基于BDS的主輔站技術(shù)在車載導(dǎo)航中的應(yīng)用研究

鄒 浜，王偉權(quán)，周文勝，高云志

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽621000）

人口的高速增長和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)使得城市道路空間越發(fā)集約化和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的車載導(dǎo)航精度通常為米級，在對空條件差的地區(qū)甚至能達(dá)到±10 m以上的誤差［1］，這會導(dǎo)致在道路重疊區(qū)（如高架立交橋）出現(xiàn)定位錯區(qū)，給用戶帶來不良影響。不僅如此，隨著“智能交通［2］”的提出，車輛智能自動駕駛技術(shù)將成為未來的重要發(fā)展方向，而該技術(shù)必須依賴于高精度車載導(dǎo)航，因此，高精度的車載導(dǎo)航定位技術(shù)迅速成為相關(guān)科研領(lǐng)域的研究熱點。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Bei Dou Navigation Satellite System，BDS）是我國自行研制并擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星定位的通信系統(tǒng)，是繼GPS和GLONASS之后的第3個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，BDS由3部分組成，分別是空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收處理部分，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時地為用戶提供高精度、高可靠性的導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)。2013年12月，國家公布了BDS的第2個頻點，使得北斗雙頻高精度接收終端的研制成為可能。

主輔站（Master－Auxiliary Corrections，MAC）技術(shù)［3－6］是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的一個分支，有著可靠性高、無需雙向數(shù)據(jù)傳輸和服務(wù)用戶無數(shù)量限制等優(yōu)點，將基于BDS的主輔站技術(shù)應(yīng)用于車載導(dǎo)航中可有效提高車輛定位精度，減少設(shè)備成本。

1 主輔站（MAC）技術(shù)的基本原理及相關(guān)算法

1．1 MAC技術(shù)的基本原理

目前應(yīng)用較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)有虛擬參考站（VRS技術(shù) 和區(qū)域改正數(shù)（FKP 技術(shù) 但這兩種技術(shù)都有如下缺陷：①主控中心向外發(fā)播的差分改正信息格式不是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)RTK格式，很多時候需要經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換才能正常使用，導(dǎo)致效率不高；②FKP技術(shù)的電文格式為專用電文59，是RTCM差分協(xié)議的私有電文，而且信息只是部分公開；③VRS技術(shù)需要計算中心和用戶終端實行雙向數(shù)據(jù)傳輸，使得主控中心服務(wù)器荷載加重，不但浪費了帶寬，而且限制了用戶的數(shù)量。當(dāng)需要進(jìn)行導(dǎo)航的車輛數(shù)量多，服務(wù)器計算負(fù)擔(dān)較重時，上述兩種網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)顯然難以滿足要求。

主輔站（MAC）技術(shù)由國外引進(jìn)［3］，它先對用戶周圍多個參考站的觀測值進(jìn)行處理，生成相對于相同參考衛(wèi)星和參考站的差分信息，根據(jù)誤差變化率的不同，對差分信息進(jìn)行壓縮，并作為網(wǎng)絡(luò)的改正數(shù)發(fā)播給流動站，再進(jìn)行坐標(biāo)求解。一般先選擇一個主站，在一定半徑的范圍內(nèi)再選擇兩個以上的有效參考站作為輔站，主站和輔站構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)單元進(jìn)行網(wǎng)解，再向需要用戶發(fā)送主站差分改正數(shù)以及主站與輔站差分改正數(shù)的差值等信息，用戶根據(jù)這些信息進(jìn)行內(nèi)插和加權(quán)改正，最終得到用戶所需的差分改正數(shù)，并求得精確坐標(biāo)?；贕PS的MAC技術(shù)采用 RTCM3．0標(biāo)準(zhǔn)格式，而基于BDS的MAC技術(shù)采用的是加入了北斗星歷和北斗觀測數(shù)據(jù)的新 RTCM 格式（暫稱 RTCM2．4x）［8－10］。

MAC技術(shù)的核心是將網(wǎng)內(nèi)各參考站之間的相位距離歸算到一個公共的整周模糊度水平，即在所有參考站的單差模糊度解算完畢的前提下，各參考站的單差模糊度都可以表示為與公共整周模糊度有關(guān)的值［3，10］。如圖1所示，在主站M和輔站A 的基線上，各衛(wèi)星的單差模糊度ΔΝkMA（k＝1，2，…，j）均為已知，然后選擇衛(wèi)星i作為參考星，則主輔站對該參考星的單差整周模糊度為ΔΝrefMA，稱為公共整周模糊度，其他衛(wèi)星的單差整周模糊度可以表示為

圖1 公共整周模糊度水平

1．2 MAC技術(shù)的相關(guān)算法

MAC的主要核心算法主要包括基本觀測方程開列和空間相關(guān)誤差建模、站間整周模糊度的解算和差分改正數(shù)的生成與利用。

1．2．1 基本觀測方程和空間相關(guān)誤差建模

假設(shè)有參考站A，觀測衛(wèi)星k，k衛(wèi)星發(fā)射的載波為B1和B2，則在歷元t有如下載波相位觀測方程

通過建立空間相關(guān)誤差改正模型，可以得到改正后的觀測方程

以上描述的是單參考站的載波相位觀測方程，現(xiàn)假設(shè)有主參考站M和輔參考站A，這兩個參考站對同一觀測衛(wèi)星的觀測方程求差，則可得到單差載波相位觀測方程

由上式可知，單差載波相位觀測方程中仍存在模型殘差，這些模型殘差會隨著差分信息的發(fā)播傳給流動站，為了使差分信息更準(zhǔn)確，應(yīng)選用精化模型進(jìn)行改正，使殘差盡量小。

1．2．2 參考站間整周模糊度的解算

由式（1）可知，要求得站間整周模糊度ΔNkMA，則必須要求算 ▽ΔNref，kMA和ΔNrefMA，現(xiàn)根據(jù)式（4），求算衛(wèi)星k和參考星ref的雙差觀測方程，經(jīng)線性化后可得［3］

式中：ρA0為輔站A的概略位置到相應(yīng)衛(wèi)星的距離；ρM為主站M 的精確位置到相應(yīng)衛(wèi)星的距離；

主站M和輔站A對同一組衛(wèi)星的不同歷元進(jìn)行觀測，根據(jù)式（5）可以開列相應(yīng)的誤差方程，然后通過最小二乘求得 ▽Δ的值，通常情況下，求得的▽Δk并非整數(shù)，此時可用置信區(qū)間法或者取整法求得 ▽Δ的整數(shù)解。

選擇參考衛(wèi)星的時候，應(yīng)選擇仰角最高且觀測時間最長的衛(wèi)星作為參考星，主輔站對參考星ref進(jìn)行觀測，得到的觀測方程求差，可以求得Δ，從而可以根據(jù)式（1）求得站間整周模糊度Δ。

1．2．3 差分改正數(shù)的生成與利用

根據(jù)差分協(xié)議第三版的要求，電文需要包含主站的完整信息以及主輔站之間的差值信息，現(xiàn)假設(shè)主輔站間通過B1載波進(jìn)行觀測，則差分改正如下：

同理，可以求得B2載波的差分改正δΔφkMA，B2。根據(jù)差分協(xié)議的要求，需要把差分改正分為彌散性差分改正和非彌散性差分改正，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，可得到下式：以上兩項改正生成以后，便會向流動站進(jìn)行發(fā)播，流動站可以通過加權(quán)平均法求得自身的差分改正。

假設(shè)網(wǎng)中共有n個參考站，1～n－1號參考站為輔站，n號參考站為主站M，則流動站R相對于主站和衛(wèi)星k的差分改正數(shù)可以根據(jù)下式求得：

流動站與主站M的單差載波相位觀測方程如下（以B1為例）：

經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)變換，可以得到如下對應(yīng)的誤差方程式：

式中：

由式（10）可知，在有n顆衛(wèi)星的歷元數(shù)為m，則可以通過最小二乘法求得流動站的坐標(biāo)改正值［δXRδYRδZR］T，從而得到流動站的精確坐標(biāo)，經(jīng)大量實驗驗證，其平面定位精度可達(dá)4～8 c m。

綜上可知，計算中心服務(wù)器僅向用戶發(fā)播主站的完整信息以及主輔站之間的差值信息。用戶終端無需向計算中心發(fā)送概略坐標(biāo)，而是自身根據(jù)計算中心發(fā)播的差分信息進(jìn)行內(nèi)插和改正，即計算中心和用戶終端各承擔(dān)一部分計算，計算中心服務(wù)器負(fù)擔(dān)較小，且無需雙向傳輸，因此有著通信鏈路簡單、終端制造成本低、可靠性較高和用戶數(shù)量無限制等優(yōu)點。

2 主輔站（MAC）技術(shù)在車載導(dǎo)航應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

目前的高精度智能車載導(dǎo)航主要有以下技術(shù)需求：①配合高分辨率電子地圖，可以實現(xiàn)車道級（分米級精度）實時導(dǎo)航；②為了在最大限度上防止違章，在車輛即將跨越道路界線時有自動預(yù)警提示功能；③當(dāng)車輛與區(qū)域內(nèi)計算中心服務(wù)器短暫失聯(lián)，即接收不到差分改正信息時仍能進(jìn)行分米級精度的定位和導(dǎo)航。因此，針對以上需求，除了解決高精度定位問題以外，還需解決以下問題：

2．1 高分辨率電子地圖和道路界限函數(shù)的導(dǎo)入及邊線預(yù)警

需要在車載終端內(nèi)導(dǎo)入電子地圖，該電子地圖需要能區(qū)分道路中的車道，而且該電子地圖需要通過坐標(biāo)精匹配，形成帶坐標(biāo)信息的地圖影像。然后導(dǎo)入車道邊線函數(shù)，車道邊線函數(shù)可以通過向交通部門索取道路設(shè)計文件，或者通過實測若干道路邊線特征點，然后對這些散點用插值函數(shù)進(jìn)行擬合獲得。由于道路的線形多變，所以道路邊線函數(shù)通常是分段的，因此車輛行駛時，通過對車輛的坐標(biāo)和邊線函數(shù)的分段點坐標(biāo)進(jìn)行比較，自動為車輛匹配當(dāng)前位置的邊線函數(shù)。如圖2所示，可以根據(jù)下式對車輛進(jìn)行邊線函數(shù)的匹配：

匹配以后，可以得出車輛位于哪個路段，然后通過求取車輛位置坐標(biāo)到該路段邊線函數(shù)的垂距D，便可以得到車輛距邊線的距離。設(shè)定一個閾值D0，當(dāng)D＜D0時，終端便會向用戶進(jìn)行語音預(yù)警提示，達(dá)到預(yù)防違章的目的。

圖2 邊線函數(shù)的匹配及邊線預(yù)警示意圖

2．2 車輛邊界歸算

由于在邊線預(yù)警時，針對的是車輛的實體邊界，而不是接收終端的天線相位中心，因此在用戶進(jìn)行終端安裝時，應(yīng)進(jìn)行車輛邊界歸算，目的是在車輛行駛時，能實時獲取車輛邊界特征點的坐標(biāo)。如圖3所示，在終端進(jìn)行安裝時，應(yīng)先把終端天線分別置于車輛4個角點A B C和D點上，得到這4個點的精確坐標(biāo)后，再進(jìn)行終端的安裝，假設(shè)終端天線最終安裝于點Z，則一共可以得到 （xA，yA）、（xB，yB）、（xC，yC）、（xD，yD）和（xZ，yZ）這 5 個 坐標(biāo)，則可以反算出點Z到A、B、C和D 點的平距di（i＝1，2，3，4）和方位角ai（i＝1，2，3，4）。然后車輛行進(jìn)過程中，僅需要知道點Z的瞬時坐標(biāo)，即可以根據(jù)平距di和方位角ai分別算出A，B，C和D點的瞬時坐標(biāo)，以此進(jìn)行邊線預(yù)警。

圖3 車輛邊界歸算示意圖

2．3 用戶終端與計算中心服務(wù)器失聯(lián)的定位問題

由于城市設(shè)施繁多復(fù)雜會造成偶然性的信號隔擋，因此用戶終端與計算中心服務(wù)器失聯(lián)的情況難免發(fā)生，為了保證車載導(dǎo)航的可靠性和安全性，必須解決短暫失聯(lián)時的定位問題。解決的方法是：車載終端在接收了計算中心服務(wù)器發(fā)播的原始差分信息后并進(jìn)行了精確定位后，在接收下一歷元的差分信息之前，不刪除本次的原始差分信息，在失聯(lián)時，終端仍然可以利用最近一次的原始差分信息對當(dāng)前車輛概略坐標(biāo)進(jìn)行改正，得到較為精確的坐標(biāo)。經(jīng)過大量實驗驗證，車輛在失聯(lián)的狀態(tài)下，在偏離原始位置10 k m的范圍內(nèi)，仍然能達(dá)到分米級的定位精度。

2．4 跨子網(wǎng)絡(luò)的定位問題

一個網(wǎng)絡(luò)被定義為能共視同一組衛(wèi)星并能夠形成一個公共模糊度水平的一個參考站群。在面積較為廣闊的區(qū)域，一個網(wǎng)絡(luò)中主站和遠(yuǎn)端的輔站會由于站間距太長而導(dǎo)致無法解算整周模糊度，那么為了保證定位精度的可靠性和均勻性，這個網(wǎng)絡(luò)則會分成多個子網(wǎng)絡(luò)。每個子網(wǎng)至少有一個主站，網(wǎng)中其他參考站則為輔站，且各子網(wǎng)的整周模糊度水平是不一致的，那么當(dāng)車輛從一個子網(wǎng)行駛到另一個子網(wǎng)時，終端就會初始化它的進(jìn)程和重設(shè)整周模糊度，在這段時間里定位就會被中斷。解決的方法是：服務(wù)器應(yīng)為每一個子網(wǎng)分配一個ID 所播發(fā)的差分中信息包含了ID編號，車輛在行駛過程中始終接收各個子網(wǎng)發(fā)來的信息，當(dāng)車輛處于某一個子網(wǎng)（假設(shè)為A網(wǎng)）中時，則用A網(wǎng)ID編號的差分信息進(jìn)行改正和定位，而其他ID編號的差分信息僅接收不處理，當(dāng)距離下一個子網(wǎng)（假設(shè)為B網(wǎng)）邊界一定的距離時，則在后臺新建一個進(jìn)程，此時在終端的內(nèi)存中存在兩個進(jìn)程，進(jìn)程一用A網(wǎng)ID編號的差分信息進(jìn)行改正和定位，該進(jìn)程會在前臺運行并顯示，進(jìn)程二根據(jù)B網(wǎng)ID編號的信息進(jìn)行模糊度設(shè)定并進(jìn)行定位，該進(jìn)程僅在后臺運行。當(dāng)車輛正式駛?cè)隑網(wǎng)時，進(jìn)程一自動關(guān)閉，進(jìn)程二轉(zhuǎn)為前臺運行并顯示，實現(xiàn)跨子網(wǎng)絡(luò)定位無延遲無中斷，并保證了定位精度的可靠性和均勻性。

3 實例分析

綜合上述內(nèi)容，課題組開發(fā)了一套基于BDS主輔站技術(shù)的試驗型車載導(dǎo)航設(shè)備和系統(tǒng)，它包括服務(wù)器管理系統(tǒng)、參考站網(wǎng)絡(luò)管理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)處理和管理模塊以及終端智能導(dǎo)航模塊等。

服務(wù)器管理系統(tǒng)用于進(jìn)行日常運行維護(hù)和參考站相關(guān)設(shè)置，主要是對接收機類型、天線參數(shù)、坐標(biāo)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。

參考站網(wǎng)絡(luò)管理模塊主要用于進(jìn)行子網(wǎng)ID的分配、子網(wǎng)覆蓋區(qū)域的界定和當(dāng)參考站出現(xiàn)故障時的子網(wǎng)重構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要對網(wǎng)絡(luò)信號、數(shù)據(jù)通信鏈和信號播發(fā)頻率等進(jìn)行管理。

數(shù)據(jù)處理和管理模塊的任務(wù)包括原始數(shù)據(jù)接收和管理、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、網(wǎng)絡(luò)中整周模糊度的結(jié)算、空間相關(guān)誤差模型的建模、改正數(shù)的計算和電文編碼等。

終端智能導(dǎo)航模塊包含兩部分，一部分是音頻／視頻輸出部分，這部分用于進(jìn)行車輛位置坐標(biāo)、電子地圖、目標(biāo)標(biāo)定和屬性信息的視頻輸出以及預(yù)警語音提示和導(dǎo)航語音提示的音頻輸出；另一部分是數(shù)據(jù)處理和管理部分，該部分主要任務(wù)是：①對計算中心服務(wù)器發(fā)播的差分信息進(jìn)行內(nèi)插和改正；②計算車輛終端天線的精確坐標(biāo)及車輛邊界坐標(biāo)；③跨子網(wǎng)絡(luò)時的模糊度重設(shè)及程序初始化；④對有用的信息進(jìn)行保存和管理。

課題組在實驗場地建造了一條單輪軌道，軌道的線形參數(shù)和特征點坐標(biāo)已知，則軌道線形函數(shù)fg（x）已知。將終端安裝在自制的輪軌車上在軌道上以不同的速度行進(jìn)，以此模擬車輛行駛，終端天線的相位中心的垂直投影始終位于軌道中線上。行進(jìn)過程中每隔一段采樣間隔時間就可以計算出一組平面坐標(biāo)，最終計算所有實測散點和軌道線形函數(shù)的平面點位偏差標(biāo)準(zhǔn)差，該標(biāo)準(zhǔn)差可以認(rèn)為是終端在水平方向上的定位精度；在終端中導(dǎo)入一組虛擬道路邊線函數(shù)fv（x），fg（x）和fv（x）這兩段函數(shù)有3處地方間距最短，均為0．95 m，設(shè)定一個閾值D0＝1．00 m，當(dāng)D＜D0時，終端會有預(yù)警提示，即有3個預(yù)警點Y1，Y2，Y3，因此當(dāng)輪軌車在軌道上行駛時，應(yīng)會有3次預(yù)警提示，現(xiàn)讓輪軌車在軌道上以不同速度行駛100次，觀察其預(yù)警成功率。定位精度情況見圖4，預(yù)警成功率情況見圖5。

圖4 平面點位精度統(tǒng)計分析

圖5 預(yù)警成功率統(tǒng)計分析

由圖4可知，在仿真實驗中，其平面定位精度均為7 c m以下，當(dāng)其低速行駛時，甚至能達(dá)到4．21 c m；由圖5可知，3個預(yù)警點Y1，Y2，Y3的預(yù)警成功率均在98%以上，預(yù)警成功率較高。

4 結(jié) 論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

1）主輔站技術(shù)有著定位精度高、無需雙向傳輸、用戶數(shù)量無限制和服務(wù)范圍廣等優(yōu)點，有效克服傳統(tǒng)車載導(dǎo)航技術(shù)的缺點。

2）經(jīng)過深入研究，解決了高分辨率電子地圖和道路界限函數(shù)的導(dǎo)入及邊線預(yù)警、車輛邊界歸算、用戶終端與計算中心服務(wù)器失聯(lián)時如何定位和跨子網(wǎng)絡(luò)如何定位等問題，使主輔站技術(shù)運用于車載導(dǎo)航中成為可能。

3）實驗結(jié)果表明，將主輔站技術(shù)運用于車載導(dǎo)航中，其平面定位精度均為7 c m以下，預(yù)警成功率均為98%以上，完全滿足高精度車載導(dǎo)航的要求。

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