第二篇系統用第一篇介紹的各個模塊來構造可運行的系統.自主式:定位和導航功能在車內(移動端)實現而不涉及遠程中心主機或中心式計算設備的系統稱為自主式系統.中心式:中心式定位系統是利用中心主機的計算設備和通信設施在特定區域內遠程定位或跟蹤車隊的系統.良好的系統結構對于成功的定位和導航系統來說十分的重要.

第九章自主式定位和導航9.1引言系統的復雜性通常取決于結構和設計的權衡.如定位精度要求,單位成本,支持導航功能的復雜性是否需要無線通信接收機來支持定位功能等.

例如:徒步旅行或野營者使用的低成本,手持式,自主式定位裝置.

廉價的定位技術GPS

顯示單元限于文本的單色的LED顯示設備,顯示經度和緯度.

又如較復雜的系統,采用多種集成定位技術.

采用與GPS相結合的推算定位,復雜的地圖匹配功能,CD-ROM,硬盤驅動器或基于內存技術的地圖數據庫.用戶界面采用同時顯示文本和地圖的平面顯示器.9.2車輛定位定位系統結構包括兩個主要模塊:

定位模塊用戶接口模塊

定位人機接口

推算定位說明地圖匹配聲頻輸入/輸出信標信號文本顯示地面無線電信號方位顯示衛星信號地圖顯示圖9.１簡單的車載定位系統

根據用戶的需求可以從每一模塊選擇一種或幾種不同技術來構造可運行的車載定位系統．例如：徒步者ＧＰＳ（衛星信號）文本顯示ＬＥＤ９.２.１獨立的衛星定位技術（１）推算定位使用傳感器的數據融合來確定車輛位置．相對距離測量通常從車輛里程計來推算，方位信息一般由磁羅經，差分里程計或陀螺儀提供．缺點：傳感器噪聲引入的誤差或初始確定的車輛位置的不精確而造成的誤差，使得精度成為這類系統的問題．

高定位精度的系統不可用推算定位技術作為唯一的定位源．優點：不需要通信接收機，減少成本．地圖匹配算法可用于解決推算方法所造成的不精確性．多傳感器融合（３.５節）技術有助于補償推算定位的不精確性．（２）采用計算機視覺系統基本原理是在實際出發前存儲沿途采集的圖象，然后在行程中將攝象機捕獲的圖象與之匹配來識別車輛位置．缺點：不能用于數據庫中沒有包含的區域．優點：不需要通信接受機進行位置確定．９.２.２地面無線電定位技術三類常用的地面定位測量技術：到達時間（ＴＯＡ）到達角度（ＡＯＡ）到達時間差（ＴＤＯＡ）均利用ＲＦ（射頻）信號以恒定速度傳播以及傳播信號的路徑是可預測性的原理．ＴＯＡ：通過測量從多個已知位置的發射機廣播信號到達接收端的傳播時間來確定移動設備或車輛的位置，同ＧＰＳ定位一樣．ＡＯＡ：利用ＲＦ三角測量來計算車輛位置．單元點1單元點2a1a2d無線2無線1圖9.3由到達角（AOA）確定位置缺點：對信號的阻擋和多經反射的敏感性,誤差可達幾百米;優點:需要兩點就可確定車輛的位置，無需在單元小區間保持時間同步.TDOA：利用RF三邊測量來計算車輛的位置a=（-P，O）（P，0）d1d3(0.2)h1d2h2基站1基站2基站3圖9.4到達時間差(TDOA)定位或雙曲線定位(x,y)其中:以兩個站點為焦點的雙曲線方程(基站1，基站2）以上的幾種無線電定位技術精度較低還有OMEGA為美國潛艇導航;LORAN-C為美國海岸警備隊服務大多數地面無線電定位系統,最小定位誤差為150M，最壞定位誤差為2000M，不適于車輛定位，適于海運和航空。9.2.3衛星定位技術

GPS自己復習9.2.4接口技術LEDLCD9.3車輛導航接收機存儲器聲音設備計算機控制可視顯示位置傳感器安全傳感器圖9.5復雜的車載導航系統9.3.1解決復雜的技術要求選擇和繼承適當的導航模塊時，我們必須對用戶的需求有深入的了解。以出租車輛為例（自主式導航系統），系統的能力需求：

1、系統必須有能力在90%的行程時間里確定車輛當前位置，與實際位置的偏差小于20米；

2、系統必須有能力將車輛當前的位置轉換成地圖坐標，接著轉換到最吻合的路段位置；3、系統能將車輛當前位置顯示在地圖上并能讓駕駛者看到；4、系統能夠接受旅行目的地的請求并給出到達目的地的最佳路線；5、系統能根據整個規劃路線的相關方向的行駛指令輸出語音和視覺指示；6、系統能確定車輛顯示“偏離路線”，即偏離規劃路段；7、系統能從當前錯誤位置開始重新規劃路段來糾正“偏離路段”狀態。需求分析：1、GPS接收機可工作于小于20M的誤差范圍內，上面90%的要求全得到滿足。衛星信號被遮擋的時間不超過10%的運行時間，在郊區是可行的方向，行程的大多數時間在城區，可能不滿足這一需求。因為高樓、立體交叉路及隧道會在行程中的重要時段遮擋GPS信號，使信號被遮擋的時間超過10%。需要采用輔助的定位系統對GPS系統來補償GPS在城區環境的缺點。當GPS系統和推算定位子系統的位置輸入不一定時，需通過仲裁來確定優先采用哪一個位置輸入。2、沒有無線電通信鏈的中心連接，地圖數據庫必須用于車載的海量存儲設備中。

CD-ROM硬盤PCMCIA缺點：移動的讀寫頭容量小將位置轉換成地圖數據庫使用的格式，地圖數據庫是可導航的，提供用來規劃路徑和引導車輛的信息。若選擇的地圖數據庫不使用像GPS一樣作為其橢球基準，將GPS坐標轉換為地圖數據庫使用的坐標。系統利用地圖匹配算法確定最恰當的路段，系統使用的數據庫實際是靜態的。

因為修筑道路、關閉道路、開拓新路造成規劃出的路徑中斷或耽誤。思考題：如何解決靜態數據庫？3、是否顯示應該背光？白天受光影響如何？顯示器應放在哪里？是否會阻擋駕駛者的視線？背光彩色的LCD4、最佳路線（1）是否需要文字表達？是否可用開關設置或觸摸屏模擬鍵盤輸入目的地？如果輸入目的地，數據庫中不含此地址如何處理？（2）規劃標準：最快行程最短距離最多或最少的高速公路不同的規劃標準需要地圖數據庫中的不同屬性及在算法中定義不同的評價函數。5、輸出語言和視覺指示語言系統：是否有音量控制視覺上：如何指示車輛的駕駛者“大幅度”或“小幅度”轉彎？6、偏離規劃路段定位子系統提供的位置報告表明車輛已不在路段上，需用啟發式算法來確定是車輛定位測量產生誤差還是車輛有目的地離開道路，停靠路邊。7、糾正“偏離路線”狀態系統應如何向駕駛者報警？重新規劃的路線是以時間形式，是否需要延長時間？9.3.2導航和娛樂共用部件揚聲器可用于聽依次引導行駛指令，普通AM/FM廣播或免提蜂窩電話。第10章中心式定位和導航10.1引言實現中心式定位和導航需三個高層次功能模塊。無線通信主機設備（服務器）移動設備（客戶）圖10.1中心式定位和導航系統結構中心主機可提供全雙工導航支持，并基于實時交通信息完成交通數據融合以提供動態路線引導，由通信網來提供中心主機與移動設備間的傳輸通道。系統設計三個主要問題：定位和導航功能模塊放置何處定位精度和定位更新頻度無線通信技術的選擇各種定位技術的性能比較：書P260，表10.110.2自動車輛定位（AVL）自動車輛定位（AVLAutomaticVehicleLocation)系統在特定區域內跟蹤車隊的位置并將此信息通過通信設施報告給中心主機。如調度中心、交通信息中心或交通管理中心。10.2.1中心控制方式中心式定位系統是利用中心主機的計算設備和通信設施在特定區域內遠程定位或跟蹤車隊的系統。地圖匹配數字地圖數據庫無線通信人機接口移動客戶主機服務器圖10.2一般中心式AVL系統（所有定位功能將由中心主機固定設施來完成）TOAAOATDOA智能單元位于中心主機及通信網絡10.2.2分布式控制方式分布式定位系統是基于移動端上的設備向中心主機設備報告的信息在特定區域內跟蹤車隊位置的系統。各車輛或移動設備自主來定位。中心主機可為各種形式，但無定位能力。主機服務器無線通信數字地圖數字庫人機接口地圖匹配定位移動客戶圖10.3分布式AVL系統例子：定位部件為車載GPS接收機，車上不安裝地圖數據庫及地圖匹配模塊。移動單元采用40字符LCD顯示信息和調度信息。--顯示器移動單元每5分鐘查詢GPS接收機的位置并在接收到中心主機消息時報告這一位置。基本工作過程：初始化通信頻道，進入輪詢循環，定期地讀通信頻道的信息。移動單元發送中心主機：車輛標識：經度、緯度中心主機發送到移動單元：信息消息：要求移動單元返回當前位置；調度消息：左拐彎等。10.3動態導航

動態導航系統采用實時交通信息幫助用戶在道路網中行駛。--又稱動態路徑引導。10.3.1中心動態控制方式路遇到智能化模塊放在中心主機設備上的系統。中心式動態導航系統依靠多車輛（系統范圍內）路徑規劃模塊以實現交通信息引導行駛在路上的車輛。中心主機在特定道路網絡內為所有車輛優化各自的路線。中心服務器數字地圖數據庫人機接口路徑接口無線通信人機接口定位移動客戶圖10.4一般的中心式動態引導系統駕駛員用車載導航設備進行選擇目的地，通過無線通信送到中心服務器。路徑規劃最優化的路徑數據通過無線通信送到車載導航設備（駕駛員）

注：中心數據庫是綜合了實時交通信息的動態數據庫。10.3.2典型應用：無線電話呼救系統無線電話呼救系統提供的服務；提供定位的應急服務；提供定位的路邊援助；路徑幫助和引導；遠程閉鎖車門；防盜、盜失報警和盜失車輛跟蹤；里胎破裂報警；旅行信息（交通、天氣、加油站、餐飲、旅館等）；免提和聲控移動電話或傳呼機。數字地圖數據庫人機接口無線通信人機接口定位中心主機服務器移動客戶圖10.6無線電話呼救系統的簡單結構中心主機功能簡化為具有人機接口的地圖數據庫和無線通信接口車載系統可由控制GPS接收的微機控制器和無線通信設備，如蜂窩收發機組成。書P280

無線電話呼救系統的車載設備RESCL（遠程應急衛星蜂窩設備）按下一個按鈕，車上的蜂窩電話自動地呼叫服務中心。并向中心發送車輛的標識碼和位置信息。中心接電話或利用地圖數據庫確定車輛位置，通知援助去救援。當然車載計算機還可以與發動機相關，與門、報警裝置等相關。若車輛被盜，激活一個報警器，讓發動機同時向中心發送報警信息、車輛標識，位置這樣便于分配警力來抓捕盜賊。應用舉例（綜合設計）

GPS/GSM車輛定位系統一、系統的結構管理中心SMS車載臺1、車載臺的設計GSMGPSLCD遙控MCS-518052具體是ATMEL的AT89C522、中心服務器GSM大屏幕CRTAT89C52：與MCS-51兼容8K字節flashmemory串口32I/O線3個16位定時計數器多路功能轉換：解決8052只有一個串口，分時復用電平轉換：TTL（0-5V）RS232MAX202或1488，1489YaoRXDYaoRXD1(RS232)二、軟件GSM07.07,GSM

07.05GSM07.07AT蜂窩電話指令:AT+CGMI查詢廠家身份AT+CGMM查詢模塊型號AT+CREG網絡注冊AT+CHUP掛機AT+CPAS電話狀態解釋：AT+CHUP掛機檢測：響應：OKAT+CHUP=？執行響應：OK/ERROR注：例返回OK時實際的返回字節為：13H，10H，4FH（O），4BH（K），13H，10H其中13H為回車，10H為換行，在每個響應項的前后都有回車換行符。SMSAT指令（GSM07.05）AT指令功能AT+CSMS選擇SMS服務AT+CPMS首選信息存儲類型AT+CMGFSMS格式AT+CSCASMS服務中心地址AT+CNMI新SMS指令TEAT+CNMA新SMS回應到ME/TAAT+CMGL列SMSAT+CMGR讀SMSAT+CMGS發送SMSAT+CMSS從SMS存儲器中發送SMSAT+CMGW寫SMS到SIMR中AT+CMGD從SIMR中刪除短信息三、利用AT指令收發SMS的格式及過程手機收發短信息時，有兩種格式：文本格式和二進制格式（PDU）1、發送SMSSMS的數據結構：短信息服務中心地址+PDU數據AT指令：AT+CMGS=<length>Length為PDU數據字節長度（不包括服務中心地址長度）（1）短信息服務中心地址：字節數+號碼類型+電話號碼例：139北京短信中心地址：+86138001005000891683108100005FO08表示后面為8個字節（不包括08H）91為電話號碼類型：91H145國際

81H129國內該中心電話號碼為11位（不包括86），根據IEC標準不夠偶數位后面補F這樣86138001005008613800100500F683108100005F0為8613800100500的壓縮BCD碼（2）PDU數據格式SMS類型（1B）+SMS參考號（1B） +目的地址+數據協議（1B）+編碼格式（1B）+有效期（1B）+TPDU數據長度（1B）+TPDU數據SMS類型：11HSMS參考號：59H目的地址：+86139011359330E91683109115339F37個字節91H國際0EH14表示國內電話號碼為14位（7個字節）不包括91H數據協議：0DH編碼格式：00H文本

F5H8位數據有效期：0BHTPDU數據長度：真正所發數據的字節長度TPDU數據：所傳送的數據例如：短信中心地址：139北京短信中心地址：+86138001005000891683108100005F0目的地址：+86139011359330E91683109115339F3（9個字節）TPDU：AB41H，42H則length=6個字節+目的地址字節數+傳送數據字節數Length=17個AT+CMGS=17>0891683108100005F011590E91683109115339F300F50B024142<ctrl+z>1AH發送成功時：13H，10H+CMGS：（13H，10H，13H，10H，4FH，4BH，13H，10H）+CMGS：

OKOK如果發送不成功：（13H，10H）+CMS：ERROR：（13H，10H，13H，10H，4FH，4BH，13H，10H）

+CMS：ERROR：

OK2、接收SMS：短信中心地址+SMS類型（1B）+源地址+數據協議（1B）+編碼格式（1B）+郵政時間+TPDU數據長度（1B）+TPDU數據郵政時間：1001819051920001年10月18日9：1529：00例如：接收到單一條SMS0891683108100005F0040E91683109115339F300F510018190519200024142TPDU數據長度：022個字節TPDU數據：4142AB對于短消息而言，國際標準，按8位數算，對多可傳送140個字節，發文本字符，最多可傳送160個字符。最小二乘：LeastsquaresARMAmodel:...視測值：參數值：其中矩陣：最小智能運輸系統1美國智能運輸系統的發展研究始于60年代末電子線路導航系統(ERGS:ElectronicRouteGuidanceSystem)80年代智能化車輛道路系統（IVHS：IntelligentVehicleHighwaySystem)1990年成立IVHS組織1992年制定了“智能運輸系統”發展戰略計劃補充ITS（intelligenttransportationsystem)1994年IVHS更名為ITSAmerica(IntelligentTransportationSocietyOfAmerica)2美國智能運輸系統的研究內容7個基本系統29個用戶服務功能(子系統)(1)出行和交通管理系統6個途中駕駛員信息系統線路引導系統出行人員服務系統交通控制系統突發事件管理系統排放測試和污染防護系統(2)出行需求管理系統3個出發前的出行信息系統合乘配載和預約系統需求管理與運營系統(3)公共交通運營系統4個公共運輸管理系統途中換乘信息系統滿足個人需求的非定線公共交通系統出行安全系統(4)商用車輛運營系統6個

商用車輛電子通關系統自動化路側安全檢測系統商用車輛管理程序系統車載安全監檢系統商用車輛交通信息系統危險品應急反應系統(5)電子收費系統(6)應急管理系統2個緊急通告與人員安全系統應急車輛管理系統(7)先進的車輛控制和安全系統7個縱向避撞系統側向避撞系統交叉口避撞系統視覺強化避撞系統事故前乘員安全保護系統危險預警系統自動公路系統3歐洲的交通運輸系統與ITS的發展ITS的主要內容:(1)交通管理(2)行前信息(3)行程中的信息(4)車輛控制(5)貨物及車隊管理(6)自動收費1969年交通控制的相關電子技術1986年建立歐洲智能道路網1995年PROMOTE(ProgramForMobilityInTransportationInEurope)車輛的交通管理系統和安全系統4日本智能運輸系統的發展4.11973年汽車綜合控制系統

CACS:(ComprehensiveAutomobileTrafficControlSystem)1984年路車間信息系統(RACS:Road/AutomobileCommunicationSystem)1987年AMTICS:AdvancedMobileTrafficInformation&Communicationsystem)先進的車輛交通與通信系統1991年先進的安全汽車ASV:Advancedsafetyvehicle1994年日本成立ITS促進機構4.2目前主要做的三方面工作汽車信息和通信系統:VICS:VehicleInformationandCommunicationSystem)不停車收費ETC(ElectronicToilCollection)先進的道路支援系統AHS(AdvancedHighwaySystem)2001年Smartway和Smartcar促進ITS發展4.3日本ITS體子結構先進的導航系統ETC系統安全駕駛支援系統交通管理最優化系統道路交通管理高效化系統先進的公交系統車輛運營管理系統行人誘導系統緊急車輛支援系統5中國ITS發展20年代末開始交通控制電子設備80年代引進國外先進的交通控制系統90年代建設交通指揮中心2002年ITS+協調指導小組和辦公室成立研究的主要內容:交通控制系統交通監視系統交通管理系統交通信息動態顯示系統交通誘導系統交通運輸安全報警系統:GPS/GIS闖紅燈違章監視系統駕駛員考試系統交通事故快速勘察系統電子收費系統6ITS未來發展方向(1)協調ITS的綜合性(2)ITS的集成性(3)ITS的標準性(4)降低ITS應用成本7經濟效益:減少交通擁擠和行車延遲減少交通事故的發生率和死亡率社會經濟效益增加能源消耗減少,污染程度降低8ITS標準國際國際標準體制,ISO1992年成立TC204工作組推動城市,郊區及高速公路一體化的智能交通的發展,第一次全體會議于1993年在美國華盛頓召開ISO/TC204下設16個工作組,分別如下:第一組體系結構由英國及ISO牽頭第二組質量及可靠性要求由美國及ISO牽頭第三組TICS(交通信息與控制系統)數據庫技術日本及ISO牽頭第四組:車輛及設備的自動識別,挪威及ISO牽頭五組:車輛電子收費,荷蘭及ISO牽頭六組:貨物運行管理,美國及ISO牽頭七組:商業車輛通行管理,加拿大及ISO牽頭八組:公共交通及應急處理,加拿大及ISO牽頭九組:集成的交通信息管理與控制,美國及ISO牽頭十組:出行者信息系統,澳大利亞及ISO牽頭

十一組:引導與導航系統,英國及ISO牽頭十二組:十三組:十四組:車輛與道路的報警與控制系統,德國及ISO牽頭十五組:DSRC(專用近距離通信)在TICS中應用,日本及ISO牽頭十六組:廣域網通信的協議及接口,美國及ISO牽頭KalmanFilter考慮線性離散時間定常隨機系統:(KF-1)(KF-2)其中,狀態觀測為常陣，

W(t)和v(t)是零均值,方差各為θ和R的獨立白噪聲:

(1)(KF-3)(2)初試狀態X（0）獨立于W(t)和V(t),且(KF-4)Kalman濾波問題是：基于觀測[y(k),y(k-1),…y(1)],求狀態x(j)的線性最小方差估計值，它極小化性能指標：對j=K,j>k或j<k，分別算為Kalman濾波器，預報器或平滑器。卡爾曼濾波器能用來融合多傳感器的測量結果，提供系統當前狀態的估算和系統未來狀態的預測。式中，K（k+1）稱為濾波增益陣，

式中，為一步預測誤差的協差陣而，為濾波誤差的協方差陣Kalman濾波器是一種推算法:P0P(1/0)P(1/1)P(2/1)…

X0X(1/1)X(2/2)…Y(1)Y(2)

測量得到(KF-8)(KF-8)(KF-7)(KF-9)K(1/1)(KF-9)(KF-7)K(2/2)^^(KF-6)例已知離散時間隨機狀態標量方程式中,

相互獨立,試求最優濾波誤差的方差陣P(k/k)(k=1,2,3,4);并求定態值解:計算結果:KP(K/K-1)K(K)P(K/K)00010011250.8913.40238.400.7210.80335.800.7010.57435.800.7010.55由(ex-1),(ex-2)和(ex-3)補充:數據融合(多傳感器信息融合技術)(informationfusion)or(datafusion)1.引言多傳感器信息融合技術不論在軍事領域還是在民事領域受到廣泛的關注,70年代末80年代初美國戰場監視,自動飛行器導航,機器人,遙感,圖象處理,模式識別和復雜工業過程控制等領域.

多傳感器數據融合:指對不同知識源和傳感器采集的數據進行融合,以實現對觀測現象更好地理解.1傳感器1傳感器2冗余信息互補信息圖DF-1多傳感器融合示意圖傳感器之間的冗余數據增強了系統的可靠性,傳感器之間的互補數據擴展了單個的性能.

多傳感器融合系統的優點:1)提高系統的可靠性和魯棒性,2)增強數據的可信任度,3)增強系統的分辨能力,4)擴展時間上和空間上的觀測范圍.

數據融合,一門跨學科的綜合信息處理理論,涉及到系統論,信息論,控制論,人工智能和計算機通信等領域和學科.與經典信號與信息

處理理論存在著本質的區別,不同之處在于數據融合所處理的多傳感器信息更具有更為復雜的形式,而且可以在數據層,屬性層和決策層等不同信息層次上體現.2數據融合系統的處理模型(JDL)目標評估數據庫管理系統信息源威脅評估總過程評估態勢評估源預處