基于北斗/GPS雙切換的中心導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

鄭嘯天,秦貴和,董勁男,,陳 虹

(1. 吉林大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130012； 2. 吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院,長春 130012)

基于北斗/GPS雙切換的中心導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

鄭嘯天1,秦貴和1,董勁男1,2,陳 虹2

(1. 吉林大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130012； 2. 吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院,長春 130012)

設(shè)計一種基于北斗和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)雙切換的中心導(dǎo)航系統(tǒng). 該系統(tǒng)對兩種定位模式信號載噪比進(jìn)行分析,靈活切換定位系統(tǒng),解決了普通雙模定位系統(tǒng)中信號有效性不連續(xù)的問題； 并將動態(tài)路況信息引入路徑規(guī)劃過程,解決了傳統(tǒng)車載導(dǎo)航無法根據(jù)實時交通狀況進(jìn)行靈活規(guī)劃的問題； 制定了車臺與中心服務(wù)器間簡易數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,簡化了傳統(tǒng)車服通信協(xié)議. 實驗結(jié)果表明,該切換系統(tǒng)可使衛(wèi)星數(shù)據(jù)保持更高的質(zhì)量并實現(xiàn)了根據(jù)交通狀況的動態(tài)導(dǎo)航.

中心導(dǎo)航； 北斗； 全球定位系統(tǒng)； 電子地圖

作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分,車載導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用廣泛. 其中車載導(dǎo)航中的中心導(dǎo)航是最適合未來發(fā)展方向的導(dǎo)航系統(tǒng)[1],其利用從交管部門獲取的實時路況信息動態(tài)地更新服務(wù)器端的電子地圖,克服了傳統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)無法將實時路況融入導(dǎo)航過程、 難以更新車載電子地圖的缺陷[2]. 傳統(tǒng)自主導(dǎo)航系統(tǒng)為單個車輛設(shè)計,因此不利于車隊管理和公共交通管理,而擁有全局監(jiān)控功能的中心導(dǎo)航系統(tǒng)是最佳的解決方案.

車載導(dǎo)航依賴于衛(wèi)星定位技術(shù),北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、 獨(dú)立運(yùn)行的GNSS(global navigation satellite system),其與目前全球廣泛應(yīng)用的全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)空間星座規(guī)劃幾何特性不同[3],因此,在相同情況下,兩者的服務(wù)質(zhì)量可能存在差異. 研究表明,當(dāng)前北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)接近,但在某些情況下北斗系統(tǒng)的觀測值質(zhì)量稍優(yōu)于GPS觀測值質(zhì)量[4]. 當(dāng)出現(xiàn)兩種定位系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)質(zhì)量相差較大時,應(yīng)具備動態(tài)切換功能. 因此,本文提出一種基于北斗/GPS雙切換的中心導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計方法. 該系統(tǒng)通過對GPS與北斗衛(wèi)星信號的實時分析,靈活切換兩種定位模式,從而為用戶提供準(zhǔn)確、 高質(zhì)量的導(dǎo)航服務(wù).

1 中心導(dǎo)航系統(tǒng)的整體設(shè)計

中心導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示. 其中,嵌入式車臺通過北斗或GPS衛(wèi)星獲取自身的定位信息,并通過3G無線網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器進(jìn)行通訊,上傳自身信息與服務(wù)請求,接受中心下發(fā)的各項數(shù)據(jù). 中心端包括服務(wù)器、 數(shù)據(jù)庫和客戶端,服務(wù)器負(fù)責(zé)車臺用戶的身份驗證、 路徑規(guī)劃、 電子地圖、 協(xié)議解析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能； 數(shù)據(jù)庫主要保存車臺用戶信息、 中心客戶端客戶信息和電子地圖； 而中心客戶端完成車臺監(jiān)控和服務(wù)器維護(hù)等工作.

車臺需要完成衛(wèi)星信號的采集分析、 電子地圖的更新存儲與繪制顯示、 數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)裙δ? 車臺根據(jù)衛(wèi)星模塊獲得當(dāng)前車輛的定位信息,然后根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行中心導(dǎo)航,即將車輛的定位信息、 目的地信息及相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行協(xié)議封裝并通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到中心服務(wù)器,當(dāng)接收到中心下發(fā)的部分地圖文件和導(dǎo)航路徑數(shù)據(jù)后,車臺將可視化地顯示定位點(diǎn)的周邊地圖和規(guī)劃路徑.

中心端由中心服務(wù)器、 后臺數(shù)據(jù)庫和客戶端構(gòu)成. 中心服務(wù)器D-Partner平臺完成車臺數(shù)據(jù)包的接收、 協(xié)議轉(zhuǎn)換、 數(shù)據(jù)庫操作、 地圖下載和路徑規(guī)劃等工作； 車臺用戶個人信息、 登錄口令和系統(tǒng)日志等存儲于后臺數(shù)據(jù)庫； 客戶端使用PC機(jī),與中心服務(wù)器通過局域網(wǎng)相連,由中心工作人員進(jìn)行電子地圖更新、 實時路況上傳等操作.

1.1中心監(jiān)控服務(wù)

中心監(jiān)控服務(wù)是本系統(tǒng)的核心. 監(jiān)控服務(wù)模塊位于中心服務(wù)器,連接了車臺與客戶端,將中心導(dǎo)航的各組成部分組合在一起. 中心監(jiān)控服務(wù)模塊框架如圖2所示.

圖1 中心導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of central navigation system

圖2 中心監(jiān)控服務(wù)模塊框架Fig.2 Framework of central supervisory service

該模塊具有如下功能： 1) 接收車臺通過3G無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包; 2) 根據(jù)協(xié)議對車臺數(shù)據(jù)包中的信息進(jìn)行解釋; 3) 將車臺數(shù)據(jù)包中的部分信息按系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)議進(jìn)行打包并發(fā)送至客戶端; 4) 與客戶端進(jìn)行交互,包括客戶端用戶身份驗證、 車臺信息的傳送、 服務(wù)命令下發(fā)、 客戶端管理命令及數(shù)據(jù)處理等; 5) 對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作,包括電子地圖的存儲及更新、 車臺信息的存儲和客戶端用戶信息的存儲等； 6) 根據(jù)車臺請求進(jìn)行路徑規(guī)劃,在客戶端修正實時路況權(quán)值的基礎(chǔ)上,中心服務(wù)器根據(jù)路網(wǎng)和用戶導(dǎo)航類型請求進(jìn)行最佳路徑的計算; 7) 下發(fā)電子地圖,當(dāng)車臺與中心服務(wù)器連接后,電子地圖的路網(wǎng)層將被下發(fā)至車臺,此外,當(dāng)其他圖層發(fā)生更新時也可將其下發(fā)至車臺進(jìn)行地圖同步.

1.2車臺管理

車臺管理包括車臺通訊和車臺服務(wù). 車臺通訊使用SOCKET網(wǎng)絡(luò)編程完成車臺與服務(wù)器的無線網(wǎng)絡(luò)連接.

本文設(shè)計的系統(tǒng)在車服連接部分使用線程池技術(shù). 線程池技術(shù)可顯著減少線程動態(tài)創(chuàng)建和銷毀次數(shù),從而降低服務(wù)器在維護(hù)線程上的開銷[5]. 車臺與服務(wù)器間的通訊由線程池和一個服務(wù)線程構(gòu)成,服務(wù)線程是對用戶請求進(jìn)行處理的工作線程. 先創(chuàng)建若干數(shù)量的線程QThread,并使其處于就緒狀態(tài),當(dāng)用戶有連接請求時,線程池管理ThreadPoolManager將發(fā)射信號do_task( ),而信號與線程QThread的槽函數(shù)process( )連接,將任務(wù)轉(zhuǎn)入線程中執(zhí)行. 任務(wù)執(zhí)行完,該線程再回到就緒狀態(tài). 為防止所有線程都被占用而出現(xiàn)拒絕服務(wù)的情況,線程池管理在線程未使用完時就進(jìn)行預(yù)創(chuàng)建工作.

車臺服務(wù)是車臺管理中對用戶請求進(jìn)行響應(yīng)或根據(jù)客戶端命令對車臺操作的直接執(zhí)行者. 車臺服務(wù)需要在中心服務(wù)器與車臺連接時對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議解析,并根據(jù)其中的SIM卡號驗證車臺用戶的有效性. 服務(wù)器可對車臺存儲的部分電子地圖進(jìn)行更新,在車臺用戶提出導(dǎo)航請求后,該服務(wù)將根據(jù)路網(wǎng)及路況進(jìn)行路徑規(guī)劃并將規(guī)劃的線路及地圖道路網(wǎng)文件下發(fā)至車臺.

1.3車服間通訊協(xié)議

圖3 車服通訊協(xié)議格式Fig.3 Format of vehicle-server communication

車服間通訊協(xié)議是車臺與中心服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,車臺將請求服務(wù)消息按協(xié)議規(guī)范進(jìn)行封裝,再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到中心服務(wù)器,中心服務(wù)器的協(xié)議解析模塊將接收的消息報文進(jìn)行分析,根據(jù)車臺請求再轉(zhuǎn)向各類服務(wù)模塊. 服務(wù)器向車臺發(fā)送的各類命令同樣需要按照協(xié)議規(guī)范進(jìn)行封裝. 協(xié)議格式如圖3所示.

中心導(dǎo)航中車臺與服務(wù)器間使用最頻繁的是定位信息消息和導(dǎo)航消息. 本文將定位消息和導(dǎo)航請求消息合并為一條報文,該報文消息的參數(shù)如圖4所示,其中： 前5個字段分別是車臺根據(jù)衛(wèi)星信號接收模塊獲得的當(dāng)前定位信息; 導(dǎo)航掩碼字段是根據(jù)車臺用戶的選擇,如是否導(dǎo)航及規(guī)避什么樣的道路類型等產(chǎn)生的數(shù)據(jù); 協(xié)議解析模塊通過對導(dǎo)航掩碼的分析可將此條消息歸類并處理； 當(dāng)產(chǎn)生導(dǎo)航請求時,掩碼后的兩個字段即為目的地經(jīng)緯度信息. 服務(wù)器完成路徑規(guī)劃后產(chǎn)生的路線會以路段和拐點(diǎn)作為線路的標(biāo)識,路徑規(guī)劃消息的參數(shù)如圖5所示.

圖4 定位導(dǎo)航消息參數(shù)Fig.4 Position-navigation message parameter

圖5 導(dǎo)航路徑消息參數(shù)Fig.5 Navigation-path message parameter

在中心服務(wù)器與客戶端間的數(shù)據(jù)傳輸并不使用協(xié)議定義的格式信息. 客戶端與服務(wù)器同處于一個局域網(wǎng)內(nèi),因此它們之間使用文件直傳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

2 COMPASS/GPS定位模式切換

2.1衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)解析

衛(wèi)星定位模塊輸出的導(dǎo)航電文符合標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183協(xié)議,該協(xié)議數(shù)據(jù)由幀頭、 數(shù)據(jù)和結(jié)束符組成,根據(jù)幀頭字段的不同可區(qū)分幀的種類[6]. 根據(jù)對定位經(jīng)緯度信息和衛(wèi)星狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)的需求,本文使用NMEA0183協(xié)議3種類型的幀,其中： 推薦定位信息幀RMC獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和定位狀態(tài)指示符STATE； 當(dāng)前衛(wèi)星信息幀GSA獲取參與解算衛(wèi)星號SAT_ID； 可見衛(wèi)星信息幀GSV獲取可見空域內(nèi)所有衛(wèi)星號SAT_ID、 仰角EI和載噪比C_No. 衛(wèi)星定位通常至少需要4顆衛(wèi)星存在時,才能計算出有效的定位點(diǎn)數(shù)據(jù)[7]. 因此,可根據(jù)定位狀態(tài)指示符STATE是否等于字符‘A’判斷獲得經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的有效性. 北斗衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文幀與GPS衛(wèi)星發(fā)出的幀在數(shù)據(jù)上通過衛(wèi)星號甄別,GPS衛(wèi)星的ID區(qū)間為1～32,北斗衛(wèi)星的ID為101～115,處理流程如圖6所示.

2.2COMPASS/GPS定位模式切換

定位模式的切換即選擇北斗定位還是GPS定位. 當(dāng)出現(xiàn)某種定位系統(tǒng)法再提供有效定位數(shù)據(jù)時,應(yīng)考慮切換到另一種定位系統(tǒng). 切換的常用方法是根據(jù)推薦定位信息幀RMC中的定位狀態(tài)指示符STATE判定當(dāng)前定位是否有效,如果無效,即STATE=‘V’,則將切換到另一定位系統(tǒng)中. 這種方法只有在某一定位系統(tǒng)失靈時才進(jìn)行被動切換,而在該系統(tǒng)即將失效的時間段Δt內(nèi),定位的精度必然降低,因此,本文提出一種通過綜合北斗和GPS衛(wèi)星的可見星數(shù)量、 衛(wèi)星信號載噪比、 衛(wèi)星仰角和歷史趨勢分析的雙模切換方法,其流程如圖7所示.

圖6 衛(wèi)星導(dǎo)航電文處理流程Fig.6 Satellite navigation message processing

圖7 定位系統(tǒng)切換流程Fig.7 Position system switch processing

本文切換方法首先采集一次定位中產(chǎn)生的所有GSV幀,將該數(shù)據(jù)幀中可見空域內(nèi)所有衛(wèi)星的衛(wèi)星號SAT_ID、 仰角EI和載噪比C_No根據(jù)ID值的不同分別存入B_VECTOR和G_VECTOR兩個向量中. 由于C_No越大,表明該衛(wèi)星的信號強(qiáng)度越大; 而EI越大表明信號的質(zhì)量越好,因此根據(jù)C_No和EI值選出向量中前4個衛(wèi)星,并計算這4個衛(wèi)星的平均載噪比gps_avg4和bd_avg4.

考慮到某一時刻可能發(fā)生信號的抖動,因此對載噪比進(jìn)行累加求均值,將一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮,最后形成該種定位系統(tǒng)的信號參數(shù)gps_sum和bd_sum,計算方法如下：

在參考信號歷史數(shù)據(jù)的情況下,引入本段時間的信號參數(shù)和上一時段的參數(shù)進(jìn)行比對,產(chǎn)生信號趨勢標(biāo)志flag,用于說明該種定位系統(tǒng)信號強(qiáng)度的趨勢. 參數(shù)計算完后便進(jìn)入切換判定階段: 情況1) 若|gps_sum-bd_sum|≤ε,則根據(jù)趨勢標(biāo)志flag的大小判定應(yīng)選擇的定位系統(tǒng),若兩種定位方式的信號趨勢一致,則選擇參數(shù)較大的一方； 情況2): 兩類參數(shù)差值較大,則直接選擇參數(shù)大的一方. 本文切換方式通過對衛(wèi)星參數(shù)的分析可優(yōu)化選擇定位系統(tǒng),并縮短低質(zhì)量數(shù)據(jù)接收的時間.

3 路徑規(guī)劃

在路徑規(guī)劃中,常用的算法有蟻群算法、 A*算法、 Dijkstra算法、 Fallback算法和Floyd算法等[8]. 其中: 蟻群算法易于實現(xiàn),但計算量大、 易陷入局部最優(yōu)解[9]; A*算法魯棒性好、 但有節(jié)點(diǎn)限制問題[10]; Fallback算法主要應(yīng)用于多QoS要求的路由選擇[11]; Floyd算法時間復(fù)雜度高,不適合計算大量數(shù)據(jù)[12]. 本文使用直線優(yōu)化的Dijkstra算法作為路徑規(guī)劃的基礎(chǔ),根據(jù)用戶設(shè)定的導(dǎo)航掩碼和實際路況進(jìn)行導(dǎo)航路徑規(guī)劃.

為配合路徑規(guī)劃算法,先要將路網(wǎng)進(jìn)行有效地數(shù)據(jù)存儲和拓?fù)浣? 本文使用鄰接表的方式存儲路網(wǎng)信息. 表頭Head保存各段路徑的端點(diǎn)信息,邊鏈表節(jié)點(diǎn)Item保存該路徑端點(diǎn)所直接相鄰的其他端點(diǎn)信息. Item結(jié)構(gòu)中使用value變量保存表頭Head端點(diǎn)到Item端點(diǎn)間的距離,初始化時value=Length(路徑的直線距離),在客戶端對路況信息進(jìn)行匯總,并根據(jù)道路擁堵級別進(jìn)行判定后將value變量進(jìn)行加權(quán)處理. 直線優(yōu)化的Dijkstra算法將兩點(diǎn)間直線距離J(u0,v)作為選取合適頂點(diǎn)進(jìn)入集合S的判定條件之一[13]. 集合T中的頂點(diǎn)加入集合S的規(guī)則改進(jìn)為： 在集合T中找到一頂點(diǎn)ui,從u0經(jīng)過ui到v0距離的下限滿足最小值.

導(dǎo)航掩碼是車輛用戶在選擇路徑類型時產(chǎn)生的,電子地圖是分層組織的,不同類別的道路數(shù)據(jù)分別存儲于不同的地圖層. 道路共分為highway,mroad,sroad,mstreet,ostreet,sstreet 6種,導(dǎo)航掩碼MASK共8位,設(shè)計為： [0,0,highway,mroad,sroad,mstreet,ostreet,sstreet]. 當(dāng)用戶選擇可以行駛某一類型道路時,該道路所在位置1,否則置0. 在路徑規(guī)劃遍歷路段的過程中,使用MASK和節(jié)點(diǎn)Item的道路類型road_type進(jìn)行‘與’操作,若是0,則放棄該路段,否則進(jìn)行計算.

4 實驗系統(tǒng)與結(jié)果分析

4.1實驗環(huán)境

根據(jù)上述中心導(dǎo)航系統(tǒng)模型,在基于S3C6410平臺的嵌入式Linux環(huán)境下使用Qt/Embedded開發(fā)車臺,并在D-Partner平臺上開發(fā)了中心監(jiān)控端,對基于北斗/GPS雙切換的中心導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行原型系統(tǒng)的實現(xiàn); 電子地圖數(shù)據(jù)選取長春市區(qū)及郊區(qū)的地圖數(shù)據(jù); 路網(wǎng)數(shù)據(jù)由人為采集,包括長春市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)大部分區(qū)域.

4.2結(jié)果分析

在測試實驗中,使用本文提出的定位系統(tǒng)切換方法可較好地適應(yīng)兩種定位模式下衛(wèi)星信號的抖動,圖8和圖9顯示了兩個系統(tǒng)衛(wèi)星部分信號數(shù)據(jù)的采集分析和定位狀態(tài)判定.

圖8 兩定位系統(tǒng)均有效時的信號分析Fig.8 Analysis of satellite signal duringboth positioning system success

圖9 兩定位系統(tǒng)均失效時的信號分析Fig.9 Analysis of satellite signal during bothpositioning system failure

由圖8可見,在兩個系統(tǒng)都有效、 北斗系統(tǒng)信號強(qiáng)度持續(xù)降低的情況下,系統(tǒng)在其定位失效前切換到了GPS,保證了服務(wù)的連續(xù)性. 由圖9可見,在兩種系統(tǒng)都失效的情況下,切換模塊始終選擇信號能量累計均值較大的一方,避免了頻繁在兩種系統(tǒng)中的切換操作. 由于采用能量累計均值作為切換的依據(jù),當(dāng)信號出現(xiàn)抖動時可較好地保持定位系統(tǒng)穩(wěn)定. 本切換方法始終能將信號能量最強(qiáng)、 潛力大的定位系統(tǒng)作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提供方,保證了數(shù)據(jù)和服務(wù)質(zhì)量.

中心導(dǎo)航的路徑規(guī)劃測試結(jié)果如圖10和圖11所示. 由圖10可見,客戶端用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的實時交通路況信息將路段135～134和134～133設(shè)置為嚴(yán)重?fù)矶?級別DISASTER,路段135～10為中度擁堵,級別HEAVLIY,在路徑規(guī)劃時,系統(tǒng)考慮了擁堵路段的權(quán)值并再次計算出一條最佳路徑. 車臺顯示結(jié)果如圖11所示. 測試結(jié)果表明本文設(shè)計的中心導(dǎo)航系統(tǒng)達(dá)到了導(dǎo)航預(yù)期目標(biāo).

圖11 車臺顯示Fig.11 Display of vehicle terminal

圖10 客戶端顯示Fig.10 Display of client terminal

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(責(zé)任編輯： 韓 嘯)

DesignofCentralNavigationSystemBasedonCOMPASS/GPSDualSwitch

ZHENG Xiaotian1,QIN Guihe1,DONG Jinnan1,2,CHEN Hong2
(1.CollegeofComputerScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130012,China;
2.CollegeofCommunicationEngineering,JilinUnivgersity,Changchun130012,China)

The authors proposed a new central navigation system based on switching between COMPASS and global positioning system (GPS). After analyzing the signal carrier to noise ratio of the two positioning modes,the system achieved dual mode switch and solved signal incontinuous problem in the general dual-mode positioning system. Also the dynamic traffic information has been introduced into the process of routing planning,which helps to solve the problem that traditional vehicle navigation system can not provide flexible routing planning based on real-time traffic condition. This paper formulates simple data transfer protocol between vehicle and server,which simplifies the general protocol between them. Experimental results show that this system can maintain a higher quality of satellite data and has achieved the goal of the dynamic navigation based on traffic situation.

central navigation; COMPASS; global positioning system (GPS); electronic map

2013-10-21.

鄭嘯天(1990—),男,漢族,碩士研究生,從事智能控制與嵌入式系統(tǒng)的研究,E-mail: zxtstar43@163.com. 通信作者： 董勁男(1980—),男,漢族,博士,講師,從事網(wǎng)絡(luò)控制的研究,E-mail: dongjinnan@jlu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 61034001).

TP399

A

1671-5489(2014)05-0989-06