GNSS-GIS集成在车辆导航中的应用

杨 诚，李瑞宗，李柏延

（1海南地质综合勘察设计院 海口 570002 2 陕西师范大学旅游与环境学院 西安 710119）

引 言

全球导航卫星系统GNSS（Global Navigation Satellite System）也叫天基定位、导航、授时（PNT）系统，它的主要功能是提供空间、时间以及所有与位置有关的实时动态信息，简而言之，全球导航卫星系统应该是所有在轨工作的卫星导航定位系统的总称，包括GPS、GLONASS、Compass、Galileo等在内的综合星座系统。

地理信息系统GIS（Geographic Information System），是存储、管理、数据处理与分析、显示与应用地理信息的计算机系统的总称，它既是一种综合性的技术方法，也是研究地理实体的应用工具，它可以将现实世界抽象表达成一系列的地理特征，用数字化方法将现实离散化为数字信息，是一种重要的空间信息系统。

GIS具有强大的地理空间数据采集、存储与管理、数据处理及空间分析等功能，全球导航卫星系统的优势是全天候、时效性，如将两个系统的优势结合起来，则可为用户提供实时动态的空间和时间信息。根据《中国统计摘要2013》的详细统计，2000年我国民用汽车保有量是1.07×108辆，2012年我国民用汽车保有量达1.09×108辆，这对于地面交通是一个很严峻的考验。经统计，我国汽车销售在近14年以每年20%左右的速度增长[1]，在这样的情形下，将全球导航卫星系统与GIS集成进行车辆实时导航可以有效解决车辆的拥堵问题[2，3]，因此构建一套基于GNSS和GIS技术的综合交通导航系统具有重要的社会现实意义。

1 发展历程

人类历史上最早的车辆导航系统可以追溯到大约公元前2600年古代中国发明的指南车，这算是古代意义的导航起源，而现代意义上的全球导航卫星系统是自1957年前苏联发射第一颗人造地球卫星开始。人造地球卫星的发射极大地推动了全球导航卫星系统的研发和应用，美国率先研发出海军导航卫星系统——子午仪（Transit）导航卫星系统，随后美国研发出GPS，当时正处冷战时期，前苏联不甘落后，研发出GLONASS导航卫星系统。这些导航卫星系统的研发主要是政府主导的，但自1990年后，导航系统走上了民营化道路，Trimble公司研发出的第一套定位系统，简称Vtrack系统，Navsys公司研发了请求中心救援的TIDGET系统，随着民用导航系统的相继出现和应用，全球导航系统得到了极大的推广和应用。近年来，伴随着信息化步伐的加快，软件系统也趋向市场化、功能多元化[4]。上世纪90年代左右我国一些公司也开始积极探索研发相关导航定位系统，到21世纪初，导航定位系统在我国也得到了蓬勃发展，尤其是北斗导航系统的快速建网，使得我国车辆监控产品呈现出多样化。

总体而言，当前GNSS正经历前所未有的三大转变：①从单一的GPS时代转变为多星座并存兼容的GNSS新时代，例如GPSRTK预留备用卫星信道，可以同时接收北斗导航卫星信号和俄罗斯的GLONASS卫星信号，它结合了各导航定位系统的优点，极大地提高了定位精度；②从以卫星导航为应用主体转变为PNT（定位、导航、授时）与移动通信及因特网等的融合，如目前国内连续运行的基准站系统CORS，能实时自动地向不同层次用户、不同类型用户以及不同需求用户提供GPS观测值、各种状态信息、改正数以及灵活方便的定位服务，而且它很好地解决了大规模、长距离、高精度的GNSS定位问题；③从以销售应用产品为主逐步转变为以服务为主的新趋势，最终GNSS将形成规模化、小型化及大众化等特点。

2 研究现状

车辆导航系统集成是一种以全球导航定位系统为基础，集成了GIS空间分析中的网络分析等多种技术的辅助驾驶系统[5，6]。其主要功能是通过接收机接收到GNSS的定位信号，利用车载计算机快速计算出车辆的实时速度、时间、坐标等定位信息，再利用相关的数据接口传输，将车辆的相关定位信息存入交通信息数据库，然后将车辆的具体位置通过具有GIS查询功能的电子地图实时地显示出来；它还可以实时地对车辆的确切位置以及周边的详细地理环境进行查询，通过网络分析在陌生的道路环境中计算出最优的行驶路径，从而实现GNSS导航定位与GIS地图查询功能的结合，实现车辆的快速自动化运行和作业。车辆导航系统架构如图1所示。

图1 车辆导航系统架构Fig.1 The construction of vehicle navigation system

近十几年GNSS与GIS的集成在车辆导航领域中得到了进一步深化和发展。2000年以来，许多研究人员从研究导航系统中数字电子地图的空间数据组织形式出发，开展了GNSS信号与GIS交通路网数据的匹配、最佳路径的选择、快速选择、地图随驾驶方向快速实时语音提示和旋转技术、语音识别技术等方面的研究和应用[7～9]。在此基础上，通过搭建车辆导航系统的基本框架，进一步优化出行路线，将出行时间最短确定为选择路线时的主要考虑对象，同时提出了处理交叉口转向限制及交叉口延误的转换网络法和直接计算法两种解决方案。通过比较各短路径长度确定适合实际需要的一条路径。此外，建立导航定位系统测量与数字地图实时配准的地图匹配算法，可以大大改善GNSS自主车辆导航系统的定位精度[10～16]。

随着GNSS自主车辆导航系统定位精度的提高，一些学者为提高城市交通管理水平，提出了智能交通系统ITS（Intelligent Transportation Systems）的设想和计划。智能交通系统（ITS）就是将计算机技术、通讯技术、电子技术相融合，组成一个非常复杂、庞大的综合交通信息系统。它由数字地图数据库、导航定位系统、地图匹配、路径规划、路径引导、通讯等多个模块构成，目的是实现交通管理智能化，充分有效地利用路网资源，减少堵车、交通事故和交通环境污染。由此可见，ITS的发展离不开GIS、GNSS的支持，可以说GIS和GNSS是支持ITS发展的关键技术[17～21]。

随着通信技术的快速发展，GIS、GNSS及通信技术集成的车辆导航系统成为一种新趋势，将车载终端与监控终端有机地结合起来，利用广大用户手中的智能手机即可实现对车辆的上车导航、下车监控[22]。

在算法上，研究者在实际的应用中改进了迪杰斯特拉（Dijkstra）算法[23～26]，通过分析不同坐标系统坐标间的转换以及同一坐标系统中大地坐标和空间直角坐标之间的转换，实现GNSS数据在电子地图上的显示与更新，进而研究了地图匹配算法，并以图论中的网络模型为参考，分析了几种路径规划算法[27]。接着又提出以行驶时间为主要标准的改进的动态计算方法，将路段区分为阻塞、空闲、繁忙三种状态，从而简化了运算模式，提高了计算效率，优化了已搜索节点集和待搜索节点集的数据结构，简化了重点判断的标准，最终提高了运算效率[28]。后来有学者提出基于GIS的嵌入式城市高精度车辆定位与导航系统方案，它一般是在GPS、DR（Dead Reckoning）组合定位的基础上，综合各种地图匹配算法，研究利用基于作业导向的地图匹配架构进行辅助定位的方法，因为DR系统是由陀螺仪和车辆里程表构成，通过对车辆位置变化量和车辆航向角变化量的测量，递推出车辆的位置变化，所以与DR系统的结合可以有效提高车辆导航定位的精度[29]。

车载导航系统和GIS的集成作用，包括导航地理数据的构建与更新、路径规划与行驶引导，以及地图匹配，这三个关键技术问题关系到车载导航系统能否成功运用于实际车辆导航，其中导航地理数据的构建与更新尤为重要[30]。李德仁等给出了GNSS和GIS集成应用的优势：低成本的建网投入，由于车辆GPS应用依赖于成熟的移动通讯系统，所以不需要单独的网络建设，且使用简单、方便，实用性强[31，32]。一些学者结合GPS定位和GIS技术实现了车辆导航功能，采用基于最小堆、二叉堆的直线优化Dijkstra算法，实现了最短路径分析功能，可以有效缓解日渐突出的城市交通问题[33，34]。最近有学者提出如何将高信息量的GIS地图应用到智能车的导航控制中，使得智能车的轨迹跟踪控制能够达到车道级别的精度要求，这成为当前智能车技术发展的又一趋势。文献[35]通过推导汽车的位姿预测模型，总结驾驶员理想的操纵习惯，开展了智能车基于车道级轨迹模型的轨迹跟踪控制研究。

3 结束语

本文主要讨论了GIS与GNSS的集成在车辆导航系统中的应用和发展，认为GIS条件下导航系统的研究将是智能交通系统的一个重要研究方向。智能交通系统是一个非常复杂的信息系统，涉及到行政管理问题。未来交通云计算将改变现有交通系统的建设和运营模式，带来的挑战将非常大，而顺应技术发展趋势无疑将带来商务模式的创新，从而大幅提高道路网通行效率，减轻环境污染和财政损失。目前需要解决的关键问题是：①电子地图精确度差、更新周期长。电子地图绘制得越精确，定位也就越准确，用户使用起来就越方便，但我国城市电子地图资源一直没有一个完全开放的标准平台，电子地图的精确度较差，这与我国的电子地图市场没有放开是密不可分的。②GNSS车载系统价格居高不下。③缺乏统一标准。目前我国的车辆导航产品市场还处于各自为营的散乱经营状态，没有统一的平台支持，行业缺乏统一的标准。不同公司的GNSS产品及运营系统之间不能通用、兼容，产品的可靠性、一致性及质量标准方面存在着问题，而这些问题都妨碍了导航产品的推广应用。总而言之，如果电子地图数据的问题能够得到很好的解决，导航系统性价比比较合理，那么车辆导航系统在我国必定具有广阔的市场前景。

[1] 赵亦林.汽车定位与导航系统[M].北京：电子工业出版社，1999：34～37.

[2] 张献州，齐 华.GPS与GIS结合的现状与发展[J].铁路航测，1999，91（2）：1～5.

[3] Derekenaris G，Garifalakis J，Makris C，et al.Integrating GIS，GPS and GSM Technologies for the Effective Management of Ambulances[J].Computers，Environment and Urban Systems，2001，25（3）：267 ～278.

[4] 中国智能交通网.国内外车辆监控系统的现状及其发展[EB/OL].北京：中国智能交通网，2011-10-19.http：//www.im2m.com.cn/Item.aspx?id=35612.

[5] 赵会平.GPS在汽车导航系统中的应用[J].全球定位系统，2000，25（4）：12～16.

[6] Michael A P，Jeremy E Woolley，Rocco Zito.Integration of the Global Positioning System and Geographical Information Systems for Traffic Congestion Studies[J].Transportation Research Part C：Emerging Technologies，2000，8（6）：257 ～285.

[7] 陈大伟，刘 佐，周传明，等.地理信息系统（GIS）在车辆导航系统中的应用研究[J].交通与计算机，2000，18（6）：10～12.

[8] 李德仁，郭丙轩，王 密，等.基于GPS与GIS集成的车辆导航系统设计与实现[J].武汉测绘科技大学学报，2000，25（3）：208 ～211.Li Deren，Guo Bingxuan，Wang Mi，et al.Vehicle Navigation System Design and Implementation Based on Integration of GPS and GIS[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University，2000，25（3）：208 ～211.

[9] 张磊.基于GIS和GPS的车辆实时监控系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2013.

[10] 张 可.车辆导航系统关键技术研究[D].北京：北京工业大学，2001.

[11] 苏 洁，周东方，岳春生.GPS车辆导航中的实时地图匹配算法[J].测绘学报，2001，30（3）：252～256.Su Jie，Zhou Dongfang，Yue Chunsheng.Real-time Map-matching Algorithm in GPS Navigation System for Vehicles[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2001，30（3）：252 ～256.

[12] 晏克非，苏永云，黄 翔，等.车辆导航系统基于GIS的动态K最短路递推解法[J].西安公路交通大学学报，2001，21（1）：64 ～67.Yan Kefei，Su Yongyun，Huang Xiang，et al.Algorithm for Dynamic K Shortest-Paths in Vehicle Navigation System Based on GIS[J].Journal of Xi’an Highway University，2001，21（1）：64 ～67.

[13] 王海波.车辆导航系统的体系结构与路网模型[D].长春：吉林大学，2007.

[14] 徐 斌.车辆导航系统定位技术的研究[D].长春：吉林大学，2007.

[15] 林朝飞.GPS与GIS在车载导航监控系统中的研究与应用[D].成都：电子科技大学，2007.

[16] 李鹏杰.基于GIS与交通仿真技术的车辆动态路径选择[D].成都：成都理工大学，2012.

[17] 陈则王，袁 信.GIS在车辆定位导航系统中的应用[J].微型电脑应用，2002，18（9）：28～29.Chen Zewang，Yuan Xin.GIS Applied in a Vehicle Locating and Navigating System[J].Microcomputer Applications，2002，18（9）：28 ～29.

[18] 孙文彬，岑敏仪，郭 淳.GPS和GIS在智能交通系统（ITS）中的应用[J].铁路航测，2002，32（2）：35～37.

[19] 滕继涛，张飞舟，李跃鹏，等.智能交通系统中车辆调度问题的遗传算法研究[J].北京航空航天大学学报，2003，29（1）：13 ～16.

[20] 唐章英.GIS技术在车辆导航系统中的应用[D].重庆：西南交通大学，2005.

[21] 张飞舟，耿嘉洲，程 鹏，等.ITS中的车辆定位导航精度提高方法分析[C]//浙江：Asia Pacific Environmental Science Research Center，Hong Kong、Huazhong Normal University，China、Institute of Geodesy and Geophysics，Chinese Academy of Sciences、Wuhan Institute of Technology，China，2010：611 ～614.

[22] 翟战强，蔡少华.基于GPRS/GPS/GIS的车辆导航与监控系统[J].测绘通报，2004，22（2）：34～36.Zhai Zhanqiang，Cai Shaohua.GPRS/GPS/GIS Based Vehicle Navigation and Monitoring System[J].Bulletin of Surveying and Mapping，2004，22（2）：34 ～36.

[23] 吴立民.基于GPS与GIS的车辆导航定位监控系统的研究[D].长春：吉林大学，2005.

[24] 翟 振，孙 鑫，李志锋.基于Dijkstra算法的车辆导航系统路线优化技术[J].测绘科学，2008，33（S3）：225～226.Zhai Zhen，Sun Xin，Li Zhifeng.Intelligence Vehicles Guidance System for the Technology Route to Optimize on Account of the Classics Dijkstra Most Short-path Algorithm[J].Science of Surveying and Mapping，2008，33（S3）：225 ～226.

[25] 樊锦明.基于GIS的车载导航技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[26] 马 雷.GPS/GIS车载导航系统最优路径搜索算法研究与实现[D].成都：电子科技大学，2013.

[27] 严红萍.基于GPS/GIS车载导航系统相关技术的研究[D].南京：河海大学，2006.

[28] 沈方方.ITS车辆导航系统中最优路径算法的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[29] 黄袁斌.基于GIS的车辆导航与监控系统软件研究与实现[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[30] 黄 蔚.车载导航系统中GIS应用的关键技术浅析[J].地理信息世界，2009，7（5）：64～68.Huang Wei.GIS and Geo-spatial Data in Vehicle Navigation System[J].Geomatics World，2009，7（5）：64 ～68.

[31] 陈 强，郭 超.GPS与GIS集成在交通指挥系统中的应用[J].北方交通，2010，182（1）：65～67.Chen Qiang，Guo Chao.Application of GPS and GIS Integration in Traffic Direction System[J].Northern Communications，2010，182（1）：65 ～67.

[32] 李德仁.论RS，GPS与GIS集成的定义、理论与关键技术[J].遥感学报，1997，1（1）：64～68.Li Deren.On Definition，Theory and Key Technics of the Integration of GPS，RS and GIS[J].Journal of Remote Sensing，1997，1（1）：64 ～68.

[33] 高辉辉.基于GPS/GIS的嵌入式车载导航系统的应用研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[34] 刘温阳.集成GIS/GPS/GPRS的智能汽车导航系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.

[35] 安俊辉.基于GIS地图的智能车辆分车道导航及跟踪控制研究[D].淄博：山东理工大学，2013.