一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法，在车辆即将经过路口时，能够识别初始行驶道路的直行路段、左转路段、右转路段以及掉头路段，并通过最大相关系数法，在车辆通过路口后，识别车辆的当前行驶路段为初始行驶路段的直行路段、左转路段、右转路段还是掉头路段，得到车辆的当前匹配位置，实现车辆从初始行驶路段到当前行驶路段定位的转换；然后将行驶位置推算值与当前匹配位置进行融合滤波处理，实现地磁匹配/航位推算系统的性能优势互补，定位结果连续、可靠，能够满足车辆长距离、复杂路网环境的自主定位。

A Vehicle Geomagnetic Matching Location Method and System in Road Network Environment

The invention provides a vehicle geomagnetic matching positioning method in road network environment. When a vehicle is about to pass an intersection, it can identify the straight, left-turn, right-turn and turn sections of the initial driving road. After the vehicle passes through the intersection, it can identify the direct, left-turn sections and turn sections of the initial driving road. The right turn section or the turn section obtains the current matching position of the vehicle, realizes the transformation of the vehicle location from the initial driving section to the current driving section, and then fuses the estimated driving position with the current matching position by filtering, realizes the complementary performance advantages of the geomagnetic matching/dead reckoning system, and the positioning results are continuous and reliable, which can satisfy the long-distance and complex road of the vehicle. Autonomous positioning of network environment.

【技术实现步骤摘要】
一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法及系统
本专利技术属于车辆自主定位
，尤其涉及一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法及系统。
技术介绍
在车辆定位的主要解决方案中，惯性导航系统(InertialNavigationSystem，INS)和航位推算系统(DeadReckoning，DR)得到了广泛的应用，但二者本质为基于变化量积分的车辆轨迹推算，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。全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)可以提供全天候、全时的全球定位，但其基于无线信号测距机理，在城市复杂路网环境中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、地磁匹配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自身、地表建筑具备的磁场特征，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、误差不随时间累积等众多优点，且具有较好的定位效果，是目前发展迅速的车辆定位技术。随着城市道路网络建设的发展，研究基于路网拓扑的地磁匹配定位技术具有十分显著的意义。以地磁匹配定位系统作为车辆定位手段的特点是其定位误差不会随着时间的推移而发散，但也有弱点：一是车辆路网复杂，全局匹配计算实时性差且容易引入干扰路段；二是当车辆处于路口处，由于行驶方位的随机性，易出现错误匹配的问题，导致其不能提供连续的定位结果。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法及系统，融合航位推算与地磁匹配，实现高效、可靠的路网环境车辆自主定位。一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法，包括以下步骤：S1：实时获取车辆行驶路线的地磁场数据、车辆行驶的里程、车辆行驶的航向以及车辆在路网环境中的行驶位置推算值；S2：基于所述里程对所述地磁场数据进行等里程间隔采样，得到实测地磁序列；S3：采用最小航迹差异法，基于所述行驶位置推算值在预设的路网地磁基准库中确定车辆的初始行驶路段；S4：采用最大相关系数法，将所述实测地磁序列与所述初始行驶路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，得到初始匹配位置，实现初始行驶路段下的车辆定位；S5：当车辆行驶至路口时，获取所述初始行驶路段的后面可能行驶的路段，包括直行路段、左转路段、右转路段以及掉头路段；S6：采用最大相关系数法，将实测地磁序列分别与初始行驶路段的直行路段、左转路段、右转路段以及掉头路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，对应得到直行匹配位置、左转匹配位置、右转匹配位置以及掉头匹配位置；S7：将直行匹配位置、左转匹配位置、右转匹配位置以及掉头匹配位置中对应的相关系数峰值最大者作为车辆当前时刻的最优匹配位置；S8：重复步骤S6和S7，直到连续的5个以上最优匹配位置均属于同一路段，确定车辆通过路口后的当前行驶路段；S9：采用最大相关系数法，将实测地磁序列与当前行驶路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，得到当前匹配位置，实现当前行驶路段下的车辆定位；S10：所述行驶位置推算值与所述当前匹配位置进行融合滤波处理，得到的融合结果作为车辆行驶位置，实现路网环境下的车辆定位。进一步地，所述车辆在路网环境中的行驶位置推算值的获取方法具体为：获取车辆的起始位置(e0,n0)；其中，e0为初始东向位置，n0为初始北向位置；根据所述起始位置(e0,n0)，获取第k时刻的行驶位置推算值(ek,nk)，具体的：其中，ek为第k时刻的东向位置，nk为第k时刻的北向位置，di为第i时刻的里程增量，θi为第i时刻的航向角，i＝0,1,2,…,k-1，θk为第k时刻的航向角，θg,k为第k时刻的磁航向，θb为磁偏角。进一步地，所述采用最小航迹差异法，在预设的路网地磁基准库中确定车辆的初始行驶路段具体为：获取各时刻行驶位置推算值与所述路网地磁基准库中各路段的航迹差异，其中各时刻航迹差异的最小值对应的路段为待选行驶路段；若连续5个以上时刻对应的待选行驶路段均为同一路段lopt，则路段lopt作为车辆的初始行驶路段。进一步地，所述航迹差异的计算方法为：其中，Δtrjl为第k时刻行驶位置推算值xDR,k与第l路段间的航迹差异，xDR,k＝(ek,nk)为第k时刻行驶位置推算值，xmap,n为路网地磁基准库中第l路段的第n个采样点位置，θk为第k时刻的航向角，θmap,n为路网地磁基准库中第l路段的第n个航向角，n＝1，2，...，Nl，Nl为第l路段的采样点总数，l＝1,2,…,L，L为路网地磁基准库中的路段总数。进一步地，所述行驶位置推算值与所述当前匹配位置进行融合滤波处理，得到的融合结果作为车辆行驶位置具体为：以东向位置误差δek、北向位置误差δnk、里程增量误差δdk以及航向误差δθk作为第k时刻的状态向量Xk，具体的：Xk＝[δek,δnk,δdk,δθk]T以行驶位置推算值与匹配位置的差值作为观测向量Zk，具体的：Zk＝[Δek,Δnk]T＝[eg,k-ek,ng,k-nk]其中，(eg,k,ng,k)是第k时刻的匹配位置，(ek,nk)是第k时刻的行驶位置推算值；根据航位推算原理得到状态方程：其中，wnoise,e为东向位置的系统噪声、wnoise,n为北向位置的系统噪声、wnoise,D为里程增量的系统噪声、wnoise,θ为航向角的系统噪声；δek+1、δnk+1、δdk+1以及δθk+1分别为k+1时刻的东向位置误差、北向位置误差、里程增量误差以及航向误差；由状态方程得到状态转移矩阵φk：其中，Dk为第k时刻的总行驶里程；观测矩阵Hk为：系统噪声矩阵Qk为：其中，δe＝δn为位置噪声，δD为里程噪声，δθ为航向噪声；观测噪声矩阵R为：其中，we＝wn为匹配位置误差均方根值；将融合结果作为车辆行驶位置输出。一种路网环境下的车辆地磁匹配定位系统，包括磁传感器、里程计、电子罗盘、航位推算模块、路网地磁匹配解算模块以及数据融合滤波模块；所述磁传感器用于实时采集车辆行驶路线上的地磁场数据；所述里程计用于测量车辆行驶的里程；所述电子罗盘用于测量车辆行驶的航向；所述航位推算模块用于根据所述里程与航向，得到车辆在路网环境中实时的行驶位置推算值；所述路网地磁匹配解算模块包括实测地磁序列获取单元、初始路段获取单元以及匹配解算单元；其中，所述实测地磁序列获取单元用于基于所述里程对所述地磁场数据进行等里程间隔采样，得到实测地磁序列；所述初始路段获取单元用于采用最小航迹差异法，基于所述行驶位置推算值在预设的路网地磁基准库中确定车辆的初始行驶路段；所述匹配解算单元用于采用最大相关系数法，将所述实测地磁序列与初始行驶路段在路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，得到初始匹配位置，实现初始行驶路段下的车辆定位，然后当车辆行驶至路口时，以相关系数峰值最大为准则，从初始行驶路段的后面可能行驶的路段，包括直行路段、左转路段、右转路段以及掉头路段中确定车辆的当前行驶路段，最后将实测地磁序列与当前行驶路段在路网地磁基准库本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：实时获取车辆行驶路线的地磁场数据、车辆行驶的里程、车辆行驶的航向以及车辆在路网环境中的行驶位置推算值；S2：基于所述里程对所述地磁场数据进行等里程间隔采样，得到实测地磁序列；S3：采用最小航迹差异法，基于所述行驶位置推算值在预设的路网地磁基准库中确定车辆的初始行驶路段；S4：采用最大相关系数法，将所述实测地磁序列与所述初始行驶路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，得到初始匹配位置，实现初始行驶路段下的车辆定位；S5：当车辆行驶至路口时，获取所述初始行驶路段的后面可能行驶的路段，包括直行路段、左转路段、右转路段以及掉头路段；S6：采用最大相关系数法，将实测地磁序列分别与初始行驶路段的直行路段、左转路段、右转路段以及掉头路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，对应得到直行匹配位置、左转匹配位置、右转匹配位置以及掉头匹配位置；S7：将直行匹配位置、左转匹配位置、右转匹配位置以及掉头匹配位置中对应的相关系数峰值最大者作为车辆当前时刻的最优匹配位置；S8：重复步骤S6和S7，直到连续的5个以上最优匹配位置均属于同一路段，确定车辆通过路口后的当前行驶路段；S9：采用最大相关系数法，将实测地磁序列与当前行驶路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，得到当前匹配位置，实现当前行驶路段下的车辆定位；S10：所述行驶位置推算值与所述当前匹配位置进行融合滤波处理，得到的融合结果作为车辆行驶位置，实现路网环境下的车辆定位。...

【技术特征摘要】
1.一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：实时获取车辆行驶路线的地磁场数据、车辆行驶的里程、车辆行驶的航向以及车辆在路网环境中的行驶位置推算值；S2：基于所述里程对所述地磁场数据进行等里程间隔采样，得到实测地磁序列；S3：采用最小航迹差异法，基于所述行驶位置推算值在预设的路网地磁基准库中确定车辆的初始行驶路段；S4：采用最大相关系数法，将所述实测地磁序列与所述初始行驶路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，得到初始匹配位置，实现初始行驶路段下的车辆定位；S5：当车辆行驶至路口时，获取所述初始行驶路段的后面可能行驶的路段，包括直行路段、左转路段、右转路段以及掉头路段；S6：采用最大相关系数法，将实测地磁序列分别与初始行驶路段的直行路段、左转路段、右转路段以及掉头路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，对应得到直行匹配位置、左转匹配位置、右转匹配位置以及掉头匹配位置；S7：将直行匹配位置、左转匹配位置、右转匹配位置以及掉头匹配位置中对应的相关系数峰值最大者作为车辆当前时刻的最优匹配位置；S8：重复步骤S6和S7，直到连续的5个以上最优匹配位置均属于同一路段，确定车辆通过路口后的当前行驶路段；S9：采用最大相关系数法，将实测地磁序列与当前行驶路段在所述路网地磁基准库中对应的基准地磁序列进行匹配解算，得到当前匹配位置，实现当前行驶路段下的车辆定位；S10：所述行驶位置推算值与所述当前匹配位置进行融合滤波处理，得到的融合结果作为车辆行驶位置，实现路网环境下的车辆定位。2.如权利要求1所述的一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法，其特征在于，所述车辆在路网环境中的行驶位置推算值的获取方法具体为：获取车辆的起始位置(e0,n0)；其中，e0为初始东向位置，n0为初始北向位置；根据所述起始位置(e0,n0)，获取第k时刻的行驶位置推算值(ek,nk)，具体的：其中，ek为第k时刻的东向位置，nk为第k时刻的北向位置，di为第i时刻的里程增量，θi为第i时刻的航向角，i＝0,1,2,…,k-1，θk为第k时刻的航向角，θg,k为第k时刻的磁航向，θb为磁偏角。3.如权利要求1所述的一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法，其特征在于，所述采用最小航迹差异法，在预设的路网地磁基准库中确定车辆的初始行驶路段具体为：获取各时刻行驶位置推算值与所述路网地磁基准库中各路段的航迹差异，其中各时刻航迹差异的最小值对应的路段为待选行驶路段；若连续5个以上时刻对应的待选行驶路段均为同一路段lopt，则路段lopt作为车辆的初始行驶路段。4.如权利要求3所述的一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法，其特征在于，所述航迹差异的计算方法为：其中，Δtrjl为第k时刻行驶位置推算值xDR,k与第l路段间的航迹差异，xDR,k＝(ek,nk)为第k时刻行驶位置推算值，xmap,n为路网地磁基准库中第l路段的第n个采样点位置，θk为第k时刻的航向角，θmap,n为路网地磁基准库中第l路段的第n个航向角，n＝1，2，...，Nl，Nl为第l路段的采样点总数，l＝1,2,…,L，L为路网地磁基准库中的路段总数。5.如权利要求1所述的一种路网环境下的车辆地磁匹配定位方法，其特征在于，所述行驶位置推算值与所述当前匹配位置进行融合滤波处理，得到的融合结果作为车辆行驶位置具体为：以东向位置误差δek、北向位置误差δnk、里程增量误差δdk以及航向误差δθk作为第k时刻的状态向量Xk，具体的：Xk＝[δek,δnk,δdk,δθk]T以行驶位置推算值与匹配位置的差值作为观测向量Zk，具体的：Zk＝[Δek,Δnk]T＝[eg,k-ek,ng,k-nk]其中，(eg,k,ng,k)是第k时刻的匹配位置，(ek,nk)是第k时刻的行驶位置推算值；根据航位推算原理得到状态方程：其中，wnoise,e为东向位置的系统噪声、wnoise,n为北向位置的系统噪声、wnoise,D为里...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪新春，魏东岩，李雯，袁洪，来奇峰，孟令辉，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，北京九天探索科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11