一種高精度車載定位終端系統(tǒng)的設(shè)計及測試分析*

劉　建　 鄭洪江　 盧紅洋　 陳　偉

(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院1)　武漢　430070)　(交通信息通信技術(shù)研究發(fā)展中心2)　北京　100011)

一種高精度車載定位終端系統(tǒng)的設(shè)計及測試分析*

劉建1,2)鄭洪江1)盧紅洋2)陳偉1)

(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院1)武漢430070)(交通信息通信技術(shù)研究發(fā)展中心2)北京100011)

摘要：現(xiàn)有車載定位終端因車輛移動的特殊性和常規(guī)定位精度不足的問題，無法實現(xiàn)車輛安全行駛所要求的高精度定位.文中設(shè)計了一種基于WAVE標(biāo)準(zhǔn)的高精度車載定位終端系統(tǒng)設(shè)計方案，以車載網(wǎng)和地基增強系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)高速移動車輛的高精度定位，給出了硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計流程，并完整地進行了通信性能、動態(tài)定位精度、跑車軌跡的測試.結(jié)果表明，該設(shè)計不占有現(xiàn)有移動通信頻譜資源，具備高效、可靠的實時定位特點，可實現(xiàn)車輛高精度定位，提高行車安全性.

關(guān)鍵詞：WAVE標(biāo)準(zhǔn)；高精度定位；車載通信；終端系統(tǒng)設(shè)計；測試分析

劉建(1975- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域為交通信息工程及控制、通信與信息系統(tǒng)

0引言

車載網(wǎng)(vehicular ad hoc networks，VANETs)是智能交通系統(tǒng)(intelligence transportation system, ITS)的基本組成部分，提供車與車(V2V)、車與基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)之間的相互通信，在事故預(yù)警、保障交通安全，以及優(yōu)化交通流量等方面發(fā)揮了重要作用[1].隨著專用短距離通信(DSRC)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出和逐步完善，車載網(wǎng)研究日趨成熟，其網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和實施已成為智能交通系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)用的必然發(fā)展趨勢.尤其是美國已以車載環(huán)境下的無線接入(wireless access in vehicular environment, WAVE)通信協(xié)議[2]基礎(chǔ)上，擬強制推行V2V 技術(shù)[3]，這標(biāo)志著智能交通系統(tǒng)將進入一個新的發(fā)展領(lǐng)域.

城市交通問題日益嚴(yán)峻[4]，人們對車輛定位精度提出了更高的要求，如車輛高精度定位以實現(xiàn)車輛主動安全、車道級定位、超速監(jiān)管等.現(xiàn)有普通GPS/北斗定位精度已無法滿足人們的當(dāng)前需求.而當(dāng)前高精度定位技術(shù)，主要借助于3G/GPRS/GSM/CDMA進行參考站與固定/移動用戶端之間修正信息傳輸，進而消除綜合誤差，實現(xiàn)用戶端高精度定位，如網(wǎng)絡(luò)RTK(real time kinematic)技術(shù)[4].但這種方式通信費用高昂，延時長，占用現(xiàn)有移動通信頻帶資源，比較適合固定點或緩慢移動終端高精度定位需求，如測繪、城市規(guī)劃、市政建設(shè)、勘探等，很難滿足車輛高速運動時通信定位特性.本文在考慮車輛高速移動特性以及對未來車載網(wǎng)設(shè)施的充分利用的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于WAVE標(biāo)準(zhǔn)的高精度車載定位終端系統(tǒng)設(shè)計方案，通過WAVE技術(shù)完成車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施間修正信號的實時接收，實現(xiàn)車輛的高精度定位，為車輛主動安全等應(yīng)用提供實時保障.

1系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1定位原理

本文所提出的定位終端系統(tǒng)應(yīng)用于實時連續(xù)發(fā)布修正信號的路邊設(shè)施和接收修正信號的車載用戶端之間通信場景下，其定位原理是考慮北斗地基增強系統(tǒng)由若干個采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的虛擬參考站網(wǎng)絡(luò)(virtual reference station，VRS網(wǎng)絡(luò))構(gòu)成，每個VRS網(wǎng)絡(luò)中的主控站將生成的修正信息通過有線方式(如VPN光纖網(wǎng))傳送至該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的路邊設(shè)施(如交通燈、電子站牌等)，路邊設(shè)施對修正信息重新編碼，以WSM(wave short message)方式向用戶實時連續(xù)發(fā)布，車載用戶端通過本文提出的基于WAVE標(biāo)準(zhǔn)高精度車載定位終端接收WSM數(shù)據(jù)包，并進行解碼，進而完成實時高精度定位.

1.2VRS技術(shù)

VRS技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的一種，通過在一定區(qū)域均勻布設(shè)多個(3個或3個以上)永久性連續(xù)運行參考站，對該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)完成修正信息的生成、傳輸，從而在用戶端實現(xiàn)各項誤差的消除獲得高精度實時定位精度[5].測試結(jié)果表明，從用戶選擇網(wǎng)絡(luò)并發(fā)出請求信息到控制中心發(fā)回改正數(shù)據(jù)，用戶利用改正數(shù)據(jù)得到測量點位置的固定解，耗費的時間在30s左右[6].可見，這種定位方式占用已有的頻帶資源進行信息傳遞，且遠遠無法滿足運行車輛的實時高精度定位需求.

1.3WAVE協(xié)議棧

WAVE協(xié)議是專為車載無線通信網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計[7]，可滿足車載通信高移動性和高實時性的需求，同時基于WAVE的應(yīng)用更容易部署且成本更低，更符合商業(yè)模式需求.

WAVE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1609.X協(xié)議族[8].其中IEEE 802.11p定義了物理層和媒體訪問控制層(MAC層)，MAC層采用增強型分布式信道接入(EDCA)機制，物理層采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)；IEEE 1609.X協(xié)議族主要為車輛環(huán)境下的V2V和V2I無線接入制定，在IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上規(guī)定相應(yīng)的高層協(xié)議，制訂了車載無線通信技術(shù)的指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)，描述了高速行車時短距離無線通信的運行機制.

2基于WAVE標(biāo)準(zhǔn)的高精度車載定位終端系統(tǒng)設(shè)計

本終端系統(tǒng)通過DSRC模塊接收路邊設(shè)施以WSM方式實時連續(xù)發(fā)布的修正信號，通過BDS模塊接收來自衛(wèi)星的定位信號，并將這些信息送入微處理器處理，獲得車輛的高精度位置信息，實時、準(zhǔn)確地完成各種定位服務(wù)功能，為交通車輛安全性提供保障.

2.1硬件結(jié)構(gòu)

終端系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)基于Freescale I.MX6開發(fā)板，采用ARM架構(gòu)的Cortex A9處理器，主頻1 GHz，512 MB DDR內(nèi)存.終端系統(tǒng)主要包括DSRC模塊、BDS模塊、處理器CPU模塊、LCD顯示模塊和接口模塊5個部分，其結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1　終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1) DSRC模塊工作于5.850～5.925 GHz的頻率范圍內(nèi)，支持IEEE 802.11p協(xié)議，傳輸速率達到27 Mbps，包含主控模塊及射頻模塊；采用 NXP 公司的 TEF5100和SAF5100模塊，主要完成修正信號的獲取.

2) BDS模塊選取司南K500板卡.主要完成BDS定位信號與同步時間的提取，對BDS信號進行解調(diào)和濾波處理，解算出BDS衛(wèi)星的導(dǎo)航報文，獲得車輛導(dǎo)航定位的位置、方向等數(shù)據(jù).并與DSRC模塊獲取的修正信號融合，消除定位綜合誤差.

3) 處理器CPU模塊采用ARM架構(gòu)的Cortex A9處理器，它的串口分別同GPS/BDS模塊、DSRC模塊相連，外圍電路有電源及LCD，能有效地完成相連器件之間數(shù)據(jù)的傳輸和控制，保證系統(tǒng)能正常而穩(wěn)定地工作.

4) LCD顯示模塊通過VGA接口外接LCD顯示屏，將DSRC接收到的修正信息與本車輛BDS采集的信息融合處理，處理后的精準(zhǔn)位置信息反饋到LCD顯示.

5) 接口模塊通過開發(fā)板提供的接口實現(xiàn)各模塊連接，完成模塊間信息的傳輸.

2.2軟件結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、BDS數(shù)據(jù)采集及處理、DSRC通信處理及其他功能等功能模塊，包括一個無限循環(huán)的主程序和若干功能模塊子程序.正常情況下主程序一直接收BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和修正數(shù)據(jù)并將其處理后應(yīng)用，然后通過車載網(wǎng)絡(luò)上傳或播發(fā)，上傳或播發(fā)的精準(zhǔn)位置信息為車車主動安全等應(yīng)用提供保障.

Freescale開發(fā)板采用嵌入式Linux系統(tǒng).操作系統(tǒng)移植基于ARM A9處理器的 Linux 2.6.39 內(nèi)核，完成進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，應(yīng)用層程序通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)接口對設(shè)備進行操作.系統(tǒng)整體軟件工作流程見圖2.

圖2　軟件系統(tǒng)流程圖

3系統(tǒng)測試

3.1測試環(huán)境及測試參數(shù)配置

實際測試中采用司南M600作為基站，安裝在標(biāo)定的基準(zhǔn)點，完成相關(guān)信號的接收、存儲和轉(zhuǎn)發(fā).開發(fā)2套系統(tǒng)原型機，終端1安放在基準(zhǔn)點位置，并通過串口與基站相連，通過USB接口與筆記本電腦相連.終端2安放在車輛上，通過CAN接口與車輛相連，通過USB接口與筆記本電腦相連，天線采用吸附式天線，部署于車頂.

整個系統(tǒng)測試過程分3步完成：(1) 通信性能，終端1與終端2之間在不同調(diào)制方式、不同速度、不同通信距離等條件下的通信速率及丟包率；(2) 靜態(tài)定位精度，分別用K500,M600和終端2測量標(biāo)定基準(zhǔn)點位置并比較其各自誤差；(3) 跑車軌跡，在基站附近直徑約一公里范圍的路段內(nèi)采用M600軌跡作為參考依據(jù)評估終端2設(shè)備的動態(tài)定位精度.

測試參數(shù)配置見表1.

1) 通信性能測試終端1與終端2組成的通信系統(tǒng)的通信性能，包括不同調(diào)制方式、不同速度、不同通信距離等條件下系統(tǒng)的通信速率及丟包率，測試結(jié)果見圖3.由圖3a)可知，BPSK調(diào)制模式下系統(tǒng)的通信速率最低，在車輛靜態(tài)時為2.2 Mb/s，而在車輛運動狀態(tài)下僅1.6 Mb/s；QAM16調(diào)制方式下系統(tǒng)的通信速率最高，在靜態(tài)和動態(tài)條件下分別達到11.2 Mb/s和8.9 Mb/s.由圖3b)可知，車輛靜止和運動狀態(tài)下BPSK調(diào)制模式下的通信效果最佳；傳輸速率越高丟包越嚴(yán)重；車站間距越大，丟包現(xiàn)象越明顯.因此，進行終端系統(tǒng)定位精度測試時差分信號傳輸選用BPSK調(diào)制模式.

表1　測試參數(shù)設(shè)置

圖3　系統(tǒng)通信性能

3.2測試結(jié)果分析

2) 靜態(tài)定位精度本文采用圓概率誤差(circular error probability，CEP)方法評估所設(shè)計終端的靜態(tài)定位精度.進行數(shù)據(jù)采樣獲得的零基線條件下的定位水平誤差結(jié)果見表2、圖4.

表2　司南K500、M600、終端2定位水平誤差

圖4　K500，M600,終端2靜態(tài)定位誤差分布圖

由表2和圖4可知，以95%圓概率誤差方法計算，M600定位精度最高，為毫米級，可以作為其他衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備定位精度評定的參考基準(zhǔn).相對來說，K500 RTD偽距差分方法定位精度較低，但K500采用3G方法接收RTD偽距差分信號時的定位精度與終端2采用WSM方式接收RTD偽距差分信號時的定位精度相差無幾，都能較好的實現(xiàn)高精度定位.

3) 跑車軌跡以M600軌跡為參考基準(zhǔn)，測量得到的跑車軌跡及誤差結(jié)果見表3、圖5～6.

表3　K500、終端2相對于M600的動態(tài)定位精度

圖5　跑車軌跡

圖5中K500,終端2與M600的軌跡之間有一個基本固定的偏差，K500與終端2兩者行進軌跡幾乎一致；圖6中K500和終端2相對于M600的RMS(root-mean-square)誤差曲線除距離基站較遠距離的少數(shù)軌跡點略有偏差外，其余幾乎相同.可知，WSM方式完全可以實現(xiàn)3G方式的定位效果，且在車載網(wǎng)絡(luò)布設(shè)完全的情況下，共用車載網(wǎng)實現(xiàn)車輛精準(zhǔn)定位而完全不占用現(xiàn)有緊張的移動頻帶資源.

圖6　K500、終端2相對于M600的動態(tài)誤差

4結(jié)束語

本文所提出的基于WAVE標(biāo)準(zhǔn)的高精度車載定位終端系統(tǒng)以車載網(wǎng)和地基增強系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)高精度定位，在通信技術(shù)上利用車載網(wǎng)傳遞修正信息，既可以充分利用車載網(wǎng)和地基增強系統(tǒng)技術(shù)及其基礎(chǔ)設(shè)施，無需重復(fù)建設(shè)通訊基站和網(wǎng)絡(luò)，又不占用有限的移動頻帶資源.在實際車載環(huán)境中的測試驗證結(jié)果表明，該系統(tǒng)終端具備實施周期短、覆蓋范圍廣、通訊誤碼率低、高效、可靠的實時定位等特點，具有較大的實用價值和非常廣闊的市場應(yīng)用前景.

參 考 文 獻

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中圖法分類號：U491.6

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.012

收稿日期：2014-11-24

Design and Testing Analysis of A High Precision
Vehicular Positioning Terminal System
LIU Jian1,2)ZHENG Hongjiang1)LU Hongyang2)CHEN Wei1)

(SchoolofInformationEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070，China)1)

(TransportInformation&CommunicationTechnology

ResearchandDevelopmentCenter,Beijing100011，China)2)

Abstract：Existing vehicle terminals are unable to achieve high-precision positioning due to the particularity of vehicle movement and the lack of accuracy of conventional positioning methods. This paper designs a high-precision vehicular positioning terminal system design scheme based on WAVE standards, and gives the hardware structure and software design process. This system achieves high-precision positioning of high-speed mobile vehicles with the foundation of vehicular ad hoc networks and ground-based augmentation system. Finally, a complete testing is carried out, including communication performance, dynamic positioning accuracy, and vehicle movement trajectory. The results show that this scheme doesn't occupy the existing mobile spectrum resources and has highly efficient and reliable real-time positioning characteristics. Therefore, it can realize vehicle active high precision positioning and improve the security of driving.

Key words：WAVE standards; high precision positioning; vehicular communication; terminal system design; testing analysis

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)(批準(zhǔn)號：2013AA122403)、交通運輸部西部建設(shè)科技項目(批準(zhǔn)號：2012-344-X11-803)資助