專利名稱：基于標準線路匹配的公交準確定位方法
技術領域：
本發明屬于公交動態信息采集領域，用于動態信息發布及動態調度。
背景技術：
基于GPS定位系統的公交運行動態數據采集是動態信息發布及動態調度的基礎。但在城市道路上，常常因樹木、樓房、立交橋等的遮擋使得采集到的GPS數據偏離實際位置，或遺失。傳統的方法是采用差分、慣性導航或添加路測設備的方法來提高定位精度，這些方法都需要額外添加硬件模塊，從而提高了設備造價。
事實上，公交運行時是沿著固定線路的，而城市道路上采集到的GPS位置漂移通常會圍繞著實際位置附近發生，而且常常是整體偏移，有一定的規律性。這些規律為通過將GPS數據與GIS地圖數據相匹配尋找一種新的定位技術提供了可能。但普通的GIS公交線路地圖數據因缺少高密集度的形狀點信息及準確的站點信息，難以作為糾偏依據。
發明內容
本發明的設計原理是根據城市公交車載GPS采集數據的偏移或遺失規律，結合公交運行特點，提供一種在不提高設備造價的基礎上，通過與具有高密度形狀點的GIS公交線路地圖數據相匹配，從而有效提高GPS定位的準確性的方法。
本方法首先生成具有高密集形狀點及準確站點位置的GIS公交線路地圖數據，進而以此為參照，作為糾偏及遺失數據填補依據，將實時采集數據與之進行匹配。從而得到較為精確的位置信息，滿足公交定位的要求。該方法也可應用于其他具有同樣固定線路的定位信息校正問題。
本發明為了描述方便起見，將采集時間間隔設定為1秒，其實只要標準公交線路地理信息生成的采集時間間隔和動態定位信息采集時間間隔一致即可。本發明主要包括標準線路生成、GPS漂移點糾偏及遺失數據填補等內容，具體步驟如下 第一步標準公交線路地理信息生成 具體過程包括 步驟1標準線路地理信息采集 將裝配有GPS采集設備的車輛沿公交運行的道路從起點到終點勻速行駛，按1秒間隔接受GPS信息。信息包括經緯度定位信息，車速信息，方位角信息。每秒接受的GPS定位信息對應的點為線路形狀點，當行駛至公交站點時，可利用軟件進行站點標記，并記錄下站點的名稱。匹配糾偏后的位置精度與采集點的密集程度成正比。
步驟2標準公交線路地理信息后期處理 在GIS軟件上，對采集到的形狀點及站點按公交線路從起點到終點的先后順序進行從小到大的編號，并將GPS采集到的各點經緯度信息轉換為直角x及y坐標信息，最終形成滿足定位精度要求的包含公交線路形狀點及站點屬性信息的數據文件。
其中線路形狀點屬性信息包括所屬線路編號信息、形狀點編號m(m＝0，1，2，3，...)、經緯度信息，x及y坐標信息；站點信息包括所屬線路編號信息、站點標號、經緯度信息、x及y坐標信息，站點名稱信息。
在GIS平臺上將形狀點及站點按編號從小到大的順序連接，形成可供動態采集數據參照比對的靜態標準線路電子地圖。
第二步動態定位信息采集及匹配初始化 裝配有GPS車載設備的公交車輛沿公交線路行駛，從起始站發車時啟動GPS，按1秒間隔接收并傳回計算終端GPS定位信息。當有匹配需求時，標準線路數據文件中的屬性數據動態地裝載入終端參與計算。將從起始點發車時第一次收到GPS信號的時刻作為第一個采集點的實時時間信息，記為T0，隨后以一秒為采集間隔，則第n個采集點(n＝0，1，2，3，...)對應時刻記為Tn(n＝0，1，2，3，...)。將標準線路的起始形狀點的位置坐標默認作為第一個采集點的實時位置坐標，將第一個點作為已校準點。校準點標號記為m0，隨后第n個采集點校準后標號記為mn。
若GPS未從起始站發車時啟動，或匹配在途中開始，則將按第三步第一次得到的橫向糾偏后的位置點作為第一個已校準點。
第三步動態采集信息校準及補缺處理 此步驟中將第二步采集到的動態位置信息與第一步生成的同一線路的標準靜態位置信息進行比對，對GPS數據進行校準，并對遺失點進行補缺。具體校準過程如下 步驟1缺失數據判斷 當在某時刻Tn接收到GPS定位信息時，轉步驟2及步驟3進行數據初步篩選及糾偏。當在某時刻Tn沒接收到GPS定位信息時，該時刻對應點作為實時位置信息遺失點，進行遺失數據補缺。
對遺失數據的時刻點Tn，按以下說明進行信息補缺。
假設當前位置點n的GPS信號丟失，這里通過上面得到的n-1點和n-2點GPS位置信息計算當前n點的位置。具體子步驟如下。
1)根據上一時刻車輛的速度推測計算出這一秒應該移動的距離d d＝vn-1×1000/3600 2)根據上兩個位置點的位置信息，計算上次車輛在X方向和Y方向上的位移A和B，其中xn當前位置n點的X坐標值，yn當前位置n點的Y坐標值 A＝xn-1-xn-2 B＝yn-1-yn-2 3)計算當前位置點的位置 xn＝xn-1+A×d/L yn＝yn-1+B×d/L 其中 4)取速度及方位角與上一位置點一致 vn＝vn-1 ANGn＝ANGn-1 ANGn、ANGn-1分別為n點及n-1點的方位角 5)執行步驟3，進行偏移數據校準。
步驟2數據初步篩選 判斷實時接收到的數據點是否在合理范圍內，若在合理范圍，則進行步驟3進行糾偏，若不在合理范圍內，則丟掉該點，把該時刻作為實時位置信息遺失點對應時刻，按上述遺失數據補缺處理方法處理。糾偏及補缺后的點為校準點。
判斷實時接收到的數據點是否在合理范圍內判斷方法及原則如下 將GPS采集到的經緯度信息轉換為直角x及y坐標信息，對當前時刻Tn對應的位置點n(當數據一秒鐘一上傳時，Tn＝n)，若 則n點在合理范圍內。
式中，xn及yn為當前位置點n的x坐標及y坐標，xn-1及yn-1為上次已校準的位置點n-1的x坐標及y坐標，L0為合理范圍閾值，建議取300-500米。
步驟3偏移數據校準 將每秒接收到的在合理范圍內的位置點數據，分別進行橫向及縱向糾編。橫向糾偏是沿垂直于線路方向的糾偏，它使得偏離實際位置的采集數據歸位于線路上。縱向糾偏是沿線路方向的糾偏，它使得已歸位于線路上的數據點與實際點的沿線路先后位置不一致時進行進一步糾偏。具體的橫向及縱向糾編方法如下 1)橫向糾偏 將當前時刻Tn(n＝0，1，2，3，...)采集到的位置點與標準線路上的所有形狀點坐標數據循環比對匹配，得到相應距離最小的標準線路上的形狀點，將此形狀點的位置數據替換當前點的實際采集的位置數據。
具體校準方法如下 對當前時刻點Tn采集到的位置點n，分別計算其距標準公交線路上所有形狀點的距離 式中，dn為當前點實際采集到的位置點n與標準線路上各形狀點m(m＝1，2，...，M)的距離，M為形狀點的總數。xm及ym為標準線路形狀點m的x坐標及y坐標。
比較所有dnm，取最小者min(dn0，dn1，Λ，dnm)對應的形狀點的位置數據(經緯度及直角坐標)作為橫向糾偏后的當前點n的位置數據，并記錄下相應形狀點的標號(記為mn，臨)，此標號為臨時標號，需要根據下面縱向糾偏的結果進行修改。
縱向糾偏 將當前時刻Tn橫向糾偏后對應的形狀點的標號mn，臨與上一時刻已校準的位置點對應的形狀點標號mn-1對比， 若mn-1＜＝mn，臨＜＝mn-1+2，則認為GPS采集在誤差范圍內，令mn＝mn，臨，無需再縱向糾偏。事實上是將mn，臨對應的形狀點的位置數據作為當前點的位置數據。
否則，若vn-1＜v0，v0為標準線路采集時的車速，vn-1為Tn-1時刻的車速。則令mn＝mn-1，實際上是將上一時刻標號mn-1對應的形狀點的位置數據作為當前點的位置數據。
若vn-1＞＝v0，則將vn-1/v0取整，記為int(vn-1/v0)，令mn＝mn-1+Q，其中Q＝int(vn-1/v0)，實際上是將mn-1+Q對應的形狀點的位置數據作為當前點的位置數據。
第四步將糾偏及補缺后的點為校準點在終端GIS平臺上實時顯示。位置點之間用直線順序連接。
圖1系統總框架圖 圖2動態采集信息校準及補缺處理總流程圖 圖3偏移數據校準流程圖 圖4示例中對發生偏移的GPS信號的校正情況 圖5示例中GPS信號丟失的校正糾偏情況
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的具體實施例加以說明 根據圖1所示的系統總框架圖搭建本發明方法實施平臺，結合圖2所給出的本發明動態定位信息校準及補缺處理流程本發明的總流程圖，圖3所給出的本發明糾偏流程圖進行本發明具體實施方案的詳細說明 本發明總體實施框架是首先在理想狀態下生成具有高密集形狀點及準確站點位置的標準公交線路地圖信息，進而以此為參照，作為糾偏及遺失數據填補依據，將實時采集數據與之進行匹配及校準補缺處理。從而得到較為精確的位置信息，用于信息儲存、發布。本發明總體實施框架見圖1。
本發明具體實施步驟如下 第一步生成標準公交線路地理信息 首先將裝配有GPS采集設備的車輛沿公交運行的道路從起點到終點勻速行駛，按1秒間隔接受GPS信息，包括經緯度定位信息，車速信息，方位角信息。每個接受時間得到的位置信息(經緯度定位信息)對應一個形狀點。
為減少遮擋，數據采集車輛可在與公交車道毗鄰的主路或內側車道行駛，必要時可用差分等手段加強標準靜態線路位置信息的準確性。
為盡量保證勻速，不受白天擁擠車流影響，采集可在夜間進行，為便于作為動態信息的糾偏或補缺參考，行駛速度取白日站點間行程速度均值。
采集完畢，將GPS采集到的各形狀點經緯度定位信息轉化為直角坐標信息，連同車速信息，方位角信息、線路編號、形狀點編號存入標準線路數據文件。
當遇到無法避免的遮擋，如隧道，立交橋發生信號遺失時，可根據線路實際走行位置在GIS平臺上的道路電子地圖上手工補點。補點也應有上述形狀點的屬性信息。
在GIS平臺上將形狀點及站點按編號從小到大的順序連接，形成可供動態采集數據參照比對的靜態標準線路電子地圖。
對較長線路，可適當加長形狀點的采樣間隔，從而提高實時位置匹配的計算效率。但間隔越大，實時定位精度越低。建議形狀點采集時間間隔不得高于10秒。
第二步動態定位信息采集及匹配初始化 公交正常運行時，裝配有GPS采集設備的公交車輛沿公交線路行駛，按1秒間隔接受并傳回計算終端GPS定位信息。當有匹配需求時，標準線路數據文件中的屬性數據動態的地裝載入終端參與計算。同時將發車時啟動GPS接收器的時刻作為第一個采集點的實時時間信息，記為T0，將標準線路的起始形狀點的位置坐標默認作為第一個采集點的實時位置坐標，將第一個點作為已校準點。
第三步動態采集信息校準及補缺處理 此步驟中將第二步采集到的動態位置信息與第一步生成的同一線路的標準靜態位置信息進行比對，對GPS數據進行校準，并對遺失點進行補缺。具體包括缺失數據判斷，數據初步篩選，偏移數據校準及補缺處理四個步驟，具體過程見附圖2，而其中偏移數據校準的具體過程見附圖3，圖中符號說明見前文發明內容。
第四步將校準及補缺后的位置點在GIS平臺上實時顯示。
數值實驗 該方法在北京市的公交422路上進行了試驗，該線路為普通地面公交，日間高峰平均速度分別為15公里/小時，夜間標準線路信息采樣車速15公里/小時，采樣間隔1秒鐘。附圖4圓點即為標準線路的形狀點。
附圖4是對北三環中路422路公交車GPS信號校準糾偏情況，圖中小方形點為受附近建筑物遮擋后422路公交車收到的GPS信號發生偏移的情況，可以看出偏移有一定的連續性。為了說明糾偏過程，圖中偏移的GPS點和相對應的糾偏后的點(圖中圓點)用細線段相連。通過對車輛實際位置和校準位置的比較可知，車輛實際位置和校準后的位置基本吻合。發生偏移的GPS位置信號被有效地糾正到正確的位置。
附圖5為北三環中路422路公交車在馬甸橋發生的GPS信號丟失情況，這里我們采用前面未經校正的原始歷史的信息和當前的速度信息，使用前文第三步的步驟1中遺失信息補缺的相應算法推算出車輛位置信息，如圖中黑色方塊點所示，這里推算出的GPS位置信息推算值不是準確的GPS信息，是發生偏移的GPS信息。然后我們再采用糾偏算法，將GPS信號校準到準確的車輛位置點，如圖中和黑色方塊點相連的圓點。通過我們在實際現場進行比較，GPS信號丟失的位置通過位置推算和糾偏后，校準后的GPS信號點與實際車輛的行駛位置基本符合。
最后應說明的是以上示例僅用以說明本發明而并非限制本發明所描述的技術方案；因此，盡管本說明書參照上述的示例對本發明已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或等同替換；而一切不脫離發明的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.基于標準線路匹配的公交準確定位方法，其特征在于，包括以下步驟
第一步標準公交線路地理信息生成
具體過程包括
步驟1標準線路地理信息采集
將裝配有GPS采集設備的車輛沿公交運行的道路從起點到終點勻速行駛，按1秒間隔接受GPS信息；GPS信息包括經緯度定位信息，車速信息，方位角信息；每秒接受的GPS定位信息對應的點為線路形狀點，當行駛至公交站點時，進行站點標記，并記錄下站點的名稱；
步驟2標準公交線路地理信息后期處理
對采集到的形狀點及站點按公交線路從起點到終點的先后順序進行從小到大的編號，并將GPS采集到的各點經緯度信息轉換為直角x及y坐標信息；
其中線路形狀點屬性信息包括所屬線路編號信息、形狀點編號m，其中m＝0，1，2，3，……，經緯度信息，x及y坐標信息；站點信息包括所屬線路編號信息、站點標號、經緯度信息、x及y坐標信息，站點名稱信息；
在GIS平臺上將形狀點及站點按編號從小到大的順序連接，形成可供動態采集數據參照比對的靜態標準線路電子地第二步動態定位信息采集及匹配初始化
裝配有GPS車載設備的公交車輛沿公交線路行駛，從起始站發車時啟動GPS，按1秒間隔接收并傳回計算終端GPS定位信息；將從起始點發車時第一次收到GPS信號的時刻作為第一個采集點的實時時間信息，記為T0，隨后以一秒為采集間隔，則第n個采集點，對應時刻記為Tn，其中n＝0，1，2，3，……；將標準線路的起始形狀點的位置坐標默認作為第一個采集點的實時位置坐標，將第一個點作為已校準點；校準點標號記為m0，隨后第n個采集點校準后標號記為mn；
若GPS未從起始站發車時啟動，或匹配在途中開始，則將按第三步第一次得到的橫向糾偏后的位置點作為第一個已校準點；
第三步動態采集信息校準及補缺處理
此步驟中將第二步采集到的動態位置信息與第一步生成的同一線路的標準靜態位置信息進行比對，對GPS數據進行校準，并對遺失點進行補缺；具體校準過程如下
步驟1缺失數據判斷
當在某時刻Tn接收到GPS定位信息時，轉步驟2及步驟3進行數據初步篩選及糾偏；當在某時刻Tn沒接收到GPS定位信息時，該時刻對應點作為實時位置信息遺失點，進行遺失數據補缺；
對遺失數據的時刻點Tn，按以下步驟進行信息補缺；
假設當前位置點n的GPS信號丟失，這里通過上面得到的n-1點和n-2點GPS位置信息計算當前n點的位置；具體子步驟如下；
1)根據上一時刻車輛的速度推測計算出這一秒應該移動的距離d
d＝vn-1×1000/3600
2)根據上兩個位置點的位置信息，計算上次車輛在X方向和Y方向上的位移A和B，其中xn當前位置n點的X坐標值，yn當前位置n點的Y坐標值
A＝xn-1-xn-2
B＝yn-1-yn-2
3)計算當前位置點的位置
xn＝xn-l+A×d/L
yn＝yn-l+B×d/L
其中
4)取速度及方位角與上一位置點一致
vn＝vn-1
ANGn＝ANGn-l
ANGn、ANGn-1分別為n點及n-1點方位角。
5)執行步驟3，進行偏移數據校準；
步驟2數據初步篩選
判斷實時接收到的數據點是否在合理范圍內，若在合理范圍，則進行步驟3進行糾偏，若不在合理范圍內，則丟掉該點，把該時刻作為實時位置信息遺失點對應時刻，按上述遺失數據補缺方法處理；糾偏及補缺后的點為校準點；
判斷實時接收到的數據點是否在合理范圍內判斷方法及原則如下
將GPS采集到的經緯度信息轉換為直角x及y坐標信息，對當前時刻Tn對應的位置點n，當數據一秒鐘一上傳時，Tn＝n，若
則n點在合理范圍內；
式中，xn及yn為當前位置點n的x坐標及y坐標，xn-1及yn-1為上次已校準的位置點n-1的x坐標及y坐標，L0取300-500米；
步驟3偏移數據校準
將每秒接收到的在合理范圍內的位置點數據，分別進行橫向及縱向糾編，具體的橫向及縱向糾編方法如下
1)橫向糾偏
將當前時刻Tn，其中n＝0，1，2，3，……；采集到的位置點與標準線路上的所有形狀點坐標數據循環比對匹配，得到相應距離最小的標準線路上的形狀點，將此形狀點的位置數據替換當前點的實際采集的位置數據；
具體校準方法如下
對當前時刻點Tn采集到的位置點n，分別計算其距標準公交線路上所有形狀點的距離
式中，dn為當前點實際采集到的位置點n與標準線路上各形狀點m的距離，其中m＝1，2，...，M，M為形狀點的總數；xm及ym為標準線路形狀點m的x坐標及y坐標；
比較所有dnm，取最小者min(dn0，dn1，Λ，dnm)對應的形狀點的位置數據作為橫向糾偏后的當前點n的位置數據，并記錄下相應形狀點的標號記為mn，臨，此標號為臨時標號，需要根據下面縱向糾偏的結果進行修改；
2)縱向糾偏
將當前時刻Tn橫向糾偏后對應的形狀點的標號mn，臨與上一時刻已校準的位置點對應的形狀點標號mn-1對比，
若mn-1＜＝mn，臨＜＝mn-1+2，則認為GPS采集在誤差范圍內，令mn＝mn，臨，無需再縱向糾偏；即將mn，臨對應的形狀點的位置數據作為當前點的位置數據；
否則，若vn-1＜v0，v0為標準線路采集時的車速，vn-1為Tn-1時刻的車速；則令mn＝mn-1，即將上一時刻標號mn-1對應的形狀點的位置數據作為當前點的位置數據；
若vn-1＞＝v0，則將vn-1/v0取整，記為int(vn-1/v0)，令mn＝mn-1+Q，其中Q＝int(vn-1/v0)，即將mn-1+Q對應的形狀點的位置數據作為當前點的位置數據；
第四步將糾偏及補缺后的點為校準點在終端GIS平臺上實時顯示；位置點之間用直線順序連接。
全文摘要
基于標準線路匹配的公交準確定位方法屬于公交動態信息采集領域，用于動態信息發布及動態調度。傳統的方法是采用差分、慣性導航或添加路測設備的方法來提高定位精度，需要額外添加硬件模塊提高了設備造價。本發明根據城市公交車載GPS采集數據的偏移或遺失規律，結合公交運行特點，在不提高設備造價的基礎上，通過與具有高密度形狀點的GIS公交線路地圖數據相匹配，從而有效提高GPS定位的準確性的方法。本方法首先生成具有高密集形狀點及準確站點位置的GIS公交線路地圖數據，進而以此為參照，作為糾偏及遺失數據填補依據，將實時采集數據與之進行匹配，得到精確的位置信息，滿足公交定位的要求。該方法也可應用于其他具有固定線路的定位信息校正問題。
文檔編號G01S1/00GK101334288SQ20081011805
公開日2008年12月31日 申請日期2008年8月7日 優先權日2008年8月7日
發明者陳艷艷, 王東柱 申請人:北京工業大學