北斗高精度智能交通系統(tǒng)的設(shè)計及測試

王榮 藺陸洲 路鵬飛 宋娟

摘 ? 要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼GPS、GLONASS之后的第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。中國軟件評測中心通過實施基于北斗高精度導(dǎo)航定位的智能交通應(yīng)用示范項目，開發(fā)出了由中心服務(wù)子系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）基準站子系統(tǒng)、車載終端子系統(tǒng)和人員終端子系統(tǒng)構(gòu)成的北斗高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以及與校車應(yīng)用場景相配套的路徑規(guī)劃算法和聯(lián)合定位算法，演示系統(tǒng)在泰國進行了部署與測試，對其電子圍欄、實時軌跡、軌跡回放功能進行了驗證，并對其車載終端單點定位精度、RTK定位精度、車載終端速度精度、人員終端單點定位精度、人員終端偽距差分精度等關(guān)鍵性能指標開展了測試，測試結(jié)果進一步驗證了北斗高精度智能交通系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用可行性。

關(guān)鍵詞：瀾滄江-湄公河;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);智能交通;高精度

中圖分類號： TN967.1 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： BeiDou navigation system is the self-developed Global Navigation Satellite System of China and the third mature satellite navigation system after GPS and GLONASS. China Software Testing Center developed the BeiDou high precision navigation system by implementing the demonstration of intelligent transportation based on BeiDou Navigation Satellite System project. The system includes central service subsystem， GNSS reference station， vehicle terminal subsystem and personal terminal subsystem， using the path planning algorithm and the joint localization algorithm which match with the school bus demonstration scene. The system was deployed and tested in Thailand， and its electronic fence， real-time track and track playback functions were verified， and the key performance indexes of its vehicle terminal single point positioning accuracy， RTK positioning accuracy， vehicle terminal speed accuracy， personnel terminal single point positioning accuracy， Personnel Terminal pseudo-range differential accuracy were tested. The test results verify the application feasibility of BeiDou high precision system at home and abroad， and promote the application and popularization of Beidou Global System.

Key words： lancang river-mekong river; BeiDou navigation system; intelligent transportation; high precision

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（本文簡稱北斗系統(tǒng)）是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，自主建設(shè)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。我國高度重視北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，自20世紀80年代開始探索適合我國國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，形成了“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。2000年年底，建成北斗一號系統(tǒng)，為國內(nèi)提供服務(wù);2012年年底，建成北斗二號系統(tǒng)，為亞太地區(qū)提供服務(wù);計劃2020年前后，建成北斗三號系統(tǒng)，為全球提供服務(wù)。預(yù)計2035年前，將以北斗系統(tǒng)為核心，建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時（PNT）體系。當前，北斗系統(tǒng)基本導(dǎo)航服務(wù)在全球的性能指標為定位精度水平10m，高程10m（95%置信度），測速精度0.2m/s（95%置信度），授時精度20ns（95%置信度）;在亞太地區(qū)，定位精度水平5m，高程5m（95%置信度）。采用差分定位技術(shù)，可實現(xiàn)實時亞米級、厘米級和事后毫米級高精度定位[1]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在牽引學(xué)科建設(shè)、輻射創(chuàng)新發(fā)展的同時，也已成為服務(wù)國民經(jīng)濟發(fā)展的中堅力量之一。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)已覆蓋亞太大部分地區(qū)，可為瀾滄江-湄公河區(qū)域合作國家提供智能交通、智慧旅游、跨境運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用，服務(wù)周邊國家經(jīng)濟社會發(fā)展。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第三階段全球組網(wǎng)建設(shè)的推進，其應(yīng)用服務(wù)必將對瀾滄江-湄公河區(qū)域合作國家產(chǎn)生更深遠的影響[2]。

2019年，在瀾滄江-湄公河區(qū)域合作機制下，中國軟件評測中心聯(lián)合全圖通位置網(wǎng)絡(luò)有限公司，實施基于北斗高精度導(dǎo)航定位的智能交通應(yīng)用示范項目，研制了高精度地基增強設(shè)備及系統(tǒng)，系統(tǒng)采用北斗、地理信息系統(tǒng)（GIS）、4G通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)手段，建立基于北斗地基增強的車輛和人員北斗高精度定位監(jiān)控和可視化管理系統(tǒng)，滿足國內(nèi)外的車輛和人員北斗高精度定位需求。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)分為中心服務(wù)子系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）基準站子系統(tǒng)、車載終端子系統(tǒng)和人員終端子系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體組成圖如圖1所示。

GNSS基準站子系統(tǒng)的天線安裝在坐標已知點，GNSS基準站接收機接收衛(wèi)星信號，并將生成的原始觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)子系統(tǒng);中心服務(wù)子系統(tǒng)生成差分改正數(shù)，通過4G無線鏈路將GNSS差分改正數(shù)播發(fā)出去;車載終端子系統(tǒng)和人員終端子系統(tǒng)通過4G無線鏈路獲取GNSS差分改正數(shù)，并與接收到的衛(wèi)星信號進行差分計算，實現(xiàn)車輛和人員的高精度定位，將車輛和人員的位置信息發(fā)送至中心服務(wù)子系統(tǒng);中心服務(wù)子系統(tǒng)接收車輛的實時位置、速度等信息，在二維GIS地圖上直觀顯示，實現(xiàn)車輛的有效管理，如電子圍欄等功能[3]。

2.1 中心服務(wù)子系統(tǒng)

中心服務(wù)子系統(tǒng)主要包括高精度定位軟件和配套的計算機、UPS等設(shè)備。高精度定位軟件接收GNSS基準站子系統(tǒng)發(fā)送的原始觀測數(shù)據(jù)，生成差分改正數(shù)。同時，高精度定位軟件與車載移動站子系統(tǒng)和人員定位子系統(tǒng)進行通訊，通過4G無線鏈路播發(fā)GNSS差分改正數(shù)，接收返回的高精度定位信息，在二維GIS地圖上直觀顯示，實現(xiàn)車輛和人員的有效監(jiān)控管理，如電子圍欄管理等。

2.2 GNSS基準站子系統(tǒng)

GNSS基準站子系統(tǒng)接收衛(wèi)星信號，并將生成的原始觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)子系統(tǒng)，GNSS基準站子系統(tǒng)包含GNSS接收機、GNSS天線、浪涌保護器、避雷針以及配套線纜和機箱等設(shè)備，如圖2所示。基準站GNSS接收機支持BDS、GPS、GLONASS和GALILEO高精度板卡，提供毫米級載波相位觀測值和后處理定位信息。主機系統(tǒng)穩(wěn)定性強、網(wǎng)絡(luò)管理功能強大、具有良好的人機交互、抗干擾能力強、穩(wěn)定性高、功耗低、優(yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)性，很好地滿足了基準站長期無人值守的環(huán)境。適用于測繪、氣象、地震、位移監(jiān)測、科學(xué)研究和其他高精度測量定位的應(yīng)用領(lǐng)域。GNSS測量型天線可接收BDS、GPS和GLONASS三大GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星信號。天線結(jié)構(gòu)采用雙重防水，防紫外線外殼設(shè)計，可廣泛應(yīng)用于智能駕駛、測量測繪、駕考駕培、精準農(nóng)業(yè)、數(shù)字化機械作業(yè)等領(lǐng)域。

2.3 車載終端子系統(tǒng)

車載終端子系統(tǒng)主要實現(xiàn)車輛的高精度定位。車載終端通過4G無線鏈路獲取GNSS差分改正數(shù)，并與自身接收到的衛(wèi)星信號進行差分計算，實現(xiàn)車輛的高精度定位，將車輛位置信息發(fā)送至中心服務(wù)子系統(tǒng)。車載終端子系統(tǒng)包含車載GNSS接收機、GNSS天線、4G天線等組成部分。車載GNSS接收機是一款專用于車載的高精度GNSS接收機。該接收機采用了北斗RTK等多種差分定位技術(shù)，內(nèi)置4G全網(wǎng)通通訊模塊，支持差分數(shù)據(jù)接入及數(shù)據(jù)實時回傳。

2.4 人員終端子系統(tǒng)

人員終端子系統(tǒng)主要實現(xiàn)人員的高精度定位。通過4G無線鏈路獲取GNSS差分改正數(shù)，并與接收到的衛(wèi)星信號進行差分計算，實現(xiàn)人員的高精度定位，將人員位置信息發(fā)送至中心服務(wù)子系統(tǒng)。人員終端子系統(tǒng)包含人員定位終端及輔助穿戴套件。人員定位終端是一款專用于人員監(jiān)控的高精度GNSS接收機，采用北斗偽距差分等多種差分定位技術(shù)，內(nèi)置4G全網(wǎng)通通訊模塊，支持差分數(shù)據(jù)接入及數(shù)據(jù)實時回傳。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 聯(lián)合定位算法

聯(lián)合定位算法主要是研究基于實時RTK的定位解算算法，針對車輛和行人的高精度軌跡跟蹤，開展實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK）+星際增強系統(tǒng)（SBAS）+無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的高精度無縫定位聯(lián)合研究，使系統(tǒng)未來能夠在基于超寬帶（UWB）的技術(shù)環(huán)境下實現(xiàn)室內(nèi)外一體化的無縫定位導(dǎo)航[4]。

系統(tǒng)利用的算法基礎(chǔ)是一種空間的距離交會原理。在地面特定位置上安置的北斗/GPS接收機，同一時刻可以接收4顆以上衛(wèi)星發(fā)射的信號。通過測定這4顆以上衛(wèi)星在此瞬間的位置以及它們分別至該接收機的距離，據(jù)此利用距離交會法解算出測站P的位置及接收機鐘差δt。

如圖3所示，設(shè)時刻ti在測站點P用接收機同時測得P點至四顆衛(wèi)星S1、S2、S3、S4的距離、、、，通過GPS電文解譯出四顆GPS衛(wèi)星的三維坐標，，用距離交會的方法求解P點的三維坐標的觀測方程為：

式中的c為光速，δt為接收機鐘差。

3.2 路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃算法主要是研究多判決標準的路徑導(dǎo)航算法，針對城市環(huán)境下交通領(lǐng)域的智能化導(dǎo)航進行研究，引入交通路況信息作為搜索約束，瞄準城市路況智能導(dǎo)航問題場景，最終形成針對城市復(fù)雜路況環(huán)境下的多判決智能化導(dǎo)航算法。

假設(shè)路網(wǎng)中每一個節(jié)點都有標號（dt，pt），dt是從出發(fā)點s到點t的最短路徑長度;pt表示從s到t的最短路徑中t點的前一個點。求解從出發(fā)點s到點t的最短路徑算法的基本過程如圖4所示。

從圖4算法步驟中可以看出，該路徑最優(yōu)算法的關(guān)鍵部分是從未標記的點中不斷地找出距離源點距離最近的點，并把改點加入到標記的點集合中，同時更新未標記的點集合中其余點到起始點的最短估計距離。

在實際應(yīng)用中，本路徑規(guī)劃算法以Dijkstra算法為基礎(chǔ)，結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，基礎(chǔ)路徑規(guī)劃算法利用鄰接矩陣算法和鄰接節(jié)點算法開展設(shè)計，同時也作為后續(xù)算法擴展的基礎(chǔ)。與普通的平面網(wǎng)絡(luò)圖相比，瀾滄江-湄公河區(qū)域國家實際城市道路網(wǎng)絡(luò)的拓撲圖通常具有的特點是：多為大規(guī)模的稀疏網(wǎng)絡(luò)，點多邊少（網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通常成千上萬，甚至更多，而每個節(jié)點相連的路段一般不超過5，多為2、3或4）;網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對比較規(guī)則，即網(wǎng)中的節(jié)點分布比較均勻（特別是經(jīng)過規(guī)劃的現(xiàn)代大都市）;網(wǎng)絡(luò)通常是（或近似是）完全連通圖，即網(wǎng)絡(luò)中的任意兩點都可以相互到達;網(wǎng)絡(luò)中有表示供智能車輛掉頭的換向節(jié)點，而且一般距當前路口500m左右。根據(jù)以上諸多特點，符合當?shù)卦搮^(qū)域內(nèi)的限制搜索區(qū)域的路徑規(guī)劃算法有著更多的優(yōu)勢。

限制搜索區(qū)域的最短路徑規(guī)劃算法，有效地降低了算法的搜索空間，提高了算法的搜索效率。但是，限制搜索區(qū)域的路徑規(guī)劃算法只能解算出數(shù)學(xué)意義上的最短路徑，還需要考慮很多算法預(yù)期或定量化的因素。在此基礎(chǔ)上，需利用實際城市道路網(wǎng)絡(luò)中路段的不同等級特性，構(gòu)造不同于方向搜索策略的另一種啟發(fā)式搜索策略，即分層搜索策略，設(shè)計基于分層道路網(wǎng)絡(luò)的分層路徑規(guī)劃算法，這樣即可保證路徑規(guī)劃的準確性，同時也提高了搜索效率。

3.3 高精度定位模塊

高精度定位模塊包括車載和人員兩類。由于車載終端采用外部供電，且不受功耗、體積和重量等限制，因而主要關(guān)注的性能指標是定位精度，因此車載終端選擇RTK定位模塊，實現(xiàn)高精度定位，定位精度為亞米級，滿足車道級導(dǎo)航的應(yīng)用要求。人員定位終端需要內(nèi)置電池，且需要輕便、不影響正常工作及工作的持續(xù)性，因此人員終端選擇差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）定位模塊，同時由于人員自身姿態(tài)的變化較大，對定位的精度要求可適當放低，將定位精度設(shè)定為米級，滿足人員監(jiān)控的應(yīng)用要求，并為未來的應(yīng)用開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4 測試結(jié)果

4.1功能測試

4.1.1電子圍欄

通過將電子圍欄系統(tǒng)跟相關(guān)移動設(shè)備進行綁定，從而可以確定移動設(shè)備和電子圍欄的位置關(guān)系，包括移動設(shè)備進出圍欄區(qū)域的時間、在圍欄內(nèi)區(qū)域停留的時長等。在本項目中，若裝有定位系統(tǒng)的校車沒有在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)行駛或者翻越電子圍欄邊界就會產(chǎn)生一系列的報警通知，平臺會及時進行消息閃爍展示和進行警告聲音的提醒。這時，管理者就能及時查看知曉相關(guān)車輛的動態(tài)，對其采取相應(yīng)的處理措施，如圖5所示。

4.1.2 實時軌跡

在地圖上實時顯示車輛和人員的位置，并且可以分別選擇特定車輛和人員，打開實時軌跡窗口，在實時軌跡窗口可以顯示車輛和人員的位置和移動信息，如圖6所示。

4.1.3 軌跡回訪

該系統(tǒng)可以全天侯監(jiān)控所有被控車輛的實時位置，隨時回放自定義時段車輛歷史軌跡及行程記，如圖7所示為車輛軌跡回訪。

4.2 性能測試

4.2.1 車載終端單點定位精度測試

單點定位是利用單臺設(shè)備實時觀測量，不使用差分數(shù)據(jù)進行定位的方法。本系統(tǒng)的單點定位精度指的是水平的單點定位精度。其計算方法參照《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法》[5]，使用實際衛(wèi)星信號測試，通過饋線將OEM板與天線連接在室外的基線檢驗場的觀測點上，待OEM板得到定位結(jié)果后開始記錄輸出的坐標，數(shù)據(jù)采樣間隔不大于30s，記錄數(shù)據(jù)不少于100個，計算單點定位的水平定位精度，如圖8和圖9所示，設(shè)備實際位置與精確坐標的距離誤差RMS值優(yōu)于3m。

4.2.2 車載終端RTK定位精度測試

RTK定位精度測試使用差分數(shù)據(jù)進行定位。本系統(tǒng)的RTK定位精度指的是水平的定位精度。其計算方法參照《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法》（BD 420002—2015），使用實際衛(wèi)星信號測試，通過饋線將OEM板與天線連接在室外的基線檢驗場的觀測點上，待OEM板得到定位結(jié)果后開始記錄輸出的坐標，數(shù)據(jù)采樣間隔不大于30s，記錄數(shù)據(jù)不少于100個，計算RTK定位的水平定位精度，如圖10和圖11所示，設(shè)備實際位置與精確坐標的距離誤差RMS值優(yōu)于5cm。

4.2.3 車載終端速度精度測試

車載終端速度精度測試參照《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法》（BD 420002—2015），用GNSS模擬器模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號和用戶運動軌跡，輸出射頻仿真信號。被測OEM板接受射頻仿真信號，按1Hz的更新率輸出速度數(shù)據(jù)，以模擬器仿真的速度作為標準，計算速度誤差及其分布，如圖12所示，設(shè)備實際速度與高精度設(shè)備精度誤差RMS值優(yōu)于0.3m/s。

4.2.4 人員終端單點定位精度測試

人員終端單點定位精度測試數(shù)據(jù)處理方法與上述車載終端單點定位精度測試方法一致。使用實際衛(wèi)星信號測試，通過饋線將OEM板與天線連接在室外的基線檢驗場的觀測點上，待OEM板得到定位結(jié)果后開始記錄輸出的坐標，數(shù)據(jù)采樣間隔不大于30s，記錄數(shù)據(jù)不少于100個，計算人員終端單點定位的水平定位精度，如圖13和圖14所示，設(shè)備實際位置與精確坐標的距離誤差RMS值優(yōu)于3m。

4.2.5 人員終端偽距差分精度測試

人員終端偽距差分精度指的是水平的單點定位精度。偽距差分精度參照《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法》（BD 420002—2015），使用實際衛(wèi)星信號測試，在檢驗場地選取不大于50KM基線進行檢驗，有效的GNSS衛(wèi)星數(shù)目不少于8顆，設(shè)置衛(wèi)星截止高度角不大于10°，流動站OEM板在已知坐標的點位上進行觀測，人工進行10組觀測，每組采集不少于100個偽距差分測量結(jié)果，如圖15和圖16所示，設(shè)備實際位置與精確坐標的距離誤差RMS值優(yōu)于2m。

4.2.6 人員終端速度精度測試

人員終端速度精度測試數(shù)據(jù)處理方法與上述車載終端速度精度測試方法一致。用GNSS模擬器模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號和用戶運動軌跡，輸出射頻仿真信號。被測OEM板接受射頻仿真信號，按1Hz的更新率輸出速度數(shù)據(jù)，以模擬器仿真的速度作為標準，計算速度誤差及其分布，如圖17所示，設(shè)備實際速度與高精度設(shè)備精度誤差RMS值優(yōu)于0.3m/s。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于北斗高精度導(dǎo)航定位的智能交通示范應(yīng)用系統(tǒng)，包括系統(tǒng)組成及工作原理、關(guān)鍵技術(shù)，并在泰國開展實地測試，驗證系統(tǒng)的功能指標與性能指標均滿足國家標準及系統(tǒng)設(shè)計的要求。通過搭建此系統(tǒng)，建立北斗應(yīng)用落地的演示平臺，拓寬了北斗在瀾湄國家及科研機構(gòu)的合作渠道，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際合作中的應(yīng)用推廣起到重要的促進作用。

參考文獻

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