GPS车载导航系统路径规划的研究Word文档格式.docx

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第一章绪论

1．1引言

自20世纪后期以来，随着全球经济的深入发展，世界各国城市（尤其是大城市）的人口和车辆持续增长，由于交通拥挤而造成的损失随之逐年增加。

因而各国竞相投资修建交通设施，试图解决这一问题。

但是车辆的增长速度远远高于道路和其他交通设施的增长速度，由此带来的有目共睹的事实是道路交通系统的复杂性和拥挤度的与日俱增[1]。

近年来人们已经逐渐认识到单纯依靠增加道路基础设施建设不可能从根本上解决车辆的快速增长与交通设施滞后之间的突出矛盾。

只有在计算机、信息和通讯等高科技手段的辅助下充分利用现有的道路基础设施，才是合理可行的方法。

由此出现了建设智能交通系统（IntelligentTransportationSystem,ITS）的热潮。

事实上，建立现代化的交通系统，已经成为国家现代化的重要标志之一。

与此相关的一系列方法与技术也成为当今计算机科学、地理信息科学等相关学科中的研究重点和热点。

ITS是一个复杂的巨系统，包含了众多的子系统，其中车载导航系统是最为重要的子系统之一，具有极大的市场前景和发展潜力。

车载导航系统的研制开发可以划分为相互关联的技术模块，其中的路径规划是其他功能模块运行的基础，包含了车载导航系统中的很多关键技术。

由于车载导航系统对道路网络建模、实时路径计算等方面有着特别的要求，在学术、技术上还存在着许多没有完全解决的问题。

本文就是重点研究了车载导航系统的路径规划问题。

1．2本课题相关技术基础

1．2．1全球定位系统GPS

全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空，进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命[2]。

GPS由三个独立的部分组成：

①空间部分：

21颗工作卫星，3颗备用卫星。

②地面支撑系统：

1个主控站，3个注入站，5个监测站。

③用户设备部分：

接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作[3]。

GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源三部分组成。

GPS技术作为一种新兴的导航技术，它具有以往的任何导航技术所没有的巨大的优越性，无论是定位精度、服务提供实时性、时间的精确性、全天候不间断性等等特点，都是任何别的导航技术所不能比拟的。

它刚一出现和投入使用，就极大的改变了人类的工作和生活。

随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。

1．2．2地理信息系统GIS

GIS（GeographicalInformationSystem,地理信息系统）是一种基于电子地图并围绕电子地图的各种图形要素及相关属性信息展开的综合信息系统，它拥有信息系统的各种特点。

它与其他信息系统的主要区别在于其存储的信息是经过地理编码的或是与图形要素相关的。

GIS是对地理环境问题进行分析和研究的一门科学；

是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、应用数学、管理科学为一体的新兴科学；

是多学科集成并应用于各领域的基础平台[4]。

GIS从功能上可定义为一个具有地理参考信息的输入、存储、分析、输出功能的系统；

从用途上可定义为一个支持空间查询、计算、统计与决策的系统。

它更多的被称为一个空间信息系统[4]。

GIS方面的专家D.Rhind概括了各种意见，给出如下定义：

“GIS是由硬件、软件和方法组成的系统，它设计成能支持地理空间数据的获取、管理、操作、分析、模型化和显示，以解决复杂的规划和管理问题”[2]。

在GIS与GPS结合起来使用的过程中，GPS往往作为前端信源来采集接收系统所需数据，然后传输给GIS以完成地理信息的显示、存储、查询等等。

目前，GIS技术和GPS技术的结合集成越来越成为一种发展趋势，二者相互促进，相得益彰。

1．3本课题研究的目的及意义

社会经济的发展，城市规模的不断扩大，交通车辆迅速增加，交通运输的经营管理和合理调度，110、120等特殊车辆的指挥和安全管理已成为交通系统中的一个重要问题。

过去，用于交通管理系统的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向车辆驾驶员发出调度命令，驾驶员只能根据自己的判断说出车辆所在的大概位置，而在生疏地带或在夜间则无法确认自己的方位甚至迷路。

因此，在调度管理和安全营运方面受到了一定程度的限制。

通过车载GPS接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。

由车载GPS系统所确定的车辆位置信息，通过车载电台将其发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可及时掌握各个车辆的具体位置，并可以显示在电子地图上，非常直观、清渐，然后进行安全、合理的调度。

通过移动目标监控调度系统，调度指挥中心随时可以知道入网移动目标的方位，不仅可以进行安全合理的监控调度，而且可以为入网移动目标提供无线通信、遇险报或警、决策指挥等多项服务。

交通管理部门越来越多的借助于当今科学发展的新技术来保障交通畅通、改善道路安全、减少交通拥挤和空气污染对生态环境造成的恶劣影响。

我国对车辆导航系统的研究的起步较晚，而且目前投放到市场的导航产品，基本上都用于特殊车辆，如：

110车辆、运钞车、邮政车辆等，而且他们都只是由中心监控导航，只能定位不能自主导航。

具有电子地图又能语音导航的车载导航产品在国内目前尚较为罕见。

因而，有关车载导航系统及相关产品的研制是当前迫切需要进行并解决的问题。

1．4本课题完成的主要内容

1．4．1本课题的任务

车载导航系统是一个为客户提供定位、路径规划、路径引导等多种服务的复杂系统，其中路径规划是帮助司机在旅行前或旅行中规划行驶路线的过程，是路径引导、信息服务等模块的基础，因此被广泛认为是车辆导航领域中的一个基本问题。

路径规划的实现主要依靠所选择的路径规划算法，因此路径规划算法的研究就成为车载导航系统的重中之重。

本设计的任务就是在研究车载导航系统的同时，重点研究其中的路径规划问题，研究路径规划的算法，并编程模拟实现。

1．4．2本文的内容安排

本文共分为六章：

第一章是“绪论”，说明了本设计的来源，研究的目的和意义，简要介绍了本设计相关技术基础概念与原理，如GPS、GIS等，并对本论文的研究目标、研究内容以及章节的安排作了介绍。

第二章是“GPS车载导航系统体系结构与关键技术”，简述了本课题的研究背景，在国内外的发展概况，设计的指导思想，分析了车载导航系统总体结构与关键技术及系统的功能要求与技术要求。

第三章是“SuperMapGIS简介”，简单介绍了SuperMapGIS的技术与功能，包括SuperMapDeskpro、SuperMapObjects以及SuperMap中的数据组织。

第四章是“路径规划子系统的分析与设计”，分析了在本课题中设计的路径规划子系统，包括其运行环境、总体结构和主要功能；

并对路径规划算法进行了详细研究，综合考虑比较了多种最短路径选择算法，对原始Dijkstra算法提出了改进。

第五章是“路径规划子系统的实现”，详细叙述了从地图制作到路径规划算法实现的具体步骤。

第六章是“结论与展望”，是对本论文研究工作的总结和今后研究工作的展望。

第二章GPS车载导航系统体系结构与关键技术

2．1车载导航系统的产生与发展

在人类的文明史上，车载导航系统（VNSvehicleNavigationSystem）的研究和发展已有相当长的历史，最早可以追溯到公元前2600年以前的指北车和航海家通过观测星空来引导船[5]。

随着科学技术的高度发展，将先进的信息处理技术、数据通信技术、电子控制技术及计算机处理等技术集于一体的智能交通系统的研究是21世纪现代运输管理体系的模式和发展方向。

卫星定位技术（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）、数据库技术、计算机网络技术等科技技术的出现，为我们新型城市交通管理系统提供了有效的技术解决手段。

目前对车辆导航系统的研究主要在北美和欧洲以及亚洲的日本等经济发达、交通拥挤的国家，他们都投入了巨资进行研究[5]。

美国最早于60年代末就提出开发具有无线路径引导能力的导航系统来疏导交通，但由于资金问题没有实现。

终于在80年代中期相继把先进的导航产品投入市场。

它每年用于车辆导航系统的实验和部署经费为几万美元。

如：

历时6年、花费几千万美元的测试动态路径导航的ADVANCE实验运行系统。

日本也于80年代推出了各种导航器，并在96年推出了用调频广播和车载手机与中心联系的导航系统，用于交通数据的采集和发布。

欧洲也大量推出了自己的导航产品。

我国车载导航系统的发展始于二十世纪八十年代末期，在自主引导型车载导航系统方面还没有成熟[1]。

但监控管理型的导航产品已经趋于成熟和实用。

目前国内大约有几十家科学研究单位和公司在从事这方面的探索。

可以说，GPS导航定位在公交、交通系统中的应用前景是非常广阔的。

在开发车辆导航应用的同时，也将带动与其相关的通信技术、信息技术、控制技术、多媒体技术和计算机应用技术的发展。

2．2车载导航系统总体结构与关键技术

2．2．1总体结构

车载导航系统是由GPS终端、车载计算机、显示器、导航软件及GIS软件等组成（如图2.1）。

主要包括：

①GPS接受机，它接受卫星定位信号，确定当前车辆所处的经纬度信息。

其主要功能是采集实时的位置信息，进行自身定位，为交通管理提供数据。

②电脑，结合编程技术及地图数据，为用户提供多种媒体信息服务。

③GIS电子地图，把地理数据以图形的方式显示出来，提供多种地图服务，提供用户一个直观、清晰的界面。

④车载手机、寻呼机，提供与控制中心的通信手段，接受、发送各种数据、命令、请求和服务信息。

图2.1车载导航系统总体结构

2．2．2关键技术

数字地图：

也称电子地图，是一个矢量化的地图，即该地图中应该包括地图上的基本对象的属性数据。

它是GPS导航系统和GIS的数据基础。

典型的数字地图的标准格式有MapInfo的MIF/MID文件,AutoCAD的DXF文件等。

地图匹配：

是一种通过软件方法，校正无线导航或航位推算定位误差的技术。

该技术以模式识别理论为依据，基于“车辆始终行驶在道路上”的假设，通过找到车辆所在的道路，计算出准确的车辆位置，也就是说，当推算定位指示车辆在地图上的某一位置时，车辆位置可以被调整到地图上的绝对位置。

这样做会消除累积误差，直到下一次地图匹配步骤。

在每一个连续的系统周期中完成这个过程，就能实时得到更准确的车辆位置。

路径规划：

　路径规划是指在旅行前或旅行中为驾驶员提供参考行驶路线和驾驶引导的过程,是车辆定位与导航系统的基本功能之一。

路径规划是基于城市道路网图的基础上,在车辆行驶前或行驶中规划最佳行驶路径的过程，为满足实际要求,路径规划应具有快速性和最佳性。

2．3车载导航系统结构分析

车载导航系统主要由6个功能模块组成,即：

●定位模块：

通过采用全球定位系统（GPS）技术实现车辆定位。

●数字地图数据库模块：

负责存储数字地图信息。

它主要包括支持电子地图显示的地图数据库及用于路径引导的道路特征数据库，是定位、导航功能的基础。

●地图匹配模块：

把测量到的GPS信息定位数据或从定位模块获取到的位置（轨迹）与地图数据库所提供的基于地图的位置（路径）进行匹配，来显示车辆的地图位置。

●路径规划模块：

帮助司机在运行中，根据地图数据库模块所提供的地图，按一定的条件（如最短行驶距离或时间）快速生成任意两点之间的最佳驾驶路线。

如果有条件利用实时的交通信息,还应对驾驶路线作及时调整以适应交通状况。

●路径导航模块：

指挥司机沿着由路径规划模块计算出的路线，并通过定位系统引导车辆行驶。

路径行驶包括两个任务：

一是行驶指令的产生，任务是产生一个规划路径跟踪所遵循的行驶指令列表。

二是规划跟踪，任务是紧密监视车辆处于路段上的位置。

这些信息通过人—机接口，以特殊的视、听指令加以解释，以提供给司机。

●无线通信模块：

可进一步改进系统的性能增加系统的功能，通过一个或多个不同的通信手段（手机、寻呼机等），车载系统或交通管理系统能够接受实时交通信息或报告，去辅助车辆定位和导航，以促进车载系统或整个公路网络工作的更加安全有效。

2．4系统的功能要求

车载导航系统的主要功能有:

1．位置定位功能：

利用全球定位系统（GPS）获取定位信息并与电子地图进行匹配,以决定车辆的当前所在位置并用图形化方式显示;

2．最优路径搜索功能：

根据用户在地图上选取的任意目标，系统将进行实时计算，按要求规划从出发地到目的地的最优驾驶路线，并以醒目的方式将搜索结果显示在电子地图上。

3．地图浏览功能：

地图的浏览包括缩放、移动等。

用户可以在一定的放大级别下对地图进行缩放及移动浏览。

4．信息查询功能：

为用户提供主要目标的查询，如学校、宾馆、医院、道路等，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。

查询资料可用文字、语言及图像形式显示，并在电子地图上显示其位置。

车载导航系统是一个把先进的全球卫星定位技术、地理信息技术、数据库技术、多媒体技术和现代通信技术综合在一起的高科技系统,能够实时、高效地向驾驶员提供多种重要信息,具有很强的实用价值和广阔的市场前景。

2．5系统技术要求

1．硬件平台台式电脑或便携式电脑

2．操作系统Windows2000

3．GIS开发平台SuperMapObjects2003

4.地图编辑工具SuperMapDeskpro2003

5．开发工具Delphi

6．数据库平台MicrosoftSQLServer

7．电子地图镇江市电子地图

8．通信设备GSM手机，寻呼机

2．6路径规划子系统的总体框架

本课题的核心目标是设计车载导航系统的路径规划子系统，其总体框架如图2.2所示：

图2.2路径规划子系统总体结构

路径规划子系统是由两大功能模块组成的，即地理信息处理功能和路径规划功能。

本系统以SuperMap地理信息系统作为开发平台，Delphi7.0作为开发工具，通过调用SuperMapobjects控件SuperMap和Superworkspace,来实现相应的功能。

有关路径规划子系统的分析与设计将在第四章进行详细叙述。

第三章SuperMapGIS简介

SuperMapGIS是一整套GIS软件的总称。

SuperMapGIS产品中，除组件式GIS以外，还包括WebGIS软件平台—SuperMapIS、通用桌面GIS软件—SuperMapDeskpro和专业数据采集软件—SuperMapSurvey、嵌入式GIS软件—eSuperMap等，本设计主要用到了其中的SuperMapDeskpro和SuperMapObjects[6]。

3．1SuperMapDeskpro的概述

SuperMapDeskpro是北京超图地理信息技术有限公司基于SuperMapGIS核心技术研制的新型通用桌面地理信息处理平台和GIS应用工具[6]。

通过SuperMapDeskpro，用户可以完成数据管理、地图编辑、地图打印、查询浏览、网络分析、拓扑处理、空间分析、三维建模等GIS系列任务。

SuperMapDeskpro可以作为一个全面分析管理的工具，应用于土地管理、林业、电力、交通、城市管网、资源管理、环境分析、旅游、水利航空和军事等不同行业。

本设计主要用SuperMapDeskpro来编辑和修改地图及其属性的。

3．2SuperMapObjects的概述

SuperMapObjects是超图地理信息技术有限公司（）基于ActiveX/COM技术开发的组件式GIS软件开发平台。

SuperMapObjects功能强大，对象和接口数量多，可以满足各种GIS应用需求[7]。

SuperMapObjects由一系列的ActiveX组件构成，包括核心组件、布局组件、三维组件、拓扑组件、图例组件、数据表格组件、工作空间管理组件、加密锁信息组件、辅助组件等多个可分拆的组件库[8]。

SuperMapObjects组件库之间既互相关联，也保持相对独立性。

其中核心组件库是基础的、必选的组件，其他组件库则是可选的。

SuperMapObjects提供了11个ActiveX控件、120多个AvtiveX对象，共计有属性、方法、事件等接口2100多个。

其中，控件是有图形窗口交互界面的特殊的ActiveX对象。

本设计主要用了工作空间控件SuperWorkspace和地图窗口控件SuperMap。

SuperWorkspace控件是全组件式GIS软件SuperMapObjects的核心控件之一，主要功能是管理数据，包括工作空间文件的创建、打开、保存、关闭，数据源文件的创建、打开、修复和压缩，数据集的创建以及数据库的管理等等。

它就相当于一个数据仓库，SuperMapObjects的其它控件所需的数据都要从SuperWorkspace控件中获取,同时SuperWorkSpace控件还负责为SuperMap控件的正常工作做一些必要的辅助处理[8]。

SuperMap控件是核心控件的重要组成部分，负责二维空间数据的显示，其主要功能如下：

1、空间数据浏览与调整环境设置；

2、图层管理：

SuperWorkspace中需要显示的数据作为一个图层（soLayer）添加到SuperMap窗口中，因此SuperMap窗口可以看成是一个图层集合（soLayers），SuperMap负责管理这个图层集合，控制集合中个体（soLayers.Item（Index））的显示状态包括：

（1）图层的可见、可显示、可编辑、可捕捉

（2）图层风格设置（3）制作专题图（4）视野范围设置（5）动态投影；

3、地理对象（soGeometry）的编辑；

4、地理对象与属性双向查询；

5、影像配准；

6、动态目标的显示与跟踪；

7、空间分析：

如叠加分析，网络分析等；

8、地图的输出；

3．3SuperMap中数据组织的基本概念

3．3．1工作空间（Workspace）

工作空间管理的是用户的工作环境，由工作空间控件（SuperWorkspace）创建，用于保存用户的工作环境和工作过程中操作和处理的所有数据，包括数据源、地图名、布局和资源等内容[7]。

●工作空间存放了每个数据源相对于工作空间文件（扩展名为*.smw）的相对路径、数据源别名、数据源打开方式（只读、独占、事务、加密四种方式）等信息。

由于工作空间存放的是数据源的相对路径和别名，而没有存储和拷贝整个数据源，因此工作空间文件可以和数据源（文件）分开存放，而且通常文件大小比数据源文件小。

工作空间中使用的空间数据仍然存储于数据源中；

●地图由一系列图层构成。

工作空间中的地图存储了地图中每个图层对应的数据源和数据集，显示风格、显示比例、专题地图和图层的状态信息（显示、选择、编辑、捕捉等）；

●工作空间中的布局存储了布局中的所有要素，包括引用的地图，以及各制图要素的位置和大小以及相互关系（叠放的层次、是否成组、比例尺与地图间的对应关系等）；

●资源则包含点状符号库、线型库和填充模式库，在有些软件中，他们也被称为点状符号库、线状符号库和面状符号库；

●作为用户的工作环境，同时只允许有一个工作空间。

因此，1）不要在同一个应用程序中加载超过一个工作空间控件；

2）打开一个工作空间的同时必须关闭另一个工作空间。

在第一次初始化SuperWorkspace控件时，控件自身会创建一个空的工作空间，该工作空间不存在数据源、地图和布局，只有系统默认的资源；

当用户关闭一个工作空间时（使用Close方法），系统也会自动创建一个空的工作空间。

因此，用户在使用工作空间之前，不需要创建新的工作空间。

3．3．2数据源（Datasource）

数据源是存储空间数据的场所，是由各种类型的数据集（如点、线、面类型数据，TIN、GRID、NetWork）组成的复合数据集。

一个数据源可包含一个或多个不同类型的数据集；

也可以同时存储矢量数据集和栅格数据集。

数据源的存储格式是文件/数据库混合格式，由扩展名为SDB和SDD两个文件组成。

所有的空间数据都存储于数据源而不是工作空间，任何对空间数据的操作都需要先打开或者获得数据源。

SuperMapObjects支持多种数据源存储方案。

一个工作空间中可以打开多个数据源，各数据源通过不同别名（Alias）进行标识。

3．3．3数据集（Dataset）

数据集是SuperMapObjects空间数据的基本组织单位之一，是由同种类型数据组成的数据集合，也就是一组数据对象的集合。

在SuperMapDeskpro中有十五种类型的数据集，如：

点数据集，线数据集，面数据集，TIN数据集，GRID数据集，复合数据集，Network数据