CN109215338B - 一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明目的是提供一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统及其方法，一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统包括路网源数据、数据导入模块、数据预处理模块、终端坐标源数据、坐标预处理模块、轨迹匹配模块和轨迹纠正模块，其中：所述路网源数据用于为整个管路系统工作提供了必要的坐标参考源数据，路网源数据是在标准坐标系某限定区域内的指定路段的坐标序列集；实际可从第三方坐标系系统获取，本文所述从高德系统导出，采用的是火星坐标系。以解决上述背景技术中提及的因终端定点坐标偏移导致的实时渲染点位和轨迹偏移问题，同时可以针对因终端上报周期过大导致的直线轨迹问题进行优化。
Description
技术领域
本发明涉及计算机信息处理技术领域，具体涉及一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统及其方法。
背景技术
北斗卫星定位技术作为传统测量定位技术的延伸，现已得到了广泛的应用和发展。然而，在特殊车辆轨迹监管的应用中，现有定位技术由于设备、外界复杂环境的干扰，在实际的路网定位导航的应用中，浮动车辆终端的定位精度以及道路轨迹匹配准确性还可以做进一步的优化。主要原因有：
1、终端问题。终端一般通过内置的定位传感器模块来采集定位坐标信息，并通过标准格式上传服务器。然而在这之前终端厂商往往会植入各类预处理导航算法，比较常见的有惯性算法。该算法会导致终端在通过弯道时坐标滞后问题。另外，终端传感器的精度也直接影响到导航定位的准确性。
2、时延问题。终端在点位上报时主要存在两个时延问题。一是数据上报的周期大小；二是数据上报时刻相对于点位采集时刻的时差。上报周期过长会导致两次间隔上报点位直线距离过长，从而在GIS地图标绘渲染时存在轨迹跳跃现象。
3、性能问题。传统的定位技术，通过将浮动车辆终端上报的定位坐标和标准点位库进行循环查找匹配，该方式一旦终端请求量过大，会对系统造成性能瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统及其方法，以解决上述背景中提及的因终端定点坐标偏移导致的实时渲染点位和轨迹偏移问题，同时可以针对因终端上报周期过大导致的直线轨迹问题进行优化。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统，包括路网源数据、数据导入模块、数据预处理模块、终端坐标源数据、坐标预处理模块、轨迹匹配模块和轨迹纠正模块，其中：
所述路网源数据用于为整个管理系统工作提供了必要的坐标参考源数据，路网源数据是在标准坐标系某限定区域内的指定路段的坐标序列集；实际可从第三方坐标系系统获取，本文所述从高德系统导出，采用的是火星坐标系；
所述数据导入模块用于负责读取路网源数据，并将该路网源数据存入内存作为数据预处理模块的输入数据；数据导入模块对路网源数据的全路段道路点位信息顺序读取，得到点位坐标数组；若路网源数据的路段为双向道路，则两个方向的路段点位坐标分两个坐标数组存储；
所述数据预处理模块用于负责对数据导入模块得到的坐标数组进行平均量化划分、网格预处理；
其中，平均量化划分是指：数据导入模块得到的坐标在不同道路形态下，如直道和弯道下坐标点间的直线距离不同，即密集程度不同，故对较稀疏的点作平均量化划分，以便对路网作网格规划，最终得到划分后的平均量化划分点；
网格预处理是指：以平均量化划分点为中心按照“田”字型矩阵扩展，得到表示一块方形区域的网格信息，该信息包括网格的边长、中心点坐标、顶角点坐标；
本发明系统存储并记录每个经过平均量化划分和网格预处理后的网格信息，并以网格中心坐标为索引，生成路段中间数据的哈希表；
终端坐标源数据作为系统输入量，是本发明系统所监管的车辆终端数据；车辆终端数据和监管平台的通讯遵循JTT_808标准，其中包括了终端实时gps坐标、即时速度等信息；
所述坐标预处理模块用于负责对车辆终端上报的数据进行预处理，包括上报数据有效性校验、坐标范围合法性预判过滤，若判断无效或非法，则作舍弃；该坐标预处理模块保证了待处理车辆终端数据的有效性；
所述轨迹匹配模块用于负责标定车辆实时点位在路网的所在路段，以及在路段匹配到的点位；以坐标预处理模块得到的车辆实时点位坐标网格中心坐标为索引，在数据预处理模块得到的路段中间数据哈希表内查找得到实时坐标所在路段；
在匹配的过程中，针对靠近匹配目标道路的干扰路段，作脱靶计数；若在持续匹配过程中，存在一次匹配失败，则认为脱靶；当脱靶计数达到阈值，则认为终端不在目标路段；
对实时坐标按当前和历史进行数据库分表存储，并在gis地图标绘渲染，最终得到车辆实际运行轨迹路线；性能优化：针对大数量级的终端定位请求信息，代替传统的定位方式，本发明采用哈希表索引查询方式，极大的提升定位匹配效率；
由于背景所述原因，根据终端实时坐标得到的实际路线轨迹会存在轨迹折线式偏移、弯道轨迹直线化的问题；
所述轨迹纠正模块用于负责轨迹的轨迹纠偏、弯道插值优化，从而使轨迹和原路段轨迹保持一致；
其中，轨迹纠偏是指：在数据预处理模块预处理后的路段中间数据内保存了标准路段分割点信息(即原始道路坐标，和实际道路吻合)，记为网格原始点，另外针对定位终端上报实际点位可能存在抖动现象，网格做了容错机制；坐标预处理模块中的点在匹配到预处理网格后，即可将网格原始点作为当前终端的优化坐标，并作表优化数据记录，记为优化；若终端点位抖动较大，超出容错范围，则该点丢弃，作表原始数据记录，记为舍弃；最终得到纠正后的表记录，折线偏移现象解决；
弯道插值优化是指：在车辆经过弯曲道路时，由于终端前后两次上报时刻点位连线必然偏离原弯道弧线，即实际gis估计亦然；在轨迹纠偏的基础上，找到相邻两次上报点位的匹配结果网格的网格原始点，并从数据导入模块处理后的标准路段点位数组内获取两个原始点间的点位，然后插入两点记录之间；最终得到插值处理后的表记录，弯道轨迹显示正常。
本发明还提供一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理方法，包括步骤如下：
步骤a、选取高德地图上某区域路网，并导出路网路段坐标集，单路段坐标记为：
x0,y0；x1,y1；......；xn,yn；单位均是m；
路网区域内全部路段的坐标集合即为路网源数据；
步骤b、数据导入模块对gis页面标准道路点位坐标即路网源数据进行读取录入，对相邻标绘点位间路段进行量化操作；如对坐标(x0,y0)和(x1,y1)之间的路段，取直线路段方向分割单位Da，采样得到平均标绘点位：
x0_a,y0_a；x1_a,y1_a；.......xm_a,ym_a；单位均是m；
(满足关系xm_a＝x0_a+m*Da,ym_a＝y0_a+m*Da)
步骤c、数据预处理模块对路段其余相邻标绘点位间路段进行量化操作；最终共得到m*n个平均量化划分点，记为地图实际路段量化坐标数据集List；
步骤d、数据预处理模块对步骤c的数据集List进行网格划分，其中“田”半边长记为Dt，并将中心坐标和网格信息以键值对形式存储在内存中，得到全局路网点位哈希表，完成数据准备工作；
步骤e、当有车辆终端信息即终端坐标源数据上报时，取出上报信息中有效的坐标点位信息(xr,yr)，经过坐标预处理模块，将终端上报的坐标信息进行预判过滤和校验处理，预判过程包括报文格式校验，若校验失败则舍弃，另外对于异常数值坐标进行判断过滤；
步骤f、坐标预处理模块对终端上报坐标信息进行网格化归一，得到网格归一坐标(xr_a,yr_a)；
步骤g、轨迹匹配模块将步骤f得到的网格归一坐标作为Key值在全路段哈希表作快速遍历匹配，得到初步点位所属路段；
步骤h、轨迹纠正模块结合步骤c中List信息对匹配结果进行轨迹纠偏；在匹配的过程中，针对靠近匹配目标道路的干扰路段，作脱靶计数；若在持续匹配过程中，存在一次匹配失败，则认为脱靶；当脱靶计数达到阈值，则认为终端不在目标路段；
步骤i、若步骤f后的轨迹在弯道处不完全吻合，则执行弯道插值优化；找到相邻两次上报点位的匹配结果网格的网格原始点，并从步骤c的数据集List内获取两个原始点间的点位序列，并插入两点记录之间；
步骤j、将最终得到的记录点信息在gis进行标绘渲染，呈现得到优化纠正后的车辆轨迹。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明主要针对背景技术所述的浮动车辆的定位精度以及道路轨迹匹配准确性提出了一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统，并从引起现有问题的三个原因(即终端问题、延时问题、性能问题)出发，详细描述了装置各模块的作用、以及相互间的工作原理，以解决上述背景技术中提及的因终端定点坐标偏移导致的实时渲染点位和轨迹偏移问题，同时可以针对因终端上报周期过大导致的直线轨迹问题进行优化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统的结构功能框图；
附图数字标注：路网源数据(1)、数据导入模块(2)、数据预处理模块(3)、终端坐标源数据(4)、坐标预处理模块(5)、轨迹匹配模块(6)、轨迹纠正模块(7)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示：本发明提供一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统的具体实施例，包括路网源数据(1)、数据导入模块(2)、数据预处理模块(3)、终端坐标源数据(4)、坐标预处理模块(5)、轨迹匹配模块(6)和轨迹纠正模块(7)，其中：
所述路网源数据(1)用于为整个管理系统工作提供了必要的坐标参考源数据，路网源数据(1)是在标准坐标系某限定区域内的指定路段的坐标序列集；实际可从第三方坐标系系统获取，本文所述从高德系统导出，采用的是火星坐标系；
所述数据导入模块(2)用于负责读取路网源数据(1)，并将该路网源数据(1)存入内存作为数据预处理模块(3)的输入数据；数据导入模块(2)对路网源数据(1)的全路段道路点位信息顺序读取，得到点位坐标数组；若路网源数据(1)的路段为双向道路，则两个方向的路段点位坐标分两个坐标数组存储；
所述数据预处理模块(3)用于负责对数据导入模块(2)得到的坐标数组进行平均量化划分、网格预处理；
其中，平均量化划分是指：数据导入模块(2)得到的坐标在不同道路形态下，如直道和弯道下坐标点间的直线距离不同，即密集程度不同，故对较稀疏的点作平均量化划分，以便对路网作网格规划，最终得到划分后的平均量化划分点；
网格预处理是指：以平均量化划分点为中心按照“田”字型矩阵扩展，得到表示一块方形区域的网格信息，该信息包括网格的边长、中心点坐标、顶角点坐标；
本发明系统存储并记录每个经过平均量化划分和网格预处理后的网格信息，并以网格中心坐标为索引，生成路段中间数据的哈希表；
终端坐标源数据(4)作为系统输入量，是本发明系统所监管的车辆终端数据；车辆终端数据和监管平台的通讯遵循JTT_808标准，其中包括了终端实时gps坐标、即时速度等信息；
所述坐标预处理模块(5)用于负责对车辆终端上报的数据进行预处理，包括上报数据有效性校验、坐标范围合法性预判过滤，若判断无效或非法，则作舍弃；该坐标预处理模块(5)保证了待处理车辆终端数据的有效性；
所述轨迹匹配模块(6)用于负责标定车辆实时点位在路网的所在路段，以及在路段匹配到的点位；以坐标预处理模块(5)得到的车辆实时点位坐标网格中心坐标为索引，在数据预处理模块(3)得到的路段中间数据哈希表内查找得到实时坐标所在路段；
在匹配的过程中，针对靠近匹配目标道路的干扰路段，作脱靶计数；若在持续匹配过程中，存在一次匹配失败，则认为脱靶；当脱靶计数达到阈值，则认为终端不在目标路段；
对实时坐标按当前和历史进行数据库分表存储，并在gis地图标绘渲染，最终得到车辆实际运行轨迹路线；性能优化：针对大数量级的终端定位请求信息，代替传统的定位方式，本发明采用哈希表索引查询方式，极大的提升定位匹配效率；
由于背景所述原因，根据终端实时坐标得到的实际路线轨迹会存在轨迹折线式偏移、弯道轨迹直线化的问题；
所述轨迹纠正模块(7)用于负责轨迹的轨迹纠偏、弯道插值优化，从而使轨迹和原路段轨迹保持一致；
其中，轨迹纠偏是指：在数据预处理模块(3)预处理后的路段中间数据内保存了标准路段分割点信息(即原始道路坐标，和实际道路吻合)，记为网格原始点，另外针对定位终端上报实际点位可能存在抖动现象，网格做了容错机制；坐标预处理模块(5)中的点在匹配到预处理网格后，即可将网格原始点作为当前终端的优化坐标，并作表优化数据记录，记为优化；若终端点位抖动较大，超出容错范围，则该点丢弃，作表原始数据记录，记为舍弃；最终得到纠正后的表记录，折线偏移现象解决；
弯道插值优化是指：在车辆经过弯曲道路时，由于终端前后两次上报时刻点位连线必然偏离原弯道弧线，即实际gis估计亦然；在轨迹纠偏的基础上，找到相邻两次上报点位的匹配结果网格的网格原始点，并从数据导入模块(2)处理后的标准路段点位数组内获取两个原始点间的点位，然后插入两点记录之间；最终得到插值处理后的表记录，弯道轨迹显示正常。
本发明还提供一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理方法，包括步骤如下：
步骤a、选取高德地图上某区域路网，并导出路网路段坐标集，单路段坐标记为：
x0,y0；x1,y1；......；xn,yn；单位均是m；
路网区域内全部路段的坐标集合即路网源数据(1)；
步骤b、数据导入模块(2)对gis页面标准道路点位坐标即路网源数据(1)进行读取录入，对相邻标绘点位间路段进行量化操作；如对坐标(x0,y0)和(x1,y1)之间的路段，取直线路段方向分割单位Da，采样得到平均标绘点位：
x0_a,y0_a；x1_a,y1_a；.......xm_a,ym_a；单位均是m；
(满足关系xm_a＝x0_a+m*Da,ym_a＝y0_a+m*Da)
步骤c、数据预处理模块(3)对路段其余相邻标绘点位间路段进行量化操作；最终共得到m*n个平均量化划分点，记为地图实际路段量化坐标数据集List；
步骤d、数据预处理模块(3)对步骤c的数据集List进行网格划分，其中“田”半边长记为Dt，并将中心坐标和网格信息以键值对形式存储在内存中，得到全局路网点位哈希表，完成数据准备工作；
步骤e、当有车辆终端信息即终端坐标源数据(4)上报时，取出上报信息中有效的坐标点位信息(xr,yr)，经过坐标预处理模块(5)，将终端上报的坐标信息进行预判过滤和校验处理，预判过程包括报文格式校验，若校验失败则舍弃，另外对于异常数值坐标进行判断过滤；
步骤f、坐标预处理模块(5)对终端上报坐标信息进行网格化归一，得到网格归一坐标(xr_a,yr_a)；
步骤g、轨迹匹配模块(6)将步骤f得到的网格归一坐标作为Key值在全路段哈希表作快速遍历匹配，得到初步点位所属路段；
步骤h、轨迹纠正模块(7)结合步骤c中List信息对匹配结果进行轨迹纠偏；在匹配的过程中，针对靠近匹配目标道路的干扰路段，作脱靶计数；若在持续匹配过程中，存在一次匹配失败，则认为脱靶；当脱靶计数达到阈值，则认为终端不在目标路段；
步骤i、若步骤f后的轨迹在弯道处不完全吻合，则执行弯道插值优化；找到相邻两次上报点位的匹配结果网格的网格原始点，并从步骤c的数据集List内获取两个原始点间的点位序列，并插入两点记录之间；
步骤j、将最终得到的记录点信息在gis进行标绘渲染，呈现得到优化纠正后的车辆轨迹。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明主要针对背景技术所述的浮动车辆的定位精度以及道路轨迹匹配准确性提出了一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统，并从引起现有问题的三个原因出发，详细描述了装置各模块的作用、以及相互间的工作原理，以解决上述背景技术中提及的因终端定点坐标偏移导致的实时渲染点位和轨迹偏移问题，同时可以针对因终端上报周期过大导致的直线轨迹问题进行优化。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包括，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理系统，其特征在于，包括路网源数据(1)、数据导入模块(2)、数据预处理模块(3)、终端坐标源数据(4)、坐标预处理模块(5)、轨迹匹配模块(6)和轨迹纠正模块(7)，其中：
所述路网源数据(1)用于为整个管理系统工作提供了必要的坐标参考源数据，路网源数据(1)是在标准坐标系某限定区域内的指定路段的坐标序列集；
所述数据导入模块(2)用于负责读取路网源数据(1)，并将该路网源数据(1)存入内存作为数据预处理模块(3)的输入数据；
数据导入模块(2)对路网源数据(1)的全路段道路点位信息顺序读取，得到点位坐标数组；若路网源数据(1)的路段为双向道路，则两个方向的路段点位坐标分两个坐标数组存储；
所述数据预处理模块(3)用于负责对数据导入模块(2)得到的坐标数组进行平均量化划分、网格预处理；
其中，平均量化划分是指：数据导入模块(2)得到的坐标在不同道路形态下，如直道和弯道下坐标点间的直线距离不同，即密集程度不同，故对较稀疏的点作平均量化划分，以便对路网作网格规划，最终得到划分后的平均量化划分点；
网格预处理是指：以平均量化划分点为中心按照“田”字型矩阵扩展，得到表示一块方形区域的网格信息，该信息包括网格的边长、中心点坐标、顶角点坐标；
本发明系统存储并记录每个经过平均量化划分和网格预处理后的网格信息，并以网格中心坐标为索引，生成路段中间数据的哈希表；
终端坐标源数据(4)作为系统输入量，是本发明系统所监管的车辆终端数据；
所述坐标预处理模块(5)用于负责对车辆终端上报的数据进行预处理，包括上报数据有效性校验、坐标范围合法性预判过滤，若判断无效或非法，则作舍弃；
所述轨迹匹配模块(6)用于负责标定车辆实时点位在路网的所在路段，以及在路段匹配到的点位；以坐标预处理模块(5)得到的车辆实时点位坐标网格中心坐标为索引，在数据预处理模块(3)得到的路段中间数据哈希表内查找得到实时坐标所在路段；
对实时坐标按当前和历史进行数据库分表存储，并在gis地图标绘渲染，最终得到车辆实际运行轨迹路线；
所述轨迹纠正模块(7)用于负责轨迹的轨迹纠偏、弯道插值优化，从而使轨迹和原路段轨迹保持一致；
其中，轨迹纠偏是指：在数据预处理模块(3)预处理后的路段中间数据内保存了标准路段分割点信息，记为网格原始点，另外针对定位终端上报实际点位可能存在抖动现象，网格做了容错机制；坐标预处理模块(5)中的点在匹配到预处理网格后，即可将网格原始点作为当前终端的优化坐标，并作表优化数据记录，记为优化；若终端点位抖动较大，超出容错范围，则该点丢弃，作表原始数据记录，记为舍弃；最终得到纠正后的表记录，折线偏移现象解决；
弯道插值优化是指：在车辆经过弯曲道路时，由于终端前后两次上报时刻点位连线必然偏离原弯道弧线，即实际gis估计亦然；在轨迹纠偏的基础上，找到相邻两次上报点位的匹配结果网格的网格原始点，并从数据导入模块(2)处理后的标准路段点位数组内获取两个原始点间的点位，然后插入两点记录之间；最终得到插值处理后的表记录，弯道轨迹显示正常。
2.一种基于网格化的北斗gps车辆轨迹管理方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤a、选取高德地图上某区域路网，并导出路网路段坐标集，单路段坐标记为：
x0,y0；x1,y1；......；xn,yn；单位均是m；
路网区域内全部路段的坐标集合，即为路网源数据(1)；
步骤b、数据导入模块(2)对gis页面标准道路点位坐标即路网源数据(1)进行读取录入，对相邻标绘点位间路段进行量化操作；如对坐标(x0,y0)和(x1,y1)之间的路段，取直线路段方向分割单位Da，采样得到平均标绘点位：
x0_a,y0_a；x1_a,y1_a；.......xm_a,ym_a；单位均是m；
步骤c、数据预处理模块(3)对路段其余相邻标绘点位间路段进行量化操作；最终共得到m*n个平均量化划分点，记为地图实际路段量化坐标数据集List；
步骤d、数据预处理模块(3)对步骤c的数据集List进行网格划分，其中“田”半边长记为Dt，并将中心坐标和网格信息以键值对形式存储在内存中，得到全局路网点位哈希表，完成数据准备工作；
步骤e、当有车辆终端信息即终端坐标源数据(4)上报时，取出上报信息中有效的坐标点位信息(xr,yr)，经过坐标预处理模块(5)，将终端上报的坐标信息进行预判过滤和校验处理，预判过程包括报文格式校验，若校验失败则舍弃，另外对于异常数值坐标进行判断过滤；
步骤f、坐标预处理模块(5)对终端上报坐标信息进行网格化归一，得到网格归一坐标(xr_a,yr_a)；
步骤g、轨迹匹配模块(6)将步骤f得到的网格归一坐标作为Key值在全路段哈希表作快速遍历匹配，得到初步点位所属路段；
步骤h、轨迹纠正模块(7)结合步骤c中List信息对匹配结果进行轨迹纠偏；在匹配的过程中，针对靠近匹配目标道路的干扰路段，作脱靶计数；若在持续匹配过程中，存在一次匹配失败，则认为脱靶；当脱靶计数达到阈值，则认为终端不在目标路段；
步骤i、若步骤f后的轨迹在弯道处不完全吻合，则执行弯道插值优化；找到相邻两次上报点位的匹配结果网格的网格原始点，并从步骤c的数据集List内获取两个原始点间的点位序列，并插入两点记录之间；
步骤j、将最终得到的记录点信息在gis进行标绘渲染，呈现得到优化纠正后的车辆轨迹。
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