基于北斗的車輛精確定位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司　梁本仁　斯庭勇　王世臣

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基于北斗的車輛精確定位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司梁本仁斯庭勇王世臣

【摘要】以高速公路車輛監(jiān)測為例，提出了以北斗差分定位技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)車輛厘米級實(shí)時定位，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）、嵌入式系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)建立基于北斗的車輛精確定位監(jiān)測系統(tǒng)。論文利用雙頻相位觀測值的寬巷組合，采用LAMBDA方法快速固定整周模糊度，通過實(shí)驗(yàn)表明，該種方法在車輛精確定位中切實(shí)有效。

【關(guān)鍵詞】北斗差分定位；車輛監(jiān)測；寬巷組合；LAMBDA；整周模糊度

1　引言

高速公路具有高效、快速、舒適、安全、方便等特征，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。隨著我國高速公路的大量修建，因服務(wù)體系不到位造成高速公路交通擁堵和交通安全問題日益突顯。同時在濃霧、大雨等天氣下，高速公路上駕駛員視線模糊，不易看見周圍車輛行駛狀況，易造成交通事故。目前我國市場上的各種車載終端功能主要集中在定位及導(dǎo)航上，但定位精度不足以保證車輛的間距，以及無法顯示反饋周圍車輛準(zhǔn)確信息，不能將安全隱患規(guī)避到最小，也做不到其他信息的共享與交互[2]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱北斗）是我國獨(dú)立自主研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全天候、應(yīng)用成本低，在軍民多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前北斗已經(jīng)發(fā)射19顆衛(wèi)星，可以向整個亞太地區(qū)提供免費(fèi)的授時、定位服務(wù)。利用北斗載波差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時厘米級定位，可以解決傳統(tǒng)車載終端衛(wèi)星定位精度不高的問題。本文提出了以北斗差分定位技術(shù)為核心，結(jié)合地理信息系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)建設(shè)高速公路車輛精確定位監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠顯示本車和附近車輛的實(shí)時位置并在終端地圖上實(shí)時更新，經(jīng)過通信鏈路傳輸位置、速度等關(guān)鍵信息，保證在濃霧、大雨等惡劣天氣情況下車輛安全行駛。

2　系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)主要包括：車輛監(jiān)控平臺、北斗基準(zhǔn)參考站、車載北斗終端，通信傳輸鏈路。車輛監(jiān)控平臺用于接收車輛的位置信息，實(shí)時分析車輛間的距離及車速，并根據(jù)數(shù)據(jù)給出告警提示，同時能夠分析高速公路車輛行駛實(shí)時狀況。北斗基準(zhǔn)參考站播發(fā)本基站的觀測量信息，實(shí)現(xiàn)車載北斗終端高精度測量模塊的高精度定位測速。車載北斗終端實(shí)現(xiàn)車輛的高精度位置解算及使其具備顯示本車實(shí)時位置和附近車輛位置，并在導(dǎo)航終端地圖實(shí)時更新。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架圖

整個系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

?北斗基準(zhǔn)參考站接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，獲取當(dāng)前點(diǎn)位信息、觀測量信息和電文信息，并將信息以廣播的方式進(jìn)行播發(fā)；

?車載北斗終端接收到基站播發(fā)的數(shù)據(jù)，修正本車輛的位置和速度信息，實(shí)現(xiàn)車輛厘米級的高精度位置測量；

?北斗車載終端將本車輛的位置坐標(biāo)和速度信息傳輸至車輛監(jiān)控平臺及附近一定范圍內(nèi)車輛；

?車輛監(jiān)控平臺根據(jù)上報車輛的位置和速度信息，推算車輛間的安全距離及安全速度，并通知超過閾值的車輛，進(jìn)行實(shí)時告警和監(jiān)控。

?北斗車載終端通過本車輛及友鄰車輛的地圖位置顯示，直觀顯示車輛各類信息。

3　車輛精確定位單歷元解算算法

本文利用國內(nèi)某廠商研制的OEM核心板卡，采用B1、B2頻點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)仿真。由于高速車輛行駛速度快，一般達(dá)到120km/h，對車輛位置坐標(biāo)獲取的實(shí)時性要求嚴(yán)格，利用雙頻相位觀測值的寬巷組合波長大特點(diǎn)，采用LAMBDA(the least-squares ambiguity decorrelation adjustment)搜索方法首先固定寬巷模糊度[3]]，待寬巷模糊度全部固定后，再解算B1、B2整周模糊度，最后得到單歷元基線向量，從而得到車輛精確位置坐標(biāo)。

3.1寬巷模糊度固定

本文利用寬巷觀測值波長長，模糊度易確定特點(diǎn)，以偽距和寬巷觀測值進(jìn)行最小二乘平差，然后搜索寬巷觀測值的整周模糊度以下為算法實(shí)現(xiàn)過程。

寬巷觀測值方程：

偽距雙差觀測方程為：

載波相位寬巷雙差觀測方程為：

雙差偽距和寬巷載波觀測方程可表示為：

利用上述方程進(jìn)行最小二乘求解：(5)

式中：

為提高模糊度精度，本文采用采用分組逐步固定模糊度，先選擇方差較小的模糊度組成主模糊度組[4]，采用LAMBDA方法解算出主組整周模糊度。當(dāng)主模糊度組固定后，帶入方程求取較高精度的觀測值，回代雙差的觀測方程。用固定的寬巷模糊度更新觀測方程，改進(jìn)所有的參數(shù)，再求取從模糊度實(shí)數(shù)解。利用LAMBDA方法，求得從模糊度組的固定解，進(jìn)而將寬巷模糊度組合固定下來[5]。

3.2雙差B1/B2模糊度固定

雙差寬巷模糊度固定后，雙差寬巷觀測值、載波B1觀測方程為：

B1和B2的雙差模糊度固定后進(jìn)而，利用高精度的載波觀測值進(jìn)行單歷元基線解算[6]。

3.3算法仿真

為了驗(yàn)證上述算法的正確性，本文采用兩塊帶有B1、B2頻率的OEM板卡，以及兩個北斗高精度天線，采集兩處的原始數(shù)據(jù)，利用論文算法進(jìn)行單基線的測量解算。兩處數(shù)據(jù)采集點(diǎn)相距約5km，一處選擇在某12樓樓頂較空曠地域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另一采集點(diǎn)選在某學(xué)校主教學(xué)樓樓頂。測試環(huán)境良好，視野寬闊，數(shù)據(jù)采樣率為1s。利用觀測到的北斗碼偽距和載波相位進(jìn)行單歷元姿態(tài)解算。選取其中330個歷元，根據(jù)本文算法進(jìn)行解算，如圖2所示，將每個歷元計算得到的X、Y、Z基線向量與各個分量的平均值做差。

圖2　基線偏差

計算X、Y、Z三個分量的內(nèi)符合精度σ1,σ2,σ3。計算公式為：

4　實(shí)例分析

選擇某大橋高速公路作為試驗(yàn)點(diǎn)，該大橋正橋長約17公里，在大橋未正式運(yùn)營前，進(jìn)行設(shè)備安裝試驗(yàn)。

4.1基準(zhǔn)參考站建設(shè)

按照基準(zhǔn)站建設(shè)要求選擇基準(zhǔn)站點(diǎn)，在選定試驗(yàn)的路段中間架設(shè)兩處基準(zhǔn)參考站，基準(zhǔn)站選擇應(yīng)考慮以下因素：

1)站址應(yīng)選在基礎(chǔ)堅實(shí)穩(wěn)定，易于長期保存，并有利于安全作業(yè)的地方, 年平均下沉和位移小于3mm。

2)站址應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)域，如：斷層破碎帶，易于發(fā)生滑坡、沉陷等局部變形的地點(diǎn)及地下水位變化較大的地點(diǎn)。

3)站址與周圍大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、電臺、微波站、通訊基站、變電所等）的距離應(yīng)大于200m；與高壓輸電線、微波通道的距離應(yīng)大于100m。

4)站址附近不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾接收衛(wèi)星信號的物體

5)站址視場內(nèi)高度角大于10o的障礙物遮擋角累積不應(yīng)超過30o。

4.2車載北斗終端

終端主要包括：高精度定位模塊、車載電臺、無線傳輸模塊、地圖顯示模塊、顯控單元等。

4.3地圖數(shù)據(jù)獲取及開發(fā)

由于一般的電子地圖精度無法滿足厘米級的定位精度指標(biāo)，故該系統(tǒng)的地圖數(shù)據(jù)可以按相關(guān)測繪法規(guī)向特定單位進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)采集申請，申請后根據(jù)案例實(shí)際情況進(jìn)行地圖的采集及處理。論文中的地圖數(shù)據(jù)獲取是在基站、終端及通訊系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功之后，讓裝有北斗車載終端的車輛沿著試驗(yàn)路段緩慢行駛，采集POI點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立相對坐標(biāo)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，獲取導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)。顯控單元采用基于Android系統(tǒng)的平板，在此平臺上開發(fā)地圖顯示等功能，實(shí)時顯示本車及周圍車輛的位置信息。

5　結(jié)束語

論文做了以下工作：

1)將北斗差分定位技術(shù)應(yīng)用于車輛精確定位監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)車輛厘米級定位，解決一般車載定位終端定位精度不高，無法滿足在濃霧、大雨等視線不佳帶來的行車難及安全問題。

2)同時論文利用雙頻相位觀測值的寬巷組合，采用LAMBDA搜索快速固定整周模糊度，并利用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，該種方法在車輛精確定位中切實(shí)有效。

3)以某公鐵大橋公路為例進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)說明，從基準(zhǔn)站選址、北斗車載終端組成、高精度地圖獲取及開發(fā)幾個方面進(jìn)行了簡略闡述。該系統(tǒng)在一定程度上能夠緩解濃霧等惡劣天氣帶來的交通安全問題。

參考文獻(xiàn)

[1]中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件(2.0版)[R].中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室,北京,2013.

[2]李華貴,項(xiàng)志華,何偉.基于GPS和GPRS車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2006,11(16):242-245.

[3]唐衛(wèi)明,鄧辰龍,高麗峰.北斗單歷元基線解算算法研究及初步結(jié)果[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2013,38(8):897-901.

[4]祝會忠,高星偉,秘金鐘.一種GPS整周模糊度單歷元解算方法[J].測繪科學(xué),2011,36(4):9-11.

[5]陽仁貴,歐吉坤,任超.GPS單歷元載波相位整周模糊度的解算方法研究[J].長江科學(xué)院院報,2005,22(1):32-34.

[6]趙琳,劉玥.基于北斗多頻觀測量的載波相位差分精密定位技術(shù)研究[C].第四屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集.

梁本仁（1982—），男，碩士，工程師，從事北斗導(dǎo)航、GNSS高精度測量、無線通信相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作。

斯庭勇（1987—），男，碩士，助理工程師，從事北斗導(dǎo)航、GNSS高精度測量相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作。

王世臣（1987—），男，碩士，助理工程師，從事通信導(dǎo)航、GNSS高精度測量相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作。

The Design and Implementation of Traffic Accurate Position monitoring based on Beidou Navigation Satellite System

Abstract:Taking an example of highway traffic monitoring,this paper puts forward a vehicle monitoring system,which is based on the Beidou differential positioning technology.The system realize a cm-level real-time location,it combined with the geographic information system (GIS)and embedded system and network technology to establish a accurate location based on Beidou.This paper using wide lane combination double-frequency phase observation value and LAMBDA ambiguity search quickly fixed the integer ambiguity,experiments show that this method is practical and effective in precise positioning.

Key words:Compass;traffic monitoring;Wide Lane Combination;LAMBDA；Integer Ambiguity

作者簡介：