基于三星合一衛(wèi)星定位駕考系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用*

喬 鵬

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

1 緒論

本課題在上一代駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)應(yīng)用幾年積累的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，研究了一種基于三衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組合精確定位的駕考系統(tǒng)。在信號采集分析研判、系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)上傳下載等方面進行了深入的開發(fā)，并進行了應(yīng)用與測試。

重點研究內(nèi)容如下：

1) GNSS系統(tǒng)的融合

在上一代機動車駕駛?cè)丝颇慷?、科目三考試系統(tǒng)中，大部分考試系統(tǒng)還是完全依靠美國GPS系統(tǒng)進行考試車輛的定位與判斷。隨著近年來我國北斗衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量逐漸增多，覆蓋范圍越來越廣，尤其是北斗地基增強系統(tǒng)建設(shè)完成后，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能將有顯著提升，各行業(yè)也可享受更加精確、更加可靠的導(dǎo)航定位服務(wù)。因此，我們研發(fā)的駕考系統(tǒng)將改變原來單一GPS定位的模式，發(fā)展為北斗+GPS的雙星模式，再到GPS+北斗+格洛納斯的三星合一精準定位的模式[1]。

本論文研究采用北斗+GPS+格洛納斯三套導(dǎo)航系統(tǒng)組合的應(yīng)用方式，該方式比單一導(dǎo)航系統(tǒng)對于提升定位的精準度等有很大優(yōu)勢，它的本質(zhì)就是大數(shù)據(jù)的融合。三套導(dǎo)航系統(tǒng)的組合判斷比單一系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢主要如下：

◆減少了單一系統(tǒng)故障出現(xiàn)的風險；

◆融合了三套系統(tǒng)的衛(wèi)星，增加了可觀測衛(wèi)星數(shù)量；

◆縮短定位時間、提高定位精度；

◆增強定位結(jié)果的準確度；

◆減少了衛(wèi)星漂移帶來的影響。

2) 考試系統(tǒng)自動化功能的實現(xiàn)

要實現(xiàn)駕駛?cè)藱C動車考試系統(tǒng)實現(xiàn)公安部要求的自動化、電子化改造，并且達到遠程監(jiān)管與控制的目的，必須構(gòu)建一套完整的全流程系統(tǒng)，其中包括各種信號的自動采集、分析、研判，數(shù)據(jù)的上傳下載，遠程監(jiān)管系統(tǒng)的搭建等。主要有如下幾點：

◆傳感器的使用：要深入研究測試各種適應(yīng)駕駛?cè)丝荚噲鲂枨蟮膫鞲衅鳎獦?gòu)建符合考試系統(tǒng)性能最佳的傳感器應(yīng)用組合，構(gòu)建穩(wěn)定、準確、響應(yīng)速度快的系統(tǒng)。

◆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建：要根據(jù)考試場實際環(huán)境搭建符合考試要求的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因地制宜的選擇最佳方案。

◆考試評判的設(shè)計：要嚴格按照部令要求設(shè)計相應(yīng)的考試評判措施，保證所有考試要求均能正確無誤的實現(xiàn)判斷。

◆軟件系統(tǒng)的架構(gòu)：要編制符合駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)全流程的軟件平臺，平臺要達到省市縣三級貫通，并且完全符合公安部對駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)的要求。要保證建好的平臺功能完善、穩(wěn)定可靠、可適應(yīng)未來考試需求的擴建擴充等。

2 組合導(dǎo)航定位原理

2.1 定位原理

采用北斗+GPS+格洛納斯三星融合實施定位的原理基本與單星導(dǎo)航差分定位原理相同，三星定位原理如圖1所示。

圖1 三星定位原理

不同之處在于三星融合導(dǎo)航定位系統(tǒng)比單衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多了兩個星座，而且三種系統(tǒng)之間的某些關(guān)鍵參數(shù)如：時間系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)等不可避免的會出現(xiàn)差異。另外，不同的導(dǎo)航定位系統(tǒng)在發(fā)送信號給地面接收機時也存在不同的延遲情況。所以三星融合導(dǎo)航定位必須首先解決不同系統(tǒng)之間的時空統(tǒng)一，即將三個不同導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星時統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為UTC(世界協(xié)調(diào)時)以保證融合之后的時間統(tǒng)一。其次利用每個導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)進行系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換，完成以上工作后才能進行解算，提高定位精度[2]。

2.2 組合系統(tǒng)測試

組合導(dǎo)航系統(tǒng)測試流程步驟如圖2所示。

圖2 組合導(dǎo)航系統(tǒng)測試流程

本測試選擇辦公樓樓頂，放置接收機及天線。觀測單系統(tǒng)及組合系統(tǒng)可視衛(wèi)星數(shù)、PDOP值，進行誤差定位分析和數(shù)據(jù)分析。

經(jīng)過測試，這種開闊環(huán)境下GPS可視衛(wèi)星數(shù)一般為4～6顆，北斗衛(wèi)星因為主要在我國上空，所以可視衛(wèi)星數(shù)在8顆左右，格洛納斯衛(wèi)星數(shù)也在4-6顆之間變動，組合衛(wèi)星數(shù)在14～18顆之間變動。如圖3所示。

圖3 可視衛(wèi)星數(shù)示意圖

表1匯總了單個導(dǎo)航系統(tǒng)及組合導(dǎo)航系統(tǒng)的各測定值及計算值。測試過程中發(fā)現(xiàn)，PDOP數(shù)值在衛(wèi)星數(shù)增多的情況下減小。GPS在某一時間段內(nèi)PDOP值為22.69，所以造成GPS PDOP平均值偏高。另外，計算得出定位結(jié)果平面和高度值，也列入表中，可清晰對比各系統(tǒng)定位的精密度情況。其中，GPS 平面RMS數(shù)值為1.27要低于組合系統(tǒng)數(shù)值2.11，但是在高度數(shù)值要遠高于組合系統(tǒng)，這一點不組合系統(tǒng)更顯穩(wěn)定。由上表可知北斗/GPS/格洛納斯組合導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性更佳，定位準確性和精密度更高[3]。另根據(jù)測試2小時統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

整個考試系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖4所示。

圖4 駕考系統(tǒng)架構(gòu)

1.車載系統(tǒng)

2.基站建設(shè)

3.場地監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

4.系統(tǒng)評判

5.數(shù)據(jù)傳輸與安全

4 駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)軟件

4.1 概述

考試系統(tǒng)軟件是參照公安部最新實施的第139號令科目二、三考試的相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合實際需求設(shè)計研發(fā)的。系統(tǒng)軟件由評判控制模塊、綜合管理模塊和數(shù)據(jù)庫組成。

評判控制模塊由車載端和實時視頻系統(tǒng)組成。車載端可實現(xiàn)對考試項目、考試成績的自動評判，將考生考試情況回傳；實時視頻系統(tǒng)可同時與多輛考車無線通信，實現(xiàn)考試全過程控制及監(jiān)視、考生考試信息獲取等功能[4]。

綜合管理模塊主要為業(yè)務(wù)管理使用，由如下幾個主要管理模塊：考生信息管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理。其中考生信息管理模塊主要包括考生信息查看、考生分車、門禁報道、排隊叫號、打印成績單等功能；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理模塊主要包括學(xué)員管理、考車管理、安全員管理、統(tǒng)計查詢、綜合查詢、誤判申請、誤判查詢、誤判處理等功能；系統(tǒng)管理模塊主要包括用戶管理、日志及設(shè)置等功能[5]。

4.2 系統(tǒng)特點

駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)是集車輛傳感信號采集、GNSS衛(wèi)星定位、5.8G無線通信等多種國內(nèi)外先進技術(shù)為一體的實際道路駕駛自動評判系統(tǒng)。本考試系統(tǒng)可實現(xiàn)對考試信息的穩(wěn)定記錄與存儲，可實現(xiàn)對學(xué)員進行駕駛?cè)丝荚囘^程中對考車的駕馭能力是否符合國家有關(guān)部門的相關(guān)要求，對各種法規(guī)的學(xué)習情況及應(yīng)用情況和實操中的綜合能力。

其功能特點主要如下：

●嚴格按照國家相關(guān)部委及我省實際情況進行設(shè)計，實現(xiàn)駕考系統(tǒng)的計算機評判，保證考試過程的公開、透明，保證每一位考生享有公平、公正的權(quán)益。

●系統(tǒng)軟件功能全面、完善，能完成考生考試的全流程所有功能。

●系統(tǒng)實現(xiàn)自檢，并自動保存日常記錄，減少用戶日常維護負擔。

●系統(tǒng)擴展性強。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

本文所研發(fā)的基于三星合一(北斗+GPS+格洛納斯)精確定位技術(shù)的機動車駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)，是在近年來參加駕駛?cè)丝荚嚾藬?shù)飛速增長，但是考試系統(tǒng)的自動化程度較低、評判方式略顯落后、考試監(jiān)管也不能完全實現(xiàn)的社會背景下應(yīng)用而生，也是我單位在交管行業(yè)多年積淀并長期研發(fā)后經(jīng)過大量測試而成的產(chǎn)品。本產(chǎn)品完全符合國家公安部第91號令、第111號令、第123號、第139號令以及其他相關(guān)技術(shù)規(guī)范對駕考系統(tǒng)和標準的要求。

本系統(tǒng)集自動控制技術(shù)理論、衛(wèi)星遙感理論、人工智能理論、系統(tǒng)建模等于一體，解決了公安部明確提出的要利用高新技術(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)考試的自動化，并且持續(xù)加強駕考系統(tǒng)中對自動化、電子化、便民化的要求，同時實現(xiàn)對考試過程的遠程監(jiān)管和遠程控制的要求。

本系統(tǒng)采用三星合一的技術(shù)理念，有效降低了采用單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障出現(xiàn)的風險，并且因為融合了三套系統(tǒng)可用的衛(wèi)星，增加了可觀測衛(wèi)星數(shù)，相比較單一系統(tǒng)縮短了定位時間、提高定位精度，同時增強了定位結(jié)果的正確性和可靠性，更為重要的是有效的減少了衛(wèi)星漂移帶來的影響。

車載端、中心端、監(jiān)管中心軟件平臺的架構(gòu)，也使得考生、考官、監(jiān)管單位可以方便快捷的實現(xiàn)考試過程的全部操作。

5.2 展望

下一步系統(tǒng)升級方向主要有以下幾點：

1) 使用OBD(汽車行車電腦)取代車載傳感器的使用。對于現(xiàn)有系統(tǒng)使用傳感器采集評判所需信號的方式還有改進的前景，如何有效利用汽車OBD中的信息實現(xiàn)駕考系統(tǒng)部分評判信號的采集是下一步的改進重點。

2) 利用現(xiàn)有考試數(shù)據(jù)建立考場大數(shù)據(jù)模型。經(jīng)過一段時間的駕考安排，考試數(shù)據(jù)的留存完全可實現(xiàn)對考試系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的分析與建模，在此基礎(chǔ)上延伸的其他先進功能有待進一步研發(fā)。