摘要 摘要 路線優(yōu)化子系統(tǒng)是車輛導(dǎo)航系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容，它通過接收交通信息服務(wù) 子系統(tǒng)發(fā)布的動(dòng)態(tài)交通信息，結(jié)合車輛定位子系統(tǒng)所確定的車輛在路網(wǎng)中所處的 位置，向出行者提供符合最優(yōu)目標(biāo)的路線行駛方案，良達(dá)到安全、迅速、舒適和 經(jīng)濟(jì)的出行目的。 論文對最優(yōu)路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了深入地研究和描述。在分櫥了各種常用算法 的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，采用前向關(guān)聯(lián)邊的鄰接表存儲結(jié)構(gòu)和直線 啟發(fā)實(shí)現(xiàn)了對d i k s l 終算法和蟻群算法的優(yōu)化，理論分析和實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果表明， 這些改進(jìn)大大提高了算法的計(jì)算速度，有效的減小了存儲空間。然后，對有必經(jīng)節(jié) 點(diǎn)序列、避開節(jié)點(diǎn)序列及節(jié)點(diǎn)權(quán)重等限制條件下的最優(yōu)路徑搜索問題，以西安市 的典型路網(wǎng)為研究對象進(jìn)行了測試，結(jié)果證明，帶限制條件下的最優(yōu)路徑搜索算 法能夠規(guī)劃出符合用戶要求的最優(yōu)路徑。 關(guān)鍵詞：智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)字電子地圖路網(wǎng)模型路線規(guī)戈j j 最優(yōu)路徑 a b s t r a c r 3 a b s t r a c t i ni n t e l l i g e n tv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m ( i v n s ) ，t h er o u t ep l a n n i n gm o d u l e ( r p m ) i sa ni m p o r t a n ta n dc r i t i c a lc o m p o n e n t s ，w h i c hr e c e i v e sd y n a m i ct r a f f i c i n f o r m a t i o nv i at r a f f i ci n f o r m a t i o ns e r v i c ec e n t e r , a n da l s oa c q u i r e st h el o c a t i o no f t h ev e h i c l ev i ap o s i t i o n i n gm o d u l e w i t ht h e s ei n f o r m a t i o n ，r p mp l a n sa no p t i m a l r o u t ef o rt h et r a v e l e r sw h i c hm a k e st h et r a v e ls a f e r , l e s st i m ec o n s u m i n g , m o r e c o m f o r t a b l e ，a n dm o r ee c o n o m i c t h eo p t i m a lr o u t ep l a n n i n gt h e o r ya n dt e c h n o l o g yi s o b t a i n e da l li n - d e p t h r e s e a r c ha n dd e s c r i p t i o ni n t h i sp a p e r b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h et e m p o r a l c o m p l i c a c ya n ds p a t i a lc o m p l i c a c yo ft h ec o m m o n l y u s e da l g o r i t h m s ，t h ew r i t e ra d o p t s f o r w a r d p o i n t e da r c sm e t h o d s ，w h i c hi sak i n do fa d j a c e n c yl i s t ，a st h ed a t as t r u c t u r e f o rd i j k s t r aa n da n tc o l o n ya l g o r i t h m sa n da d d st h eb e e l i n e - h e r i s t i c d i r e c t i o n i n f o r m a t i o nt ot h e m 。t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o np r o v e t h a tt h e s e a l g o r i t h m si m p r o v eg r e a t l yt h ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c ya n dd e c r e a s ee f f e c t i v e l yt h e s t o r a g es p a c e 。a f t e r w a r d s ，t h ew r i t e rc o n c e n t r a t e do nc o n s i d e r i n gt h eo p t i m a lr o u t e s e a r c h i n gu n d e rc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，s u c ha st h en o d a ls e q u e n c eo fn e c e s s a r yo r a v o i d e d ，a n dt h en o d a lw e i g h t 。t h i sp a p e rm a k e st e s t si n at y p i c a lr o a dn e t w o r ki n x i a n t h et e s t sp r o v et h a tt h ea l g o r i t h m sc a np r o v i d ea no p t i m a lr o u t er e q u i r e db y u s e ru n d e rv a r i o u sp r o h i b i t i o n sc o n d i t i o n s 。 k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tv e h i c l en a v i g a t i o n r o a dn e t w o r km o d e l r o m e s y s t e m ( i v n s ) e l e c t r o n i cd i g i t a lm a p p l a n n i n go p t i m a lr o u t e 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中 不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué) 或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所 做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名：煎遺壹 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究 生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保證畢 業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時(shí)署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)校可以公布論文的全 部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本人簽名：邀益叢 導(dǎo)師簽名：主亟 日期竺! ：蘭：里 第一章緒論 第一章緒論弟一早三百了匕 1 1 智能交通系統(tǒng)( i t s ) 的發(fā)展概況 i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 卜由日本道路交通車輛智能化推進(jìn)協(xié) 會(huì)( v e h i c l e ，r o a da n dt r a f f i ci n t e l l i g e n c es o c i e t y , v e r t i s ) 于1 9 9 4 年籌辦在法國巴黎 召開的第一次智能運(yùn)輸系統(tǒng)世界大會(huì)時(shí)正式提出，從此交通規(guī)劃和交通控制領(lǐng)域 的研究都統(tǒng)稱為智能交通系統(tǒng)的研究。 交通是國家的經(jīng)濟(jì)命脈，智能交通系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步 的必然產(chǎn)物和需要： 交通阻塞問題現(xiàn)代城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市居民的生活更加依賴于先 進(jìn)的交通工具，從而導(dǎo)致城市內(nèi)汽車數(shù)量急劇增長，城市交通阻塞問題越來越嚴(yán) 重。不管是發(fā)展中國家還是發(fā)達(dá)國家，交通問題都是令人困擾的嚴(yán)重問題。 能源浪費(fèi)問題為適應(yīng)交通運(yùn)輸問題的快速增長，各大城市不斷的加修 道路、增加車輛數(shù)量，這是解決交通運(yùn)輸需求日益增長問題的最直接、最簡單的 方法，但是土地資源和石油資源r 益緊張是我們必須要重視的事實(shí)，因此發(fā)展節(jié) 約型交通系統(tǒng)是解決能源浪費(fèi)問題的唯一辦法。 環(huán)境污染問題城市車輛數(shù)量的增多，大量的汽車尾氣嚴(yán)重污染環(huán)境， 給城市居民的健康帶來了極大的威脅。 上述種種問題嚴(yán)重制約了城市交通的運(yùn)作效率，也限制了城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā) 展。智能交通系統(tǒng)作為先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)以及 計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等的有效整合，能夠建立起一種在大范圍內(nèi)全方位發(fā)揮作用的， 使人、車、路密切配合、和諧統(tǒng)一的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的運(yùn)輸綜合管理體系， 它是解決交通擁擠、能源緊張、環(huán)境污染的最有效的方法，為此智能交通系統(tǒng)引 起了世界各國的重視。在2 1 世紀(jì)，智能交通系統(tǒng)將成為現(xiàn)代化地面交通運(yùn)輸體系 的模式和發(fā)展方向，是交通運(yùn)輸進(jìn)入信息時(shí)代的重要標(biāo)志。 1 1 1 國外的發(fā)展概況 美國i t s 的前身是智能車輛公路系統(tǒng)( i n t e l l i g e n tv e h i c l ea n dh i g h w a ys y s t e m ， i v h s ) ，從1 9 91 年的綜合地面運(yùn)輸效率方案( t l l ei n t e r m o d e ls u r f a c et r a n s p o r t a t i o n e f f i c i e n c y a c t ，i s t e a ，又稱“冰茶法案 ) 至i j l 9 9 8 年的面向2 1 世紀(jì)運(yùn)輸權(quán)益法 案( n a t i o n a le c o n o m i cc r o s s r o a dt r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c ya c t ，n e x t e a ，又稱“續(xù) 茶法案) 【，美國i t s 由i s t e a 實(shí)施期間的研究開發(fā)為主轉(zhuǎn)變?yōu)閚 e x t e a 實(shí)施期間 2 智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)及帶限條件下最優(yōu)路徑算法的研究和實(shí)現(xiàn) 的i t s 基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施和集成，尤其是i t s 集成項(xiàng)目、關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)、i t s 框架的一 致性、i t s 標(biāo)準(zhǔn)的一致性。2 0 0 2 年，美國智能交通協(xié)會(huì)組織制定了美國十年i t s 項(xiàng)目計(jì)劃( n a t i o n a li t sp r o g r a mp l a n ：a t e n y e a rv i s i o n ) 【2 l ，該計(jì)劃展望了i t s 的發(fā)展藍(lán)圖、制定了美國i t s 的確切目標(biāo)。美國依靠雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和有效的推動(dòng) 機(jī)制，以n e x t e a $ t 定的四大項(xiàng)目領(lǐng)域( 城市i t s 基礎(chǔ)設(shè)施、鄉(xiāng)村i t s 基礎(chǔ)設(shè)施【3 j 、商 用車輛i t s 基礎(chǔ)設(shè)施、智能車輛行動(dòng)計(jì)劃) 為發(fā)展目標(biāo)，通過國家的統(tǒng)一規(guī)劃和充 分的資金投入，推動(dòng)了美國i t s 的迅速發(fā)展。其中，商用車輛i t s 基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施的 重點(diǎn)在于商用車輛信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)( c o m m e r c i a lv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m sa n d n e t w o r k s ，簡稱c v i s n ) 的實(shí)施，目前美國大部分州已經(jīng)完成此目標(biāo)。受“9 1 1 事件的影響，美國i t s 今后建設(shè)趨勢之一就是研究i t s 在美國安全體系中維護(hù)地面 交通安全作用，重點(diǎn)集中在安全防御、用戶服務(wù)、系統(tǒng)性能和交通安全管理方面1 4 j 。 歐盟在推動(dòng)和導(dǎo)向歐洲i t s 協(xié)調(diào)實(shí)施中具有不可替代的作用，2 0 0 1 年9 月歐盟 制定了 2 0 0 1 - 2 0 0 6 各年指示性計(jì)劃( 簡稱m i p ) 來加大實(shí)現(xiàn)跨歐交通網(wǎng)絡(luò)的投資 力度1 5 j ，道路交通i t s 和大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目、空中交通管理、伽l 利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位 系統(tǒng)計(jì)劃( g a l i l e op r o g r a m m e ) 為其優(yōu)先投資部分，其中的t e m p o ( t r a n s e u r o p e a n i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m sp r o j e c t s ) 計(jì)劃明確指出在2 0 0 1 2 0 0 6 年間歐盟將投入 1 9 2 億歐元來資助“歐洲一區(qū)域 實(shí)施項(xiàng)目，這些資金的8 8 投入到道路交通監(jiān)控 基礎(chǔ)設(shè)施、交通控制中心、交通管理和控制、交通信息服務(wù)；2 0 0 2 年，伽利略計(jì) 劃由歐盟1 5 國交通部長會(huì)議正式啟動(dòng)，其第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星g i o v e - a 于2 0 0 5 年底發(fā) 射成功，中國成為參與此計(jì)劃的第一個(gè)非歐盟成員國，目前該計(jì)劃正如期進(jìn)行， 預(yù)計(jì)2 0 0 8 年北京奧運(yùn)會(huì)投入使用。協(xié)調(diào)一致的歐洲i t s 系統(tǒng)是歐盟及其各成員國積 極研究和建設(shè)的方向，日前，正在全面應(yīng)用開發(fā)遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)( t e l e m a t i c ) ，并 計(jì)劃在全歐洲建立專門交通( 以道路交通為主) 無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，i t s 的主要功能和 交通管理、導(dǎo)航和電子收費(fèi)等都圍繞t e l e m a t i c 技術(shù)及全歐洲無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)來實(shí) 現(xiàn)。 日本在四省一廳( 即警察廳、通產(chǎn)省、運(yùn)輸省、郵政省、建設(shè)省) 聯(lián)合推動(dòng) i t s 研發(fā)活動(dòng)后，一直在加速i t s 實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程，積極推動(dòng)車輛信息通信系統(tǒng)( v e h i c l e i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m v l c s ) 、電子收費(fèi)系統(tǒng)( e l e c t r o n i ct o l l c o l l e c t i o n ，e t c ) 的應(yīng)用，目前f v l c s 系統(tǒng)和e t c 系統(tǒng)已進(jìn)入國家范圍內(nèi)實(shí)施階段并迅 速擴(kuò)展【6 j 。日本注重i t s 誘導(dǎo)設(shè)施建設(shè)，建設(shè)省組織以豐田公司為首的2 5 家公司聯(lián) 合研發(fā)自動(dòng)公路系統(tǒng)( a u t o m a t e dh i g h w a ys y s t e m s a h s ) 7 l 。同本定義其a h s 系統(tǒng)支 持7 項(xiàng)服務(wù)： 防止與前方障礙物碰撞： 防止彎道處事故； 防止車道偏離； 第一章緒論 3 防止交叉口碰撞； 防止右轉(zhuǎn)彎碰撞： 防止與過人行道的行人的碰撞； 提供保持車距等服務(wù)的道路路況信息。 至今為止，日本企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速公路駕駛輔助系統(tǒng)、減輕追尾的制動(dòng)系 統(tǒng)、智能電子導(dǎo)航系統(tǒng)等多項(xiàng)先進(jìn)安全系統(tǒng)的實(shí)用化，并在防碰撞領(lǐng)域取得了實(shí) 質(zhì)性的進(jìn)展，先進(jìn)的自動(dòng)公路系統(tǒng)( a h s ) 將進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)演示并朝著實(shí)用階段邁 進(jìn)。 1 1 2 我國智能交通的發(fā)展?fàn)顩r 近年來，隨著交通問題的日益突出，我國政府越來越高度重視i t s 建設(shè)，國家 已經(jīng)將i t s 作為未來交通建設(shè)與發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域予以重點(diǎn)支持，并在國民經(jīng)濟(jì)和 社會(huì)發(fā)展“十五 計(jì)劃綱要中明確提出“加快智能型交通的發(fā)展 。2 0 0 0 年2 月， 國家成立了全國智能運(yùn)輸系統(tǒng)協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組及辦公室來具體負(fù)責(zé)i t s 項(xiàng)目開發(fā)應(yīng) 用的組織協(xié)調(diào)工作。2 0 0 3 年9 月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)正式成立全國智能運(yùn) 輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，標(biāo)志著我國智能運(yùn)輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)入了新的階段， 向管理科學(xué)化、市場規(guī)范化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。2 0 0 5 年，由國家智能交通系統(tǒng)工 程技術(shù)研究中心修訂完成的中國i t s 體系框架( 第二版) 1 8 l ，將中國i t s 體系框 架分為用戶服務(wù)、邏輯框架、物理框架和應(yīng)用系統(tǒng)四部分。 用戶服務(wù)就是從i t s 用戶主體的角度，根據(jù)用戶需求，確定系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)為其 提供什么服務(wù)。用戶服務(wù)分為三個(gè)層次：服務(wù)領(lǐng)域( 9 個(gè)) 、服務(wù)( 4 7 個(gè)) 、子服務(wù) ( 1 7 9 個(gè)) 。 邏輯框架就是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，為提供上述用戶服務(wù)，i t s 應(yīng)實(shí)現(xiàn)什么 功能，以及如何組織這些功能間的邏輯關(guān)系，分為功能領(lǐng)域( 1 0 個(gè)) 、功能( 5 7 個(gè)) 、 子功能( 1 0 1 個(gè)) 、過程( 4 0 6 個(gè)) 、數(shù)據(jù)流圖( 1 6 1 張) 。功能域與服務(wù)領(lǐng)域相對應(yīng)， 功能大致與服務(wù)相對應(yīng)，但功能與服務(wù)之間不是一一對應(yīng)的，功能應(yīng)當(dāng)是服務(wù)或 服務(wù)的組合。功能還可以細(xì)分為不同的層次，功能不可再細(xì)分時(shí)，即稱為過程。 物理框架就是從系統(tǒng)實(shí)施的角度，將邏輯框架中的功能實(shí)體化、模型化， 將相近的邏輯功能組合，歸結(jié)成直觀的物理系統(tǒng)、子系統(tǒng)等實(shí)體，分為系統(tǒng)( 1 0 個(gè)) ：子系統(tǒng)( 3 8 個(gè)) 、系統(tǒng)模塊( 1 5 0 個(gè)) 、物理框架流圖( 5 1 張) 。系統(tǒng)與功能域 大致對應(yīng)，子系統(tǒng)與功能大致對應(yīng)，但它們之間并非一一對應(yīng)的關(guān)系，必須有一 個(gè)重新組合的過程。 應(yīng)用系統(tǒng)：目前共提出了5 8 個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。 為了進(jìn)一步推動(dòng)i t s 在中國的發(fā)展，加速i t s 的工程化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程， 4 智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)及帶限條件下最優(yōu)路徑算法的研究和實(shí)現(xiàn) “十五 期間，科技部在“十五 國家科技攻關(guān)重大專項(xiàng)中安排了“智能交通系 統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和示范工程”項(xiàng)引9 1 ，該項(xiàng)目以中心城市和高速公路相關(guān)應(yīng)用項(xiàng) 目為龍頭，在城市智能化交通管理、公共交通系統(tǒng)、交通信息服務(wù)、跨省市高速 公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、高速公路智能化管理以及智能交通系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化和基礎(chǔ)性工作等 方面開展科技攻關(guān)和應(yīng)用示范，截止2 0 0 6 年，部分研究項(xiàng)目己通過國家驗(yàn)收。另 一方面，設(shè)立試點(diǎn)城市，根據(jù)各試點(diǎn)城市的需求和特點(diǎn)安排不同的示范內(nèi)容，進(jìn) 入實(shí)際開發(fā)和建設(shè)階段，如北京進(jìn)行公共交通區(qū)域運(yùn)營組織與調(diào)度系統(tǒng)示范，上 海進(jìn)行快速道路交通管理系統(tǒng)示范等。 2 0 0 6 年，新頒布的國家、交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1 1 0 】，規(guī)定了道路交通信息采集、智能 運(yùn)輸系統(tǒng)、電子收費(fèi)、道路交通信號燈設(shè)置、系統(tǒng)框架模型等方面的內(nèi)容。日益 完善的i t s 體系框架及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、為我國i t s 建設(shè)規(guī)范、健康、可持續(xù)的發(fā)展提供 了有利條件。 1 2 智能交通系統(tǒng)的研究內(nèi)容 由以上世界各國及我國智能交通系統(tǒng)發(fā)展概況的敘述中，可以把i t s 的研究內(nèi) 容概括為以下五類【1 l l ： 先進(jìn)的交通管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)依靠先進(jìn)的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)全面掌握和分析道路 網(wǎng)上詳盡的、實(shí)時(shí)的道路交通信息，預(yù)測將要發(fā)生的交通信息和事件等情報(bào)，在 監(jiān)控中心進(jìn)行加工處理，來用于交通的控制、誘導(dǎo)和管理，并及時(shí)向各類道路使 用者發(fā)送誘導(dǎo)信息，從而達(dá)到有效地管理交通，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交通分配，減少交通阻 塞等目的。 智能車輛信息服務(wù)系統(tǒng) 該系統(tǒng)給出車輛的地理定位，針對用戶需求提供信息服務(wù)，包括路線引導(dǎo)服 務(wù)、旅行者信息服務(wù)、出行信息服務(wù)、駕駛員信息服務(wù)等。利用智能車輛信息服 務(wù)系統(tǒng)，駕駛員可以通過車載路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)，在與控制中心的雙向信息傳遞中使 自己始終行駛在最短路上，從而縮短旅行時(shí)間、降低燃料消耗和減少廢氣排放， 使交通擁擠狀況得到緩解。 智能交通運(yùn)輸管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)充分利用智能交通系統(tǒng)其它服務(wù)功能所提供的信息( 如交通路況信息) 以及運(yùn)輸企業(yè)的有關(guān)信息，進(jìn)行合理調(diào)度和跟蹤指揮，使運(yùn)輸企業(yè)發(fā)揮出最大效 益。包括商用車輛運(yùn)營系統(tǒng)、郊區(qū)運(yùn)輸系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、公共交通運(yùn)營系統(tǒng) 盤蟹 1 to 第一章緒論 5 交通安全保障系統(tǒng) 該系統(tǒng)是對交通運(yùn)行基本的和必要的支撐，保證交通正常運(yùn)行時(shí)駕駛?cè)藛T的 安全與舒適以及發(fā)生交通異常時(shí)進(jìn)行有效的援助。包括緊急車輛的支援、事故報(bào) 警、對行人的幫助、行車安全警報(bào)服務(wù)、縱向橫向防撞、自動(dòng)駕駛等。 電子收費(fèi)系統(tǒng) 該系統(tǒng)研究高速公路、收費(fèi)站等站點(diǎn)的先進(jìn)收費(fèi)方式。其保證通行費(fèi)收取的 同時(shí)，通過采用不停車收費(fèi)的收費(fèi)方式，減少甚至完全消除收費(fèi)過程對交通產(chǎn)生 的阻礙。 1 3 現(xiàn)代車輛導(dǎo)航系統(tǒng) 現(xiàn)代車輛導(dǎo)航系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)的核心部分，在全世界范圍內(nèi)得到了飛 速的發(fā)展。許多發(fā)達(dá)國家如美國、德國、日本都把它列入國家研究計(jì)劃，投入了 大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研究、試驗(yàn)和開發(fā)。車輛導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過程中的標(biāo) 志性系統(tǒng)如下表所示1 1 2 1 1 1 3 j ： 表1 1 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展概況 美國 自治導(dǎo)航系統(tǒng)n a v i g a t o r 數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫，地圖顯示 歐洲 自治導(dǎo)航系統(tǒng)( c a r i n 、e v a ) 第一個(gè)將光驅(qū)作為地圖存儲介質(zhì)， 八 提供圖象顯示及合成聲音輸出 十 日本路車間通信系統(tǒng) 帶有彩色顯示監(jiān)視器，并以光驅(qū)作 年 ( r o a d a u t o m o b i l e 為數(shù)字地圖存儲介質(zhì) 代 c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，r a c s ) 1 9 9 4 年美國自治導(dǎo)航系統(tǒng)g u i d e s t a r加入g p s 接收機(jī) 九 十 1 9 9 6 年日本 車輛信息通信系統(tǒng)( v i c s ) 發(fā)布實(shí)時(shí)交通信息，動(dòng)態(tài)引導(dǎo) 年 中國，“播調(diào)頻副載波車輛導(dǎo)航系利用調(diào)頻副載波傳送籌分g p s 信 代 以 統(tǒng)號，供午載接收機(jī)修止自身位置實(shí) 后 現(xiàn)定位 研究中美國 汽車與道路設(shè)施的集成獲取實(shí)時(shí)交通信息，動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃 ( v e h i c l e i n f r a s t r u c t u r e 與誘導(dǎo) i n t e g r a t i o n ，v i i ) 日本 自動(dòng)公路系統(tǒng)( p a - i s ) 安全的智能導(dǎo)航系統(tǒng) 由上表可以看出，按照所依據(jù)路網(wǎng)信息種類及其路線選擇和誘導(dǎo)方法的不同， 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)可以分為兩種類型： 靜態(tài)路徑導(dǎo)航系統(tǒng)采用車載的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)( g p s ) 裝置來獲取 車輛的行駛位置，然后通過與預(yù)先描繪好的電子地圖數(shù)據(jù)庫實(shí)行地圖匹配，得出 6 智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)及帶限條件下最優(yōu)路徑算法的研究和實(shí)現(xiàn) 車輛在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的位置，從而給出車輛到達(dá)目的地的行駛路徑以及到達(dá)相應(yīng)路 段后的路徑選擇。 動(dòng)態(tài)路徑導(dǎo)航系統(tǒng)在靜態(tài)路徑誘導(dǎo)的基礎(chǔ)上加入了道路網(wǎng)的實(shí)時(shí)交 通信息( 交通擁擠情況、行程時(shí)間、交通事故、臨時(shí)交通管制以及氣象信息等) ， 作為路徑選擇的依據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航。動(dòng)態(tài)路徑導(dǎo)航一般采取的是中心式導(dǎo)航系統(tǒng)，即 由交通控制中心向車輛發(fā)出實(shí)時(shí)交通信息來進(jìn)行路徑引導(dǎo)。 1 4 現(xiàn)有的車輛導(dǎo)航軟件產(chǎn)品 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)，除了需要先進(jìn)的硬件設(shè)施作為基礎(chǔ)外，還 需要強(qiáng)大的軟件產(chǎn)品給予支持。在g p s 導(dǎo)航軟件領(lǐng)域，有很多品牌和廠商，國外的 代表有m a p k i n g 、p a p a g o 、t o m t o m 、m i c r o s o f t 等，國內(nèi)有名的有北京靈圖天行者、 城際通、凱立德、諾基亞r o u t e 6 6 等。在此，我們介紹國內(nèi)兩個(gè)有代表性的導(dǎo)航軟 件：天行者系列( 天行者3 5 、天行者4 、天行者5 ) 和城際通系列( 城際通易達(dá)、 銳思、旺達(dá)、坤達(dá)等) 。 ( 1 ) 靈圖天行者4 靈圖天行者4 是一套安裝在汽車電腦內(nèi)的自導(dǎo)航軟件，它以大比例尺的城市導(dǎo) 航地圖為展示平臺，內(nèi)含豐富的靈圖天行者的點(diǎn)位信息查詢，根據(jù)用戶不同需求 智能的設(shè)計(jì)出多種最佳行車路線，并提供實(shí)時(shí)的語音提示導(dǎo)航功能。 主要功能特點(diǎn)： 路徑規(guī)劃功能 最短路線、最快路線、不走高速路線，根據(jù)用戶具體需要可以自由設(shè)定，系 統(tǒng)通過多種路線算法規(guī)劃出不同路線引導(dǎo)用戶到需要的目的地；智能的路線糾錯(cuò) 能力，能夠及時(shí)調(diào)整新路線。 全國高精度定位導(dǎo)航地圖 全國各大中城市地圖，跨城際、動(dòng)態(tài)圖幅拼接、無縫地圖漫游，快速查找信 息并全國導(dǎo)航，9 b 級別的道路網(wǎng)，包含完備的交通規(guī)則信息。 道路行車智能顯示，精確路口距離，每個(gè)路口放大提示 形象生動(dòng)的路口放大圖( 精確度達(dá)2 5 米) 可以方便直觀地提前告訴駕駛者該 行車的方向和路段信息，對各種需要轉(zhuǎn)彎或者出口、入口、橋梁等都有箭頭標(biāo)出， 一目了然。 興趣點(diǎn)詳細(xì)信息查詢 豐富的信息點(diǎn)方便用戶在陌生的地區(qū)查找到各種類型的興趣點(diǎn)，如賓館、飯 店、銀行、小到w c 以及a t m 取款機(jī)等。 第一章緒論 7 自動(dòng)的軌跡記錄功能，方便用戶對所走路線的記錄 用戶可以通過路線的軌跡把走過的路線直觀的在地圖上顯示出來，并且可以 對軌跡進(jìn)行修改，如對軌跡進(jìn)行換色，編輯軌跡的名稱等，不同用戶可以對軌跡 進(jìn)行共享。 智能語音隨行，語音提示播報(bào)路段路名 穩(wěn)定的長時(shí)間語音導(dǎo)航，語音播報(bào)分錄音播報(bào)、文本語音( t e x tt os p e e c h ， t t s ) 播報(bào)、混音播報(bào)，根據(jù)用戶自己的習(xí)慣和需要可以自己設(shè)定；另外對語音播 報(bào)的聲音的大小可以隨意調(diào)節(jié)：用戶還可以根據(jù)自己要求設(shè)定語音提示的頻度： 低頻、中頻、高頻。 目的地履歷、地址簿、路線履歷，方便您對保存的信息點(diǎn)和歷史路線的查 找 用戶每設(shè)定一個(gè)目的地，天行者系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)把所設(shè)的目的地自動(dòng)保存到目 的地履歷罩面，還可以把經(jīng)常去的或者比較感興趣的信息點(diǎn)添加到地址簿里面， 跑了很多路，如果用戶想了解一下跑過路的信息，可以在路線履歷里面清晰的看 到。 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)：地圖細(xì)致，信息咨詢功能強(qiáng)大 產(chǎn)品缺點(diǎn)：地圖更新慢、路徑優(yōu)化不能考慮具體的交通信息( 如道路限速、 交叉口延誤等) ( 2 ) 城際通旺達(dá) 城際通旺達(dá)是北京城際高科信息技術(shù)有限公司研制出品的一系列汽車導(dǎo)航類 產(chǎn)品之一。 主要功能特點(diǎn)： 全國范圍內(nèi)城市及鄉(xiāng)村地圖瀏覽查詢； 全國范圍內(nèi)任意兩地之間的引路導(dǎo)航，系統(tǒng)對主干路快速車道有速度概念、 對于交叉路口有紅綠燈的概念、路線規(guī)劃最大限度的貼切用戶的要求，可以按推 薦路線、多走高速、最短路徑等不同方式進(jìn)行路徑規(guī)劃 立交橋、高速出入口、環(huán)島及復(fù)雜交叉路自動(dòng)放大指示，地圖精度為1 0 0 米； 專業(yè)g p s 功能，在沒有公路的地方，如草原、沙漠、戈壁定位導(dǎo)航，按照已 存軌跡直接引導(dǎo)返航； 行車途中隨時(shí)知曉當(dāng)前所在位置( 包括經(jīng)度、緯度、高度、剩余里程、剩余 時(shí)問、所在省份、所在地市、所在區(qū)縣) ； t i s i n 時(shí)語音提示，導(dǎo)航過程中穩(wěn)定的提示準(zhǔn)確的語音指令。 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)：非常優(yōu)秀的路徑規(guī)劃和r r s 即時(shí)語音提示功能。 產(chǎn)品缺點(diǎn)：軟件運(yùn)行效率低，速度很慢，用戶操作界面復(fù)雜。 8 智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)及帶限條件下最優(yōu)路徑算法的研究和實(shí)現(xiàn) 1 5 論文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)研究中的重點(diǎn)部分，對以駕駛員為主的交通用 戶來 兌，i t s 的作用集中體現(xiàn)在它的集成信息服務(wù)功能，即道路信息、實(shí)時(shí)交通信 息、出行路線選擇、動(dòng)態(tài)路線引導(dǎo)、旅游信息查詢等，所有這些功能的實(shí)現(xiàn)都需 要車輛導(dǎo)航系統(tǒng)直接完成或提供支持，因此車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的研究成為智能交通系 統(tǒng)的集中體現(xiàn)。 本論文以現(xiàn)有車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)路線優(yōu)化子系統(tǒng)為核心，重點(diǎn)研 究適于車輛導(dǎo)航的各種路線優(yōu)化算法，以及作為其基礎(chǔ)的路網(wǎng)表達(dá)方法與存儲結(jié) 構(gòu)、道路權(quán)重的標(biāo)定方法等。 具體工作體現(xiàn)在以下幾方面： 國內(nèi)外智能交通系統(tǒng)和車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀； 現(xiàn)有車輛導(dǎo)航產(chǎn)品的功能和特點(diǎn)； 智能導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部分及各部分的功能； 交通路網(wǎng)中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的表達(dá)方法和存儲方式； 以距離最短為最優(yōu)目標(biāo)，帶限制條件下( 路段單行限制、必經(jīng)節(jié)點(diǎn)、避開節(jié) 點(diǎn)等) 最優(yōu)路徑搜索算法的研究； 以時(shí)間最短為最優(yōu)目標(biāo)，交叉口延誤帶來的節(jié)點(diǎn)權(quán)重問題的路徑優(yōu)化算法的 研究。 論文以概括總結(jié)、重點(diǎn)介紹、逐層遞進(jìn)的方法，向讀者描述了智能交通系統(tǒng) 涵蓋的廣泛技術(shù)研究領(lǐng)域、詳細(xì)介紹了作者課題研究的關(guān)鍵技術(shù)。整個(gè)論文的章 節(jié)安排如下： 第一章為緒論。主要介紹智能交通系統(tǒng)的研究背景、研究意義、國內(nèi)外的發(fā) 展概況及智能交通系統(tǒng)中重點(diǎn)研究領(lǐng)域車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展概況、分類、系 統(tǒng)組成等；最后對現(xiàn)有的車輛導(dǎo)航類軟件產(chǎn)品進(jìn)行了簡單的概括，并對其中兩款 有代表性的導(dǎo)航軟件進(jìn)行了詳細(xì)的功能介紹及特點(diǎn)分析。 第二章為智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。作者以智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部 分為基礎(chǔ)，對各部分的功能和作用進(jìn)行了概括性的介紹；以智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的 系統(tǒng)框圖為核心，對與課題研究相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地介紹：g p s 系 統(tǒng)( 組成、特點(diǎn)、用途) ；電子地圖的組織結(jié)構(gòu)、表示方法( 圖層、圖元) 、電子 地圖的操作：最后，對課題研究的系統(tǒng)給出其組成框圖，以其為中心，介紹了 m a p x 控件的使用和v b 環(huán)境下集成m a p x 控件開發(fā)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的過程。 第三章為智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中路線優(yōu)化算法的研究與實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)課題研 究的智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際要求，確定路徑優(yōu)化算法研究所依賴的前提優(yōu) 化目標(biāo)；在對經(jīng)典最短路徑算法進(jìn)行介紹和分析后，總結(jié)了路徑規(guī)劃算法的兩個(gè) 第一章緒論 9 優(yōu)化方向，并在此前提下詳細(xì)描述了直線優(yōu)化d i j k s t r a 和啟發(fā)式蟻群算法；最后 對實(shí)際導(dǎo)航系統(tǒng)中帶限制條件的路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了研究，并給出了實(shí)現(xiàn)方法及 路徑規(guī)劃結(jié)果。 第四章為論文工作總結(jié)及學(xué)習(xí)體會(huì)，研究工作的進(jìn)一步展望。 論文重點(diǎn)為第二章和第三章，第二章是第三章的前提與基礎(chǔ)；全文力求條理 清晰、描述清楚、突出重點(diǎn)。 第二章智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 第二章智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 2 1 智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的組成 智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)( i n t e l l i g e n tv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m ，i v n s ) 誕生于2 0 世 紀(jì)8 0 年代，它是智能交通系統(tǒng)( i t s ) 的中心部件，是其他各種功能應(yīng)用的基礎(chǔ)， 因此有極大的應(yīng)用價(jià)值，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。早期的車輛導(dǎo)航系 統(tǒng)，采用磁羅盤測試儀、環(huán)狀感性天線、航位推算等技術(shù)進(jìn)行車輛的定位，由于 定位精度不高、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、定位地理范圍有限等原因，這類系統(tǒng)沒有得 到很好的發(fā)展。9 0 年代初期，由于美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，g p s ) 的研制成功，給智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的研究注入了新的活力，隨著g p s 系統(tǒng)民用領(lǐng)域的開放，以g p s 為定位基礎(chǔ)的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)顯示出了強(qiáng)大的生命力 1 1 4 - 1 6 。經(jīng)過交通、電子、計(jì)算機(jī)、通信等相關(guān)領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)單位、高等院 校人士的不懈努力，智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)形成了功能完備、分工明確、緊密聯(lián) 系的六大功能模塊，如圖2 1 。 圖2 1 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)通用框圖 路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫是現(xiàn)代車輛導(dǎo)航系統(tǒng)必不可少的組成部分，它包含預(yù)先定義好 存儲格式的數(shù)字地圖信息和實(shí)時(shí)的交通路況信息，為系統(tǒng)提供諸如地理特征、道 路等級、交通規(guī)則、興趣點(diǎn)信息等多種重要信息。為了方便車輛導(dǎo)航功能的設(shè)計(jì) 和實(shí)現(xiàn)，數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫采用矢量編碼方法，其中路網(wǎng)的組織和處理方法是數(shù)字 1 2 智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)及帶限條件下最優(yōu)路徑算法的研究和實(shí)現(xiàn) 地圖數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫是整個(gè)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 g p s 車輛定位模塊和地圖匹配模塊是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，它的主要功能 是：實(shí)時(shí)的接收g p s 信號，并運(yùn)用地圖匹配技術(shù)，將車輛定位模塊輸出的軌跡與數(shù) 字地圖中的路網(wǎng)信息聯(lián)系起來，通過模式識別過程確定車輛最可能的行駛路段以 及車輛在該路段最大可能的準(zhǔn)確位置，以使系統(tǒng)能夠正確辨別車輛當(dāng)前的行駛路 段和正在接近的交叉路口，從而為路線引導(dǎo)提供可靠依據(jù)。 路線規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能的前提，它的主要功能是：在己知路網(wǎng)上根據(jù)選 定的目標(biāo)、數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫中的路網(wǎng)信息及無線通信網(wǎng)絡(luò)接收到的實(shí)時(shí)交通信息， 幫助駕駛員在行駛前或行駛中選擇路線。 路線引導(dǎo)模塊則是將路徑規(guī)劃模塊輸出的最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)化為駕駛員能夠識 別的信息，實(shí)時(shí)的指揮駕駛員沿著預(yù)定路線行駛從而順利達(dá)到目的地的過程。該 模塊根據(jù)車輛當(dāng)前位置、走向及行駛的道路信息，產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎等行駛指令，并且適 時(shí)地以圖文或者語音的方式提供給駕駛員。 無線通信模塊進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的性能和增加系統(tǒng)的功能，通過無線通信網(wǎng) 絡(luò)，車載系統(tǒng)和交通管理系統(tǒng)之間能夠互相交換實(shí)時(shí)交通信息，從而促使車載系 統(tǒng)和道路網(wǎng)絡(luò)的工作更加安全和有效。 人機(jī)界面模塊是車輛導(dǎo)航系統(tǒng)必不可少的部分，它提供用戶與導(dǎo)航設(shè)備的 交互，地圖與車輛位置顯示、路線規(guī)劃的結(jié)果、路線引導(dǎo)的實(shí)時(shí)進(jìn)行和其它各種 不同要求都必須通過人機(jī)接口傳送到計(jì)算機(jī)，再反饋給用戶。 2 2 1g p s 的組成 2 2g p s 概述 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是2 0 世紀(jì)航天史上最成功、 最有意義的工程之一，它是美國國防部耗資3 0 0 多億美元建立的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系 統(tǒng)。g p s 具有全球、全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)提供高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間 信息等一系列的功能，是實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш蕉ㄎ坏母咝录夹g(shù)。 該系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：g p s 衛(wèi)星星座( 空間部分) ，地面控制部分( 控制部分) 和g p s 信號接收機(jī)( 用戶設(shè)備部分) ，三者關(guān)系如圖2 2 。 g p s 衛(wèi)星星座 g p s 空間部分由2 4 顆衛(wèi)星組成，分布在互成6 0 度的6 個(gè)橢圓形軌道面上，軌道 傾角為5 5 度，每個(gè)軌道面上布設(shè)4 顆衛(wèi)星。g p s 衛(wèi)星的作用是向廣大用戶連續(xù)不斷 地發(fā)送導(dǎo)航信號( 又稱g p s 信號) ，并用導(dǎo)航電文報(bào)告自己的現(xiàn)時(shí)位置以及其他在 軌衛(wèi)星的概略位置；接收地面主控站通過注入站發(fā)送衛(wèi)星的調(diào)度命令如適時(shí)地改 第二章智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1 3 正運(yùn)行偏差，或者啟用備用時(shí)鐘等命令；在飛越注入站上空時(shí)，接收由地面注入 站用s 波段發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他相關(guān)信息，并通過g p s 信號形成電路適時(shí) 地發(fā)送給廣大用戶。 圖2 2g p s ，i ! 星全球定位系統(tǒng)的三大組成 地面控制系統(tǒng) g p s 地面控制系統(tǒng)主要用來測量和計(jì)算每顆衛(wèi)星的星歷，編輯成電文發(fā)送給衛(wèi) 星，即衛(wèi)星所提供的廣播星歷，由1 個(gè)主控站、3 個(gè)注入站和5 個(gè)監(jiān)控站組成。 監(jiān)控站是數(shù)據(jù)采集中心，其任務(wù)是對每顆衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不斷的觀測，并在主 控站的控制下定時(shí)將觀測數(shù)據(jù)送往主控站。5 個(gè)監(jiān)控站提供的觀測數(shù)據(jù)形成了 g p s 衛(wèi)星實(shí)時(shí)發(fā)布的廣播星歷，主控站的任務(wù)是提供g p s 的時(shí)間基準(zhǔn)，控制地面 部分和衛(wèi)星的正常工作，包括處理由各監(jiān)控站送來的數(shù)據(jù)，編制各衛(wèi)星星歷，計(jì) 算各衛(wèi)星鐘的鐘差和電離校正等參數(shù)，并將這些導(dǎo)航信息送給注入站；控制衛(wèi)星 運(yùn)行軌道、啟用備用衛(wèi)星。注入站的任務(wù)是在衛(wèi)星通過其上空時(shí)，把導(dǎo)航信息注 入衛(wèi)星，并負(fù)責(zé)監(jiān)控信息的正確性。 g p s 信號接收機(jī) g p s 接收機(jī)的作用就是實(shí)時(shí)地接收空間衛(wèi)星發(fā)射媳g p s 信號，進(jìn)行分析計(jì)算 初步得到目前接收機(jī)所在的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度等基礎(chǔ)信息。g p s 接收機(jī)由天線單 元和接收單元兩部分組成：天線單元由接收天線和前置放大器組成；接收天線有 定向天線、偶極子天線、微帶天線、螺旋天線等。 2 2 2g p s 定位基本原理 g p s 定位以觀測站至g p s 衛(wèi)星問的距離為基本觀測量【1 刀。主要采用兩種觀測方 法：一是測量g p s 衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號( c a 碼和p 碼) 到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時(shí) 間；二是測量接收機(jī)接收到的具有多普勒頻移的載波信號與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載 1 4智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)及帶限條件下最優(yōu)路徑算法的研究和實(shí)現(xiàn) 波信號之間的相位差。 g p s 衛(wèi)星發(fā)射兩種偽隨機(jī)測距碼，一是精密測距碼p 碼，由兩個(gè)互素的m 碼組 成模2 復(fù)合碼；另一個(gè)是粗捕獲碼c a 碼，由兩個(gè)具有良好互相關(guān)特性的同族m 碼 序列構(gòu)成的哥爾德碼族。 g p s 衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位的基本原理是時(shí)延測距，通過測量4 個(gè)已知位置上信號 傳播的延遲時(shí)間，確定4 個(gè)已知位置至用戶的距離，根據(jù)這4 個(gè)量測距離計(jì)算出用 戶的三維位置和用戶與已知位置的時(shí)間同步偏差。當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射一偽隨機(jī)碼，而接 收機(jī)內(nèi)也產(chǎn)生( 復(fù)制) 一個(gè)相同的偽隨機(jī)碼。當(dāng)衛(wèi)星信號經(jīng)過傳播距離的延遲z 后 到達(dá)接收機(jī)，與本地碼進(jìn)行相關(guān)處理；移動(dòng)本地碼，使相關(guān)函數(shù)達(dá)到最大值。這 樣，本地碼所移動(dòng)的時(shí)間延遲值就是衛(wèi)星信號傳播時(shí)間f ，乘上光速值得到所測距 離。g p s 有兩種定位方式： 單獨(dú)g p s 定位：就是獨(dú)立確定待定點(diǎn)在地心坐標(biāo)系中的絕對位置。 差分g p s 定位( d g p s ) ：就是將一臺接收機(jī)安置在地面己知點(diǎn)上作為基準(zhǔn) 點(diǎn)，并與所有待測點(diǎn)的接收機(jī)進(jìn)行同步觀測，基準(zhǔn)點(diǎn)根據(jù)其精確已知的坐標(biāo)求出 定位結(jié)果的改正數(shù)或偽距觀測量的改正數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)鏈( 如無線電) 把這些改正 數(shù)實(shí)時(shí)傳送給相關(guān)用戶，用戶利用這些改正數(shù)對自己的定位結(jié)果或偽距觀測量進(jìn) 行改正，從而提高定位精度。 我們以偽距單點(diǎn)定位法來說明g p s 的定位原理。假定t g 和t j 分別表示衛(wèi)星j 發(fā) 射信號時(shí)的g p s 時(shí)和衛(wèi)星鐘時(shí)刻，露和r 分別表示接收機(jī)收到該衛(wèi)星信號時(shí)的g p s 時(shí)和接收機(jī)鐘時(shí)刻，則衛(wèi)星信號傳播時(shí)間為 f = t o t g 但是，實(shí)際上我們只能測得f 7 和丁，因此實(shí)際測量得的衛(wèi)星信號傳播時(shí)間為 e j = t t j 以a t j 和缸分別表示衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘時(shí)刻的偏差，即 厶t | = tj t 乞 u a t = t 一 l i t 則有 z k ( 一略) + 出一& 再計(jì)入信號傳播過程中經(jīng)歷的電離層、對流層和多經(jīng)遲延等誤差，得到 f = ( 乙一f 占) + a t a t + 匕+ a t , o + 垃乙 將上式兩邊同乘以光速c ，得到 p = r + ca t - ca t + c f 乙+ ca t 。j + c ，( 2 1 ) 式中， r tx ( x x j ) 2 + ( y yj ) 2 + ( z z 7 ) 2 為接收機(jī)至衛(wèi)星的幾何距離， ( x ，y ，z ) ，o ，y j 。, z 7 ) 為接收機(jī)和衛(wèi)星j 在地心空間直角坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)；p 7 是 第二章智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 1 5 實(shí)際上可得到的距離觀測量，由于不同于真實(shí)距離j r ，所以叫做“偽距。式( 2 1 ) 就是g p s 定位的基本觀測方程。由于衛(wèi)星鐘差a t j 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，電離層和對流層傳播遲延c & 三。和c a t l 也可用 導(dǎo)航電文提供的電離層和對流層參數(shù)模型進(jìn)行校正，因此方程( 2 1 ) 中有z ，y ，z ，a t 4 個(gè)未知量需要求解，當(dāng)可以對4 顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測時(shí)，通過求解矩陣方程得到這4 個(gè)未知量。 總之，g p s 定位的原理就是至少接收4 顆衛(wèi)星的g p s 信號，由衛(wèi)星到定位點(diǎn) 的偽距和衛(wèi)星目前的坐標(biāo)求出待定位點(diǎn)現(xiàn)在的經(jīng)緯度坐標(biāo)。 2 2 3g p s 定位的主要誤差 通過對g p s 定位原理的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)影響偽距觀測量的主要誤差來源 有3 個(gè)方面。 空間衛(wèi)星部分 衛(wèi)星星歷誤差：影響定位精度的主要因素。 衛(wèi)星時(shí)鐘誤差：可以通過人為的校正衛(wèi)星鐘頻，利用主控站測定的參數(shù)進(jìn)行 模型改正及差分的方法消除。 信號傳播部分 電離層傳播遲延：可以通過雙頻觀測、電離層模型修j 下或者差分的方法加以 減弱。 對流層傳播延遲：可以利用差分方法消除對流層傳播延遲。 多徑效應(yīng)：通過多次取均值、選擇屏蔽良好的天線或者將天線安置在反射面 少的地方等辦法消除。 用戶接收機(jī)部分 用戶接收機(jī)測量誤差：通過提高接收機(jī)硬件的靈敏度和穩(wěn)定度來降低接收機(jī) 本身對定位精度產(chǎn)生的影響。 以上介紹了偽距定位的誤差來源及其相應(yīng)的改善措施，所有這些誤差最終會(huì) 對定位精度產(chǎn)生極大的影響( 定位誤差將達(dá)到1 0 0 m 的數(shù)量級) ，在車輛導(dǎo)航系統(tǒng) 中，地圖匹配是減小定位誤差對車輛導(dǎo)航影響的有效方法。地圖匹配將在靳松杰 同學(xué)的論文中詳細(xì)介紹。 2 2 4g p s 導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn) g p s 與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)： 全球地面連續(xù)覆蓋。 。 由于g p s 衛(wèi)星的數(shù)目較多且分布合理所以地球上任何地點(diǎn)均可同時(shí)觀測到至 1 6智能車輛導(dǎo)航系統(tǒng)及帶限條件下最優(yōu)路徑算法的研究和實(shí)現(xiàn) 少4 顆衛(wèi)星從而保障了全球全天候連續(xù)的三維定位。 多功能高精度 g p s 可為各類用戶連續(xù)提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。利用 c a 碼單點(diǎn)定位精度可以達(dá)至1 1 4 m ( 無s a 影響的情況下) ，測速精度可以達(dá)n 0 3 m s ， 測時(shí)精度可以達(dá)至u 5 0 0 n s 。如果采用差分定位方法，則利用c a 碼定位精度可以達(dá) 3 1 l j 5 m ，利用p 碼定位精度可以達(dá)到l m 。 實(shí)時(shí)定位 利用g p s 導(dǎo)航，可以實(shí)時(shí)地確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度，由此既可保障運(yùn) 動(dòng)載體沿預(yù)定航線運(yùn)行，也可實(shí)時(shí)地監(jiān)視和修正航行路線并可選擇最佳航線。 由上述可知，g p s 在導(dǎo)航方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值，它從根本上解決了人類在 地球上和近地空間的導(dǎo)航和定位問題。 2 2 5g p s 在車輛導(dǎo)航領(lǐng)域的主要應(yīng)用 車載導(dǎo)航的原理主要是利用電子地圖和i g p s 接收機(jī)的實(shí)時(shí)定位技術(shù)，組成g p s 與電子地圖相結(jié)合的各種電子導(dǎo)航系統(tǒng)，其應(yīng)用模式主要有以下兩種： g p s 單機(jī)定位與矢量電子地圖相配合。該系統(tǒng)可根據(jù)目標(biāo)位置( 工作時(shí)輸 入) 和車輛的現(xiàn)時(shí)位置( 由g p s 測定) 自動(dòng)計(jì)算和顯示最優(yōu)路徑，引導(dǎo)司機(jī)最快地到 達(dá)目的地，并可用多媒體方式向駕駛員提示。 g p s 差分定位與矢量電子地圖相配合：該系統(tǒng)通過固定站與移動(dòng)車輛之間 的兩臺g p s 接收裝置獲得的信號，利用偽距差分技術(shù)，可使定位精度達(dá)至0 1 - 3 m ， 當(dāng)采用雙向通訊方式( 如無線通信) 時(shí)，則可構(gòu)成車輛的自導(dǎo)航系統(tǒng)，又可將移 動(dòng)車輛上的g p s 定位結(jié)