基于GPS与GIS集成的车辆导航系统设计与实现
李德仁 郭丙轩 王密 雷霆
摘 要 介绍了基于GPS与GIS集成的车辆导航系统设计与实现，探讨了导航系统中电子地图的空间数据组织，提出了GPS信号与GIS路网数据匹配、快速的邮路选择、最佳路径选择、地图随驾驶方向快速实时旋转技术及语音提示、语音识别技术的使用。
关键词 3S集成;车辆导航;信息融合;匹配;最佳路径;邮路问题;语音识别;快速显示
分类号 P228.42；P208 文献标识码 A
文章编号：1000-050X(2000)03-0208-211
Vehicle Navigation System Design and Implementation
Based on Integration of GPS and GIS
LI Deren
(Presidential Secretarial，WTUSM，129 Luoyu Road,Wuhan,China,430079)
GUO Bingxuan WANG Mi LEI Ting
(National Laboratory for Information Engineering in Surveying,Mapping and Remote Sensing,WTUSM，129 Luoyu Road,Wuhan,China,430079)
Abstract This article discusses the design and implementation of a vehicle navigation system (VNS),which is based on the joint technology of GPS and GIS.After a general systematic analysis of VNS,this article discusses the following issues:(1)The
outline design of VNS including its hardware,software and system architecture.(2) The real-time procedure of GPS signals and other ones,which involves signal receiving,data communication,coordinate transformation,as well as the processing of electric
compass signals.(3) The data organization issues.Both spatial and attribute data of roads network are organized into an integer model.Point features are also organized in the same way.In order to make effective spatial index and topological
relationship,some relevant technologies has been developed.Optimized data organization and multithread programming technology has made possible the fast rotation and movement of the map in response of GPS signals.Based on road topology,we develope a
fast algorithm to search best route.(4)The matching of GPS signal with map data.Normally,GPS coordinate error is around 100 m,which includes system error.We use GIS data to correct the systematic error and to fit the GPS coordinate into the map.In case
GPS signal is lost,we employ some algorithms to estimate the position of the vehicle,with the aid of other devices like electric compass.(5) The design and implementation of our VNS interface.The VNS interface is mainly composed of three views:global
view that presents the map in a normal mode and highlights the planned and passed route,a driver's view that rotates to keep the forward direction northward;and a prompt window that shows user guidance information.(6)The audio control part,which can
fulfill the need for man-machine interaction better than traditional ways of keyboard plus mouse.
Key words integration of 3S;vehicle navigation;information fusion;matching;optimal route;post road issue;audio recognition;quick display
智能交通系统(ITS)将成为今后交通发展的主要方向。作为智能交通系统重要组成部分的车辆导航成为了研究的热点。导航系统帮助司机选择最佳路径，提高效率，为司机提前提供道路信息，例如道路转弯、交通事故易发区的提示，降低交通事故发生率。
1 系统设计与组成
在导航系统中，应用GIS组织管理路网空间数据及属性数据，各种单位进行分类管理，并对 路网建立拓扑关系。GPS接收机实时接收卫星信号并转换为坐标信息，与地图数据进行匹配。这是一种典型的GPS与GIS集成形式。
1.1 系统组成
系统包括：主频266MHz工控机一台(带多媒体设备)、GPS接收机、电子罗盘、车轮记速器、操作系统、GPS信号处理软件、GPS与GIS集成软件、语音识别软件、电子地图等。
1.2 系统功能
.地图的显示、缩放、漫游、图形的任意旋转；
.查询功能，属性与图形的相互查询；
.最佳路径的搜索、邮路的选择，都可任意设置可经由点、不可经由点；
.最佳路径导航和随机导航两种导航方式；
.实时显示车的当前位置和轨迹；
.GPS漂移误差的纠正；
.当GPS信号丢失时，推估车的当前位置；
.GPS坐标与地图匹配，驾驶方向的确定，根据驾驶方向实时地把前进方向调整到正北方向；
.行车道路、位置、到达目的地等丰富的声音、文字提示；
.可以摆脱传统的鼠标、键盘输入，采用声音输入，而且不需要口音适应。
2 GIS部分与GPS部分的接口
使用DDE实现了GIS软件与GPS软件的接口与通讯，使用DDE可使不同的应用程序之间交换信息与数据。
2.1 对GPS信号的实时接收
使用DDE与GPS信号处理软件通讯，实时接收GPS信号。DDE是过程之间的通讯机制(IPC)，它使用Windows消息和共享内存，使相互合作的应用程序能够交换数据。DDE中潜在着一种协议，发送应用程序和接收应用程序在交换数据时必须遵守这种协议。
DDE适用于从一个应用程序到另一个应用程序来传递数据，尤其是接收程序必须操纵数据时。用客户机/服务器的术语来讲，数据的提供就是一个服务器，而数据的接收者就是DDE的客户机。在DDE中，客户机应用程序和服务器应用程序必须都知道数据格式。系统使用的DDE对话格式为(经
度，纬度，速度，方向，高程，时间)。
2.2 对GPS信号的实时处理
1) 投影变换(经纬度坐标到高斯坐标的变换)
由于GPS接收机接收到的是经纬度坐标，因此，首先必须通过高斯投影将其转换成高斯坐标，转换公式如下：
式中，XB0=C0B-cosB(C1sinB+C2sin3B+C3sin5B);t=tanB;l=L-L0;N=;m0=lcosB;η2=e2cosB;L、B为转换前的经纬度坐标；x、y为转换后的高斯坐标；L0为投影带的中央经线坐标；C0、C1、C2、C3为与点位无关而只与椭球参数有关的常数。
2)坐标变换(高斯坐标到电子地图坐标的变换)
导航中的电子地图是以独立坐标系为基准的，因此，必须将其纳入到高斯平面直角坐标系中。电子地图的变形很小，只需考虑平移和缩放参数，变换公式为：
X=xK+X0
Y=yK+Y0
3 GIS数据组织与最佳路径的搜索
系统采用GeoStar组织底层数据。GeoStar具有图形属性一体化先进数据管理模型、面向对象的数据组织等优点。
3.1 图形的分层
图形部分分为3层：(1) 底图部分。包括河流、湖泊、建筑物等基础信息。(2) 路网。把路网分级管理，例如主干道、次干道等，并动态建立拓扑关系。(3) 企事业单位。分为8大类管理，包括教育、党政机关、银行、宾馆、商场等。
3.2 路网拓扑关系的建立
在路网的数学模型中，只需要用到结点与结点以及道路的连通性，即结点与结点以及线段之间的拓扑关系。笔者遍历路网数据建立了这种拓扑关系数据，并按照最佳路径算法的要求对这种数据按结点的编号进行了排序。
考虑到城市道路网更新的速度相对较快，笔者采用了动态方式建立路网拓扑关系，即系统在每次启动时检测路网数据,若发现路网数据已经变动，就重建拓扑关系。这样，就不要求在系统启动之前预先建立拓扑关系。
3.3 最佳路径搜索
计算最佳路径时，采用经典图论中的Dijstra算法，也称标号法。Dijstra算法把结点标记为临时性的T标号点和最终选定的P标号点，并把起点作为第一个P标号点，然后按照最短路径的原则逐个选出T标号点中的P标号点，并按P标号点扩展T标号点集，直到目标点(或所有的点)被标为P标
号点。从起点到终点的P标号点序列就代表了所求的最佳路径。
为了把Dijstra算法用于实际的道路网中，笔者进行了一些补充，加入了对回避点的处理。即能够在计算最佳路径时，避开指定的回避点。另外，也对起点和终点是线段内点的情况进行了处理，使路段中间的点也能被选为起点、终点或回避点。
由于城市道路比较复杂，路网数据的数据量很大，因此，为了提高搜索时间，还采用了广度优先的搜索法，即先在一定限制搜索范围内搜索路径，然后逐步扩大这一范围，直到找到最佳路径。
在道路网中，通常以路径总长最短为路径的最佳标准，但也可以选择像路宽、车流量、车速限制等因素作为判断因子。例如，可以用路段长度除以道路宽度作为判断标准，在这种标准下选出的最佳路径就可以避开那些较窄的路段。
4 GPS坐标与数字地图匹配
本系统以GPS信号和已有的数字地图为导航依据。
SA技术使GPS定位误差约为100m，车辆在行驶过程中一般不会脱离道路。根据GPS得到的定位结果，利用数字地图存储的道路数据，按照一定算法将车辆位置强制性附合到道路上，其算法如下：
1) 在距由GPS得到的定位点100m范围内，搜索道路；
2) 道路的方向要与GPS信号的方向一致；
3) GPS得到的当前定位结果与上一点得到的定位结果间的距离除以时间间隔不可能大于汽车限速(200km/h)，否则认为是粗差；
4) 把GPS误差分解为平行道路方向和垂直道路方向，垂直道路方向误差通过数字地图得到消除；
5) 当GPS信号丢失时，根据汽车的最近位置、速度及方向，推估汽车当前的位置、方向。
在城市有些地段的高层建筑、路边树木、立交桥等障碍物可能遮挡卫星信号，使GPS接收机不能跟踪到足够多的卫星，造成较长一段时间GPS信号丢失，采用车轮记速器、电子罗盘可以准确地进行车辆位置推估。
5 系统界面
整个系统界面分成3个窗口，其中包括一个信息提示窗口和两个图形窗口。两个图形窗口是全局视窗和驾驶员视窗，如图1所示。
图1 车载导航系统界面
Fig.1 Interface of Mobile Navigating System
1)信息提示窗口：提示当前汽车行驶街道名称、汽车当前位置、汽车已行驶里程数、已行驶里程占全程的百分比等信息。
2)全局视窗：按照普通方式显示地图数据，显示最佳路径和车辆轨迹，用户可在其中完成选择路径的工作。
3)驾驶员视窗：这是一个旋转窗口，窗口内地图始终按照驾驶员坐标系显示图形，即汽车行驶方向始终向上。
在全局视窗和驾驶员视窗内都可实现图形的快速、实时缩放、漫游。
系统最佳路径选择有两种方式：①用鼠标在图形窗口内选择可经由点与不可经由点，求得最佳路径。②通过点状地物名称选择可经由点与不可经由点，求得最佳路径。上述两种方式也可结合起来选择最佳路径。
6 结 论
系统除了可通过常规鼠标键盘输入之外，考虑到驾驶员驾驶汽车时需要集中精力，还可用无鼠标键盘的声音输入，驾驶员通过声音完成系统的全部基本操作。具体实现是在使用商用语音识别软件基础上进行二次开发。
6.1 技术路线的可行性
GPS接收机、数字地图、电子罗盘、车轮记速器、汽车、软件组成的导航系统在城市地区是可行的。以GPS接收机为主，电子罗盘、车轮记速器起补充作用；数字地图提供基础GIS信息，并可以纠正GPS漂移误差。
另外，成功地引入了语音识别技术。为此，笔者把系统的基本操作归结为上百条命令，用户指令在上百条命令中搜索，提高了识别效率。不需训练就可通过声音控制系统，实现无鼠标、键盘的人机交互。
6.2 有待解决的问题
(1)与路况监测系统的集成。在街道上行驶时，需要知道当前各路段交通的畅通情况，以便给用户真正的“最佳路径”。
(2)基础道路数据的更新。城市在不断地发展变化，城市路网也在变化，系统所用的数字地图需要实时更新，如何实时更新GIS数据库需要进一步探讨。
(3)道路网数据模型的改进。城市交通设施中存在许多立交桥、单向车道，如何在基础路网数据中表达立交桥，需要进一步改进数据模型，完整地表达道路的拓扑关系。
立交桥不能作为点来表示，应作为“子图”来处理。处理不同宽度、不同交通拥挤状况的路段，一般加权处理，如何确定权值也需进一步探讨。
(4)在实际应用中，模糊查询非常重要，因此需要进一步增强模糊信息的录入、管理查询功能。
国家自然科学基金重点资助项目，编号49631050。
李德仁，男，60岁，教授，博士生导师，中国科学院院士，中国工程院院士，欧亚科学院院士。现主要从事以遥感、全球定位系统和地理信息系统为代表的空间信息科学与技术的科研和教学工作。代表成果：高精度摄影测量定位理论与方法、GPS空中三角测量、SPOT卫星像片解析处理、数
学形态学及其在测量数据库中的应用、面向对象的GIS理论与技术、影像理解及像片自动解译以及多媒体通信等。已发表论文220余篇。
LI Deren,male,60,professor,Ph.D supervisor,member of the Chinese Academy of Sciences,member of the Chinese Academy of Engineering,member of the Euro-Asia International Academy of Sciences.He is concentrated on the research and education in spatial
information science and technology represented by remote sensing (RS),global positioning system (GPS) and geographic information system (GIS).He has made unique and original contribution in the areas of theories and methods for high precision
photogrammetric positioning,GPS aerotriangulation,analysis and processing of SPOT imagery,mathematical morphology and its application in spatial databases,theories of object-oriented GIS,image understanding and automatic photointerpretation,multi-media
communication and mobile mapping systems,etc.The research findings have promoted the progress of the technology directly and are being turned into products.He published papers are more than 220.
E-mail:dli@wtusm.edu.cn
作者单位：李德仁（武汉测绘科技大学校长办公室，武汉市珞喻路129号，430079）
郭丙轩（武汉测绘科技大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉市珞喻路129号，430079）
王密（武汉测绘科技大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉市珞喻路129号，430079）
雷霆（武汉测绘科技大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉市珞喻路129号，430079）
参 考 文 献
［1］李德仁，龚健雅，边馥苓，等.地理信息系统导论.北京：测绘出版社，1993
［2］刘基余，李征航，王跃虎，等.全球定位系统原理及其应用.北京：测绘出版社，1993
［3］陈小明. 高精度GPS动态定位的理论与实践：［学位论文］. 武汉：武汉测绘科技大学，1997
收稿日期：1999-11-18