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)設計與實現(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，實現(xiàn)車輛厘米級實時定位，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）、嵌入式系統(tǒng)及網(wǎng)絡等技術(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，通過實驗表明，該種方法在車輛精確定位中切實有效。

【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)濟效益和社會效益。隨著我國高速公路的大量修建，因服務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)星導航系統(tǒng)（簡稱北斗）是我國獨立自主研制的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，具有全天候、應用成本低，在軍民多個領(lǐng)域得到了廣泛的應用[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)提供免費的授時、定位服務。利用北斗載波差分定位技術(shù)實現(xiàn)車輛實時厘米級定位，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)絡等技術(shù)建設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時位置并在終端地圖上實時更新，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時狀況。北斗基準參考站播發(fā)本基站的觀測量信息，實現(xiàn)車載北斗終端高精度測量模塊的高精度定位測速。車載北斗終端實現(xiàn)車輛的高精度位置解算及使其具備顯示本車實時位置和附近車輛位置，并在導航終端地圖實時更新。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架圖

整個系統(tǒng)運行流程如下：

?北斗基準參考站接收衛(wèi)星導航信號，獲取當前點位信息、觀測量信息和電文信息，并將信息以廣播的方式進行播發(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，進行實時告警和監(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頻點進行試驗仿真。由于高速車輛行駛速度快，一般達到120km/h，對車輛位置坐標獲取的實時性要求嚴格，利用雙頻相位觀測值的寬巷組合波長大特點，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。

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，以偽距和寬巷觀測值進行最小二乘平差，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，改進所有的參數(shù)，再求取從模糊度實數(shù)解。利用LAMBDA方法，求得從模糊度組的固定解，進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而，利用高精度的載波觀測值進行單歷元基線解算[6]。

3.3算法仿真

為了驗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)，利用論文算法進行單基線的測量解算。兩處數(shù)據(jù)采集點相距約5km，一處選擇在某12樓樓頂較空曠地域進行數(shù)據(jù)采集，另一采集點選在某學校主教學樓樓頂。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　實例分析

選擇某大橋高速公路作為試驗點，該大橋正橋長約17公里，在大橋未正式運營前，進行設備安裝試驗。

4.1基準參考站建設

按照基準站建設要求選擇基準站點，在選定試驗的路段中間架設兩處基準參考站，基準站選擇應考慮以下因素：

1)站址應選在基礎堅實穩(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及地下水位變化較大的地點。

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）的距離應大于200m；與高壓輸電線、微波通道的距離應大于100m。

4)站址附近不應有強烈干擾接收衛(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，故該系統(tǒng)的地圖數(shù)據(jù)可以按相關(guān)測繪法規(guī)向特定單位進行地圖數(shù)據(jù)采集申請，申請后根據(jù)案例實際情況進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路段緩慢行駛，采集POI點數(shù)據(jù)，建立相對坐標系，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，獲取導航地圖數(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)應用于車輛精確定位監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(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進行仿真實驗，實驗表明，該種方法在車輛精確定位中切實有效。

3)以某公鐵大橋公路為例進行系統(tǒng)建設說明，從基準站選址、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

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

[2]李華貴,項志華,何偉.基于GPS和GPRS車載導航定位系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機技術(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].武漢大學學報(信息科學版),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,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)星導航學術(shù)年會電子文集.

梁本仁（1982—），男，碩士，工程師，從事北斗導航、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

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