高精度GPS／GIS定位技術(shù)在機動車道路考試系統(tǒng)中的應(yīng)用研究＊

吳業(yè)福 潘世剛 康 壯 吳超仲

（1．武漢理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 武漢430063；2．武漢理工大學(xué)水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心 武漢430063）

0 引 言

目前有少量的計算機化的科目三路考系統(tǒng)投入使用。但是現(xiàn)有的科目三路考系統(tǒng)缺少對騎壓中心實線、長時間騎壓車道分界線、靠邊停車時車身與右邊緣線距離是否大于30cm等與車輛位置有關(guān)的評判項目的自動評判。究其原因是系統(tǒng)無法精確、實時顯示考試車輛的位置。GPS／GIS利用實時動態(tài)差分法（RTK）技術(shù)，定位精度可達(dá)分米級［1］，從而給現(xiàn)有路考系統(tǒng)與車輛位置有關(guān)的項目的自動評判提供了1種有效地解決途徑。國家道路安全行動計劃項目（課題編號：2009BAG13A05）支持開發(fā)的新型科目三路考系統(tǒng)中，使用厘米級精度的GPS／GIS實現(xiàn)了與車輛位置有關(guān)的評判項目的自動評判。

本路考系統(tǒng)分為考試中心監(jiān)控部分和車載端自動評判兩部分［2］。考試中心監(jiān)控部分安裝在考試中心服務(wù)器上，車載端GPS／GIS評判部分安裝在考試車工控機上?？荚囍行膶崿F(xiàn)對考試車輛軌跡和考試過程的全程監(jiān)視。車載端采集高精度的GPS位置數(shù)據(jù)，并實時與高精度的考試道路GIS數(shù)據(jù)進行拓?fù)潢P(guān)系運算，判斷出考試車輛與道路標(biāo)線或者特點區(qū)域位置關(guān)系，從而精確、實時確定考試車輛所處位置，進而實現(xiàn)相關(guān)考試項目的自動評判、車輛行駛方向的自動導(dǎo)航提示和車輛軌跡監(jiān)視等功能［3］。

1 高精度GPS/GIS定位技術(shù)

GPS定位信息定位的基本原理為：利用空間距離后方交匯法以GPS衛(wèi)星瞬時位置作為已知數(shù)據(jù)，解算待測點的空間坐標(biāo)［4］。目前1個GPS的單點定位精度在15m左右［5］。因此，僅僅簡單的利用GPS的單點定位實現(xiàn)機動車道路考試系統(tǒng)是不現(xiàn)實的，因為機動車定位精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。為了解決這個問題，系統(tǒng)采用了1種更加精密得測量技術(shù)——載波相位差分技術(shù)（real time kinematic，RTK）。RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果［6］，并達(dá)到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，高精度的GPS測量采用載波相位觀測值，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不到1s。

本系統(tǒng)的高精度GPS采用RTK技術(shù)。定位設(shè)備分為基站和流動站。基站架設(shè)在車管所樓頂，基站GPS采用的是TRIMBLE R8GNSS系統(tǒng)。除此之外，基站還配置有電臺和避雷針。流動站GPS采用的是TRIMBLE 5700，該GPS接收機架設(shè)在車頂上，并且處在車輛4個輪子構(gòu)成矩形的對角線中點?；鞠到y(tǒng)采用西安80坐標(biāo)系。R8加上5 700的組合能使RTK精度達(dá)到2～6cm。

2 車輛位置精確定位的實現(xiàn)

機動車道路考試系統(tǒng)通過使用高精度GPS／GIS技術(shù)，實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān)控。系統(tǒng)將高精度GPS定位信息，與高精度GIS電子地圖結(jié)合在一起，以圖片、文字、位置狀態(tài)量等形式實時描述出車輛具體位置和當(dāng)前狀態(tài)。通過這些位置信息，考試監(jiān)控中心的監(jiān)控人員可以實時觀測到考試車的運行及進行車輛信息的查詢，車載端評判系統(tǒng)可以實時進行與車輛位置相關(guān)考試項目的自動評判、車輛行駛方向的自動導(dǎo)航提示。系統(tǒng)的GPS／GIS模塊最重要的技術(shù)是車輛形狀建模、車輛行駛方向判斷模型的建立以及GPS／GIS評判模塊的實現(xiàn)。

2．1 車輛形狀建模

要利用高精度GPS／GIS判斷車輛位置關(guān)系，首先需對車輛形狀進行合理建模。車輛外輪廓可以看做1個規(guī)則的矩形，而矩形長和寬的選取直接影響著系統(tǒng)評判的準(zhǔn)確程度。在與車輛位置有關(guān)的評判項目中，與車輛矩形寬有關(guān)的評判項主要涉及到車輛的壓線判斷，比如壓中心實線或邊緣線等。車輛寬度即使有1cm誤差就也對評判結(jié)果產(chǎn)生影響。而與車輛矩形長有關(guān)的評判項則是涉及所在區(qū)域的判斷，比如禁止停車區(qū)域等。本系統(tǒng)采用車輛4個輪子外側(cè)的中心點連接而成的矩形框作為車輛的外部輪廓。如圖1所示，取車輪外側(cè)中心軸線垂直向下，并與地面剛好接觸的一點作為測量點，前后2點的連線長度作為車長，左右2點的連線長度作為車寬。這4點構(gòu)成車輛矩形，GPS接收機則需放置在矩形的中心點。在實地測量車輛外形數(shù)據(jù)時，確定好4點后車長和車寬可以直接通過皮尺進行車輛，而GPS接收機位置相對麻煩。GPS解算的定位數(shù)據(jù)正式GPS接收機的坐標(biāo)，所以GPS接收機位置的偏移會嚴(yán)重影響評判結(jié)果。系統(tǒng)通過定位4個車輪垂直與水平方向的中心點，將其作為GPS接收機位置。

圖1 車輛矩形長寬及GPS接收機Fig．1 The position of the GPS receiver assembled on the vehicle

2．2 車輛行駛方向判斷

系統(tǒng)的車載端GPS接收機采用天寶公司的Trimple 5700。該GPS屬于單天線GPS，只能定位車輛位置坐標(biāo)，而無法獲取車輛當(dāng)前朝向。在中心點確定的情況下，車輛的朝向的變化會使車輛輪廓矩形錯位，從而直接影響著車輛信息的精確定位。當(dāng)車輛運動時，可以通過前后兩點的坐標(biāo)值來確定車輛行駛方向。而車輛矩形的長和寬可以通過定位關(guān)鍵點得到。通過中心點坐標(biāo)、車長、車寬和車輛方向，就能確定車輛矩形四個頂點的坐標(biāo)值。

雖然本系統(tǒng)RTK精度只有2～6cm。但當(dāng)車速過慢時，GPS誤差帶來的巨大影響就會凸顯出來。如圖2所示，A車以3．6km／h的速度行駛，B車以36km／h的速度行駛。黑色箭頭為A車和B車行駛方向。系統(tǒng)采用的GPS為10Hz，即0．1s就有1條GPS數(shù)據(jù)發(fā)送過來。A車0．1 s可以行駛0．1m，假設(shè) A車0．1s走到了（X1，Y1）點，由于GPS存在這幾厘米的誤差，接受到的坐標(biāo)變成了（X1，Y1－Δd）。式中：Δd為偏移量。同樣，B車1s可以行駛1m，B車走到（X2，Y2）點，而實際接受到坐標(biāo)變?yōu)椋╔2，Y2－Δd）。由于誤差的影響，A車與B車的方向與實際方向都有偏差。由圖2可見，A車方向偏離的程度大于B車。一般來說，誤差值一定的情況下，速度越快的車輛0．1s內(nèi)行駛距離越長，誤差對車輛方向的影響就越小。因此，幾厘米的誤差對快速行駛的車輛來說可以忽略不計，而對與剛起步或是靠邊停車階段的車輛來說，會引起車輛方向的偏移，從而嚴(yán)重影響對車輛是否壓線或是離道路邊緣線距離的判斷。

圖2 車速對車輛方向的影響Fig．2 The effect of the vehicle’s direction with the vehicle’s speed

為了在現(xiàn)有設(shè)備，現(xiàn)有精度的前提下提高系統(tǒng)評判的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用了取平均值的方法來確定車輛行駛方向。如圖3所示，系統(tǒng)用數(shù)組記錄本條GPS數(shù)據(jù)之前的4個坐標(biāo)值，分別計算出每2點之間方向角度，然后對這些角度取平均值，得到車輛的平均方向作為車輛矩形的方向來進行評判。經(jīng)過實地測試，僅僅采用2點作為車輛方向時，車速較慢時系統(tǒng)誤差在0～20cm，而取平均方向時，系統(tǒng)誤差在0～10cm。實驗證明取平均方向的方法大大提高了GIS評判模塊的準(zhǔn)確性，如圖3所示。

圖3 車輛平均方向Fig．3 The average movement direction of the motor vehicle with the vehicle’s speed

2．3 GPS／GIS定位相關(guān)評判模塊的實現(xiàn)

GPS／GIS定位相關(guān)的評判模塊在車載端評判系統(tǒng)中起著非常重要的作用。與GPS／GIS定位相關(guān)的評判項主要分為2類，一類以GPS／GIS數(shù)據(jù)作為主要評判依據(jù)的評判項，另一類是以GPS／GIS數(shù)據(jù)作為輔助判斷依據(jù)的評判項。第一類評判項主要與騎壓道路線的判斷有關(guān)，比如“車輛行駛中騎軋車道中心實線”?！败囕v行駛中騎軋車道中心實線”項目的評判流程見圖4。

圖4 “車輛行駛中騎軋車道中心實線”評判流程Fig．4 The evaluation process that the vehicle cross the road center line

評判項目“車輛行駛中騎軋車道中心實線”的關(guān)鍵評判代碼如下：

第二類評判項主要與車輛行駛區(qū)域有關(guān)。首先GPS／GIS模塊定位出車輛所在的區(qū)域。當(dāng)考試車進入特定區(qū)域時，系統(tǒng)獲取考生動作或車輛動作信息后進行進一步綜合評判。比如對于評判項目“在學(xué)校區(qū)域不觀察左、右方交通情況”，評判模塊不僅僅需要高精度的GPS／GIS定位信息，還需要頭部運動圖像處理數(shù)據(jù)：是否觀察左、右方交通情況。其評判代碼更復(fù)雜。

2．4 系統(tǒng)運行效果

科目三路考系統(tǒng)已經(jīng)在浙江、廣東等10個城市示范應(yīng)用。車載端GPS／GIS模塊能為道路考試系統(tǒng)提供如下考試項目所需的車輛位置定位信息：考試車輛所在車道，是否行駛或停放在人行橫道區(qū)域、交叉路口、學(xué)校區(qū)域、公共汽車站區(qū)域，是否行駛或停放在山區(qū)、涵洞、隧道、彎道、陡坡、高速公路等路段，當(dāng)前道路限速值，考試車輛距離道路中心實線（雙黃線、單黃線、白實線）的值、考試車輛距離道路右側(cè)邊緣線的值等。通過運用這些車輛位置定位信息配合其他傳感器實時數(shù)據(jù)，可以完成以下與車輛位置有關(guān)的評判項目的自動評判：車輛行駛中騎軋車道中心實線或者車道邊沿實線、停車后車身超過道路右側(cè)邊緣線或者人行道邊緣、停車后車身距離道路右側(cè)邊緣線或者人行道邊緣大于30cm、將車輛停在人行橫道網(wǎng)狀線內(nèi)等禁止停車區(qū)域、長時間騎軋車道分界線行駛、通過路口前／人行橫道／學(xué)校區(qū)域／公交車站未減速慢行、通過路口前／人行橫道／學(xué)校區(qū)域／公交車站不觀察左、右方交通情況等。

圖5是采用高精度GPS／GIS技術(shù)實現(xiàn)的與車輛位置有關(guān)的評判項目的自動評判結(jié)果及車輛運行運行軌跡。圖中顯示出了與車輛位置有關(guān)的評判項目的實時扣分信息和扣分位置。

圖5 車輛運行軌跡和實時扣分監(jiān)控界面Fig．5 The monitoring interface of the vehicle running track and real－time deductions

3 結(jié)束語

GPS影響車輛位置精度的客觀因素有很多，比如天氣、樓房遮擋、衛(wèi)星狀態(tài)、地圖誤差等等［2］。本系統(tǒng)對GPS／GIS模塊進行了系統(tǒng)測試。利用測試界面觀察車輛狀態(tài)值，與實際情況進行對比，記錄每次觀察結(jié)果。當(dāng)車輛靠邊停車時，用標(biāo)尺測量車輪與邊緣線距離，并按時間、天氣進行記錄和分析。除此之外，還進行了不同地方不同天氣的測試，分別在武漢理工航海樓和嘉興進行了長達(dá)3個月的測試。測試期間遇到了晴天、雷雨、多云、雪天等多種天氣，也經(jīng)歷過不同高度樓房遮擋下。經(jīng)過實地測試和分析，車輛壓線判斷的整體精度在0～10cm內(nèi)，GPS／GIS相關(guān)評判項的準(zhǔn)確率為99%，滿足了機動車道路考試系統(tǒng)評判的基本需求。

雖然GPS／GIS較準(zhǔn)確實現(xiàn)了車輛位置信息的判別，但相對來說成本較高。如果使用陀螺儀將會大大降低系統(tǒng)成本。陀螺儀通過測量載體的角速度，進而計算得到物體的運動姿態(tài)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成1個導(dǎo)航坐標(biāo)系使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度，再對時間的1次積分從而得到速度，速度再經(jīng)過對時間的1次積分即可得到距離，即可通過這種方法獲得車輛的行動軌跡。使用陀螺儀來進行高精度的車輛位置定位和考試項目評判，涉及到安裝、壽命和精度等問題，這也是今后研究的方向。

［1］ 王廣運．載波相位差分GPS定位技術(shù)［J］．測繪工程，1999，8（1）：12－14．

［2］ 賀 宜，吳超仲，吳業(yè)福．一種機動車駕駛?cè)说缆房荚囍悄茉u判監(jiān)測系統(tǒng)［J］．交通信息與安全，2011，29（1）：93－95．

［3］ Wu Yefu，Li bo，Wu Chaozhong．Real－time automatic evaluation technology in vehicle road test system based on neural network［C］∥Wuxi，China：published by CPS，International symposium on distributed computing and Applications for Busineses Engineering and science，2011．

［4］ Burrough P A，McDonnell．Principles of geographic information system［M］．New York：Oxford University Press，1998．

［5］ Shree S．Applications of geographical information system（GIS）for spatial decision support in aquaculture［J］．Aquacultual Engineering，2000（23）：243－245．

［6］ 張照杰．網(wǎng)絡(luò)RTK定位原理與算法研究［D］．濟南：山東科技大學(xué)，2007：24－28．