分析；2）對影響GPS定位的各種誤差進行了分析，并對每種誤差給出相應(yīng)的處理方法；3）對接收到的GPS數(shù)據(jù)進行了解析和坐標轉(zhuǎn)換處理，通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取和轉(zhuǎn)換；4）在對最短距離投影算法、基于拓撲關(guān)系算法和概率統(tǒng)計算法研究的基礎(chǔ)上設(shè)計一種綜合地圖匹配算法，按照步驟流程，逐步實現(xiàn)了該算法；5）不足之處是用程序提取車載導(dǎo)航完整數(shù)據(jù)還不能夠?qū)崿F(xiàn)，不過我會在以后的工作中努力研究，并向老師請教。5.2展望ITS現(xiàn)在是世界上各個國家非常關(guān)注的，對一個過程的快速發(fā)展也起到相當大的作用，可以有效的形成全國范圍的高效交通系統(tǒng)。車載導(dǎo)航定位與地圖匹配系統(tǒng)是其中的一部分，其核心就是地圖匹配，它直接關(guān)系到車載導(dǎo)航系統(tǒng)是否可用。它涉及的知識面廣泛，對于車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)，有一些感想：1）電子地圖需要及時更新。由于城市的建設(shè)日新月異，許多道路變化很快，因此相應(yīng)的電子地圖需要及時更新，否則定位導(dǎo)航系統(tǒng)會失去一部分效用，即使進行地圖匹配也并不能彌補，為此提出兩種方法：一是在原有地圖上通過提供地圖繪制進口來更新地圖；二是車輛在變更的道路上進行跑車后，系統(tǒng)能夠自動地在地圖上更新。2）地圖匹配算法的完善。論文設(shè)計的算法畢竟是在一定假使簡化的條件下提出的，與實際情況有一定的不合，因此除了理論上的處理外，應(yīng)該多多進行實際的跑車實現(xiàn)，在實踐中修正數(shù)據(jù)。3）積極考慮人的決策作用。當車輛在復(fù)雜路段上行駛時，這時系統(tǒng)可以進行語音提示，車輛駕駛者就可以根據(jù)自己能夠得到的信息進行判斷選擇，以提高匹配效率。致謝參考文獻[1]張其善,吳今培,楊東凱.智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)用[M].第1版.北京:科學(xué)出版社,2002.[2]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].第3版.北京:科學(xué)出版社,2008.[3]李躍.導(dǎo)航與定位[M].第2版.北京:國防工業(yè)出版社,2008.[4]常青,楊東凱,寇艷紅等.車輛導(dǎo)航定位方法及應(yīng)用[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社,2005.[5]劉飛,周琳琳,益建芳.GPS大地坐標向地方坐標轉(zhuǎn)換的實用方法研究[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,(01).[6]陳則,王袁信,一種實用的GPSP電子地圖坐標轉(zhuǎn)換算法[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2003,(3).[7]柳光魁,王振祿,趙永強等.BJ-54坐標系與WGS-84坐標系轉(zhuǎn)換方法及精度分析[J].測繪與空間地理信息.2007,30(3):171~174[8]關(guān)桂霞,劉永賓,邱德慧.基于GPS／地圖匹配的車輛跟蹤算法研究[J].計算機應(yīng)用及軟件.2008,25(3):219~277[9]劉玉華.汽車導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)庫研究[D].遼寧工大碩士論文,2004.[10]陳永剛.車載導(dǎo)航系統(tǒng)中地圖匹配技術(shù)的研究[D].華東交通大學(xué)碩士論文,2006.[11]唐進君.車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中地圖匹配算法的研究及應(yīng)用[D].山東理工大學(xué)碩士論文,2009.[12]鐘海麗,童瑞華,李軍等.GPS定位與地圖匹配方法研究[J].2003,24(1):109~113[13]夏州.GPS車輛導(dǎo)航中的數(shù)據(jù)處理與地圖匹配研究[D].北京交通大學(xué)碩士論文.2009.[14]JoshiR.Anewapproachtomapmatchinginvehiclenavigationsystems.IntelligentTransportationSystemConferenceProceedings.20Ol.Oakland.USA.IEEE.200l附錄A譯文全站儀和GPS在文化遺產(chǎn)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用研究關(guān)鍵詞:GPS（全球定位系統(tǒng)）；全站儀；一體化研究；文化遺產(chǎn)；衛(wèi)星空間站摘要全站儀和全球定位系統(tǒng)接收機通常情況下分別應(yīng)用于地面研究和文化遺產(chǎn)勘測，并且很自然地發(fā)展成為一種能夠讓全球定位系統(tǒng)和全站儀聯(lián)合工作的獨立設(shè)備。其中存在一些問題，例如兩種技術(shù)需要不同的基準系統(tǒng)，這就需要一種測地學(xué)方法來解決他們。徠卡地面系統(tǒng)是衛(wèi)星空間站投放的新產(chǎn)品，它是一種集成了雙頻GPS接收機和全站儀1200系列的創(chuàng)新產(chǎn)品。真正意義上的集成是通過一個新固件來實現(xiàn)的，它能夠處理和存儲所有的測量：角度和距離，RTK和其他GPS觀測值。全球定位系統(tǒng)觀測值是基準系統(tǒng)成立的基礎(chǔ)，全站儀測量為基準系統(tǒng)提供北部方向，并且用精細測量來實現(xiàn)碎部測量。一個新設(shè)備的發(fā)明意味著一種新的研究方法。跟傳統(tǒng)的技術(shù)相比，大量測繪方案能著重突出主要優(yōu)勢，如，不再需要控制點，不再有導(dǎo)線和后交會。為了加快這些新技術(shù)的發(fā)展，并且能同他們跟傳統(tǒng)的技術(shù)比較，我們進行了一個專題測繪研究，研究對象是一個坐落于都靈的考古學(xué)建筑，在那里，一個地形參考網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被信號化并且被測量。比較的重點主要集中在省時、指揮測量的工作人員（技術(shù)或非技術(shù)），以及測量操作的便捷性。1引言在眾多的文化遺產(chǎn)研究領(lǐng)域，非常有趣的是對于一體化研究，它源于不同的資源，但是在傳統(tǒng)研究的不同階段，需要大量不同的儀器。這篇論文描述了怎樣使一體化測量應(yīng)用于地形研究領(lǐng)域，并且闡述了徠卡空間站的實踐應(yīng)用。這篇論文的第一部分重點講述伴隨著新儀器的引進，研究方法也會有所改變。為了與傳統(tǒng)的研究方法做比較，我們嘗試了大量的研究方案，并且關(guān)于大地測量學(xué)方法的評估和想法需要創(chuàng)定，為了評估在智能站中所測得的這一研究結(jié)果，測得的結(jié)果將會被公布出來。2地形的研究需要最近幾年來，現(xiàn)代科技已經(jīng)為通過各種途徑從事文化遺產(chǎn)研究領(lǐng)域的人們提供了許多強有力的設(shè)備，現(xiàn)代地質(zhì)和地面研究的技術(shù)方法與現(xiàn)有的設(shè)備之間存在著密切的聯(lián)系，而且深受他們的影響。圖1安裝在經(jīng)緯儀頂部的測距儀現(xiàn)代科學(xué)儀器能在不用棱鏡的情況下對500米范圍內(nèi)的事物進行角度和距離的測量。其中利用GPS接收機進行角度測量，精度可達。在RTK定位技術(shù)中，以載波相位觀測值為基礎(chǔ)，將兩個測站的載波相位進行實時處理，可以達到厘米級的精度。對于同一個應(yīng)用領(lǐng)域，每一項技術(shù)都需要而且要求有自己的地形和地面研究方法。自然發(fā)展之一便是對不同勘測儀器之間的聯(lián)合，多年來，我們?yōu)榇俗隽舜罅康膰L試和試驗。圖1展示了一個將光學(xué)經(jīng)緯儀和一個EDM聯(lián)合在一起的老例子。這兩個不同儀器之間的聯(lián)合水平通常比一個現(xiàn)代化的全站儀水平低，但在一定程度上，它能被認為是現(xiàn)代化高效率全站儀的先驅(qū)。這種技術(shù)也通常應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，如將兩個全球定位系統(tǒng)和INT進行的聯(lián)合用于直接攝影測量學(xué)或者激光掃描于GPS+IMU的聯(lián)合。2.1一體化（集成）兩種測量儀器之間的有效集成并不是兩個儀器簡單的在一起進行工作，而是為了在相同的研究階段能夠有效地掌控不同的方面。一體化意味著數(shù)據(jù)的獲得可以被分享而且可以聯(lián)合在一起去獲得那些通常不能直接獲得的結(jié)果。3徠卡衛(wèi)星空間站1993年，徠卡公司注冊了一個美國專利，當時描述為“包含一個光學(xué)全站儀和一個手提式接收設(shè)備的衛(wèi)星位置測量系統(tǒng)”。這一系統(tǒng)現(xiàn)在被應(yīng)用于徠卡衛(wèi)星空間站中。圖2TPS和GPS聯(lián)合應(yīng)用于衛(wèi)星空間站3.1運行原理智能衛(wèi)星空間站包含一個高表現(xiàn)力的TPS和一個強有力的全球定位系統(tǒng)接收機。這個設(shè)備的工作原理如圖3所示，需要兩臺GPS接收機（一個是作為主控基準站的GENERICGPS接收機，另一個作為流動站）。這一設(shè)備以RTK定位技術(shù)模式展現(xiàn)，RTK定位技術(shù)具有靈活的布網(wǎng)方案，既保留了GPS測量的高精度，同時又具有實時性。RTK定位技術(shù)將兩個相對獨立的GPS信號接收系統(tǒng)聯(lián)成一個有機整體，基準站通過電臺將觀測信息傳輸給流動站，當它被利用的時候，這個基準主控站可以用一個基準網(wǎng)站來代替，在這種情況下，GPS位置的精確度會依賴于基準網(wǎng)站的規(guī)格。圖3智能衛(wèi)星空間站的工作示意圖在一個完整基準系統(tǒng)里，由于我們能很容易得到點的坐標，因而電子光學(xué)衛(wèi)星空間站已經(jīng)開始用于碎部測量。3.2智能站一體化智能站一體化這個概念從以下幾個方面獲得：

1）將相對獨立的部件聯(lián)成一個統(tǒng)一整體，在TPS和GPS之間沒有額外的電纜。2）源自于這兩種設(shè)備都儲存于單獨的數(shù)據(jù)庫中，都有不一致的大量的記憶儲備裝置。這兩種儀器都被相同的TPS鍵盤所控制。3）然而真正意義上的聯(lián)合是由軟件來實現(xiàn)的，在智能站內(nèi)部的軟件為TPS和GPS之間提供了對話，并且每一個系統(tǒng)為集成系統(tǒng)發(fā)揮了主要作用。下面兩個例子提供了必要的解釋：1、站在一個未知的坐標點上，它可以測量出PTK坐標和一個角度方向，以便于為光學(xué)電子儀器測量提供一個基準系統(tǒng)。圖4GPS在智能站的方位2、在一個GENERIC點上定位一個站用來進行細節(jié)研究，這個站點（在圖5中紅色如E、N、H的坐標）全方位的坐標可以通過GPSPTK的定位獲得。但是關(guān)于相關(guān)系統(tǒng)方位（N白色）仍不確定，如果電子光學(xué)設(shè)備可以得到應(yīng)用，它可能用來測量一個位置方位點（相關(guān)或固定點）為向站點（紅線）相關(guān)系統(tǒng)乘軸方向。圖5智能站雖然智能站以發(fā)展到集成TPS和GPS于一身，這兩種儀器都可以獨自地工作，可以相互分離。TPS可以被用作為一個傳統(tǒng)的總電站，而GPS可以當作永久性控制器采用。智能站GPS天線實際上包含接收器。但它有智能站軟件來控制。為了使它們能獨自發(fā)揮作用，有必要安裝一個外部控制墊。4測量方案用繼承下來的方法，我們可以運用不同的應(yīng)用程序，并且一些方案也應(yīng)運而生。為從這些測量操作上取得結(jié)果，每一種方案都需要一個相當充分的計劃。

一些方案可以在圖紙上進行分析，來描述隨著這種集成裝置的引進，測量方法將會有哪些改變。一般說來，我們可以說明運用這種集成器的優(yōu)點，例如智能站。先讓我們看一個傳統(tǒng)的TPS測量。（見圖6），當一個GPS裝備不能用時，一個長的、打開的地形學(xué)上的橫木就被建立起來，同時伴隨著一些顯而易見的問題。實際上如果這種多邊形地計劃不周全的話，準確性就會降低。圖6打開地形橫貫東西運用智能站測量法，存在兩種更為深遠的方案—在測量區(qū)中有或者沒有控制點。圖7沒有地形起伏時的測量4.1在地形測量中存在控制點在這種情況下，測量點存在于測量區(qū)域中，但是并不需要為了直接用來做測量站點而放得足夠好。智能站位置點可以放在最方便的地點進行碎部測量。為了給TPS提供正確的乘軸，我們只需從智能站位置點上看到一個控制點。沒有必要在兩個智能站位置點上都能看到。圖8智能站使用控制點測量4.2在地形測量中不存在控制點（在站點上存在共同的可見度）在這種方案中，在測量區(qū)域不存在控制點，或者不方便占有他們。智能站可以放在最方便的地點以便于進行碎部測量。圖9智能站用站間通視而沒有控制點智能站站點之間需要互相能夠看到同為每個站點都要用來確定下一個站點的方向。

4.3無控制點的地形測量(測點間不相互通視)在這種情況下，測量地區(qū)沒有控制點，在兩個衛(wèi)星空間站之間無法相互通視。圖10無通視測點無控制點的衛(wèi)星空間站測量碎部測量中將衛(wèi)星空間站安置在最方便測量的測點。我們能夠觀測到能互相通視的測站之間的控制點。他們的計算坐標被用于兩個或更多不同的衛(wèi)星空間站點之間的聯(lián)測。在下面的兩個章節(jié)中，我們描述了地形測量中的兩種實用情形，在這里，為了比較傳統(tǒng)測量技術(shù)和衛(wèi)星空間測量技術(shù)的區(qū)別，我們實施了文化遺傳測量。4.4在偏遠地區(qū)的地形測量如果考慮考古學(xué)站點，我們通常研究測量被隔絕的站點或者鄉(xiāng)區(qū)，以及遠離人類聚集區(qū)的地區(qū)。由于植被的原因,進行連續(xù)性的實時動態(tài)定位測量就變得有些困難。因此，在這里我們用到了TPS。雖然沒有控制點，但是利用參考站點將實時動態(tài)定位坐標傳輸，我們也能利用傳統(tǒng)的測量方式進行研究工作?！ぴ跍y站周圍建立一個GPS網(wǎng)絡(luò)，將GPS網(wǎng)絡(luò)中點的坐標傳輸給TPS；·將TPS設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)中的某個測點上，通過照準另一個控制點作為起始方向，實施碎部測量。這就意味著：－一個點不得不被占用兩次，一次是GPS，另一次是TPS；－如果一個點先被TPS占用，后被GPS占用。那么可以連續(xù)工作，必須在之后的階段完成；－需要兩套儀器設(shè)備，并且需要兩隊技術(shù)人員。衛(wèi)星空間站測量：·將儀器安置在能夠滿足需要的位置,便于碎步測量；·我們能夠得到任何一個點在每個時刻的GPS坐標；·勘測前就用到的其他點,用電子光學(xué)儀器測量,這種施工步驟運用于兩個點之間。這種方法有許多優(yōu)點：·每個點只被占用一次；·只需要一套儀器,并且只需要一組技術(shù)人員；·節(jié)省時間；·為得到最佳測量結(jié)果，可以用適當?shù)姆绞竭x擇駐點。4.5市區(qū)地形測量雖然市區(qū)通常情況下存在著許多文化遺傳的有價值因素，但是地形測量在市區(qū)并不是那么容易進行。事實上，城市中高建筑物和樹木使我們不可能使用GPS，而且，車輛交通、大廈等難以在控制點設(shè)站，這些都阻礙了測量的進展。在道路交叉口和其他露天空曠場地，這些能夠獲得GPS信號的地方利用衛(wèi)星空間站設(shè)置RTK，實行動態(tài)定位測量是可行的。根據(jù)先前的描述，我們可用適當?shù)姆绞绞褂脙x器進行碎步測量。5大地測量學(xué)的思考為了了解創(chuàng)新的關(guān)鍵，引用由徠卡公司制造的新儀器。如果有必要偏離一點主題，并研究不同的參考系。在新的衛(wèi)星空間站中，一些固有的不同的技術(shù)被物理集成，并由一個信號接口統(tǒng)一組織管理。由于大地水準面不規(guī)