張文超，魏東巖，袁 洪

(1. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100094；2.中國科學(xué)院光電研究院，北京 100094)

0 引言

出租車行業(yè)是全國大中城市交通運(yùn)營的主要產(chǎn)業(yè)，也是市民日常出行的必備交通工具。其中，出租車計(jì)價器是出租車運(yùn)營者與乘客之間進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具，其主要是通過統(tǒng)計(jì)車輛行駛里程進(jìn)行計(jì)價，因而計(jì)價器統(tǒng)計(jì)的車輛里程準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到運(yùn)營者和乘客的經(jīng)濟(jì)利益。隨著城市出租車數(shù)量的不斷增加、國家法制計(jì)量管理的不斷加強(qiáng)，出租車計(jì)價器檢定已成為出租車行業(yè)運(yùn)營不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

計(jì)價器檢定是對計(jì)價器進(jìn)行校準(zhǔn)的過程[1]，傳統(tǒng)計(jì)價器檢定是通過模擬檢測方式[2]實(shí)現(xiàn)的，即：在固定檢測場地建立檢定裝置，通過控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動模擬汽車輪軸轉(zhuǎn)動，根據(jù)輸出的脈沖數(shù)對比電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)對各類出租汽車計(jì)價器進(jìn)行整體檢測，并通過計(jì)算機(jī)配套軟件對檢測結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析。整個過程繁雜又耗時，同時又影響出租車的正常運(yùn)營。另外一種檢定方法是基于高精度定位技術(shù)的檢定方式[3-7]，即：將高精度差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Dfferential Global Navigation Satellite System， DGNSS)接收機(jī)放在車輛上，利用GNSS定位結(jié)果校準(zhǔn)車輛計(jì)價器。該方法可以實(shí)現(xiàn)出租車計(jì)價器的移動檢定，且不影響出租車的正常運(yùn)營。但是用于檢定的高精度差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)成本較高，且在城市環(huán)境中容易失鎖丟失定位信息，不利于實(shí)際應(yīng)用。

本文主要的貢獻(xiàn)有三點(diǎn)：1)提出了基于低成本微型慣性測量單元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)和DGNSS松組合技術(shù)的移動檢測方法，通過將MIMU/DGNSS松組合模塊固連在車上隨車一起運(yùn)動，采集車輛行進(jìn)過程中的高精度定位信息，利用位置增量計(jì)算車輛行駛里程，然后將該里程結(jié)果和計(jì)價器輸出里程進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)車輛計(jì)價器的移動在線檢定。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：低成本MIMU和DGNSS的組合，保證了在衛(wèi)星信號良好及丟失的情況下均能輸出較準(zhǔn)確的定位信息，滿足車輛在城市環(huán)境下行駛時衛(wèi)星信號易被遮擋的應(yīng)用需求，可以在不影響車輛正常運(yùn)營的條件下對車輛進(jìn)行檢定，方法簡便、效率高，且組合導(dǎo)航模塊成本低，可滿足廣大出租車輛移動檢測的需求。2)為了避免定位過程中的一些較大粗差定位點(diǎn)造成的里程累積誤差，提出了一種分段里程比對方法，增加了長距離里程對比結(jié)果的客觀性。同時自編寫了里程比對軟件，可有效簡化里程比對分析過程。3)對本文提出的計(jì)價器移動在線檢定方法進(jìn)行了分類和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文算法的有效性和可靠性。

1 技術(shù)原理

傳統(tǒng)的模擬檢測方式需要固定的場地和專門的模擬檢測設(shè)備，整個過程繁瑣、耗時且不方便。基于高精度衛(wèi)星定位結(jié)果的檢測方法是根據(jù)連續(xù)跟蹤車輛一系列定位結(jié)果計(jì)算車輛行駛里程，該過程簡便、省時，但由于在城市環(huán)境中衛(wèi)星信號易被遮擋，所以在實(shí)際移動檢測過程中往往造成定位信息丟失，使得計(jì)算的里程信息不準(zhǔn)確，影響車輛里程檢定的精度[8]。

采用低成本MIMU和DGNSS組合的方式，可以在一定程度上彌補(bǔ)城市環(huán)境中衛(wèi)星信號丟失的缺點(diǎn)，在保證精度的條件下增加車輛里程移動檢測的可靠性。利用組合導(dǎo)航的優(yōu)勢可以降低移動檢測模塊的成本，滿足廣大出租車輛移動檢測的需求。

將低成本MIMU和DGNSS組合導(dǎo)航模塊固連在參與移動檢測的車輛上，采集車輛移動定位信息，同時車輛計(jì)價器里程采集裝置也記錄車輛行駛里程。將二者的里程結(jié)果進(jìn)行比對從而實(shí)現(xiàn)計(jì)價器里程的移動檢定過程。移動檢測模擬效果如圖1所示。

1.1 低成本MIMU/DGNSS松組合方式原理

采用MIMU和DGNSS松組合的方式構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)位置、速度組合導(dǎo)航方案，采用間接Kalman濾波及閉環(huán)校正方式，MIMU輸出運(yùn)動載體3個方向的加速度及角速度，DGNSS在差分條件下輸出載體3個方向的位置和速度信息[9-13]。松組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

利用MIMU導(dǎo)航解算方法獨(dú)立計(jì)算出載體位置、速度和姿態(tài)，然后將所得結(jié)果與DGNSS模塊獲得的位置、速度相組合，進(jìn)行MIMU/DGNSS組合導(dǎo)航濾波，然后利用濾波結(jié)果閉環(huán)校正慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)導(dǎo)航參數(shù)完成導(dǎo)航輸出，同時對慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器誤差和數(shù)學(xué)平臺誤差進(jìn)行反饋校正，以進(jìn)行下一次導(dǎo)航濾波。

1.2 里程比對原理

在衛(wèi)星信號良好的情況下，高精度DGNSS接收機(jī)的載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic，RTK)定位精度為厘米級，根據(jù)該定位精度計(jì)算得到的里程結(jié)果誤差在0.2%內(nèi)[4]，符合 JJG517-2009 《出租汽車計(jì)價器》國家檢定規(guī)程規(guī)定的要求。

為了證明本文所提出方法的精度及穩(wěn)定性，在移動檢測車輛上同時放置高精度DGNSS接收機(jī)和低成本MIMU/DGNSS組合導(dǎo)航模塊，分別獨(dú)立采集移動車輛的定位信息。把根據(jù)高精度DGNSS接收機(jī)定位信息計(jì)算的里程作為基準(zhǔn)里程，由低成本MIMU/DGNSS組合導(dǎo)航模塊輸出定位信息計(jì)算的里程作為測試?yán)锍?，二者進(jìn)行比對驗(yàn)證低成本MIMU/DGNSS組合導(dǎo)航模塊輸出里程的精度。同時，在實(shí)驗(yàn)過程中人為對MIMU/DGNSS組合模塊進(jìn)行一段時間拔天線處理，模擬衛(wèi)星失鎖的情況，驗(yàn)證在城市遮擋環(huán)境下組合導(dǎo)航模塊里程統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精度。

為了避免定位過程中的一些較大定位誤差點(diǎn)造成的里程累積誤差，影響比對結(jié)果的客觀性及可靠性。里程比對算法根據(jù)高精度DGNSS接收機(jī)得到的基準(zhǔn)里程把整個測試路段以1km為單位進(jìn)行切分，并記錄車輛每走1km里程的起始和結(jié)束的時間點(diǎn)，按照該時間點(diǎn)與組合導(dǎo)航測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時間匹配，比對每個1km路段內(nèi)的基準(zhǔn)里程和測試?yán)锍?，評估低成本MIMU/DGNSS組合導(dǎo)航模塊輸出里程的精度。里程比對流程圖如圖3所示。

1)首先把基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)為高斯平面坐標(biāo)。

2)計(jì)算基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相鄰兩點(diǎn)間的距離增量，求和后計(jì)算基準(zhǔn)數(shù)據(jù)里程。

3)基準(zhǔn)里程累計(jì)結(jié)果每到≥1km記錄基準(zhǔn)數(shù)據(jù)時間點(diǎn)及對應(yīng)1km的實(shí)測里程。

4)將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)1km處時間點(diǎn)和測試數(shù)據(jù)時間點(diǎn)進(jìn)行匹配。

5)若時間可以匹配，求測試數(shù)據(jù)在匹配時間段內(nèi)的距離，和基準(zhǔn)里程比對，求出誤差百分比。

根據(jù)上述算法自編的里程比對軟件界面如圖4所示。

上述軟件可讀取最原始RTK輸出數(shù)據(jù)及組合導(dǎo)航模塊輸出數(shù)據(jù)，然后按照時間匹配結(jié)果，比對測試數(shù)據(jù)每個1km里程段的里程誤差；同時，軟件可以輸出測試數(shù)據(jù)每個定位點(diǎn)的點(diǎn)位誤差，用于輔助分析每個里程段是否存在較大粗差定位點(diǎn)影響測試數(shù)據(jù)的里程統(tǒng)計(jì)結(jié)果精度。

2 算例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)設(shè)備為中海達(dá)H32 BDS/GPS/GLONASS雙頻實(shí)時動態(tài)GNSS接收機(jī)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式，RTK平面測量精度為±(10mm+1×10-6D)，高程測量精度為±(20mm+1×10-6D)，基準(zhǔn)設(shè)備精度滿足測試需求。測試設(shè)備(低成本MIMU/DGNSS 松組合導(dǎo)航平臺)采用東方聯(lián)星CC50III-BG衛(wèi)星增強(qiáng)高精度原始設(shè)備制造(Original Equipment Manufacturer, OEM)模塊，偽距差分情況下平面測量精度為1.5m，高程測量精度為3.0m，載波相位差分情況下平面測量精度為0.5m，高程測量精度為1.0m。模塊在實(shí)驗(yàn)前已參照上述原理中所述組合導(dǎo)航算法，可在線處理測試數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在杭州進(jìn)行采集，選擇衛(wèi)星信號良好的開闊路段進(jìn)行測試，利用杭州市當(dāng)?shù)谻ORS網(wǎng)為測試設(shè)備提供實(shí)時高精度差分改正數(shù)，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)設(shè)備和組合模塊的差分定位，基準(zhǔn)和測試的采樣率都為1Hz。實(shí)驗(yàn)過程中采用別克商務(wù)車作為測試平臺，將RTK流動站和差分模塊的天線固定在車頂，其相對位置如圖5所示(圖上貼在車頂上黑色小方塊為組合導(dǎo)航模塊天線，白色接收機(jī)為基準(zhǔn)RTK設(shè)備，二者位置盡量靠近)。圖6所示為低成本組合導(dǎo)航模塊，由于模塊包含MIMU單元，為了保證移動測量過程中定位點(diǎn)精度，模塊按照坐標(biāo)系Y軸指向，被固定在車內(nèi)地面上，Y軸指向與車前進(jìn)方向一致。實(shí)驗(yàn)過程中選取不同的路段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時人為拔天線一段時間模擬衛(wèi)星失鎖的情況，驗(yàn)證在城市遮擋環(huán)境下組合導(dǎo)航模塊里程統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可靠性及穩(wěn)定性。RTK流動站采集的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，模塊采集的數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分兩類進(jìn)行采集：一類是在開闊條件下采集組合導(dǎo)航模塊和基準(zhǔn)RTK設(shè)備的連續(xù)定位數(shù)據(jù)，定位結(jié)果如圖7所示；第二類是在測試過程中人為設(shè)置幾段90s左右拔天線過程，模擬衛(wèi)星失鎖，采集組合導(dǎo)航模塊和基準(zhǔn)RTK模塊的連續(xù)定位數(shù)據(jù)，定位結(jié)果如圖8所示(黃色點(diǎn)為衛(wèi)星信號良好狀態(tài)下組合模塊的定位結(jié)果，綠色點(diǎn)和紅色點(diǎn)為拔天線情況下組合模塊的定位結(jié)果)。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行了兩類驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，即：第一類是在開闊條件下采集組合導(dǎo)航模塊并且不含拔天線情況；第二類是在開闊條件下采集組合導(dǎo)航模塊且含拔天線情況。下面分別對兩類驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2.1 第一類實(shí)驗(yàn)

第一類實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)在衛(wèi)星信號良好的開闊條件下采集，保證基準(zhǔn)RTK數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集過程中，基準(zhǔn)設(shè)備為定點(diǎn)RTK模式，低成本組合導(dǎo)航模塊為定點(diǎn)RTK和慣性組合模式。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，比對算法以1km為單位將組合導(dǎo)航模塊測試數(shù)據(jù)和高精度DGNSS基準(zhǔn)里程結(jié)果切分，比對每1km里程統(tǒng)計(jì)誤差。

選取一組實(shí)測數(shù)據(jù)，該組數(shù)據(jù)記錄了4km左右的數(shù)據(jù)，如圖7所示，比對算法將其切分為4段，結(jié)果如表1所示。

表1 組合導(dǎo)航模塊和基準(zhǔn)RTK里程比對結(jié)果

2.2.2 第二類實(shí)驗(yàn)

第二類實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)在衛(wèi)星信號良好的開闊條件下采集，保證基準(zhǔn)RTK數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集過程中，基準(zhǔn)設(shè)備始終為定點(diǎn)RTK模式，組合導(dǎo)航模塊人為地設(shè)置幾段90s左右拔天線過程，未拔天線情況下組合導(dǎo)航模塊為定點(diǎn)RTK和慣性組合模式，拔天線后組合導(dǎo)航模塊主要依靠慣性遞推位置信息，且在重新插上天線過程中，組合導(dǎo)航模塊會處于短暫浮點(diǎn)、單點(diǎn)和慣性組合模式定位過程。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，比對算法按照1km為單位將組合導(dǎo)航模塊測試數(shù)據(jù)和高精度DGNSS基準(zhǔn)里程結(jié)果切分，比對每1km里程統(tǒng)計(jì)誤差。

選取一組實(shí)測數(shù)據(jù)，該組數(shù)據(jù)記錄了6km左右的數(shù)據(jù)，如圖8所示，比對算法將其切分為6段，結(jié)果如表2所示。

表2 組合導(dǎo)航模塊和基準(zhǔn)RTK里程比對結(jié)果

2.2.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，第一類實(shí)驗(yàn)和第二類實(shí)驗(yàn)分別重復(fù)進(jìn)行了10組(其中分別包含5組直線段測試和5組曲線段測試)，直線段和曲線段的里程長度分別為10km左右；第一類實(shí)驗(yàn)直線和曲線三維里程測試比對結(jié)果如圖9和圖10所示。

第一類穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低成本MIMU/DGNSS 松組合導(dǎo)航模塊在衛(wèi)星信號良好(未拔天線)情況下，直線段和曲線段的里程比對誤差結(jié)果均能穩(wěn)定在8‰范圍內(nèi)。

第二類實(shí)驗(yàn)(含拔天線)直線和曲線三維里程測試比對結(jié)果如圖11和圖12所示。

第二類穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：含拔天線(幾段90s左右拔天線)情況下，低成本MIMU/DGNSS 松組合導(dǎo)航模塊在直線段和曲線段的部分里程比對誤差會略大于8‰，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體穩(wěn)定在8‰范圍內(nèi)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1)在第一類實(shí)驗(yàn)(未拔天線)中，低成本MIMU/DGNSS 松組合導(dǎo)航模塊和中海達(dá)H32 BDS/GPS/GLONASS雙頻GNSS接收機(jī)均處于定點(diǎn)RTK模式，低成本組合導(dǎo)航模塊衛(wèi)星單元性能低于H32GNSS接收機(jī)，故里程統(tǒng)計(jì)結(jié)果相較H32GNSS接收機(jī)誤差約為8‰。

2)在第二類實(shí)驗(yàn)(拔天線：幾段90s左右拔天線)中，未拔天線時低成本MIMU/DGNSS 松組合導(dǎo)航模塊定位方式和第一類實(shí)驗(yàn)情況相同；拔天線情況下，低成本組合導(dǎo)航模塊可以短時通過慣性遞推出實(shí)時準(zhǔn)確位置信息，最終里程統(tǒng)計(jì)誤差也穩(wěn)定在8‰范圍內(nèi)。

3)兩類實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：組合導(dǎo)航模塊里程統(tǒng)計(jì)精度誤差約在8‰范圍內(nèi)，精度等級基本與高精度DGNSS接收，機(jī)接近且該組合導(dǎo)航模塊成本低、體積小、應(yīng)用方便，適合大范圍應(yīng)用。按照J(rèn)JG517-2009《出租汽車計(jì)價器》國家檢定規(guī)程規(guī)定的要求：檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置誤差小于0.3%，被檢出租汽車計(jì)價器的誤差為+1.0% ～-4.0%。該組合導(dǎo)航模塊誤差精度約為8‰左右，高于被檢出租汽車計(jì)價器的誤差(+1.0% ～-4.0%)，略低于檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置誤差0.3%，基本可應(yīng)用于出租車計(jì)價器的移動檢定。

3 結(jié)論

基于計(jì)價器檢定背景，本文提出了將低成本MIMU/DGNSS OEM松組合導(dǎo)航模塊應(yīng)用于移動車輛里程統(tǒng)計(jì)中，保證了在衛(wèi)星信號良好及丟失的情況下均能輸出較準(zhǔn)確的定位信息，滿足車輛在城市環(huán)境下行駛時衛(wèi)星信號被遮擋時的應(yīng)用需求，可以在不影響車輛正常運(yùn)營的條件下對車輛進(jìn)行檢定，方法簡便、效率高，且組合導(dǎo)航模塊成本低，可滿足廣大出租車輛移動檢測的需求；同時，設(shè)計(jì)了一種分段里程比對方法，增加了長距離里程對比結(jié)果的客觀性。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該組合導(dǎo)航模塊里程統(tǒng)計(jì)精度誤差約在8‰范圍內(nèi)，基本可應(yīng)用于出租車計(jì)價器的移動檢定，后期可采用更高精度的組合導(dǎo)航模塊硬件平臺提高輸出里程的精度。