论文部分内容阅读
【摘要】本文首先对车载GPS进行了阐述，然后探讨了GPS系统的原理及结构，最后对车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中的应用进行了分析。
【关键词】寒冷地区；沥青路面；结构理论
中图分类号：U416文献标识码： A
一、前言
由于科技的不断发展，使得车载GPS问题得到了人们的重视。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进。在新时期下，加强对车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中的应用，对我国公路网测绘工程的发展有着重要意义。
二、车载GPS的概述
1、GPS
全球定位系统(GPS)是利用导航卫星测时和测距的简称[10]。GPS利用24颗人造地球卫星在全球范围内，全天候为海上、陆地、空中的用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。GPS包括GPS卫星网（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）、GPS信号接收机（用户设备部分）3个部分。对于一般用户而言，GPS的使用是指GPS接收机的使用。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，GPS信号接收机根据卫星信号到接收机的时间以及信号传输速度计算出接收机到不同卫星的距离；同时，收集到4颗以上卫星的数据时就可以解算出三维坐标、速度和时间。
2、车载GPS
作为GPS应用的3个主要方面之一的车辆定位(Automatic Vehicle Location，简称AVL)或车载GPS系统，随着GPS、无线通信手段、GIS与计算机技术的不断进步，近年来得到了飞速发展。车载GPS信息系统主要由3个部分构成，即无线通讯部分、监控中心部分和车载终端部分。无线通讯系统主要是传输介质利用通信运营商提供的数据和短信息服务，这里的通讯方式指的就是无线通讯系统的通讯手段；监控中心由GPS服务器、数据库服务器、CTI呼叫中心系统、监控工作站、管理工作站、路由器、防火墙组成；车载终端主要由GPS接收模块、GSM通讯模块、车辆控制模块、屏幕等部分组成，主要有车辆定位、与监控中心进行双向通讯、车辆控制等功能。
监控中心在接收到车载GPS传回的位置数据后，可以确定监控车辆的位置信息、历史运行轨迹，进而分析其运行是否正常，是否偏离预定路线、速度是否异常。在出现异常情况时，监控中心可以通过发布导航指令来实现实时的调度。
三、系统的原理及结构
1、系统实现的基本原理
差分GPS技术发展十分迅速，通过差分处理能达到5m的定位精度，差分GPS需要两台测量型GPS接收机，一台作为固定站，放置在已知测量控制点或由测量控制点推算到的定位点。另一台作为流动站，放置在车辆上对道路进行动态测量。实测结束后，对两台GPS接收机中的数据进行差分计算及坐标转换，从而得到道路坐标数据。
2、系统组成
车载式GPS道路修测系统课题主要解决的问题是道路及道路附属设施数据的采集，用新采集的数据更新地图数据库中的交通要素。具体研制内容划分为五大部分:作业前准备、GPS野外实测、数据后处理、成果输出、技术文档。
四、车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中的应用
1、图像的裁剪拼接
本系统采用栅格地图作为底图。在作业过程中，所采集的县乡道有可能出现跨图幅的现象，由于使用的地形图是高斯投影，一般的商业软件无法按照严格的数学基础进行裁剪，因此也就无法进行图幅之间的拼接，这样就给生产作业造成很大的不便。为此，必须编写图像裁剪软件。该软件是将具有高斯投影的图像转换成了矩形图像，以便将相邻的图幅进行无缝拼接，它的转换是建立在严格的数学基础之上的。为了防止转换后在高纬地区产生变形，笔者设计了人机交互式的界面，可以输入变换以后的图宽和图高。同时按照地图内图廓线进行裁剪，将扫描的多余部分去掉。这样，经过转换以后的地形就可以在商业软件中任意进行拼接。
2、GPS差分计算
动态导航与定位的质量取决于对动态载体扰动和观测异常扰动的认知和控制。在传统滤波过程中，常出现发散和载体在突然加减速或拐弯等处于运行状态不平稳时的精确定位问题。
针对上述问题，杨元喜等提出了抗差自适应滤波方法。该方法不仅能够抵制观测异常的影响，而且对状态扰动具有较强的控制能力。抗差自适应滤波在计算方面具有很强的灵活性。
因为它只基于状态预报值与当前历元的观澳4信息的不符值确定状态扰动水平。在GIS道路修测系统中应用抗差自适应Kalman滤波，该算法采用a因子平衡预测状态和观测信息的权比较，是利用抗差估计和状态协方差矩阵膨胀模型相结合的自适应滤波。a因子的构造可基于状态不符值也可采用方差分量估计方法。通过采用抗差自适应滤波有效地解决了处理街道转盘数据时出现的发散和交叉现象。其结果数据轨迹光滑，而且精度也更高，完全满足1：25万地图的道路信息更新和新道路信息采集的精度要求在分叉路自适应滤波绘的图形也与实际道路信息非常符合。在北京地区笔者做了多次车载动态GPS试验。共采用了三种计算方案，即随GPS接收机的商用导航软件、某专用软件及抗差自适应Kalman滤波。计算中发现，随机导航软件计算结果精度在10米；某专用软件的精度在5米~6米，而自适应滤波结果的平均精度在3米。这个路段的自适应滤波结果不仅比其它两种方法的轨迹光滑，而且精度也更高。
3、交通部数据自动挂接
在“中国道路网GPS测绘工程”中使用了交通部提供的第二次全国道路普查的数据。交通部数据在使用上存在较大的难度。该数据在管理上采用独立的数据库，该数据库数据量非常庞大，存放较为分散，没有任何定位坐标信息。而在作业中测绘的数据只有定位坐标数据和作业员实地测量和判读的属性数据，两者之问的联系只能依靠作业员的经验推断交通部数据组织管理以路段作为基本单位，每一条道路都被分为若干路段，并进行编号，建立道路附属设施与路段的联系。
为了自动化地使用交通部数据，在充分分析交通数据的基础上，采用下述方法：对需要的交通数据进行重新组织。以作业中采集的若干标志性地物作为控制点，自动地在交通数据和测绘数据之间建立联系，并且推算得到作业中无法采集的数据选取两个控制点并交通数据中查找对应的数据项，根据两控制点之间附属设施到控制点的距离，自动配赋各点的误差。
4、插补道路导航数据
在作業中，由于仪器本身和环境条件的影响，测量型GPS接收机有时收不到卫星信号或接收的卫星信号较差。此时，通过GPS差分计算，在某些时段道路的坐标数据不能得到或连续性较差，这直接影响了道路数据的获取。可喜的是，经过多次实验和生产证明，在野外采集作业中，导航型GPS接收机（即GPS导航仪）接收卫星信号灵敏度高，受环境条件影响较小，除在室内、隧道等特殊环境外，都能正常地接收卫星信号，处理得到的道路坐标数据连续性较好。差分得到的道路坐标数据和导航得到的道路坐标数据都反映作业车辆运行的轨迹，都代表着所测道路的坐标数据，相比之下，差分得到的道路坐标数据精度更高。但在不能正常得到差分道路坐标数据的情况下，可用相同时段的导航道路坐标数据经过数学变换，补充无法得到的差分道路坐标数据。
5、道路坐标数据与属性数据匹配
完整的地图数据都是由坐标数据和属性数据共同组成的。外业采集得到的道路属性数据和坐标数据相互独立的，进行数据匹配的目的就是将野外采集得到的道路属性数据与经过GPS差分计算得到的道路坐标数据建立一一对应的关系，形成一个有机的整体，共同表示一个道路要素。线状道路要素的数据匹配，可以转换成构成道路的坐标点的数据匹配。笔者采用的匹配方法是根据测得该要素的时间和方位对参考坐标进行内插，得到点状要素的准确坐标数据，再根据时间信息与对应的属性数据相匹配，建立一一对应关系，从将道路的坐标数据和属性数据联系起来。道路附属设施的定位也是采用相同的匹配方法。
五、车载GPS的发展趋势
随着交通导航、车辆定位监控、调度的软硬件系统不断涌现，以及导航监控的普及，对导航电子地图及时更新提出了更高的要求。在此首先介绍了道路修测系统内业数据的编辑处理以及成图的主要内容，在此基础上针对数据处理过程中的偏心改正、道路拟合以及往返测量数据融合等关键技术作了讨论，设计了相应的算法，并通过实例进行了验证，取得了较好的效果，从而为将GPS进一步广泛应用到道路修测中作了有益的研究。
六、结束语
通过对车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中的应用问题分析，进一步明确了车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中重要性。因此，在公路网测绘工程的后续发展中，要加强车载GPS道路修测系统的应用，促进公路网测绘工程的发展。
参考文献
[1]李夕银，程鹏飞，张莉.车载差分GPS应用于道路测量中的主要问题[J].测绘科学，2012(3):141-142.
[2]李夕银.GPS在GIS数据采集中的应用[J].测绘通报，2010(04):89-91.
[3]易玉丹，季善标.车载GPS导航定位系统中电子地图的建立[J].工程勘察，2011，(6)：26-27.
[4]杨军.一个车载GPS监控系统实例[J].四川测绘，2009，(4):31-35.
【关键词】寒冷地区；沥青路面；结构理论
中图分类号：U416文献标识码： A
一、前言
由于科技的不断发展，使得车载GPS问题得到了人们的重视。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进。在新时期下，加强对车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中的应用，对我国公路网测绘工程的发展有着重要意义。
二、车载GPS的概述
1、GPS
全球定位系统(GPS)是利用导航卫星测时和测距的简称[10]。GPS利用24颗人造地球卫星在全球范围内，全天候为海上、陆地、空中的用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。GPS包括GPS卫星网（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）、GPS信号接收机（用户设备部分）3个部分。对于一般用户而言，GPS的使用是指GPS接收机的使用。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，GPS信号接收机根据卫星信号到接收机的时间以及信号传输速度计算出接收机到不同卫星的距离；同时，收集到4颗以上卫星的数据时就可以解算出三维坐标、速度和时间。
2、车载GPS
作为GPS应用的3个主要方面之一的车辆定位(Automatic Vehicle Location，简称AVL)或车载GPS系统，随着GPS、无线通信手段、GIS与计算机技术的不断进步，近年来得到了飞速发展。车载GPS信息系统主要由3个部分构成，即无线通讯部分、监控中心部分和车载终端部分。无线通讯系统主要是传输介质利用通信运营商提供的数据和短信息服务，这里的通讯方式指的就是无线通讯系统的通讯手段；监控中心由GPS服务器、数据库服务器、CTI呼叫中心系统、监控工作站、管理工作站、路由器、防火墙组成；车载终端主要由GPS接收模块、GSM通讯模块、车辆控制模块、屏幕等部分组成，主要有车辆定位、与监控中心进行双向通讯、车辆控制等功能。
监控中心在接收到车载GPS传回的位置数据后，可以确定监控车辆的位置信息、历史运行轨迹，进而分析其运行是否正常，是否偏离预定路线、速度是否异常。在出现异常情况时，监控中心可以通过发布导航指令来实现实时的调度。
三、系统的原理及结构
1、系统实现的基本原理
差分GPS技术发展十分迅速，通过差分处理能达到5m的定位精度，差分GPS需要两台测量型GPS接收机，一台作为固定站，放置在已知测量控制点或由测量控制点推算到的定位点。另一台作为流动站，放置在车辆上对道路进行动态测量。实测结束后，对两台GPS接收机中的数据进行差分计算及坐标转换，从而得到道路坐标数据。
2、系统组成
车载式GPS道路修测系统课题主要解决的问题是道路及道路附属设施数据的采集，用新采集的数据更新地图数据库中的交通要素。具体研制内容划分为五大部分:作业前准备、GPS野外实测、数据后处理、成果输出、技术文档。
四、车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中的应用
1、图像的裁剪拼接
本系统采用栅格地图作为底图。在作业过程中，所采集的县乡道有可能出现跨图幅的现象，由于使用的地形图是高斯投影，一般的商业软件无法按照严格的数学基础进行裁剪，因此也就无法进行图幅之间的拼接，这样就给生产作业造成很大的不便。为此，必须编写图像裁剪软件。该软件是将具有高斯投影的图像转换成了矩形图像，以便将相邻的图幅进行无缝拼接，它的转换是建立在严格的数学基础之上的。为了防止转换后在高纬地区产生变形，笔者设计了人机交互式的界面，可以输入变换以后的图宽和图高。同时按照地图内图廓线进行裁剪，将扫描的多余部分去掉。这样，经过转换以后的地形就可以在商业软件中任意进行拼接。
2、GPS差分计算
动态导航与定位的质量取决于对动态载体扰动和观测异常扰动的认知和控制。在传统滤波过程中，常出现发散和载体在突然加减速或拐弯等处于运行状态不平稳时的精确定位问题。
针对上述问题，杨元喜等提出了抗差自适应滤波方法。该方法不仅能够抵制观测异常的影响，而且对状态扰动具有较强的控制能力。抗差自适应滤波在计算方面具有很强的灵活性。
因为它只基于状态预报值与当前历元的观澳4信息的不符值确定状态扰动水平。在GIS道路修测系统中应用抗差自适应Kalman滤波，该算法采用a因子平衡预测状态和观测信息的权比较，是利用抗差估计和状态协方差矩阵膨胀模型相结合的自适应滤波。a因子的构造可基于状态不符值也可采用方差分量估计方法。通过采用抗差自适应滤波有效地解决了处理街道转盘数据时出现的发散和交叉现象。其结果数据轨迹光滑，而且精度也更高，完全满足1：25万地图的道路信息更新和新道路信息采集的精度要求在分叉路自适应滤波绘的图形也与实际道路信息非常符合。在北京地区笔者做了多次车载动态GPS试验。共采用了三种计算方案，即随GPS接收机的商用导航软件、某专用软件及抗差自适应Kalman滤波。计算中发现，随机导航软件计算结果精度在10米；某专用软件的精度在5米~6米，而自适应滤波结果的平均精度在3米。这个路段的自适应滤波结果不仅比其它两种方法的轨迹光滑，而且精度也更高。
3、交通部数据自动挂接
在“中国道路网GPS测绘工程”中使用了交通部提供的第二次全国道路普查的数据。交通部数据在使用上存在较大的难度。该数据在管理上采用独立的数据库，该数据库数据量非常庞大，存放较为分散，没有任何定位坐标信息。而在作业中测绘的数据只有定位坐标数据和作业员实地测量和判读的属性数据，两者之问的联系只能依靠作业员的经验推断交通部数据组织管理以路段作为基本单位，每一条道路都被分为若干路段，并进行编号，建立道路附属设施与路段的联系。
为了自动化地使用交通部数据，在充分分析交通数据的基础上，采用下述方法：对需要的交通数据进行重新组织。以作业中采集的若干标志性地物作为控制点，自动地在交通数据和测绘数据之间建立联系，并且推算得到作业中无法采集的数据选取两个控制点并交通数据中查找对应的数据项，根据两控制点之间附属设施到控制点的距离，自动配赋各点的误差。
4、插补道路导航数据
在作業中，由于仪器本身和环境条件的影响，测量型GPS接收机有时收不到卫星信号或接收的卫星信号较差。此时，通过GPS差分计算，在某些时段道路的坐标数据不能得到或连续性较差，这直接影响了道路数据的获取。可喜的是，经过多次实验和生产证明，在野外采集作业中，导航型GPS接收机（即GPS导航仪）接收卫星信号灵敏度高，受环境条件影响较小，除在室内、隧道等特殊环境外，都能正常地接收卫星信号，处理得到的道路坐标数据连续性较好。差分得到的道路坐标数据和导航得到的道路坐标数据都反映作业车辆运行的轨迹，都代表着所测道路的坐标数据，相比之下，差分得到的道路坐标数据精度更高。但在不能正常得到差分道路坐标数据的情况下，可用相同时段的导航道路坐标数据经过数学变换，补充无法得到的差分道路坐标数据。
5、道路坐标数据与属性数据匹配
完整的地图数据都是由坐标数据和属性数据共同组成的。外业采集得到的道路属性数据和坐标数据相互独立的，进行数据匹配的目的就是将野外采集得到的道路属性数据与经过GPS差分计算得到的道路坐标数据建立一一对应的关系，形成一个有机的整体，共同表示一个道路要素。线状道路要素的数据匹配，可以转换成构成道路的坐标点的数据匹配。笔者采用的匹配方法是根据测得该要素的时间和方位对参考坐标进行内插，得到点状要素的准确坐标数据，再根据时间信息与对应的属性数据相匹配，建立一一对应关系，从将道路的坐标数据和属性数据联系起来。道路附属设施的定位也是采用相同的匹配方法。
五、车载GPS的发展趋势
随着交通导航、车辆定位监控、调度的软硬件系统不断涌现，以及导航监控的普及，对导航电子地图及时更新提出了更高的要求。在此首先介绍了道路修测系统内业数据的编辑处理以及成图的主要内容，在此基础上针对数据处理过程中的偏心改正、道路拟合以及往返测量数据融合等关键技术作了讨论，设计了相应的算法，并通过实例进行了验证，取得了较好的效果，从而为将GPS进一步广泛应用到道路修测中作了有益的研究。
六、结束语
通过对车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中的应用问题分析，进一步明确了车载GPS道路修测系统在公路网测绘工程中重要性。因此，在公路网测绘工程的后续发展中，要加强车载GPS道路修测系统的应用，促进公路网测绘工程的发展。
参考文献
[1]李夕银，程鹏飞，张莉.车载差分GPS应用于道路测量中的主要问题[J].测绘科学，2012(3):141-142.
[2]李夕银.GPS在GIS数据采集中的应用[J].测绘通报，2010(04):89-91.
[3]易玉丹，季善标.车载GPS导航定位系统中电子地图的建立[J].工程勘察，2011，(6)：26-27.
[4]杨军.一个车载GPS监控系统实例[J].四川测绘，2009，(4):31-35.