车辆导航定位系统（vehicle navigation system，car navigation system） 是指安装或者放置在车辆特定位置帮助确定当前车辆位置，并且通过图、文、声、像等多种手段引导驾驶人员到目的地的电子设备系统。现代车辆定位和导航系统的出现是近40 年来的事，但是在整个人类文明史上，车辆导航系统的研究和发展已经经历了相当长的历史。
我国公元前2600 年发明的指南车（又称司南车） 是目前为止有史料记载最早的古代车辆导航和定位系统。据载，后来东汉科学家张衡，三国时期的魏人马钧，南北朝的祖冲之、姚兴，唐朝的金公立，宋代徽宗年间的燕肃等人都曾经制造过类似的指南车。但由于年代久远，没有实物流传，并缺乏相关文字资料，指南车的原理、结构和使用方法一直是难解之谜。到了现代，新中国成立后第一任中国社会科学院考古研究所所长王振锋教授历时20 多年，于1971 年根据史料的描述仿制了三国魏人马钧的指南车（现存于中国国家博物馆），这是一种双轮独辕车，利用一套能自动离合的齿轮系统的定向装置，使得车不论朝什么方向转动，站立在车上的一个木人的手臂能够始终指着一个固定的方向。
▲ 指南车
由王振锋教授复制，现存于中国国家博物馆
后来，我国河南中学生李琛在2001 年复原了一台结构比王振锋教授仿制的指南车更简单的“黄帝指南车”，该车两个车轮直径相等，两车轮轮距等于车轮半径，一车轮边缘上作以红色的标记，另一轮面上标出“东南西北” 等字样，车厢上加一横杆，出发前选择一方向，如果选择东方，转动另一车轮，使刻有或贴有红色标记轮上的标记与另一轮的“东” 字对齐，当需要确定车辆目前的方向时只需要观察一轮上红标记与另一轮上的哪一字对齐便知现在车的方向。这类指南车的基本原理类似于现代的差分里程计。
▲ 李琛复原的“黄帝指南车”
另外一个典型的古代车辆导航系统是计里鼓车（相传为三国魏人马钧发明，一说为汉人张衡），它是目前为止发现的最早的记录里程的仪器。计里鼓车是利用原动齿轮带动一套大小不同的从动齿轮驱动车上的两个木人的手臂，每当车行驶1 里的时候，一个木人击鼓一下，每当车行驶10 里的时候另一个木人击锣一下，从而把行车的里数自动地表示出来。
▲ 计里鼓车
由王振锋教授复制，现存于中国国家博物馆
此后，东汉年间又出现了磁罗盘，和里程计、差分里程计一起构成了古代车辆导航系统的基本技术，但限于当时的社会生产力，这些技术只能实现简单的导航功能。如指南车和磁罗盘，它只能给车辆指明一个方向，不能确定车辆的位置；计里鼓车也只能使人确定目前车辆离目的地还有多远，还将需要多长时间能够到达目的地。当然，这些传统的技术现在仍或多或少地应用在现代的车辆导航系统中。
在19 世纪末，出现了现代车辆导航技术的雏形。当时的汽车工业的蓬勃发展带动了车辆导航技术的兴起。1895 年，在美国第一张供汽车驾驶用的交通图出版，它是面向车辆导航的GIS（地理信息系统）雏形。20 世纪初，公路上建立了路标并将道路编号。1910 年左右，机械路径引导装置面世。这些装置以其多样化的形式与道路地图信息结合起来，可以自动地提供精确、实时的路径指引。
随着公路标志的改进和地图精确度的提高，人们对路径引导装置的需求和兴趣逐渐减弱了。在第二次世界大战期间，美国为吉普车等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。
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。同样地，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。在20 世纪60 年代，美国联邦公路局开始研发电子路径引导系统。该系统是利用设置各个交叉路口的无线电信标进行双向通信，通过中央计算机提供的实时交通数据信息来实时规划最佳路径并反馈到安装在车辆上的平面显示器上，指引车辆行进。20 世纪70 年代初，随着微电子工业的崛起，出现了第一代采用航位推算（dead- reckoning，DR） 模块和地图匹配（map-matching，MM）算法的自主导航系统，如荷兰Philips 公司的CARIN、德国的ALL-SCOUT、英国的AUTOGUIDE 等导航系统。该类导航系统虽然具有自主性好、不受外界控制、抗干扰能力强等优点，但是由于容易产生误差累积，需要在使用过程中不断进行校准，其实用性受到限制。
于是，美国国防部（DOD） 为了满足军事部门对海上、陆地以及空中设施进行高精度导航和定位的要求，于1973 年提出了将海军的Timation 卫星定位计划和空军的621-B 计划合并，建立全球定位系统GPS（global positioning system）。GPS的开发研究经历20 余年，耗资300 多亿美元。到1993 年6 月，全球定位系统正式启用。由于GPS 具有全球、全天候、持久的三维导航定位能力，并且其接收机结构轻便、价格低廉、便于集成的优点，GPS 技术很快被广泛应用到车辆的导航和定位中。鉴于GPS 的优点，出于国防考虑，俄罗斯于1995 年成功组建了全球导航卫星系统GLONASS（global navigation satellite system），欧洲航天局也组建了全球导航卫星系统Galileo 计划，我国出于国家安全战略需要于21 世纪初正式宣布建设北斗卫星导航定位系统（简称北斗，BEIDOU）。目前GPS、GLONASS 已具备全球定位能力，我国的北斗也具备了亚太区的自主定位能力。在未来，全球的卫星导航市场就是GPS/BEIDOU/GLONASS/Galileo 群雄争霸的局面。
卫星导航系统以其用户成本低、定位误差没有累积性、结构紧凑便于集成等特点被广泛应用于车辆导航中，但是，当车辆行驶在高楼密集的繁华街道或隧道峡谷地区时，GNSS 因信号受到阻挡或者多径干扰而失效。而且，车辆的速度与机动性能常会受到GNSS 的约束。因此，卫星导航系统的应用在某种程度上还是受到限制，而且这种情况会随着我国城镇化进程的推进而加剧。
但GNSS 和DR 各自的利弊正好可以互补，因此将这两种导航装置集成为组合导航系统，就可以使行驶在繁华城市和山区的车辆获得较高的定位精度。近年来，低成本陀螺仪（如光纤陀螺、压电陀螺和微机械陀螺等） 的问世，为车辆导航增加了可用的资源。两种装置给出的定位信息通过切换、卡尔曼滤波或信息融合后提供连续、精确的车辆位置。由此，在街道开阔的城市可以选用GNSS 进行导航定位；在高楼密集的繁华城市，宜采用GNSS/DR 组合系统。但低成本的DR 系统由于精度低，在长时间没有GNSS 信号的情况下误差较大，不能满足人们对车辆定位精度的要求；而高精度的DR 系统成本比较高，故GNSS/DR 组合导航系统的广泛应用也受到限制。
随着计算机技术的迅猛发展，地理信息系统（GIS） 得到前所未有的发展，数字地图技术也逐渐成熟，人们开始考虑利用数字地图匹配（MM） 技术来提高GPS/DR系统的定位精度，相应地可以降低对DR 系统的要求，从而降低整个系统的价格。
▲ 一个车辆组合定位与导航系统的结构图
▲ 一个车辆组合定位与导航系统的基本模式
在20 世纪90 年代初，国外就开展了以GNSS 定位技术为主，融合了现代通信、信息技术的车辆组合导航系统的应用研究。以上两图是一个典型的车辆组合导航系统结构框图，其中包括了GPS/DGPS 接收单元、DR 单元、无线接收单元、GIS数据库以及车辆导航定位软件等若干组成部分。其中，GPS/DGPS 主要由GPS接收机组成；DR 单元由惯性器件（如gyro）、里程计（odometer） 或者差分里程计（differential odometer）、磁罗盘（compass） 组成；无线接收单元接收来自交通控制中心（TMC） 的气象、交通或者路况信息；导航软件综合了GPS、DR、MM 组合定位算法，并且能够提供包括最优路径（best route） 搜寻、路径诱导（route guidance）等诸多功能。该系统模型已基本具备了一个现代车辆导航定位系统的基本特点。
GNSS/DR/MM 车载导航定位系统如同“一个三条腿的凳子”，是稳定、可靠的汽车导航平台，也是现代车辆导航发展的一个重要技术。无论是现代车载导航系统本身，还是其作为智能交通系统的一部分，仅仅提供定位信息是不够的，在构造适用于GNSS/DR/MM 车载导航的GIS 系统的前提下，对路径规划、最优路径、路径诱导的算法和实现研究也是具有很大的实际意义。
本文由刘四旦摘编自王庆、张小国著《车辆组合定位与导航系统: 理论、方法及应用》（北京: 科学出版社, 2016.3）一书“绪论”部分，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-047699-9
《车辆组合定位与导航系统：理论、方法及应用》针对城市环境下卫星定位信号受到遮挡而不能准确定位的实际问题，系统阐述了面向车辆定位的数字地图模型及其空间数据库生成的理论，建立了地图匹配、多传感器信息融合、参数校正的方法，分析了数字地图的构建模型、数据质量对车辆定位效果的影响规律，以香港消防处第三代车辆调派系统为典型应用案例，详细介绍了GPS/DR/MM车辆组合定位系统在香港特别行政区的实际应用情况。
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