基于北斗高精度定位的自由流車載終端軟硬件研究

王維芳 錢莉 王立端

摘 要：為提高高速公路收費站通行速度，實現(xiàn)高速公路自由流收費，設(shè)計了一套采用網(wǎng)絡(luò)RTK與BDS/INS組合定位技術(shù)的北斗高精度車載終端。該終端由北斗差分定位模塊、慣性導(dǎo)航模塊和4G通訊模塊等組成，終端基于NTRIP協(xié)議與CORS服務(wù)器進行用戶認證和數(shù)據(jù)傳輸。同時，結(jié)合高速公路自由流收費站高精度地圖，該終端通過車輛位置識別算法獲取車輛在自由流收費站中的位置信息并上傳至自由流收費系統(tǒng)位置云平臺請求抬桿。實際道路測試結(jié)果表明，該終端可滿足高速公路自由流收費系統(tǒng)應(yīng)用需求，促進交通運輸行業(yè)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高速公路自由流收費系統(tǒng);北斗高精度;BDS/INS組合定位技術(shù)

DOI：10. 11907/rjdk. 191887 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0155-04

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國自主研制并獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有實時導(dǎo)航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能[1-2]。交通運輸行業(yè)具有點多、線長、面廣以及移動性強的特點，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最大的應(yīng)用行業(yè)[3-4]。近年來，高速公路收費站堵車問題嚴重，依靠技術(shù)創(chuàng)新提升高速公路通行效率，實現(xiàn)自由流收費已成為社會共識[5-7]。已有研究中還未有將北斗高精度定位技術(shù)應(yīng)用于高速公路收費系統(tǒng)的先例。因此，應(yīng)用于高速公路自由流收費系統(tǒng)的北斗高精度車載終端值得研究。文獻[8-9]對北斗高精度差分定位技術(shù)實現(xiàn)車輛的厘米級定位進行了深入研究;文獻[10]提出了一種基于ARM芯片并結(jié)合4G通信技術(shù)的GPS車載定位終端設(shè)計;文獻[11]對慣導(dǎo)和衛(wèi)導(dǎo)組合導(dǎo)航方法進行了定位不間斷研究。

基于以上研究和自由流收費系統(tǒng)應(yīng)用需求，本文終端采用連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）進行載波相位差分定位（Real-Time Kinematic，RTK）[12-15]。并且，通過NTRIP協(xié)議與CORS服務(wù)器進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信與處理[16-17]。另外，該終端采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）組合定位方式進行不間斷定位[18-19]。通過實際道路測試驗證，該終端可滿足高速公路自由流收費系統(tǒng)的應(yīng)用需求，具有較好的應(yīng)用前景。

1 車載終端總體設(shè)計

設(shè)計方案從兩個方面論述：硬件搭建、軟件編寫。

硬件：主要包括北斗高精度差分定位模塊、慣性導(dǎo)航模塊、4G通信模塊。

軟件：以Linux為軟件平臺，在此平臺上編寫基于NTRIP協(xié)議的認證傳輸程序以及收費站區(qū)域車輛位置識別算法。

北斗高精度車載終端總體設(shè)計如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 北斗差分定位模塊

北斗差分定位模塊選用國產(chǎn)的一款支持BDS B1/B2、GPS L1/L2、GLONASS L1/L2三系統(tǒng)六頻信號的北斗高精度定位板卡，型號為K726。該模塊設(shè)計有3組UART串口，波特率范圍為4 800～921 600bps。并且，支持RTCM3.2協(xié)議格式的數(shù)據(jù)。RTK水平定位精度為1cm+1ppm，垂直定位精度為2cm+1ppm。

2.2 慣性導(dǎo)航模塊

選用的慣性導(dǎo)航模塊具有三軸陀螺儀和三軸加速度計，支持標準NMEA GNSS輸入。該模塊利用外部輸入的北斗高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)與自身慣性器件所測得的數(shù)據(jù)，不間斷輸出復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。該模塊在衛(wèi)星信號中斷10s時，定位精度（1[σ]）為0.2m;中斷30s時，定位精度（1[σ]）為3m;中斷大于60s時，定位精度（1[σ]）為行駛路程的1.5%。

2.3 4G通信模塊

本文北斗高精度車載終端選用內(nèi)置全網(wǎng)通4G通信模塊，實現(xiàn)車載終端與各服務(wù)器無線數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。該通信模塊支持Windows和Linux操作系統(tǒng)。并且，支持LTE-FDD B1/B3/B5/B8、LTE-TDD B38/B39/B40/B41，LTE-FDD最大下行速率為150Mbps，最大上行速率50Mbps，LTE-TDD最大下行速率130Mbps，最大上行速率35Mbps。

3 軟件設(shè)計

該終端軟件結(jié)構(gòu)分為底層和應(yīng)用層，底層主要包括Bootloader、Linux內(nèi)核、驅(qū)動程序以及文件系統(tǒng)，需要完成USB驅(qū)動、串口驅(qū)動。應(yīng)用層主要包括與CORS服務(wù)器連接的TCP/IP協(xié)議與NTRIP協(xié)議程序、結(jié)合高速公路自由流收費站高精度地圖識別車輛在收費站區(qū)域的位置程序。應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序提供的接口調(diào)用內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)。

3.1 連接CORS服務(wù)器程序設(shè)計

北斗高精度車載終端與CORS服務(wù)器的連接通信建立在TCP/IP協(xié)議以及NTRIP協(xié)議基礎(chǔ)上。TCP/IP協(xié)議主要用于與CORS服務(wù)器建立連接;NTRIP協(xié)議是一種基于HTTP協(xié)議進行RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議，主要用于用戶認證和GNSS數(shù)據(jù)流傳輸。連接CORS系統(tǒng)服務(wù)器程序流程如圖2所示。

3.1.1 與CORS服務(wù)器建立連接

與CORS服務(wù)器建立連接，運輸層主要采用TCP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議。連接CORS系統(tǒng)的IP及端口分別為59.63.215.180和10005。建立TCP Socket套接字和配置Socket[20]，其中Socket函數(shù)返回整型套接口描述符sockfd，通過Connect函數(shù)建立TCP連接;通過Send函數(shù)發(fā)送基于NTRIP協(xié)議的用戶認證信息;通過recv函數(shù)接收基于NTRIP協(xié)議的CORS服務(wù)器返回的信息。

3.1.2 基于NTRIP協(xié)議的用戶認證與數(shù)據(jù)傳輸

（1）NtripClient與NtripCaster建立TCP連接，并發(fā)送源列表請求信息。若請求通過，NtripCaster返回SOURCETABLE 200 OK。

（2）NtripClient給NtripCaster發(fā)送差分數(shù)據(jù)請求信息，包含用戶名、密碼、掛載點名稱。若請求通過，將返回ICY 200 OK。

（3）NtripSource產(chǎn)生GNSS差分數(shù)據(jù)，并將差分數(shù)據(jù)提交給NtripServer。

（4）NtripServer與NtripCaster建立TCP連接，并發(fā)送掛載點請求信息。NtripCaster對接收到的請求信息進行認證。若掛載點、密碼均有效，NtripCaster回復(fù)ICY 200 OK，NtripServer將差分數(shù)據(jù)發(fā)送給NtripCaster。NtripCaster收到差分數(shù)據(jù)后，再將差分數(shù)據(jù)發(fā)送給NtripClient。

3.2 收費站區(qū)域車輛位置識別算法程序設(shè)計

北斗高精度車載終端需要實現(xiàn)車道識別和抬桿功能，因此，設(shè)計收費站區(qū)域車輛位置識別算法獲取車輛在收費站區(qū)域的位置信息，即收費站、車道和收費桿信息，并上傳至自由流收費系統(tǒng)位置云平臺請求抬桿。首先，對高速公路自由流收費站高精度地圖進行設(shè)計與制作，并將地圖文件存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中以供讀取調(diào)用;然后，采用射線法作為判斷車輛是否在某個特定區(qū)域的空間算法。通過車輛某位置點作一條水平射線，判斷該射線與特定區(qū)域各線段的交點個數(shù)。如果是奇數(shù)點，該點就在特殊區(qū)域內(nèi)，偶數(shù)點則不在。收費站區(qū)域車輛位置識別算法程序設(shè)計如圖3所示。

結(jié)合高速公路自由流收費系統(tǒng)需求，本文高精度地圖采用最普遍的點、線、面抽象表示方法對收費站、車道、收費桿進行描述[21]。收費站和車道的形態(tài)，以面要素形式表達。收費桿的形態(tài)，以點要素形式表達。

地圖文件采用WGS84大地坐標，文件存儲格式為mid/mif。高精度地圖數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)上劃分為3層，包括收費站、車道、收費桿。高精度地圖屬性數(shù)據(jù)定義如表1、表2、表3所示。

采用收費站區(qū)域車輛位置識別算法對車輛定位數(shù)據(jù)和高精度地圖文件進行處理，獲取車輛當前所在收費站、車道和收費桿的信息以及收費桿的抬桿情況。

4 試驗測試

測試地點選取在高速公路自由流收費系統(tǒng)北斗試驗收費站。車輛通過北斗試驗車道進出站口的測試速度為40km/h～50km/h。

通過串口線與開發(fā)板連接，啟動差分定位模塊，輸入IP以及端口號等信息，整個終端開始運行。通過串口采集北斗高精度板卡及慣導(dǎo)輸出報文數(shù)據(jù)，判斷連接CORS系統(tǒng)程序設(shè)計的邏輯正確性。通過開發(fā)口采集上傳位置云平臺數(shù)據(jù)及慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，判斷收費站區(qū)域車輛位置識別算法的正確性。

測試車輛以40km/h～50km/h的行駛速度10次出入收費站，北斗高精度車載終端與CORS服務(wù)器10次均能正常通信，驗證了連接CORS系統(tǒng)程序設(shè)計的邏輯正確性。另外，北斗高精度車載終端10次均能正確識別收費站以及車道，10次均能成功請求抬桿，驗證了收費站區(qū)域車輛位置識別算法的正確性。

為了方便對定位數(shù)據(jù)進行觀察，通過Goole earth將定位數(shù)據(jù)處理成行車軌跡圖。以不同顏色的點分別描述固定解、慣導(dǎo)解、浮動解、單點解和無效解，如圖4、圖5所示。

圖4、圖5分別為采用BDS定位和BDS/INS組合定位經(jīng)過北斗試驗收費站的行車軌跡。圖4中，北斗高精度板卡的軌跡在收費站遮擋處出現(xiàn)單點跳點和無效解，無衛(wèi)星信號且軌跡中斷;圖5中，采用BDS/INS組合定位時，遮擋無衛(wèi)星信號處軌跡無中斷且平滑。因此，本文車載終端使用BDS/INS組合定位方法可以有效解決短時間內(nèi)BDS丟失信號或者信號弱時的定位連續(xù)性問題。

由圖5可看出，行車軌跡無明顯偏移實際行駛軌道，沒有偏離出北斗試驗車道。經(jīng)多次試驗計算，該終端的測試定位精度為16mm。因此，本文北斗高精度車載終端的定位精度完全滿足高速公路自由流收費系統(tǒng)應(yīng)用需求。

5 結(jié)語

本文結(jié)合CORS系統(tǒng)設(shè)計北斗高精度車載終端，實現(xiàn)了車載終端厘米級的定位精度。該終端采用北斗差分定位模塊聯(lián)合慣性導(dǎo)航模塊進行定位，BDS/INS的組合定位方式保證了北斗高精度車載終端在收費站遮擋區(qū)域的定位連續(xù)性。同時，本文通過收費站區(qū)域車輛位置識別算法程序，實現(xiàn)了終端在收費站區(qū)域車道識別和抬桿請求功能。

本文設(shè)計為北斗高精度自由流車載終端提供了一種軟硬件解決方案。技術(shù)上，該終端對行駛狀態(tài)下的車輛進行精確定位，可以有效解決高速公路多路徑問題，保證車輛在高速公路通行按里程計費。管理上，可以與現(xiàn)有收費方式兼容，改造簡單，具有推廣應(yīng)用價值。因此，該終端開發(fā)與應(yīng)用對高速公路通行管理具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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（責任編輯：孫 娟）