CN108592903B - 一种基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法，能够实现高精度、高效、高可靠的车辆地磁匹配定位。方法具体为：采用车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列、空间位置坐标以及航向信息，处理获得基准格点的地磁测量值、空间位置坐标以及行驶航向信息。进行车辆转弯状态检测，依据转弯点对基准格点的序列进行第一次路段分割；以第一次路段分割的各路段间的空间距离以及行驶航向差异，对具有相交关系的两路段在交点处进行第二次路段分割，并删除重复路段；对第二次路段分割的所有路段进行两两首尾连接关系判别，并依据连接关系建立路段间关联矩阵；基准格点和路段间关联矩阵构成路网地磁基准数据库；并利用该数据库进行车辆地磁匹配定位。

Description

一种基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法

技术领域

本发明涉及车辆自主定位技术领域，具体涉及一种基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法。

背景技术

当前，人们对于位置服务的需求越来越强烈。车辆作为人类的重要交通工具之一，不论在大众出行、交通运输，还是在军用领域，都承担着重要的角色。因此，如何实现车辆的精准、连续、可靠定位导航，也是位置服务中的首要的问题。

在车辆定位的主要解决方案中，惯性导航***(Inertial Navigation System，INS)和航位推算***(Dead Reckoning，DR)基于变化量积分进行车辆轨迹推算，因此会由于惯性器件及里程计的测量误差而形成定位结果累积性偏移。全球卫星导航***(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)可以为终端提供全天候、全时的全球定位，但其基于无线信号测距机理，导航卫星信号容易受到遮挡、多径、无线电干扰等，无法提供连续可靠的定位结果。为了解决上述问题，一些新型的车辆定位导航技术发展起来，地图匹配定位、RFID路标定位、陆基无线电网络定位、地磁定位等技术都取得了一系列的研究成果。其中，地磁匹配定位借助地球和路面环境本身具备的磁场特征，通过特征匹配，实现车辆的准确定位。地磁匹配定位不需要大量基站与信源设备的铺设，具有成本低、无辐射、隐蔽性强、误差不随时间累积等众多优点，且具有较好的定位效果，是目前广受关注的定位技术。

在车辆地磁定位方法中，需要采集和构建地磁场特征基准库，用于在线定位时地磁特征的比对，从而通过特征匹配得到用户当前的位置估计。目前已有的地磁场基准模型空间分辨率较低，不能反映地表以及人类建筑环境下的精细磁场特征(地球磁场异常特征)，因此无法满足车辆米级精度的定位导航需求。因此，需要构建一种既符合车辆行驶特点，又能实现高分辨率地磁场特征位置标定的方法，从而高效、可靠地构建车辆地磁定位特征基准数据库，进一步能够依靠该数据库实现高精度、高效、高可靠的车辆地磁匹配定位。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法，能够实现复杂路网结构中，地磁基准数据的快速检索和关联，进一步实现高精度、高效、高可靠的车辆地磁匹配定位。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法，具体包括如下步骤：

步骤1，采用磁传感器采集车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列，将车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列转换为地磁测量值空间序列，采用基准导航***采集车辆行驶轨迹中的空间位置坐标以及航向信息。

利用所获得的地磁测量值空间序列、空间位置坐标以及航向信息，对车辆行驶轨迹进行里程等里程间隔采样，对于第k个里程采样点，计算地磁测量值为M_map,k，空间位置坐标为X_map,k，行驶航向为θ_map,k，则(M_map,k,X_map,k,θ_map,k)表示基准格点，其中K为总的里程采样点数，k＝1～K。

步骤2，利用车辆行驶轨迹中的航向信息，进行车辆转弯状态检测，依据识别出的转弯点，将步骤1中得到基准格点的序列进行第一次路段分割。

步骤3，利用第一次路段分割得到的各路段间的空间距离以及行驶航向差异，判断两两路段间是否满足相交关系或重叠关系。

若两路段间有相交关系，则以两路段的空间距离最近点作为交点，并对两路段在交点处进行第二次路段分割。

若两路段间有重叠关系，则删除重复路段。

步骤4，对步骤3得到的所有路段进行两两首尾连接关系判别，判断准则为若两路段中其中一个路段的终点与另一路段起点间距离小于预设门限，则判断两个路段构成连接关系，依据两两路段间的连接关系建立路段间关联矩阵。

步骤5，所有路段的基准格点和路段间关联矩阵一起构成路网地磁基准数据库。

步骤6：采用磁传感器实时测量获得待定位车辆的地磁测量值时间序列，将待定位车辆地磁测量值时间序列转换为地磁测量值格点序列，其中格点为采用与步骤1中的相同的采样方式对待定位车辆进行里程采样得到的里程采样点。

将地磁测量值格点序列与路网地磁基准数据库中的基准格点序列中的地磁测量值进行匹配，选取匹配度最高的基准格点序列中各基准格点对应的空间位置坐标作为对待定位车辆的地磁定位结果。

并依据路段间关联矩阵进一步对待定位车辆的下一位置进行预估。

进一步地，步骤1，具体为：

采用磁传感器采集车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列为

{(m₁,t₁),(m₂,t₂),...,(m_n,t_n)}；

其中t₁、t₂……t_n为时间序列，m₁、m₂……m_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的地磁测量值。

采用基准导航***采集车辆轨迹中的空间位置坐标以及航向信息，即得到{(X₁,θ₁,t₁)_,(X₂,θ₂,t₂),...,(X_n,θ_n,t_n)}。

X₁、X₂……X_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的空间位置坐标。

θ₁、θ₂……θ_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的行驶航向。

对车辆行驶轨迹进行里程测量，得到里程测量值D。

设定里程采样间隔d，对D进行等里程间隔采样，并根据第k个里程采样点所对应的时间获取地磁测量值时间序列中的地磁测量值M_map,k、并获取空间位置坐标值X_map,k以及航向值θ_map,k。

则(M_map,k,X_map,k,θ_map,k)表示基准格点，其中K为总的里程采样点数，k＝1～K。

进一步地，步骤2，具体为：

对于第k个里程采样点，行驶航向为θ_map,k，进行车辆转弯状态检测如下：

其中，Tr表示车辆转弯状态，Tr＝1时即为车辆处于转弯状态，Tr等于0时即为车辆无转弯；T_Δθ为预设的航向变化门限；n_w为预设的检测窗口长度。

当Tr＝1时，取X_map,k+n/2作为本次转弯路段的分割点Tr_pos，即

完成第一次路段分割。

进一步地，步骤3具体为：

对于第一次路段分割得到的两路段L₁和L₂，其中L₁所包含的基准格点数量为

L₂所包含的基准格点数量为

对于L₁中任意基准格点k₁，

L₂中任意基准格点k₂，

存在如下关系：

其中，cro为相交状态，cro＝1时，L₁和L₂为相交关系，否则L₁和L₂无相交关系；

为两路段L₁和L₂基准格点k₁和k₂的空间距离；T_Δp为预设的空间距离差门限；

为两路段L₁和L₂基准格点k₁和k₂的高程差；T_Δh为预设的高程差门限。

若两路段L₁和L₂为相交关系，则以L₁和L₂上空间距离最近的基准点作为交点，对两路段L₁和L₂在交点处进行第二次路段分割。

完成第二次路段分割后，利用如下公式进行重复路段的识别：

式中，T_Δtrj为预设的路径差异门限；

分别为基准格点k₁和k₂的行驶航向。

有益效果：

本发明提出的基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法，考虑车辆在路网中行驶的特点，以及车辆地磁定位特征匹配的需求，能够利用磁传感器采集的车辆动态行驶过程中的地磁数据，并借助车辆里程数据，快捷的获得地磁场特征的空间一维分布的基准格点；同时，通过车辆转弯状态识别和轨迹拓扑关系分析，完成了地磁基准数据的路段划分和重组，从而实现城市复杂路网结构中，地磁基准数据的快速检索和关联，建立了路网地磁基准数据库，并进一步依靠该数据库实现了高精度、高效、高可靠的车辆地磁匹配定位。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法流程图；

图2为不同阶段地磁异常测量数据随时间变化图；

图3为地磁测量值时间序列转换为地磁测量值空间序列示意图。

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。

本发明提供了一种基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法，具体流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1，采用磁传感器采集车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列，将车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列转换为地磁测量值空间序列，采用基准导航***采集车辆轨迹中的空间位置坐标以及航向信息；

利用所获得的地磁测量值空间序列、空间位置坐标以及航向信息，对车辆行驶轨迹进行里程等里程间隔采样，对于第k个里程采样点，计算地磁测量值为M_map,k，空间位置坐标为X_map,k，行驶航向为θ_map,k，则(M_map,k,X_map,k,θ_map,k)表示基准格点，其中K为总的里程采样点数，k＝1～K。

本发明实施例中，地磁匹配定位离线阶段与在线阶段中，磁传感器按照固定的时间间隔采集地磁场数据。由于车辆行驶速度不尽相同，则会造成如图2所示离线与在线两个阶段的地磁数据在空间上无法对齐，导致无法利用地磁异常的空间分布特征进行匹配定位。

为解决上述问题，需要将地磁测量值由时间序列转换为空间序列，利用里程刻度实现在线阶段实测数据与离线基准库数据的空间尺度对齐。图3所示为将地磁测量值时间序列转换为地磁测量值空间序列的示意图。

采用磁传感器采集车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列可表示为：{(m₁,t₁)_,(m₂,t₂),...,(m_n,t_n)}；

其中t₁、t₂……t_n为时间序列，m₁、m₂……m_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的地磁测量值。

采用基准导航***采集车辆轨迹中的空间位置坐标以及航向信息，即得到{(X₁,θ₁,t₁),(X₂,θ₂,t₂),…,(X_n,θ_n,t_n)}。

X₁、X₂……X_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的空间位置坐标。

θ₁、θ₂……θ_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的行驶航向。

对车辆行驶轨迹进行里程测量，得到里程测量值D；

设定里程采样间隔d，对D进行等里程间隔采样，并根据第k个里程采样点所对应的时间获取地磁测量值时间序列中的地磁测量值M_map,k、并获取空间位置坐标值X_map,k以及航向值θ_map,k。

则(M_map,k,X_map,k,θ_map,k)表示基准格点，其中K为总的里程采样点数，k＝1～K。

表1给出了基准格点的具体表示：

表1

步骤2，利用车辆行驶轨迹中的航向信息，进行车辆转弯状态检测，依据识别出的转弯点，将步骤1中得到基准格点的序列进行第一次路段分割；

对于第k个里程采样点，行驶航向为θ_map,k，进行车辆转弯状态检测如下：

其中，Tr表示车辆转弯状态，Tr＝1时即为车辆处于转弯状态，Tr等于0时即为车辆无转弯。

T_Δθ为预设的航向变化门限，该航向变化门限与道路的交差角度相关，大多数的道路转角为90°直角，同时考虑测量误差，本发明实施例中可以使用60°作为门限取值。

n_w为预设的检测窗口长度，该检测窗口长度与道路交差口的宽度和车辆转弯时产生的路程有关，本发明实施例中可以采用经验均值20米作为门限取值。

当Tr＝1时，取X_map,k+n/2作为本次转弯路段的分割点Tr_pos，即

完成第一次路段分割。

步骤3，利用第一次路段分割得到的各路段间的空间距离以及行驶航向差异，判断两两路段间是否满足相交关系或重叠关系。

若两路段间有相交关系，则以两路段的空间距离最近点作为交点，并对两路段在交点处进行第二次路段分割。

若两路段间有重叠关系，则删除重复路段。

本发明实施例中，该步骤3可以采用如下具体方式实施：

对于第一次路段分割得到的两路段L₁和L₂，其中L₁所包含的基准格点数量为

L₂所包含的基准格点数量为

对于L₁中任意基准格点k₁，

L₂中任意基准格点k₂，

存在如下关系：

其中，cro为相交状态，cro＝1时，L₁和L₂为相交关系，否则L₁和L₂无相交关系；

为两路段L₁和L₂基准格点k₁和k₂的空间距离；T_Δp为预设的空间距离差门限，本发明实施例中取经验值，T_Δp为60米；

为两路段L₁和L₂基准格点k₁和k₂的高程差；T_Δh为预设的高程差门限，本发明实施例中取经验值，T_Δh为10米。

若两路段L₁和L₂为相交关系，则以L₁和L₂上空间距离最近的基准点作为交点，对两路段L₁和L₂在交点处进行第二次路段分割；

完成第二次路段分割后，利用如下公式进行重复路段的识别：

式中，T_Δtrj为预设的路径差异门限，该路径差异门限与参与计算的路段的空间长度有关，本发明实施例中采用L₁和L₂长度最小值的1/50作为该门限的取值。

分别为基准格点k₁和k₂的行驶航向。

步骤4，对步骤3得到的所有路段进行两两首尾连接关系判别，判断准则为若两路段中其中一个路段的终点与另一路段起点间距离小于预设门限，则判断两个路段构成连接关系，依据两两路段间的连接关系建立路段间关联矩阵。

本发明实施例中对于路段间连接关系可以表示为：

其中，c_i,j表示关联矩阵中第i行第j列的元素值，i,j＝1,2,…,N代表路段序号，N为路网路段总数量。

在实时地磁匹配定位时，可以通过查询路段关联矩阵，即可快速得到当前路段在下一路口的可能行驶路段，实现候选路段基准数据的快速检索。

步骤5，所有路段的基准格点和路段间关联矩阵一起构成路网地磁基准数据库。

本发明实施例所建立的路网地磁基准数据库，与目前已有的地磁场基准模型相比，能够反映与地理位置相关的精细磁场特征(即可表现地球磁场异常特征)，该路网地磁基准数据库既符合车辆行驶特点，又能实现高分辨率地磁场特征位置标定，因此能够依靠该数据库实现高精度、高效、高可靠的车辆地磁匹配定位。

步骤6：采用磁传感器实时测量获得待定位车辆的地磁测量值时间序列，将待定位车辆地磁测量值时间序列转换为地磁测量值格点序列，其中格点为采用与步骤1中的相同的采样方式对待定位车辆进行里程采样得到的里程采样点；

将地磁测量值格点序列与路网地磁基准数据库中的基准格点序列中的地磁测量值进行匹配，选取匹配度最高的基准格点序列中各基准格点对应的空间位置坐标作为对待定位车辆的地磁定位结果；

并依据路段间关联矩阵进一步对待定位车辆的下一位置进行预估。

综上，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 (4)

1.一种基于路网地磁基准库的车辆地磁匹配定位方法，其特征在于，包括：

步骤1，采用磁传感器采集车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列，将所述车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列转换为地磁测量值空间序列，采用基准导航***采集车辆行驶轨迹中的空间位置坐标以及航向信息；

利用所获得的地磁测量值空间序列、空间位置坐标以及航向信息，对所述车辆行驶轨迹进行等里程间隔采样，对于第k个里程采样点，计算地磁测量值为M_map,k，空间位置坐标为X_map,k，行驶航向为θ_map,k，则(M_map,k,X_map,k,θ_map,k)表示基准格点，其中K为总的里程采样点数，k＝1～K；

步骤2，利用车辆行驶轨迹中的航向信息，进行车辆转弯状态检测，依据识别出的转弯点，将步骤1中得到所述基准格点的序列进行第一次路段分割；

步骤3，利用第一次路段分割得到的各路段间的空间距离以及行驶航向差异，判断两两路段间是否满足相交关系或重叠关系；

若两路段间有相交关系，则以两路段的空间距离最近点作为交点，并对两路段在所述交点处进行第二次路段分割；第二次路段分割后，进行重复路段的识别；

若两路段间有重叠关系，则删除重复路段；

步骤4，对步骤3得到的所有路段进行两两首尾连接关系判别，判断准则为若两路段中其中一个路段的终点与另一路段起点间距离小于预设门限，则判断两个路段构成连接关系，依据两两路段间的连接关系建立路段间关联矩阵；

步骤5，所有路段的基准格点和路段间关联矩阵一起构成路网地磁基准数据库；

步骤6：采用磁传感器实时测量获得待定位车辆的地磁测量值时间序列，将所述待定位车辆地磁测量值时间序列转换为地磁测量值格点序列，其中格点为采用与步骤1中的相同的采样方式对待定位车辆进行里程采样得到的里程采样点；

将所述地磁测量值格点序列中的地磁测量值与所述路网地磁基准数据库中的基准格点序列中的地磁测量值进行匹配，选取匹配度最高的基准格点序列中各基准格点对应的空间位置坐标作为对待定位车辆的地磁定位结果；

并依据路段间关联矩阵进一步对所述待定位车辆的下一位置进行预估。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1，具体为：

所述采用磁传感器采集车辆行驶轨迹的地磁测量值时间序列为

{(m₁,t₁),(m₂,t₂),...,(m_n,t_n)}；

其中t₁、t₂……t_n为时间序列，m₁、m₂……m_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的地磁测量值；

采用基准导航***采集车辆轨迹中的空间位置坐标以及航向信息，即得到

{(X₁,θ₁,t₁),(X₂,θ₂,t₂),...,(X_n,θ_n,t_n)}；

X₁、X₂……X_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的空间位置坐标；

θ₁、θ₂……θ_n为对应t₁、t₂……t_n时刻的行驶航向；

对所述车辆行驶轨迹进行里程测量，得到里程测量值D；

设定里程采样间隔d，对D进行等里程间隔采样，并根据第k个里程采样点所对应的时间获取地磁测量值时间序列中的地磁测量值M_map,k、并获取空间位置坐标值X_map,k以及航向值θ_map,k；

则(M_map,k,X_map,k,θ_map,k)表示基准格点，其中K为总的里程采样点数，k＝1～K。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2，具体为：

对于第k个里程采样点，行驶航向为θ_map,k，进行车辆转弯状态检测如下：

其中，Tr表示车辆转弯状态，Tr＝1时即为车辆处于转弯状态，Tr等于0时即为车辆无转弯；T_Δθ为预设的航向变化门限；n_w为预设的检测窗口长度；

当Tr＝1时，取X_map,k+n/2作为本次转弯路段的分割点Tr_pos，即

完成第一次路段分割。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

对于第一次路段分割得到的两路段L₁和L₂，其中L₁所包含的基准格点数量为

L₂所包含的基准格点数量为

对于L₁中任意基准格点k₁，

L₂中任意基准格点k₂，

存在如下关系：

其中，cro为相交状态，cro＝1时，L₁和L₂为相交关系，否则L₁和L₂无相交关系；

为两路段L₁和L₂基准格点k₁和k₂的空间距离；T_Δp为预设的空间距离差门限；

为两路段L₁和L₂基准格点k₁和k₂的高程差；T_Δh为预设的高程差门限；

若两路段L₁和L₂为相交关系，则以L₁和L₂上空间距离最近的基准点作为交点，对两路段L₁和L₂在交点处进行第二次路段分割；

完成第二次路段分割后，利用如下公式进行重复路段的识别：

式中，T_Δtrj为预设的路径差异门限；

分别为基准格点k₁和k₂的行驶航向。

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