CN114061597B - 一种车辆地图匹配自主定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种车辆地图匹配定位方法，借助地图基准库，采用车辆局部轨迹形状特征与地图中道路形状的匹配获得车辆当前位置坐标，能够实现高计算效率和高准确度的定位。本发明借助地图基准库，利用设定窗口内的车辆轨迹形状数据与地图中道路形状数据实现匹配定位，具有匹配效率高，定位性能好的特点，能够实现几米到十几米的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及导航定位技术领域，具体涉及一种车辆地图匹配自主定位方法。
背景技术
位置信息的获取是车辆导航以及特殊车辆状态监测等位置服务的基础。目前，GPS和北斗等卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是车辆进行定位的主要手段，但卫星导航信号存在信号强度弱、易遮挡的问题，使其容易受到干扰和遮挡，在无线信号干扰、隧道、山区等场景下，无法提供可靠的定位服务。除卫星导航外，惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)和航位推算系统(Dead Reckoning，DR)等基于车辆自身运动传感器的惯性推算技术，也是车辆位置信息获取的有效技术手段，不依赖外部基站或卫星信号，具有很好的自主性，能够在无线信号干扰、隧道或山区等卫星导航失效场景下为车辆提供定位服务。然而，惯性导航系统和航位推算系统从原理上依赖于对车辆运动状态的积分，在长时间积分运算时会产生累积误差，使得其定位精度会随时间发散，难以进行长航时的独立工作。
鉴于车辆一般采用沿公路行驶的方式，其行驶路线具有一定的可预测性，加上地图测绘技术近些年逐渐成熟和精细，基于地图匹配对惯性导航或航位推算误差进行修正，从而辅助定位系统实现长航时的自主定位，成为一种典型的技术方式，具有无辐射、高可靠和长航时等优点。但是目前的地图匹配方式大多需采用较长的一段车辆轨迹，通过识别轨迹中包含的转弯点等显著地图形状特征，与临近位置的可能地图路径组合进行比对，来实现位置估计，计算效率和准确度有限。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种车辆地图匹配定位方法，借助地图基准库，采用车辆局部轨迹形状特征与地图中道路形状的匹配获得车辆当前位置坐标，能够实现高计算效率和高准确度的定位。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种地图匹配车辆自主定位方法，包括如下步骤：
建立地图基准库；
获得地图基准库中当前候选匹配路径对应的道路形状数据：将与车辆当前所在路段末端有拓扑连接的路段进行拼接，得到当前候选匹配路径及其对应的道路形状数据；
获得车辆当前待匹配轨迹对应的轨迹形状数据：从车辆实时行驶轨迹中提取设定窗口的轨迹段，作为当前待匹配轨迹；利用车辆里程值，对当前待匹配轨迹内的车辆轨迹点进行插值计算，得到空间间隔与地图基准库中数据空间间隔相同的轨迹坐标点，进而得到设定窗口内的等间隔轨迹坐标点序列；对设定窗口内的等间隔轨迹坐标点序列，以车辆最新坐标点为基准，计算各个坐标点与其相对距离，从而得到当前待匹配轨迹对应的待匹配轨迹形状数据；
在当前候选匹配路径中沿路径方向按顺序逐点进行搜索，计算每个搜索位置上所述道路形状数据与所述轨迹形状数据的相关系数，最大相关系数对应的搜索位置在地图基准库中的坐标即为车辆当前位置坐标，完成定位。
其中，建立地图基准库的具体方式为：
对道路线进行拓扑分析，获得由一系列边和节点组成的路网拓扑；其中，每条边代表了一条独立的路段，结点代表多条路段在该点处相连；
基于路网拓扑得到每条路段的轨迹，并计算路段间的首尾连接关系，作为地图基准库的基础数据；其中，根据道路的行驶方向和路段中包含的道路节点坐标，通过插值方式生成沿道路走向的等间距坐标点序列，构成一个路段的数据，每个等间距路段数据点包含了该点的经度、纬度、海拔高、走向角度以及所属路段的唯一标识ID；每个路段均按照单一走向生成路段数据，对于双向行驶道路，生成正反向两组路段数据；路段间的连接关系通过索引的方式进行记录和查找，在路段连接关系索引表中，每一行存储着与某一路段尾部顺序相连的路段的ID号；
将所述路段的数据、路段间连接关系索引以及每个路段的摘要信息分别存储到数据表中，得到地图基准库；其中，路段摘要信息包括该路段的中心点坐标和路段长度半径。
其中，所述车辆实时行驶轨迹是车载惯性导航系统输出的惯性递推轨迹或通过车辆航向角和里程计算的车辆航位推算轨迹。
其中，车辆当前所在路段的获得方式为：
步骤1：计算车辆初始坐标与地图基准库中所有路段中心点坐标的欧氏距离d，将满足d≤RL的路段筛选为候选起始路段，其中RL为路段的长度半径；所述车辆初始坐标由车载GNSS或已知的坐标点来获得；
从车辆实时行驶轨迹中提取设定窗口的轨迹段；
步骤2：对每个候选起始路段，计算设定窗口的轨迹段中的每个点到该路段的最短距离以及每个点与最短距离点的航向差；
步骤3：利用步骤2得到的最短距离以及航向差，分别计算设定窗口的轨迹段与各个候选路段的差异评估值，最小差异评估值所对应的候选起始路段即为本次确定的起始路段；
步骤4：保持车辆行进，返回执行步骤1到步骤3，直至连续T次确定的起始路段均为同一路段，将该路段确定为最终的起始路段，即为车辆当前所在路段；其中T根据车速以及轨迹距离因素进行设定。
其中，所述设定窗口长度根据实际定位路段形状变化的程度进行选取。
其中，对于城市区域道路中的车辆自主定位，所述设定窗口长度为1～2km。
有益效果：
本发明借助地图基准库，利用设定窗口内的车辆轨迹形状数据与地图中道路形状数据实现匹配定位，具有匹配效率高，定位性能好的特点，能够实现几米到十几米的定位精度。
本发明地图基准库中路段的组织采用索引方式进行，进一步提高了匹配效率。
本发明通过初始点坐标与路段概要信息的比对，完成起始路段的粗筛选，初始坐标可由车载GNSS或已知的坐标点来获得；然后利用从车辆实时行驶轨迹中提取的轨迹段，得到车辆当前所在的路段，保证了匹配效率和成功率。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明设定窗口内的车辆轨迹形状数据与地图中道路形状数据示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
在地图数据中，一般通过一连串道路节点构成的直线或折线，来表征道路的形状和地理位置。借助地图实施匹配定位前，首先需要对地图数据进行预处理，形成地图基准库。本发明提供了一种车辆地图匹配自主定位方法，流程图如图1所示，包括如下步骤：
建立地图基准库；获得地图基准库中当前候选匹配路径对应的道路形状数据；获得车辆当前待匹配轨迹对应的轨迹形状数据；图2为本发明设定窗口内的车辆轨迹形状数据与地图中道路形状数据示意图。
在当前候选匹配路径中沿路径方向按顺序逐点进行搜索匹配，计算每个搜索位置上上所述道路形状数据与所述轨迹形状数据的相关系数，得到最大相关系数对应的搜索位置，该搜索位置在地图基准库中的坐标即为车辆当前位置坐标，完成定位。
其中，建立地图基准库的具体过程为：
首先对道路线进行拓扑分析和处理，获得由一系列边和结点组成的路网拓扑，每条边代表了一条独立的路段，结点代表多条路段在该点处相连。
基于生成的路网拓扑，处理得到每条路段的轨迹，并计算路段间的首尾连接关系，作为地图匹配基准库的基础数据。其中，根据道路的行驶方向和路段中包含的道路节点坐标，通过插值方式生成沿道路走向的等间距坐标点序列，构成一个路段的数据，每个等间距路段数据点包含了该点的经度、纬度、海拔高、走向角度、所属路段的唯一标识ID等信息。每个路段均按照单一走向生成路段数据，对于双向行驶道路，需生成正反向两组路段数据。路段间的连接关系通过索引的方式进行记录和查找，在路段连接关系索引表中，每一行存储着与某一路段尾部顺序相连的路段的ID号，使用时，通过路段ID号，就可查找出与其具有顺序连接关系的路段。
将所述路段的数据、路段间连接关系索引以及每个路段的摘要信息分别存储到数据表中，构成地图基准库。其中，路段摘要信息包括该路段的中心点坐标以及路段长度半径信息。
获得地图基准库中当前候选匹配路径对应的道路形状数据的具体过程如下：
将与车辆当前所在路段末端有拓扑连接的路段进行拼接，得到当前候选匹配路径；与车辆当前所在路段末端拓扑连接的路段为n条时(n一般为1、2或3)，则有n条当前候选匹配路径。
对当前候选匹配路径的等间隔轨迹坐标点序列，其中，轨迹坐标点用经度、维度和海拔高来表示，东、北、天三个方向上的相对距离通过由经纬度和海拔高计算的欧式距离来表示。
其中，车辆当前所在路段的获得方式具体如下：
为了保证匹配效率和成功率，初始定位时需要提供初始位置，初始位置可由车载GNSS或已知的坐标点来获得。借助已知的初始位置坐标，首先通过初始点坐标与路段概要信息的比对，完成起始路段的粗筛选。比对的方法为：计算初始坐标与地图基准库中所有路段中心点坐标的欧氏距离d，满足d≤RL的路段，为筛选出的候选起始路段，其中RL为路段的长度半径。粗筛选得到了位于初始点附近的地图路段，在候选起始路段中利用车辆的行驶轨迹可以得到车辆当前所在的路段。具体过程为：
Step1：计算车辆初始坐标与地图基准库中所有路段中心点坐标的欧氏距离d，将满足d≤RL的路段筛选为候选起始路段，其中RL为路段的长度半径；所述车辆初始坐标由车载GNSS或已知的坐标点来获得；
从车辆实时行驶轨迹中提取设定窗口的轨迹段；所述车辆实时行驶轨迹是车载惯性导航系统输出的惯性递推轨迹或通过车辆航向角和里程计算的车辆航位推算轨迹；窗口长度的选取可根据实际定位路段形状变化的程度进行选取，在城市区域道路形状变化特征丰富，采用1～2km的窗口长度的车辆轨迹，即可实现有效定位。
设候选起始路段集合为{Li},i＝1,2,...,N，车辆当前窗口长度内的行驶轨迹点序列为{Xj},j＝1,2,...,M；
Step2：对第i个候选起始路段，计算车辆行驶轨迹点序列中的每个点Xj到路段Li的最短距离dj，以及与最短距离点的航向差αj；
Step3：计算车辆行驶轨迹点序列{Xj},j＝1,2,...,M与候选路段Li的差异评估值Di：
Step4：将i+1作为新的i返回step2直到i+1>N，得到{Li},i＝1,2,...,N对应的差异评估值集合{Di},i＝1,2,...,N；
Step5：计算{Di},i＝1,2,...,N中的最小值Dn，所对应的候选起始路段Ln即为本次确定的起始路段；
Step6：重复step1到step5，在车辆行进过程中，连续T次取得最小D值的路段，确定为最终的起始路段，即为车辆当前所在路段。其中，T根据车速、轨迹距离等因素进行设定，本实例中采用T＝5。
获得车辆当前待匹配轨迹对应的轨迹形状数据的具体过程为：
从车辆实时行驶轨迹中提取设定窗口的轨迹段，作为当前待匹配轨迹；
利用车辆里程值，对当前待匹配轨迹内的车辆轨迹点进行插值计算，得到空间间隔与地图基准库中数据空间间隔相同的轨迹坐标点，进而得到设定窗口内的等间隔轨迹坐标点序列；
对设定窗口内的等间隔轨迹坐标点序列，以车辆最新坐标点为基准，计算各个坐标点相对于其在东、北和天三个方向上或东和北两个方向上的相对距离，从而得到当前待匹配轨迹对应的轨迹形状数据；其中，当车辆实时行驶轨迹为车辆里程与航向递推的航位推算轨迹结果时，仅包含东向和北向两个分量，不包含高程分量。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种地图匹配车辆自主定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立地图基准库；
获得地图基准库中当前候选匹配路径对应的道路形状数据：将与车辆当前所在路段末端有拓扑连接的路段进行拼接，得到当前候选匹配路径及其对应的道路形状数据；
获得车辆当前待匹配轨迹对应的轨迹形状数据：从车辆实时行驶轨迹中提取设定窗口的轨迹段，作为当前待匹配轨迹；利用车辆里程值，对当前待匹配轨迹内的车辆轨迹点进行插值计算，得到空间间隔与地图基准库中数据空间间隔相同的轨迹坐标点，进而得到设定窗口内的等间隔轨迹坐标点序列；对设定窗口内的等间隔轨迹坐标点序列，以车辆最新坐标点为基准，计算各个坐标点与其相对距离，从而得到当前待匹配轨迹对应的待匹配轨迹形状数据；其中，对设定窗口内的等间隔轨迹坐标点序列,以车辆最新坐标点为基准,计算各个坐标点相对于其在东、北和天三个方向上或东和北两个方向上的相对距离,从而得到当前待匹配轨迹对应的轨迹形状数据:其中,当车辆实时行驶轨迹为车辆里程与航向递推的航位推算轨迹结果时,仅包含东向和北向两个分量,不包含高程分量；
在当前候选匹配路径中沿路径方向按顺序逐点进行搜索，计算每个搜索位置上所述道路形状数据与所述轨迹形状数据的相关系数，最大相关系数对应的搜索位置在地图基准库中的坐标即为车辆当前位置坐标，完成定位；
建立地图基准库的具体方式为：
对道路线进行拓扑分析，获得由一系列边和节点组成的路网拓扑；其中，每条边代表了一条独立的路段，结点代表多条路段在该点处相连；
基于路网拓扑得到每条路段的轨迹，并计算路段间的首尾连接关系，作为地图基准库的基础数据；其中，根据道路的行驶方向和路段中包含的道路节点坐标，通过插值方式生成沿道路走向的等间距坐标点序列，构成一个路段的数据，每个等间距路段数据点包含了该点的经度、纬度、海拔高、走向角度以及所属路段的唯一标识ID；每个路段均按照单一走向生成路段数据，对于双向行驶道路，生成正反向两组路段数据；路段间的连接关系通过索引的方式进行记录和查找，在路段连接关系索引表中，每一行存储着与某一路段尾部顺序相连的路段的ID号；
将所述路段的数据、路段间连接关系索引以及每个路段的摘要信息分别存储到数据表中，得到地图基准库；其中，路段摘要信息包括该路段的中心点坐标和路段长度半径。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆实时行驶轨迹是车载惯性导航系统输出的惯性递推轨迹或通过车辆航向角和里程计算的车辆航位推算轨迹。
3.如权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，车辆当前所在路段的获得方式为：
步骤1：计算车辆初始坐标与地图基准库中所有路段中心点坐标的欧氏距离d，将满足d≤RL的路段筛选为候选起始路段，其中RL为路段的长度半径；所述车辆初始坐标由车载GNSS或已知的坐标点来获得；
从车辆实时行驶轨迹中提取设定窗口的轨迹段；
步骤2：对每个候选起始路段，计算设定窗口的轨迹段中的每个点到该路段的最短距离以及每个点与最短距离点的航向差；
步骤3：利用步骤2得到的最短距离以及航向差，分别计算设定窗口的轨迹段与各个候选路段的差异评估值，最小差异评估值所对应的候选起始路段即为本次确定的起始路段；
步骤4：保持车辆行进，返回执行步骤1到步骤3，直至连续T次确定的起始路段均为同一路段，将该路段确定为最终的起始路段，即为车辆当前所在路段；其中T根据车速以及轨迹距离因素进行设定。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设定窗口长度根据实际定位路段形状变化的程度进行选取。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对于城市区域道路中的车辆自主定位，所述设定窗口长度为1～2km。
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