信號聯(lián)網(wǎng)與地面公交優(yōu)先控制車載終端改造應(yīng)用研究

鮑俊博

摘要：該文是信號聯(lián)網(wǎng)與地面公交優(yōu)先控制車載終端相關(guān)系統(tǒng)功能的研究，主要體現(xiàn)在：實現(xiàn)北斗+GPS偽距差分定位；實現(xiàn)實時生成觸發(fā)判斷信息；與車載終端數(shù)據(jù)接口（終端共用）；數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化（共用終端不同數(shù)據(jù)格式）；信號優(yōu)先與智能公交系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換共享；與公安交管平臺數(shù)據(jù)接口。

關(guān)鍵詞：信號聯(lián)網(wǎng)；地面公交；車載終端；改造

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）30-0266-04

地面公交作為城市公共交通的主力，受城市交通需求總量增長及交通擁堵的影響，公交發(fā)展面臨諸多問題，主要表現(xiàn)為運行速度不高、準點率低、舒適性差等方面，導(dǎo)致公交吸引力低、公交服務(wù)水平下降，嚴重制約城市公共交通的高效、可持續(xù)發(fā)展。因此，提高公交運行效率，提升公眾出行滿意度水平是南京市公共交通亟待解決的首要問題。公交信號優(yōu)先作為“公交都市”建設(shè)的重要組成部分，為構(gòu)筑高效率、高品質(zhì)、高適應(yīng)性的一體化公交都市，南京市提出實施“優(yōu)化公交網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)公交全面提速”行動，進一步加大公交優(yōu)先的發(fā)展力度，完善公交運營環(huán)境，優(yōu)化公交組成結(jié)構(gòu)，借助于信號聯(lián)網(wǎng)與地面公交車載終端的監(jiān)測通信，全面提升公共交通運行速度，提升公交運行效率，形成城市新的客運交通主格局。

項目借助于物聯(lián)網(wǎng)、北斗、無線傳感、信號控制技術(shù)，優(yōu)化信息采集和信號控制手段，在滿足社會車輛通行需求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建地面公交優(yōu)先信號控制策略，實現(xiàn)公交優(yōu)先通行，提高公交運行速度與運行效率，構(gòu)建安全、智慧、高效、環(huán)保、經(jīng)濟的智慧公共交通網(wǎng)絡(luò)。

1 東總體需求

按照“技術(shù)可靠、節(jié)約高效、互聯(lián)互通、信息共享、運維便捷”的原則，在滿足：①智能公交調(diào)度系統(tǒng)穩(wěn)定；②地面公交信號優(yōu)先系統(tǒng)總體需求的前提下，采用通過對已有公交車載定位終端（南京公交集團所有，設(shè)備提供商與技術(shù)支持商為南京智慧交通科技有限公司，而非新購定位終端）改造，改造的定位終端支持多中心數(shù)據(jù)通信的總體技術(shù)方案。

2 差分北斗/GPS工作原理

2.1 差分定位原理

差分GPS（differential GPS-DGPS，DGPS）是首先利用已知精確三維坐標的差分GPS基準臺，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個修正量實時或事后發(fā)送給用戶（GPS導(dǎo)航儀），對用戶的測量數(shù)據(jù)進行修正，以提高GPS定位精度。

差分GPS （DGPS）是在正常的GPS外附加（差分）修正信號，此改正信號改善了GPS的精度。根據(jù)差分GPS基準站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和相位差分。

這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對其測量結(jié)果進行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。

偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。幾乎所有的商用差分GPS接收機均采用這種技術(shù)。國際海事無線電委員會推薦的RTCM SC-104也采用了這種技術(shù)。

在基準站上的接收機要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的測量值 加以比較。利用一個α-β濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置， 就可消去公共誤差，提高定位精度。

2.2 差分北斗/GPS系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 差分北斗系統(tǒng)架構(gòu)圖

差分北斗/GPS系統(tǒng)運作的流程：①基準站連續(xù)不間斷的觀測北斗/GPS的衛(wèi)星信號獲取該地區(qū)和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，按照用戶要求把靜態(tài)數(shù)據(jù)打包存儲并把基準站的衛(wèi)星信息送往服務(wù)器上北斗/GPS軟件的指定位置。②用戶單元接收定位衛(wèi)星傳來的信號，并解算出地理位置坐標。③用戶單元的數(shù)據(jù)通訊模塊通過局域網(wǎng)從服務(wù)器的指定位置獲取基準站提供的差分信息后輸入用戶單元的差分北斗/GPS模塊進行差分解算。④用戶單元在野外完成靜態(tài)測量后，可以從基準站軟件下載同步時間的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行基線聯(lián)合解算。

北斗/GPS硬件系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程如下圖2：

圖2 DGPS差分系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

3 應(yīng)用方案研究

3.1 外接模塊設(shè)計

3.1.1 外接模塊整體架構(gòu)

外接模塊由MCU主控器，4G無線通信模塊，4G無線通信天線，對接通訊接口芯片及連接器，帶差分功能的北斗/GPS模塊組成。

圖3 差分北斗/GPS外接模塊硬件組成圖

3.1.2 定位模組設(shè)計

本方案中選用了深圳天工測控的SKG12D芯片，帶有差分北斗/GPS功能，芯片性能及規(guī)格說明如下：

SKG12D是一個完整的GNSS模塊，具有高敏感性、超低功耗和小尺寸的特點而被廣泛應(yīng)用。SKG12D GPS模塊通過天線來接收信號，使用nmea協(xié)議或自定義協(xié)議將位置、速度、時間等編成一系列的串行數(shù)據(jù)記錄。

它是基于高性能的單片機架構(gòu)，其—162dBm跟蹤靈敏度使其能在以前的GPS模塊不能定位的城市峽谷和茂盛的樹蔭這樣的環(huán)境中定位！它的小尺寸和低功耗的特點使它很容易的被集成到便攜式的設(shè)備中，例如：手機、照相機、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)。

特點：支持多系統(tǒng)：GPS，GLONASS，，BDS，ALILEO，QZSS；支持廣域增強系統(tǒng)：SBAS（WAAS，EGNOS，MSAS，GAGAN）；支持99個GNSS信道；超低功耗；支持快速冷啟動；超高靈敏度；內(nèi)建數(shù)據(jù)記錄功能；內(nèi)建地磁傳感功能；針對無人機的專業(yè)軟件優(yōu)化；支持NMEA協(xié)議和UBX協(xié)議；ISO/TS16949品質(zhì)控制體系。

3.1.3 電源模組設(shè)計

外接模塊采用低功耗設(shè)計，通過車載的DC24V供電的，需要在采購DC24～36V轉(zhuǎn)5V及3.3V的DC/DC直流電源模塊，功率為10W左右。

3.1.4 軟件設(shè)計說明

軟件模塊分成如下主程序及子程序：1）MCU管理應(yīng)用主程序。2）通訊接口收發(fā)子程序。3）4G無線模塊數(shù)據(jù)收發(fā)子程序。4）GPS數(shù)據(jù)的收發(fā)子程序。5）GPS模塊讀寫子程序。6）看門狗子程序。7）通訊接口驅(qū)動程序。8）4G模塊驅(qū)動程序。

3.2 數(shù)據(jù)接口設(shè)計

參考南京市公交優(yōu)先項目的《5.17公交定位信息采集分析子系統(tǒng)軟硬件需求 （1）.docx》的導(dǎo)航終端數(shù)據(jù)格式說明，以及基站實際可提供的數(shù)據(jù)，現(xiàn)確定導(dǎo)航終端需上傳四種類型數(shù)據(jù)的前三種。

四種類型數(shù)據(jù)為：1、自定義格式數(shù)據(jù)2、GPGGA定位信息數(shù)據(jù)3、GPGSA參與定位的可見衛(wèi)星信息4、偽距（單頻）（注：詳見以下對應(yīng)說明）

以上四個報文，可以通過無線遠程配置，有選擇發(fā)送其中一項或幾項，如關(guān)閉、打開偽距信息上傳。

3.2.1 自定義格式數(shù)據(jù)

樣例：$CLXX， 3206000001， 123.45678，0/99*

$CLXX，設(shè)備編號，速度，方向*

說明：（1）設(shè)備編號 設(shè)備編號為10位數(shù)字，前四位是地區(qū)編號。第五位是廠家編號，可由萊斯公司統(tǒng)一指定某個廠家所代表的數(shù)字，后五位按順序編號，如3206000001）。線路編號是配在數(shù)據(jù)庫里，只要一個車輛的編號就可以唯一標識車輛?？梢酝ㄟ^設(shè)備編號在數(shù)據(jù)庫中查詢到車輛的車牌號及其線路。（2）速度 速度為浮點數(shù)，小數(shù)點前保留3位，小數(shù)點后保留5位，格式為###.######，例如123.45678。速度的單位為千米/小時。（3） 方向信息，99-上行，0下行（上行即主站向副站形勢，下行反之）

3.2.2 GPGGA定位信息數(shù)據(jù)

例句：$GNGGA，060815.00，3956.64797000，N，11618.020770000， E，1， 06，1.26，00113，M，-006，M，，*42

——CR（Carriage Return） + LF（Line Feed）幀結(jié)束，回車和換行

3.2.3 GPGSA參與定位的可見衛(wèi)星信息

例句：

$GPGSA， A，3，14，15，05，22，18，26，，，，，，，2.1，1.2，1.7*3D 或

$BDGSA， A，3，14，15，05，22，18，26，，，，，，，2.1，1.2，1.7*3D 或

$GNGSA， A，3，14，15，05，22，18，26，，，，，，，2.1，1.2，1.7*3D

假如是GPS衛(wèi)星，衛(wèi)星編號不變。假如是北斗衛(wèi)星，衛(wèi)星編號+40。例如北斗03號衛(wèi)星，編號的輸出為43。

3.2.4 偽距（單頻）

GPS衛(wèi)星采用L1頻率，北斗衛(wèi)星則采用B1頻率，一條數(shù)據(jù)格式示例如下：

$GPGPD，101110000000.0000000，0，09，2403130643…，23707847.969 ，20260405.820 ，20904648.086 ，21670752.102 ，21253101.992 …

3.3 車載調(diào)度終端的軟件改造設(shè)計

在車載調(diào)度終端ZTM2003上，需要增加與外接模塊對接的程序，設(shè)計開發(fā)內(nèi)容：①RS232接口的收發(fā)程序；②RS232接口的切換程序；③ZTM2003與外接模塊上的定位芯片配置程序；④ZTM2003上的2G與外接模塊的4G無線通信網(wǎng)絡(luò)切換子程序；⑤UDP通信協(xié)議的配置程序；⑥站點進出站的坐標采樣修正程序；⑦語音話筒配置程序；⑧外接模塊的北斗/GPS定位數(shù)據(jù)解析程序；⑨ZTM2003與外接模塊的通信程序。

4 結(jié)束語

車載定位終端升級改造，將實現(xiàn)改造后的定位終端應(yīng)用于智能公交系統(tǒng)與信號優(yōu)先系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性；實現(xiàn)這兩個系統(tǒng)4G信號傳輸，實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)秒級傳輸，傳輸數(shù)據(jù)完整率高于95%；實現(xiàn)北斗與GPS雙模定位，實現(xiàn)差分北斗/GPS定位功能，定位精度達到亞米級。

目標是：①平臺對接、數(shù)據(jù)共享及互聯(lián)互通（包含容災(zāi)備份數(shù)據(jù)安全）；②定位終端升級改造，增加北斗/GPS雙模模塊，支持多中心，實現(xiàn)北斗/GPS差分定位，定位精度達到亞米級；實現(xiàn)差分定位，獲取車輛的準確行駛位置，精確計算出車輛到達和駛離路口的準確時間，為信號燈調(diào)整信號配時提供基本參數(shù)。③4G通信改造，實現(xiàn)秒級傳輸頻率、多中心通信及數(shù)據(jù)完好率95%以上。