張鵬程　周正　周榮華　汪祖國　趙偉

摘 要：根據(jù)智能交通系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)信息，提出其檢測方案的總體要求，結(jié)合道路測試的設(shè)備現(xiàn)狀，探討DGPS、航位推測系統(tǒng)、電子地圖匹配等技術(shù)方案在法規(guī)檢測中的應(yīng)用，最后利用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，結(jié)果顯示DGPS能夠滿足其的總體要求。

關(guān)鍵詞：差分GPS；智能交通系統(tǒng)；實時動態(tài)定位；

中圖分類號：U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）03-0067-06

An investigation on intelligent transport systems testing scenarios based on DGPS

ZHANG Peng-Cheng， ZHOU Zheng， ZHOU Rong-hua， WANG Zu-guo， ZHAO Wei

（1.national Automobile Quality Supervision And Test Center（xiangyang）， Xiangyang 441004， China）

Abstract：According to the standards and regulations of Intelligent Transport Systems， abstracted the general requirements of the testing scenarios， and then with respect to the technology status in the field of road testing， made an investigation on DGPS， INS/DR and Map Matching， finally gave some data to demonstrate that DGPS can meet the ITS general requirements.

1 前言

近年來，智能汽車技術(shù)己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力，很多發(fā)達(dá)國家都將其納入到各自重點發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中。為加快我國汽車智能安全技術(shù)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，國家相關(guān)部門也頒布一系列指導(dǎo)政策【1】，為國內(nèi)汽車整車及零部件產(chǎn)品在該領(lǐng)域的技術(shù)積累和質(zhì)量提升創(chuàng)造了條件，越來越多的智能安全技術(shù)成果被應(yīng)用到汽車制造與交通運輸市場上。

本文根據(jù)各類智能交通系統(tǒng)法規(guī)中給出的模擬場景信息和需要測試的試驗參數(shù)，分析其工程意義，總結(jié)出適用于智能交通系統(tǒng)法規(guī)檢測領(lǐng)域的一般性要求，在此基礎(chǔ)上重點進(jìn)行了DGPS在具體實施方案中的應(yīng)用探討。

2 智能交通系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運用了計算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。在法規(guī)檢測領(lǐng)域，歐美等認(rèn)證機(jī)構(gòu)已針對智能交通系統(tǒng)如自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）、前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)（FCW）、提前緊急制動系統(tǒng)（AEBS）、盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)（BSD）、變道輔助系統(tǒng)（LCDAS）、車道偏離報警系統(tǒng)（LDWS）、車道保持系統(tǒng)（LKAS）等制訂標(biāo)準(zhǔn)并執(zhí)行對應(yīng)的認(rèn)證業(yè)務(wù)，因此如何科學(xué)有效的對智能交通系統(tǒng)進(jìn)行檢測認(rèn)證是國內(nèi)認(rèn)證機(jī)構(gòu)面臨的緊迫性課題，表1給出了智能交通系統(tǒng)的部分國際標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)信息。

通過表1標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的研究可知，針對智能交通系統(tǒng)的檢測方案，都是根據(jù)試驗樣車上所裝備的智能駕駛輔助功能詳情，按照標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中相應(yīng)的條款要求，設(shè)計出規(guī)范的檢測場景來對試驗樣車進(jìn)行功能性驗證。

根據(jù)近年來國內(nèi)在智能交通系統(tǒng)法規(guī)認(rèn)證領(lǐng)域的實踐經(jīng)驗【2、3】，認(rèn)為其測試方案均具有以下特點和要求：

（a）空間位置精度高

在模擬各類智能交通系統(tǒng)測試場景時，一般需要多臺試驗樣車進(jìn)行動態(tài)測試，要求全部試驗樣車的運動軌跡都必須具備較高的精確度，例如在文獻(xiàn)【4】中明確規(guī)定，各車之間的相對位置精度應(yīng)該至少要達(dá)到0.1m，這就對測試設(shè)備的定位精度提出了嚴(yán)格的要求。

（b）時間精度高

智能交通系統(tǒng)設(shè)計的測試場景，都是針對相應(yīng)的智能駕駛輔助功能進(jìn)行的實時監(jiān)控，如何準(zhǔn)確捕獲智能駕駛輔助功能的開始時刻和（或）結(jié)束時刻是關(guān)系到法規(guī)認(rèn)證工作有效性的本質(zhì)問題。因此在滿足前述的定位精度的基礎(chǔ)上，還要求法規(guī)規(guī)定的測試參數(shù)具有良好的實時性，即要求采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各設(shè)備主機(jī)之間，無線通訊技術(shù)應(yīng)滿足有關(guān)行業(yè)在實時性和可靠性方面的性能要求。

（c）駕駛行為的控制精度高

在智能交通系統(tǒng)法規(guī)認(rèn)證的實踐中，要求全部試驗樣車能夠按照規(guī)定的路線、在規(guī)定的時刻按照規(guī)定的車速、距離、減速度、方向盤轉(zhuǎn)角或其他控制變量對測試場景進(jìn)行精準(zhǔn)的模擬，即存在一個全部試驗樣車、測試設(shè)備（如目標(biāo)車、目標(biāo)物等）之間的同步問題，而大多數(shù)情況下，人類駕駛員對這種同步操作的完成存在困難，因此機(jī)器人駕駛技術(shù)對模擬各類測試場景的必要性越來越高。

文獻(xiàn)【5】對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明，區(qū)域智能交通系統(tǒng)是智能汽車應(yīng)用研究的重要突破，其關(guān)鍵技術(shù)在于：①導(dǎo)航控制技術(shù)；②傳感器信息融合技術(shù)；③通信及其他輔助技術(shù)。因此在法規(guī)認(rèn)證實踐中，把汽車試驗場作為一種區(qū)域智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，如何根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的測試資源制訂出一套適用于各種智能交通系統(tǒng)法規(guī)認(rèn)證的測試方案就顯得尤為重要。

3 測試方案分析與探討

當(dāng)前，根據(jù)對汽車道路試驗設(shè)備的市場調(diào)研可知：以GPS接收機(jī)為核心部件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主導(dǎo)了絕大多數(shù)的整車道路測試項目，各級管理部門主導(dǎo)實施的整車道路測試項目也要求滿足對試驗過程連續(xù)實時的監(jiān)控要求，因此全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車檢測乃至社會各個行業(yè)中不可或缺的技術(shù)手段。

3.1 GPS接收機(jī)

GPS定位原理是根據(jù)三角測量定位來實現(xiàn)的，并且同時利用相關(guān)技術(shù)獲取測量值。具體來講，就是GPS接收機(jī)通過天線接收所有可見GPS衛(wèi)星的信號后，接收機(jī)對這些信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而精確的測量出各個衛(wèi)星信號的發(fā)射時間，接著將其自備時鐘所顯示的信號接收時間與測量所得的信號發(fā)射時間相減后再乘以光速，由此得到接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離，這就是偽距ρ，公式（1）即是偽距觀測方程式【6】：

（1）

式中，r是衛(wèi)星與接收機(jī)之間的幾何距離，δtu是接收機(jī)時鐘鐘差，δt（s）是衛(wèi)星時鐘鐘差，I是電離層延時，T是對流層延時，ερ是偽距測量噪聲量。

GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號從結(jié)構(gòu)上可分為載波、偽碼和數(shù)據(jù)碼三個層次，例如在民用領(lǐng)域，載波L1頻率為1575.42MHz，偽碼是C/A碼，偽碼具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性以滿足碼分多址通信系統(tǒng)（CDMA）的要求【7】，導(dǎo)航電文則是由數(shù)據(jù)碼序列按照一定格式編排而成的。

GPS接收機(jī)作為一種傳感器，它的主要任務(wù)在于感應(yīng)、測量GPS衛(wèi)星相對于接收機(jī)本身的距離以及衛(wèi)星信號的多普勒頻移，并從衛(wèi)星信號中解調(diào)出導(dǎo)航電文。GPS接收機(jī)利用載波跟蹤環(huán)路對數(shù)字中頻信號進(jìn)行載波剝離，利用碼跟蹤環(huán)路進(jìn)行C/A碼剝離，還需要完成位同步和幀同步這兩個階段的任務(wù)，這樣就能從中解譯出衛(wèi)星星歷或歷書等具有實用價值的導(dǎo)航電文參數(shù)。

整車道路測試領(lǐng)域的設(shè)備資料顯示，在某些輔助技術(shù)的支持下，GPS的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）能提供1.8m的定位精度，因此標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)是無法滿足智能交通系統(tǒng)的測試需求，而差分GPS（Differential GPS，DGPS）為實現(xiàn)亞米級定位精度提供了一種解決途徑，按定位精度而言，差分GPS至少可以達(dá)到GPS精密定位服務(wù)（PPS）這一標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 DGPS原理

差分GPS的基本工作原理主要是依據(jù)衛(wèi)星時鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延時、對流層延時所具有的空間相關(guān)性和時間相關(guān)性這一事實。如圖1所示，基準(zhǔn)站將其接收機(jī)的測量誤差通過無線電發(fā)射臺播送給流動站（即用戶）接收機(jī)，那么流動站就可以利用接收到的基準(zhǔn)站接收機(jī)的測量誤差來校正流動站接收機(jī)對同一衛(wèi)星的距離測量值，從而提高流動站接收機(jī)的測量和定位精度，表2列出了在基線長度為幾十千米的情況下各種GPS測量誤差在差分前后的大小情況。

表2的數(shù)據(jù)表明，差分GPS能夠消除或減小衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星星歷、電離層延時、對流層延時這4種誤差成分，而多路徑與接收機(jī)噪聲對GPS測量值的影響不能通過差分得到改善?？紤]到接收機(jī)噪聲通常比多路徑誤差小，于是多路徑成為差分系統(tǒng)特別是短基線、基于載波相位測量值的差分系統(tǒng)的主要誤差源。為了降低基準(zhǔn)站接收機(jī)的多路徑效應(yīng)與接收機(jī)噪聲，基準(zhǔn)站需要配備高性能GPS接收機(jī)，GPS接收天線則采用扼流圈天線并安裝在地勢高而開闊的位置上。

根據(jù)智能交通系統(tǒng)法規(guī)測試的特點，差分GPS系統(tǒng)的用戶會相對于基準(zhǔn)站運動，因而必須迅速的求解出整周模糊度而實時的完成定位，這需要用到實時動態(tài)定位（Real-Time Kinematic，RTK）技術(shù)。GPS載波相位整周模糊度的求解是精密RTK測繪和導(dǎo)航應(yīng)用中的一個關(guān)鍵性技術(shù)難題。由于受到通信和誤差存在空間相關(guān)性的限制，RTK系統(tǒng)中基準(zhǔn)站與流動站之間的基線長度應(yīng)小于10km，很少超過20km，而這個適用范圍恰好與汽車試驗場的尺寸相吻合。目前有VHF或UHF頻段的無線電可用于基準(zhǔn)站與流動站之間的通訊，同時，國內(nèi)外也在開展關(guān)于GSM、CDMA、GPRS等新型傳輸技術(shù)在RTK數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用嘗試【8】，還提出了一種稱為虛擬基準(zhǔn)站（Virtual Reference Station，VRS）的數(shù)據(jù)處理方法【9】。

根據(jù)實踐經(jīng)驗和各種測試設(shè)備的技術(shù)資料，差分GPS基準(zhǔn)站的使用過程應(yīng)注意以下事宜：

（1）基準(zhǔn)站周圍應(yīng)視野開闊，衛(wèi)星仰角截止角應(yīng)優(yōu)于10°（有些設(shè)備允許對該參數(shù)進(jìn)行自定義設(shè)置），GPS接收天線周圍無信號反射物以減少多路徑效應(yīng)，見圖2所示；

（2）基準(zhǔn)站的無線電發(fā)射天線應(yīng)盡量設(shè)置于相對制高點以上，以方便播發(fā)差分信號；

（3）基準(zhǔn)站應(yīng)遠(yuǎn)離微波塔、通信塔等大型電磁發(fā)射源200m以上，遠(yuǎn)離高壓輸電線路、通信線路50m以上。

3.3 其他增強GPS性能的技術(shù)方案

3.3.1 精密單點定位

差分與精密定位至少需要來自兩個接收機(jī)的測量值，并通過差分消除測量誤差；然而，對于載波相位測量值只來自單個接收機(jī)的非差相定位來說，因為它不具有應(yīng)用差分技術(shù)的資源，所以那些未能經(jīng)差分而被消除的測量誤差會導(dǎo)致定位精度的下降，可是這種狀況正在發(fā)生變化。現(xiàn)在，我們可以從國際GNSS服務(wù)（IGS）那里近乎實時的獲得精度非常高（可達(dá)厘米級）的GNSS衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)信息，再憑借雙頻接收機(jī)測量出電離層延時，于是單個接收機(jī)的載波相位不經(jīng)差分也能實現(xiàn)精密定位。這種基于單個接收機(jī)而實現(xiàn)精密定位的方法稱為精密單點定位（PPP），其定位精度可達(dá)分米級至厘米級。

與前面探討的差相式精密定位相比，非差相操作給精密單點定位帶來了很多優(yōu)勢。由于消除了對基準(zhǔn)站的依賴，因而精密單點定位系統(tǒng)的運行變得簡單，成本變低，不再存在要求用戶接收機(jī)與基準(zhǔn)站接收機(jī)對衛(wèi)星進(jìn)行同時跟蹤和測量的這個制約，并且它的定位精度在不同的地方可以說是一致的，不再受所謂的基線距離長短的影響。當(dāng)然，精密單點定位在實際應(yīng)用中也面臨不少挑戰(zhàn)，其中一個問題是如何縮短定位前的初始化時間，另一個問題是如何求解載波相位測量值中遭衛(wèi)星和接收機(jī)初相位偏差破壞而變成非整數(shù)值的整周模糊度，等等。

3.3.2 GPS與航位推測系統(tǒng)的組合

在整車道路測試設(shè)備中，陀螺儀和加速度計是兩種比較常見的慣性傳感器，它們與計算機(jī)及其導(dǎo)航算法一起組成一個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/航位推測（INS/DR）與GPS定位系統(tǒng)在功能特點上存在很多互補性，能明顯提高GPS的定位有效率，其組合的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下兩方面：

（1）在GPS信號受到阻擋、干擾等造成GPS接收機(jī)不能實現(xiàn)定位的情況下，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠持續(xù)提供定位結(jié)果，以維持、保證100%的定位有效率。同時慣性導(dǎo)航系統(tǒng)還能提供更高的定位頻率以及用戶的姿態(tài)角信息，這對處理在高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）測試中經(jīng)常遇到的航向角（Heading）不穩(wěn)定問題具有重要價值。不僅如此，慣性傳感器還可幫助檢測偽距和多普勒頻移等GPS測量值是否受到多路徑、載波相位失周等誤差影響，以提高GPS定位的正直性和準(zhǔn)確性。

（2）反過來，具有絕對定位功能的GPS可以將載體運動狀態(tài)初始值提供給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并幫助校準(zhǔn)慣性傳感器的各個參數(shù)。同時，GPS對慣性傳感測量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測可幫助判斷傳感數(shù)據(jù)是否正常，對慣性傳感器參數(shù)的實時校準(zhǔn)又可降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差積累速度，并限制其誤差積累的最大值。

GPS與INS/DR的組合方式分為松性（Loose）組合、緊性（Tight）組合和深性（Deep）組合三種，其中以深性組合的性能最佳。深性組合需要讀寫GPS接收機(jī)內(nèi)部信號跟蹤環(huán)路軟件的相關(guān)變量，因此只有接收機(jī)生產(chǎn)商才有可能為了提高接收機(jī)性能而去實現(xiàn)GPS與INS/DR的深性組合，相對而言，實現(xiàn)緊性組合的技術(shù)門檻要低得多，而實現(xiàn)松性組合的機(jī)會是向任何人開放的。

3.3.3 GPS定位值的電子地圖匹配

在智能交通系統(tǒng)的測試方案中，前述技術(shù)方案能夠顯著提高GPS的定位精度，但是對于試驗車輛的運動軌跡而言，僅僅提高GPS的定位精度是不夠的，只有把GPS定位值正確地匹配到各類測試場景的電子地圖上才能完成對智能交通系統(tǒng)的檢測認(rèn)證工作。因此，鑒于GPS定位誤差和電子地圖有限精度這兩方面的原因，地圖匹配這項內(nèi)容具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實意義，并且地圖匹配還有利于提高定位性能，使定位結(jié)果更加準(zhǔn)確、平滑。

電子地圖是車輛駕駛員與其所采用的定位技術(shù)之間的一層用戶界面，根據(jù)近幾年發(fā)展起來的機(jī)器人駕駛技術(shù)在整車道路測試中的應(yīng)用經(jīng)驗【10、11】來看，電子地圖在機(jī)器人駕駛技術(shù)的路徑跟隨（Path Following，PF）測試方法中有著廣泛的應(yīng)用前景，它能夠協(xié)助測試工程師完成極其復(fù)雜的駕駛操作，而這種駕駛操作是傳統(tǒng)測試手段無法實現(xiàn)的。該領(lǐng)域的研究表明，地圖匹配算法的關(guān)鍵通常在于正確確定一條相匹配的初始階段。

信息化產(chǎn)業(yè)的調(diào)查表明，這些年來驅(qū)動GPS市場的力量并不是GPS技術(shù)的提高，而是更為廣泛的GPS應(yīng)用，而智能交通系統(tǒng)恰好是一個極具規(guī)模的集學(xué)術(shù)研究、商業(yè)利益于一體的應(yīng)用市場，本文對各類技術(shù)方案的探討期望能對同行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提供借鑒。

4 DGPS實測案例分析

根據(jù)前述的測試方案分析與探討，同時結(jié)合整車道路測試的技術(shù)現(xiàn)狀，本文對各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

4.1 靜態(tài)定位精度對比

圖4對比了單點GPS與DGPS-RTK的靜態(tài)誤差，圖中顯示了5min時間歷程的靜態(tài)測量數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，單點GPS的靜態(tài)位置漂移明顯，其誤差約為1.8m，而DGPS-RTK的靜態(tài)位置不存在漂移現(xiàn)象，其誤差約為0.01m，完全能夠滿足智能交通系統(tǒng)對空間位置的精度要求。

4.2 動態(tài)定位精度對比

根據(jù)GPS載波的多普勒頻移，GPS接收機(jī)能夠獲得比位置信息更高精度的速度信息【12】。因此在動態(tài)測量過程中，單點GPS和DGPS-RTK兩者之間的差異較小，但是在遇到衛(wèi)星信號跟蹤失鎖的情況時，單點GPS的定位精度存在較大波動，而DGPS-RTK對衛(wèi)星失鎖的處理能力較強，能夠減小或消除由此產(chǎn)生的干擾問題，表3和圖5是試驗車輛在某次勻速直線行駛工況時采集的原始數(shù)據(jù)。其中表3的數(shù)據(jù)表明，在動態(tài)過程中，單點GPS和DGPS-RTK兩種測試系統(tǒng)都遇到了衛(wèi)星信號的跟蹤失鎖現(xiàn)象，圖5中的曲線則表明單點GPS的運動軌跡發(fā)生了約0.8m突變，而DGPS-RTK的運動軌跡在整個測試過程中都能夠保持較高的定位精度，不存在明顯的軌跡突變問題。

5 結(jié)束語

本文搜集了各種智能交通系統(tǒng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，總結(jié)出各類測試場景所具有的總體特點和一般性要求，結(jié)合當(dāng)前整車道路試驗設(shè)備的技術(shù)水平，探討了差分GPS、航位推測系統(tǒng)、電子地圖匹配等技術(shù)方案在法規(guī)檢測中的應(yīng)用前景，最后，利用試驗數(shù)據(jù)對單點GPS和DGPS-RTK進(jìn)行對比，結(jié)果表明差分GPS能夠滿足智能交通系統(tǒng)的測試精度要求，對國內(nèi)汽車檢測認(rèn)證行業(yè)具有一定的指導(dǎo)價值。

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