車輛導航定位系統（vehicle navigation system，car navigation system） 是指安裝或者放置在車輛特定位置幫助確定當前車輛位置，並且通過圖、文、聲、像等多種手段引導駕駛人員到目的地的電子設備系統。現代車輛定位和導航系統的出現是近40 年來的事，但是在整個人類文明史上，車輛導航系統的研究和發展已經經歷了相當長的歷史。
我國公元前2600 年發明的指南車（又稱司南車） 是目前為止有史料記載最早的古代車輛導航和定位系統。據載，後來東漢科學家張衡，三國時期的魏人馬鈞，南北朝的祖沖之、姚興，唐朝的金公立，宋代徽宗年間的燕肅等人都曾經制造過類似的指南車。但由於年代久遠，沒有實物流傳，並缺乏相關文字資料，指南車的原理、結構和使用方法一直是難解之謎。到了現代，新中國成立後第一任中國社會科學院考古研究所所長王振鋒教授歷時20 多年，於1971 年根據史料的描述仿製了三國魏人馬鈞的指南車（現存於中國國家博物館），這是一種雙輪獨轅車，利用一套能自動離合的齒輪系統的定向裝置，使得車不論朝什麼方向轉動，站立在車上的一個木人的手臂能夠始終指著一個固定的方向。
▲ 指南車
由王振鋒教授複製，現存於中國國家博物館
後來，我國河南中學生李琛在2001 年復原了一臺結構比王振鋒教授仿製的指南車更簡單的“黃帝指南車”，該車兩個車輪直徑相等，兩車輪輪距等於車輪半徑，一車輪邊緣上作以紅色的標記，另一輪面上標出“東南西北” 等字樣，車廂上加一橫杆，出發前選擇一方向，如果選擇東方，轉動另一車輪，使刻有或貼有紅色標記輪上的標記與另一輪的“東” 字對齊，當需要確定車輛目前的方向時只需要觀察一輪上紅標記與另一輪上的哪一字對齊便知現在車的方向。這類指南車的基本原理類似於現代的差分里程計。
▲ 李琛復原的“黃帝指南車”
另外一個典型的古代車輛導航系統是計裡鼓車（相傳為三國魏人馬鈞發明，一說為漢人張衡），它是目前為止發現的最早的記錄里程的儀器。計裡鼓車是利用原動齒輪帶動一套大小不同的從動齒輪驅動車上的兩個木人的手臂，每當車行駛1 裡的時候，一個木人擊鼓一下，每當車行駛10 裡的時候另一個木人擊鑼一下，從而把行車的裡數自動地表示出來。
▲ 計裡鼓車
由王振鋒教授複製，現存於中國國家博物館
此後，東漢年間又出現了磁羅盤，和里程計、差分里程計一起構成了古代車輛導航系統的基本技術，但限於當時的社會生產力，這些技術只能實現簡單的導航功能。如指南車和磁羅盤，它只能給車輛指明一個方向，不能確定車輛的位置；計裡鼓車也只能使人確定目前車輛離目的地還有多遠，還將需要多長時間能夠到達目的地。當然，這些傳統的技術現在仍或多或少地應用在現代的車輛導航系統中。
在19 世紀末，出現了現代車輛導航技術的雛形。當時的汽車工業的蓬勃發展帶動了車輛導航技術的興起。1895 年，在美國第一張供汽車駕駛用的交通圖出版，它是面向車輛導航的GIS（地理信息系統）雛形。20 世紀初，公路上建立了路標並將道路編號。1910 年左右，機械路徑引導裝置面世。這些裝置以其多樣化的形式與道路地圖信息結合起來，可以自動地提供精確、實時的路徑指引。
隨著公路標誌的改進和地圖精確度的提高，人們對路徑引導裝置的需求和興趣逐漸減弱了。在第二次世界大戰期間，美國為吉普車等軍用車輛研製了一種電子車輛導航系統。該系統有一個磁羅盤，磁羅盤的指針位置由一個光電元件檢測。
羅盤的輸出驅動一個伺服機械裝置去轉動一個與車輛方向相對應的機械軸，這個軸與一個機械計算機連在一起，此計算機根據里程計來算出行駛路程並將其轉換成x 和y 座標。同樣地，在羅盤軸的驅動下，這些座標用於自動地在適當比例的地圖上繪出車輛的軌跡。在20 世紀60 年代，美國聯邦公路局開始研發電子路徑引導系統。該系統是利用設置各個交叉路口的無線電信標進行雙向通信，通過中央計算機提供的實時交通數據信息來實時規劃最佳路徑並反饋到安裝在車輛上的平面顯示器上，指引車輛行進。20 世紀70 年代初，隨著微電子工業的崛起，出現了第一代採用航位推算（dead- reckoning，DR） 模塊和地圖匹配（map-matching，MM）算法的自主導航系統，如荷蘭Philips 公司的CARIN、德國的ALL-SCOUT、英國的AUTOGUIDE 等導航系統。該類導航系統雖然具有自主性好、不受外界控制、抗干擾能力強等優點，但是由於容易產生誤差累積，需要在使用過程中不斷進行校準，其實用性受到限制。
於是，美國國防部（DOD） 為了滿足軍事部門對海上、陸地以及空中設施進行高精度導航和定位的要求，於1973 年提出了將海軍的Timation 衛星定位計劃和空軍的621-B 計劃合併，建立全球定位系統GPS（global positioning system）。GPS的開發研究經歷20 餘年，耗資300 多億美元。到1993 年6 月，全球定位系統正式啟用。由於GPS 具有全球、全天候、持久的三維導航定位能力，並且其接收機結構輕便、價格低廉、便於集成的優點，GPS 技術很快被廣泛應用到車輛的導航和定位中。鑑於GPS 的優點，出於國防考慮，俄羅斯於1995 年成功組建了全球導航衛星系統GLONASS（global navigation satellite system），歐洲航天局也組建了全球導航衛星系統Galileo 計劃，我國出於國家安全戰略需要於21 世紀初正式宣佈建設北斗衛星導航定位系統（簡稱北斗，BEIDOU）。目前GPS、GLONASS 已具備全球定位能力，我國的北斗也具備了亞太區的自主定位能力。在未來，全球的衛星導航市場就是GPS/BEIDOU/GLONASS/Galileo 群雄爭霸的局面。
衛星導航系統以其用戶成本低、定位誤差沒有累積性、結構緊湊便於集成等特點被廣泛應用於車輛導航中，但是，當車輛行駛在高樓密集的繁華街道或隧道峽谷地區時，GNSS 因信號受到阻擋或者多徑干擾而失效。而且，車輛的速度與機動性能常會受到GNSS 的約束。因此，衛星導航系統的應用在某種程度上還是受到限制，而且這種情況會隨著我國城鎮化進程的推進而加劇。
但GNSS 和DR 各自的利弊正好可以互補，因此將這兩種導航裝置集成為組合導航系統，就可以使行駛在繁華城市和山區的車輛獲得較高的定位精度。近年來，低成本陀螺儀（如光纖陀螺、壓電陀螺和微機械陀螺等） 的問世，為車輛導航增加了可用的資源。兩種裝置給出的定位信息通過切換、卡爾曼濾波或信息融合後提供連續、精確的車輛位置。由此，在街道開闊的城市可以選用GNSS 進行導航定位；在高樓密集的繁華城市，宜採用GNSS/DR 組合系統。但低成本的DR 系統由於精度低，在長時間沒有GNSS 信號的情況下誤差較大，不能滿足人們對車輛定位精度的要求；而高精度的DR 系統成本比較高，故GNSS/DR 組合導航系統的廣泛應用也受到限制。
隨著計算機技術的迅猛發展，地理信息系統（GIS） 得到前所未有的發展，數字地圖技術也逐漸成熟，人們開始考慮利用數字地圖匹配（MM） 技術來提高GPS/DR系統的定位精度，相應地可以降低對DR 系統的要求，從而降低整個系統的價格。
▲ 一個車輛組合定位與導航系統的結構圖
▲ 一個車輛組合定位與導航系統的基本模式
在20 世紀90 年代初，國外就開展了以GNSS 定位技術為主，融合了現代通信、信息技術的車輛組合導航系統的應用研究。以上兩圖是一個典型的車輛組合導航系統結構框圖，其中包括了GPS/DGPS 接收單元、DR 單元、無線接收單元、GIS數據庫以及車輛導航定位軟件等若干組成部分。其中，GPS/DGPS 主要由GPS接收機組成；DR 單元由慣性器件（如gyro）、里程計（odometer） 或者差分里程計（differential odometer）、磁羅盤（compass） 組成；無線接收單元接收來自交通控制中心（TMC） 的氣象、交通或者路況信息；導航軟件綜合了GPS、DR、MM 組合定位算法，並且能夠提供包括最優路徑（best route） 搜尋、路徑誘導（route guidance）等諸多功能。該系統模型已基本具備了一個現代車輛導航定位系統的基本特點。
GNSS/DR/MM 車載導航定位系統如同“一個三條腿的凳子”，是穩定、可靠的汽車導航平臺，也是現代車輛導航發展的一個重要技術。無論是現代車載導航系統本身，還是其作為智能交通系統的一部分，僅僅提供定位信息是不夠的，在構造適用於GNSS/DR/MM 車載導航的GIS 系統的前提下，對路徑規劃、最優路徑、路徑誘導的算法和實現研究也是具有很大的實際意義。
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