定位技术概述

3.3.1.1　定位技术的发展

定位是指确定地球表面上物体的坐标，最主要的物体就是车辆。车辆位置是指车辆相对于路标或道路等其他地面特征的方位。

尽管车辆定位和导航系统仅仅在最近十几年才开始出现在世界市场上，但是在人类文明史上，它的研究和发展已有相当长的历史。

最早的车辆导航系统可以追溯至几千年前的中国。根据史料记载，大约在公元前2600年中国人就发明了指南车，其原理样车如图3-1所示。从三国（公元220—280年）时期起，历代史书差不多都有文字记载它的发明。到了宋朝（公元960—1279年），由于活字印刷的发明，才有了对指南车的详细记载。指南车是一种双轮独辕车，车上装有一个木人。通过齿轮的传导，不论车朝什么方向转动，这个木人的手臂始终指向南方。这种指南车的基本原理类似于现代的差分里程计。

另一个几乎与指南车同时被发明的是计里鼓车。像指南车一样，它有一套齿轮。齿轮随着车的运动而转动，以带动车上的两个木人的手臂。这两个木人，一个面对着鼓，另一个面对着锣。每当车行驶500m（即1里）的时候，一个木人击鼓一下；而每当车行驶5km（即10里）的时候，另一个木人击锣一下，计里鼓车的原理样车如图3-2所示。计里鼓车的基本原理与现代的里程计类似。

图3-1　指南车的原理样车

图3-2　计里鼓车的原理样车

里程计、差分里程计和磁罗盘这些基本的定位和导航技术是于2000多年前被发明的。在过去的一个世纪中，这些技术和其他相应的技术已经逐渐地被应用到现代车辆上。

第一张用于汽车驾驶的交通图出版于1895年。19世纪初，人们在公路上建立了路标并将道路编号。

机械路径引导装置大约于1910年问世。这些装置以其多样化的形式与道路地图信息结合起来，例如一系列打印在转动表格上的、穿孔在转动盘上的，或打印在活动带上的行驶指令的形式。每一个装置由里程计轴以与行驶距离同步的方式驱动。从1910—1920年，许多获专利的机械车辆路径引导装置自动地提供了精确、实时的路径指示。

随着公路标志的改进和地图被绘制得更加准确，人们对路径引导装置的需求和兴趣逐渐减弱了。从20世纪20年代到20世纪60年代，仅仅出现过几个类似的装置。

在第二次世界大战期间，美国为吉普车和其他军用车辆研制了一种电子车辆导航系统。该系统有一个磁罗盘，磁罗盘的指针位置由一个光电元件检测。磁罗盘的输出驱动一个伺服机械装置去转动一个与车辆方向相对应的机械轴，这个轴与一个机械计算机连在一起，此计算机根据里程计来算出行驶路程并将其转换成x和y坐标。同样的，在罗盘轴的驱动下，这些坐标用于自动地在适当比例的地图上绘出车辆的轨迹。

20世纪60年代末期，美国公路局（现称联邦公路管理局）提出了一种电子路径引导系统（ERGS）。这是一种具有无线路径引导能力的导航系统，用于控制和疏导交通。此系统利用短距离指向标（beacons）网络作为双向通信媒介。驾驶员可以通过带有指轮（thumbwheel）开关的控制台输人目的地码。当车辆接近主要交叉路口时，目的地码从车载无线收发机通过埋在路面下的环形天线传到指向标上。这些天线通常设置在离交叉路口较近的路面下，通过同轴电缆连接到路边控制器上。这个控制器同中央计算机连接以便得到有关的实时交通数据和信息。在收到目的地码后，控制器将它解码并结合其得到的交通数据来规划最佳路径。在车体离开环形天线附近区域前，由控制器规划出路径引导指令，经由指向标发送到车上。然后，这些指令显示在汽车的平面显示器（head-up display）上。虽然人们成功地做过实验，但由于资金有限，这一项目没能够完全实施。尽管没能最后实现，此项目首先提出了中央动态导航（中央动态路径引导）的概念。

在美国，继20世纪60年代末期及20世纪70年代初期提出和开发的导航系统之后，一种称为Navigator的汽车自主导航系统于20世纪80年代中期投放市场。它使用了数字地图数据库、推算定位和地图匹配技术把车辆的当前位置和目的地位置以图标形式显示在电子地图上。另一个自主导航系统叫作Guidestar，它采用全球定位系统接收机，于1994年投人市场。美国于20世纪90年代早期进行了许多智能交通系统的试验，例如Pathfinder、TravTek和ADVANCE。更多的试验项目进行了测试，这些项目大部分是由政府及私有企业共同提出与开发的。它们的目的是对车内导航、动态导航、旅行信息、各种通信媒介，以及其他智能交通系统概念进行可行性与可用性的初始评估。

20世纪70年代，类似的项目先后在日本和德国得以研究和试验。20世纪70年代初期，美国开发了一种自主导航系统，这种系统利用推算定位（deadreckoned）模块，借助地图匹配（map matching）算法进行车辆定位。一旦确定车辆沿着路径行驶的位置，该系统的第二版本能够把路径引导指令显示在车内的等离子显示器（PDP）上。类似的系统也在其他美英的开发和研究小组中被独立地实现。在20世纪70年代，许多用于车辆定位及导航的重要部件和技术开始成熟起来。

在欧洲，智能交通系统始于20世纪70年代后期的ALI工程，此工程与美国的ERGS和日本实验过的CACS极为相近。欧洲20世纪80年代推出的车辆自主导航系统包括CARIN和EVA。CARIN利用了推算定位和地图匹配技术及彩色显示器来显示地图，它是第一个采用CD-ROM存储数字地图的导航系统。EVA曾于1983年被成功地演示。除了推算定位、地图匹配和依次转向路径引导，它还可以同时用可视显示和声音合成输出来给驾驶员提供导航。自20世纪80年代中期，智能交通系统试验计划PROMETHUS和DRIVE一直在欧洲大规模地实施中。前一个计划是由汽车工业界发起的，它的实验主攻点是车内系统及其周围的环境；后一个计划是由欧洲共同体发起的，它的实验主攻点是基础交通设施的要求。这两个计划一直联手合作并有许多正式和非正式的连接。后来，PROMETHUS已演变为PROMOTE，而DRIVE已成为“在交通及环境中的电讯应用”的项目。

在日本，智能交通系统始于1971年的CACS计划。CACS计划与美国的ERGS计划在基本思想上极为相近。20世纪80年代，日本的汽车市场上出现了一种自主导航系统。这一系统采用了彩色显示器并由CD-ROM来存储数字地图。从此以后，许多各式各样的、越来越先进的导航系统相继出现在市场上，其中不少采用了地图匹配、全球定位系统（GPS）接收机和声音引导技术。到20世纪90年代中期已经有多达1 200 000台的导航系统被卖给了用户。智能交通系统实验从20世纪80年代的RACS和AMTICS发展到了当前的ATIS、VICS和UTMS。RACS是由日本建设省公共研究所和25个私有公司共同开发的。MTICS首先是由交通管理技术联合会与私有公司在国家警察厅的指导下发起的。1991年年末，在日本邮政省的大力支持下，AMTICS与RACS结合起来成为VICS计划。VICS一直在进行实验并在1996年4月被正式推向市场，该系统通过红外线指向标、微波指向标或者调频广播的副载频作为传播媒介来传递实时交通信息，以引导车辆安全地到达各自的目的地。ATIS受到市警察局的大力支持。它利用车内的蜂窝电话及车辆管理中心与电话线相连的计算机来控制整个系统。由国家警察厅发起的UTMS项目计划以交通数据收集、交通信息、交通信号控制和动态导航几种功能的综合来扩大现有的交通控制系统。

在近20年中，车辆定位和导航以及与智能交通系统有关的系统在世界范围内取得了迅猛的发展，已成为ITS领域的基础。

3.3.1.2　定位技术方法

美国运输研究委员会（TRB）认为自动车辆定位（Automatic Vehicle Location，AVL）的主要目的是自动地找出某部车辆在特定时间的位置，主要应用于车载导航系统、车队管理系统，它可提供公共运输的吸引力、方便性及可靠性。除了公共运输以外，紧急救援系统、交警部门，甚至普通的运输公司也都逐渐采用这种系统来进行车队的管理。此外，自动车辆定位系统也是ITS的基础工程，通过准确的定位系统，配合通信技术以及数字地图的使用，可以进行实时路径诱导，避开拥挤路段，寻求最佳路径。

自动车辆定位技术主要有无线电定位技术、推算定位法、地图匹配定位法和地面无线电定位技术四种。

1）无线电定位技术

凡是通过若干无线电基站所发出的信号的强弱及波长、数字信号或者其他方式来推估被测物体位置的技术，称为无线电定位技术。展频定位法是应用较多的一种。

展频定位即以展频通信的技术，将电波发射站本身的位置数据与时间数据结合于信号中同时送出，而收信单元若同时收到三个发送站送出的数据，即可算出移动体与无线电发射站之间的距离，进而得出本身的位置信息。

展频定位系统包括五个部分：无线终端机、基地站、网络管理系统、定位追踪系统和网络联网骨干。展频技术支持与长距离卫星和光纤通信的能力，并提供以下功能：量测各展频终端机间的距离，以作为定位的依据；每一节点本身可作双向数据传输，速率最高为9 600bps；记录靠站时间及路径；识别附近展频终端机的识别码；判断通信品质的好坏，以作为功率调整的参考；信号重复放大。

卫星定位系统就是一种无线电定位系统，其中，全球定位系统（Global Posi⁃tioning System，GPS）是目前应用最广泛的车辆定位技术。

2）推算定位法

推算定位法又称惯性导航，是典型的独立定位技术，其定位的主要原理是利用车辆本身所装置的距离感测元件与方向感测元件，得出车辆行进的距离与方向的改变，从而算出车辆位移的向量。但用此方法开机时需由外部提供初始位置信息，后续的数据经由折算距离与角度再加到初始数据上，从而得出目前的位置。推算定位法通常存在距离和相位迹差，而且误差会随着距离与时间而累积加大，此称为累积误差。因此经过一段时间或距离的运作后，必须修正初始数据。

因为这种定位导航方法仅需要车载设备完成，故其也称为自律导航。

3）地图匹配定位法

地图匹配定位法用来弥补上述定位方法的不足。假设车辆在数字地图的内部，当定位系统提出车辆位置坐标没有跟路段配合时，地图匹配定位法会寻找最近的路段，而在地图上标示车辆位置。地图匹配定位可视为虚拟定位，位置是依据节点（路口）、路型点（如转弯曲线的始点或终点）和道路的方位来判定的。如果地图匹配定位的精度较上述定位系统高，则同时采用地图匹配定位，可使定位精度提高到15m以内。

4）地面无线电定位技术

地面无线电定位技术也称为信号标杆定位法，此定位方法是在路侧普遍且均匀地设置固定自动车辆识别设施——信号标杆，再依据车辆与信号标杆的关系，求出车辆与信号标杆的相对位置。此方法适用于固定线路。当装有感应器的公交车辆经过信号标杆时，标杆上的发报器立刻将信号传回调度中心，此种系统的定位精确度依信号标杆设置密度的疏密而定，且车辆需按固定路线行驶时方能定位。