专利名称：基于标准线路匹配的公交准确定位方法
技术领域：
本发明属于公交动态信息采集领域，用于动态信息发布及动态调度。
背景技术：
基于GPS定位系统的公交运行动态数据采集是动态信息发布及动态调度的基础。但在城市道路上，常常因树木、楼房、立交桥等的遮挡使得采集到的GPS数据偏离实际位置，或遗失。传统的方法是采用差分、惯性导航或添加路测设备的方法来提高定位精度，这些方法都需要额外添加硬件模块，从而提高了设备造价。
事实上，公交运行时是沿着固定线路的，而城市道路上采集到的GPS位置漂移通常会围绕着实际位置附近发生，而且常常是整体偏移，有一定的规律性。这些规律为通过将GPS数据与GIS地图数据相匹配寻找一种新的定位技术提供了可能。但普通的GIS公交线路地图数据因缺少高密集度的形状点信息及准确的站点信息，难以作为纠偏依据。
发明内容
本发明的设计原理是根据城市公交车载GPS采集数据的偏移或遗失规律，结合公交运行特点，提供一种在不提高设备造价的基础上，通过与具有高密度形状点的GIS公交线路地图数据相匹配，从而有效提高GPS定位的准确性的方法。
本方法首先生成具有高密集形状点及准确站点位置的GIS公交线路地图数据，进而以此为参照，作为纠偏及遗失数据填补依据，将实时采集数据与之进行匹配。从而得到较为精确的位置信息，满足公交定位的要求。该方法也可应用于其他具有同样固定线路的定位信息校正问题。
本发明为了描述方便起见，将采集时间间隔设定为1秒，其实只要标准公交线路地理信息生成的采集时间间隔和动态定位信息采集时间间隔一致即可。本发明主要包括标准线路生成、GPS漂移点纠偏及遗失数据填补等内容，具体步骤如下 第一步标准公交线路地理信息生成 具体过程包括 步骤1标准线路地理信息采集 将装配有GPS采集设备的车辆沿公交运行的道路从起点到终点匀速行驶，按1秒间隔接受GPS信息。信息包括经纬度定位信息，车速信息，方位角信息。每秒接受的GPS定位信息对应的点为线路形状点，当行驶至公交站点时，可利用软件进行站点标记，并记录下站点的名称。匹配纠偏后的位置精度与采集点的密集程度成正比。
步骤2标准公交线路地理信息后期处理 在GIS软件上，对采集到的形状点及站点按公交线路从起点到终点的先后顺序进行从小到大的编号，并将GPS采集到的各点经纬度信息转换为直角x及y坐标信息，最终形成满足定位精度要求的包含公交线路形状点及站点属性信息的数据文件。
其中线路形状点属性信息包括所属线路编号信息、形状点编号m(m＝0，1，2，3，...)、经纬度信息，x及y坐标信息；站点信息包括所属线路编号信息、站点标号、经纬度信息、x及y坐标信息，站点名称信息。
在GIS平台上将形状点及站点按编号从小到大的顺序连接，形成可供动态采集数据参照比对的静态标准线路电子地图。
第二步动态定位信息采集及匹配初始化 装配有GPS车载设备的公交车辆沿公交线路行驶，从起始站发车时启动GPS，按1秒间隔接收并传回计算终端GPS定位信息。当有匹配需求时，标准线路数据文件中的属性数据动态地装载入终端参与计算。将从起始点发车时第一次收到GPS信号的时刻作为第一个采集点的实时时间信息，记为T0，随后以一秒为采集间隔，则第n个采集点(n＝0，1，2，3，...)对应时刻记为Tn(n＝0，1，2，3，...)。将标准线路的起始形状点的位置坐标默认作为第一个采集点的实时位置坐标，将第一个点作为已校准点。校准点标号记为m0，随后第n个采集点校准后标号记为mn。
若GPS未从起始站发车时启动，或匹配在途中开始，则将按第三步第一次得到的横向纠偏后的位置点作为第一个已校准点。
第三步动态采集信息校准及补缺处理 此步骤中将第二步采集到的动态位置信息与第一步生成的同一线路的标准静态位置信息进行比对，对GPS数据进行校准，并对遗失点进行补缺。具体校准过程如下 步骤1缺失数据判断 当在某时刻Tn接收到GPS定位信息时，转步骤2及步骤3进行数据初步筛选及纠偏。当在某时刻Tn没接收到GPS定位信息时，该时刻对应点作为实时位置信息遗失点，进行遗失数据补缺。
对遗失数据的时刻点Tn，按以下说明进行信息补缺。
假设当前位置点n的GPS信号丢失，这里通过上面得到的n-1点和n-2点GPS位置信息计算当前n点的位置。具体子步骤如下。
1)根据上一时刻车辆的速度推测计算出这一秒应该移动的距离d d＝vn-1×1000/3600 2)根据上两个位置点的位置信息，计算上次车辆在X方向和Y方向上的位移A和B，其中xn当前位置n点的X坐标值，yn当前位置n点的Y坐标值 A＝xn-1-xn-2 B＝yn-1-yn-2 3)计算当前位置点的位置 xn＝xn-1+A×d/L yn＝yn-1+B×d/L 其中 4)取速度及方位角与上一位置点一致 vn＝vn-1 ANGn＝ANGn-1 ANGn、ANGn-1分别为n点及n-1点的方位角 5)执行步骤3，进行偏移数据校准。
步骤2数据初步筛选 判断实时接收到的数据点是否在合理范围内，若在合理范围，则进行步骤3进行纠偏，若不在合理范围内，则丢掉该点，把该时刻作为实时位置信息遗失点对应时刻，按上述遗失数据补缺处理方法处理。纠偏及补缺后的点为校准点。
判断实时接收到的数据点是否在合理范围内判断方法及原则如下 将GPS采集到的经纬度信息转换为直角x及y坐标信息，对当前时刻Tn对应的位置点n(当数据一秒钟一上传时，Tn＝n)，若 则n点在合理范围内。
式中，xn及yn为当前位置点n的x坐标及y坐标，xn-1及yn-1为上次已校准的位置点n-1的x坐标及y坐标，L0为合理范围阈值，建议取300-500米。
步骤3偏移数据校准 将每秒接收到的在合理范围内的位置点数据，分别进行横向及纵向纠编。横向纠偏是沿垂直于线路方向的纠偏，它使得偏离实际位置的采集数据归位于线路上。纵向纠偏是沿线路方向的纠偏，它使得已归位于线路上的数据点与实际点的沿线路先后位置不一致时进行进一步纠偏。具体的横向及纵向纠编方法如下 1)横向纠偏 将当前时刻Tn(n＝0，1，2，3，...)采集到的位置点与标准线路上的所有形状点坐标数据循环比对匹配，得到相应距离最小的标准线路上的形状点，将此形状点的位置数据替换当前点的实际采集的位置数据。
具体校准方法如下 对当前时刻点Tn采集到的位置点n，分别计算其距标准公交线路上所有形状点的距离 式中，dn为当前点实际采集到的位置点n与标准线路上各形状点m(m＝1，2，...，M)的距离，M为形状点的总数。xm及ym为标准线路形状点m的x坐标及y坐标。
比较所有dnm，取最小者min(dn0，dn1，Λ，dnm)对应的形状点的位置数据(经纬度及直角坐标)作为横向纠偏后的当前点n的位置数据，并记录下相应形状点的标号(记为mn，临)，此标号为临时标号，需要根据下面纵向纠偏的结果进行修改。
纵向纠偏 将当前时刻Tn横向纠偏后对应的形状点的标号mn，临与上一时刻已校准的位置点对应的形状点标号mn-1对比， 若mn-1＜＝mn，临＜＝mn-1+2，则认为GPS采集在误差范围内，令mn＝mn，临，无需再纵向纠偏。事实上是将mn，临对应的形状点的位置数据作为当前点的位置数据。
否则，若vn-1＜v0，v0为标准线路采集时的车速，vn-1为Tn-1时刻的车速。则令mn＝mn-1，实际上是将上一时刻标号mn-1对应的形状点的位置数据作为当前点的位置数据。
若vn-1＞＝v0，则将vn-1/v0取整，记为int(vn-1/v0)，令mn＝mn-1+Q，其中Q＝int(vn-1/v0)，实际上是将mn-1+Q对应的形状点的位置数据作为当前点的位置数据。
第四步将纠偏及补缺后的点为校准点在终端GIS平台上实时显示。位置点之间用直线顺序连接。
图1系统总框架图 图2动态采集信息校准及补缺处理总流程图 图3偏移数据校准流程图 图4示例中对发生偏移的GPS信号的校正情况 图5示例中GPS信号丢失的校正纠偏情况
具体实施例方式 下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明 根据图1所示的系统总框架图搭建本发明方法实施平台，结合图2所给出的本发明动态定位信息校准及补缺处理流程本发明的总流程图，图3所给出的本发明纠偏流程图进行本发明具体实施方案的详细说明 本发明总体实施框架是首先在理想状态下生成具有高密集形状点及准确站点位置的标准公交线路地图信息，进而以此为参照，作为纠偏及遗失数据填补依据，将实时采集数据与之进行匹配及校准补缺处理。从而得到较为精确的位置信息，用于信息储存、发布。本发明总体实施框架见图1。
本发明具体实施步骤如下 第一步生成标准公交线路地理信息 首先将装配有GPS采集设备的车辆沿公交运行的道路从起点到终点匀速行驶，按1秒间隔接受GPS信息，包括经纬度定位信息，车速信息，方位角信息。每个接受时间得到的位置信息(经纬度定位信息)对应一个形状点。
为减少遮挡，数据采集车辆可在与公交车道毗邻的主路或内侧车道行驶，必要时可用差分等手段加强标准静态线路位置信息的准确性。
为尽量保证匀速，不受白天拥挤车流影响，采集可在夜间进行，为便于作为动态信息的纠偏或补缺参考，行驶速度取白日站点间行程速度均值。
采集完毕，将GPS采集到的各形状点经纬度定位信息转化为直角坐标信息，连同车速信息，方位角信息、线路编号、形状点编号存入标准线路数据文件。
当遇到无法避免的遮挡，如隧道，立交桥发生信号遗失时，可根据线路实际走行位置在GIS平台上的道路电子地图上手工补点。补点也应有上述形状点的属性信息。
在GIS平台上将形状点及站点按编号从小到大的顺序连接，形成可供动态采集数据参照比对的静态标准线路电子地图。
对较长线路，可适当加长形状点的采样间隔，从而提高实时位置匹配的计算效率。但间隔越大，实时定位精度越低。建议形状点采集时间间隔不得高于10秒。
第二步动态定位信息采集及匹配初始化 公交正常运行时，装配有GPS采集设备的公交车辆沿公交线路行驶，按1秒间隔接受并传回计算终端GPS定位信息。当有匹配需求时，标准线路数据文件中的属性数据动态的地装载入终端参与计算。同时将发车时启动GPS接收器的时刻作为第一个采集点的实时时间信息，记为T0，将标准线路的起始形状点的位置坐标默认作为第一个采集点的实时位置坐标，将第一个点作为已校准点。
第三步动态采集信息校准及补缺处理 此步骤中将第二步采集到的动态位置信息与第一步生成的同一线路的标准静态位置信息进行比对，对GPS数据进行校准，并对遗失点进行补缺。具体包括缺失数据判断，数据初步筛选，偏移数据校准及补缺处理四个步骤，具体过程见附图2，而其中偏移数据校准的具体过程见附图3，图中符号说明见前文发明内容。
第四步将校准及补缺后的位置点在GIS平台上实时显示。
数值实验 该方法在北京市的公交422路上进行了试验，该线路为普通地面公交，日间高峰平均速度分别为15公里/小时，夜间标准线路信息采样车速15公里/小时，采样间隔1秒钟。附图4圆点即为标准线路的形状点。
附图4是对北三环中路422路公交车GPS信号校准纠偏情况，图中小方形点为受附近建筑物遮挡后422路公交车收到的GPS信号发生偏移的情况，可以看出偏移有一定的连续性。为了说明纠偏过程，图中偏移的GPS点和相对应的纠偏后的点(图中圆点)用细线段相连。通过对车辆实际位置和校准位置的比较可知，车辆实际位置和校准后的位置基本吻合。发生偏移的GPS位置信号被有效地纠正到正确的位置。
附图5为北三环中路422路公交车在马甸桥发生的GPS信号丢失情况，这里我们采用前面未经校正的原始历史的信息和当前的速度信息，使用前文第三步的步骤1中遗失信息补缺的相应算法推算出车辆位置信息，如图中黑色方块点所示，这里推算出的GPS位置信息推算值不是准确的GPS信息，是发生偏移的GPS信息。然后我们再采用纠偏算法，将GPS信号校准到准确的车辆位置点，如图中和黑色方块点相连的圆点。通过我们在实际现场进行比较，GPS信号丢失的位置通过位置推算和纠偏后，校准后的GPS信号点与实际车辆的行驶位置基本符合。
最后应说明的是以上示例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的示例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.基于标准线路匹配的公交准确定位方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步标准公交线路地理信息生成
具体过程包括
步骤1标准线路地理信息采集
将装配有GPS采集设备的车辆沿公交运行的道路从起点到终点匀速行驶，按1秒间隔接受GPS信息；GPS信息包括经纬度定位信息，车速信息，方位角信息；每秒接受的GPS定位信息对应的点为线路形状点，当行驶至公交站点时，进行站点标记，并记录下站点的名称；
步骤2标准公交线路地理信息后期处理
对采集到的形状点及站点按公交线路从起点到终点的先后顺序进行从小到大的编号，并将GPS采集到的各点经纬度信息转换为直角x及y坐标信息；
其中线路形状点属性信息包括所属线路编号信息、形状点编号m，其中m＝0，1，2，3，……，经纬度信息，x及y坐标信息；站点信息包括所属线路编号信息、站点标号、经纬度信息、x及y坐标信息，站点名称信息；
在GIS平台上将形状点及站点按编号从小到大的顺序连接，形成可供动态采集数据参照比对的静态标准线路电子地第二步动态定位信息采集及匹配初始化
装配有GPS车载设备的公交车辆沿公交线路行驶，从起始站发车时启动GPS，按1秒间隔接收并传回计算终端GPS定位信息；将从起始点发车时第一次收到GPS信号的时刻作为第一个采集点的实时时间信息，记为T0，随后以一秒为采集间隔，则第n个采集点，对应时刻记为Tn，其中n＝0，1，2，3，……；将标准线路的起始形状点的位置坐标默认作为第一个采集点的实时位置坐标，将第一个点作为已校准点；校准点标号记为m0，随后第n个采集点校准后标号记为mn；
若GPS未从起始站发车时启动，或匹配在途中开始，则将按第三步第一次得到的横向纠偏后的位置点作为第一个已校准点；
第三步动态采集信息校准及补缺处理
此步骤中将第二步采集到的动态位置信息与第一步生成的同一线路的标准静态位置信息进行比对，对GPS数据进行校准，并对遗失点进行补缺；具体校准过程如下
步骤1缺失数据判断
当在某时刻Tn接收到GPS定位信息时，转步骤2及步骤3进行数据初步筛选及纠偏；当在某时刻Tn没接收到GPS定位信息时，该时刻对应点作为实时位置信息遗失点，进行遗失数据补缺；
对遗失数据的时刻点Tn，按以下步骤进行信息补缺；
假设当前位置点n的GPS信号丢失，这里通过上面得到的n-1点和n-2点GPS位置信息计算当前n点的位置；具体子步骤如下；
1)根据上一时刻车辆的速度推测计算出这一秒应该移动的距离d
d＝vn-1×1000/3600
2)根据上两个位置点的位置信息，计算上次车辆在X方向和Y方向上的位移A和B，其中xn当前位置n点的X坐标值，yn当前位置n点的Y坐标值
A＝xn-1-xn-2
B＝yn-1-yn-2
3)计算当前位置点的位置
xn＝xn-l+A×d/L
yn＝yn-l+B×d/L
其中
4)取速度及方位角与上一位置点一致
vn＝vn-1
ANGn＝ANGn-l
ANGn、ANGn-1分别为n点及n-1点方位角。
5)执行步骤3，进行偏移数据校准；
步骤2数据初步筛选
判断实时接收到的数据点是否在合理范围内，若在合理范围，则进行步骤3进行纠偏，若不在合理范围内，则丢掉该点，把该时刻作为实时位置信息遗失点对应时刻，按上述遗失数据补缺方法处理；纠偏及补缺后的点为校准点；
判断实时接收到的数据点是否在合理范围内判断方法及原则如下
将GPS采集到的经纬度信息转换为直角x及y坐标信息，对当前时刻Tn对应的位置点n，当数据一秒钟一上传时，Tn＝n，若
则n点在合理范围内；
式中，xn及yn为当前位置点n的x坐标及y坐标，xn-1及yn-1为上次已校准的位置点n-1的x坐标及y坐标，L0取300-500米；
步骤3偏移数据校准
将每秒接收到的在合理范围内的位置点数据，分别进行横向及纵向纠编，具体的横向及纵向纠编方法如下
1)横向纠偏
将当前时刻Tn，其中n＝0，1，2，3，……；采集到的位置点与标准线路上的所有形状点坐标数据循环比对匹配，得到相应距离最小的标准线路上的形状点，将此形状点的位置数据替换当前点的实际采集的位置数据；
具体校准方法如下
对当前时刻点Tn采集到的位置点n，分别计算其距标准公交线路上所有形状点的距离
式中，dn为当前点实际采集到的位置点n与标准线路上各形状点m的距离，其中m＝1，2，...，M，M为形状点的总数；xm及ym为标准线路形状点m的x坐标及y坐标；
比较所有dnm，取最小者min(dn0，dn1，Λ，dnm)对应的形状点的位置数据作为横向纠偏后的当前点n的位置数据，并记录下相应形状点的标号记为mn，临，此标号为临时标号，需要根据下面纵向纠偏的结果进行修改；
2)纵向纠偏
将当前时刻Tn横向纠偏后对应的形状点的标号mn，临与上一时刻已校准的位置点对应的形状点标号mn-1对比，
若mn-1＜＝mn，临＜＝mn-1+2，则认为GPS采集在误差范围内，令mn＝mn，临，无需再纵向纠偏；即将mn，临对应的形状点的位置数据作为当前点的位置数据；
否则，若vn-1＜v0，v0为标准线路采集时的车速，vn-1为Tn-1时刻的车速；则令mn＝mn-1，即将上一时刻标号mn-1对应的形状点的位置数据作为当前点的位置数据；
若vn-1＞＝v0，则将vn-1/v0取整，记为int(vn-1/v0)，令mn＝mn-1+Q，其中Q＝int(vn-1/v0)，即将mn-1+Q对应的形状点的位置数据作为当前点的位置数据；
第四步将纠偏及补缺后的点为校准点在终端GIS平台上实时显示；位置点之间用直线顺序连接。
全文摘要
基于标准线路匹配的公交准确定位方法属于公交动态信息采集领域，用于动态信息发布及动态调度。传统的方法是采用差分、惯性导航或添加路测设备的方法来提高定位精度，需要额外添加硬件模块提高了设备造价。本发明根据城市公交车载GPS采集数据的偏移或遗失规律，结合公交运行特点，在不提高设备造价的基础上，通过与具有高密度形状点的GIS公交线路地图数据相匹配，从而有效提高GPS定位的准确性的方法。本方法首先生成具有高密集形状点及准确站点位置的GIS公交线路地图数据，进而以此为参照，作为纠偏及遗失数据填补依据，将实时采集数据与之进行匹配，得到精确的位置信息，满足公交定位的要求。该方法也可应用于其他具有固定线路的定位信息校正问题。
文档编号G01S1/00GK101334288SQ20081011805
公开日2008年12月31日 申请日期2008年8月7日 优先权日2008年8月7日
发明者陈艳艳, 王东柱 申请人:北京工业大学