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        基于北斗高精度定位的自由流車載終端軟硬件研究

        2020-06-22 13:15:56王維芳錢莉王立端
        軟件導(dǎo)刊 2020年5期

        王維芳 錢莉 王立端

        摘 要:為提高高速公路收費(fèi)站通行速度,實(shí)現(xiàn)高速公路自由流收費(fèi),設(shè)計(jì)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(jìn)行用戶認(rèn)證和數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí),結(jié)合高速公路自由流收費(fèi)站高精度地圖,該終端通過車輛位置識(shí)別算法獲取車輛在自由流收費(fèi)站中的位置信息并上傳至自由流收費(fèi)系統(tǒng)位置云平臺(tái)請求抬桿。實(shí)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(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用需求,促進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)健康發(fā)展。

        關(guān)鍵詞:高速公路自由流收費(fèi)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(biāo)識(shí)碼(OSID):

        中圖分類號(hào):TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能[1-2]。交通運(yùn)輸行業(yè)具有點(diǎn)多、線長、面廣以及移動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn),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(fèi)站堵車問題嚴(yán)重,依靠技術(shù)創(chuàng)新提升高速公路通行效率,實(shí)現(xiàn)自由流收費(fèi)已成為社會(huì)共識(shí)[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(fèi)系統(tǒng)的先例。因此,應(yīng)用于高速公路自由流收費(fèi)系統(tǒng)的北斗高精度車載終端值得研究。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)北斗高精度差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛的厘米級(jí)定位進(jìn)行了深入研究;文獻(xiàn)[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(jì);文獻(xiàn)[11]對(duì)慣導(dǎo)和衛(wèi)導(dǎo)組合導(dǎo)航方法進(jìn)行了定位不間斷研究。

        基于以上研究和自由流收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用需求,本文終端采用連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)參考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行不間斷定位[18-19]。通過實(shí)際道路測試驗(yàn)證,該終端可滿足高速公路自由流收費(fèi)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(jì)

        設(shè)計(jì)方案從兩個(gè)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(tái),在此平臺(tái)上編寫基于NTRIP協(xié)議的認(rèn)證傳輸程序以及收費(fèi)站區(qū)域車輛位置識(shí)別算法。

        北斗高精度車載終端總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

        2 硬件設(shè)計(jì)

        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(hào)的北斗高精度定位板卡,型號(hào)為K726。該模塊設(shè)計(jì)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(jì),支持標(biāo)準(zhǔn)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(hào)中斷10s時(shí),定位精度(1[σ])為0.2m;中斷30s時(shí),定位精度(1[σ])為3m;中斷大于60s時(shí),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(shí)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(jì)

        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(dòng)程序以及文件系統(tǒng),需要完成USB驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)。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(fèi)站高精度地圖識(shí)別車輛在收費(fèi)站區(qū)域的位置程序。應(yīng)用程序通過驅(qū)動(dòng)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(jì)

        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(jìn)行RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議,主要用于用戶認(rèn)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(yùn)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(rèn)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(rèn)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?jǐn)?shù)據(jù)請求信息,包含用戶名、密碼、掛載點(diǎn)名稱。若請求通過,將返回ICY 200 OK。

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

        (4)NtripServer與NtripCaster建立TCP連接,并發(fā)送掛載點(diǎn)請求信息。NtripCaster對(duì)接收到的請求信息進(jìn)行認(rèn)證。若掛載點(diǎn)、密碼均有效,NtripCaster回復(fù)ICY 200 OK,NtripServer將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給NtripCaster。NtripCaster收到差分?jǐn)?shù)據(jù)后,再將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給NtripClient。

        3.2 收費(fèi)站區(qū)域車輛位置識(shí)別算法程序設(shè)計(jì)

        北斗高精度車載終端需要實(shí)現(xiàn)車道識(shí)別和抬桿功能,因此,設(shè)計(jì)收費(fèi)站區(qū)域車輛位置識(shí)別算法獲取車輛在收費(fèi)站區(qū)域的位置信息,即收費(fèi)站、車道和收費(fèi)桿信息,并上傳至自由流收費(fèi)系統(tǒng)位置云平臺(tái)請求抬桿。首先,對(duì)高速公路自由流收費(fèi)站高精度地圖進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作,并將地圖文件存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)特定區(qū)域的空間算法。通過車輛某位置點(diǎn)作一條水平射線,判斷該射線與特定區(qū)域各線段的交點(diǎn)個(gè)數(shù)。如果是奇數(shù)點(diǎn),該點(diǎn)就在特殊區(qū)域內(nèi),偶數(shù)點(diǎn)則不在。收費(fèi)站區(qū)域車輛位置識(shí)別算法程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

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

        地圖文件采用WGS84大地坐標(biāo),文件存儲(chǔ)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(fèi)站、車道、收費(fèi)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(fèi)站區(qū)域車輛位置識(shí)別算法對(duì)車輛定位數(shù)據(jù)和高精度地圖文件進(jìn)行處理,獲取車輛當(dāng)前所在收費(fèi)站、車道和收費(fèi)桿的信息以及收費(fèi)桿的抬桿情況。

        4 試驗(yàn)測試

        測試地點(diǎn)選取在高速公路自由流收費(fèi)系統(tǒng)北斗試驗(yàn)收費(fèi)站。車輛通過北斗試驗(yàn)車道進(jìn)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(dòng)差分定位模塊,輸入IP以及端口號(hào)等信息,整個(gè)終端開始運(yùn)行。通過串口采集北斗高精度板卡及慣導(dǎo)輸出報(bào)文數(shù)據(jù),判斷連接CORS系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的邏輯正確性。通過開發(fā)口采集上傳位置云平臺(tái)數(shù)據(jù)及慣導(dǎo)數(shù)據(jù),判斷收費(fèi)站區(qū)域車輛位置識(shí)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(fèi)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(yàn)證了連接CORS系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的邏輯正確性。另外,北斗高精度車載終端10次均能正確識(shí)別收費(fèi)站以及車道,10次均能成功請求抬桿,驗(yàn)證了收費(fèi)站區(qū)域車輛位置識(shí)別算法的正確性。

        為了方便對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)分別描述固定解、慣導(dǎo)解、浮動(dòng)解、單點(diǎn)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(yàn)收費(fèi)站的行車軌跡。圖4中,北斗高精度板卡的軌跡在收費(fèi)站遮擋處出現(xiàn)單點(diǎn)跳點(diǎn)和無效解,無衛(wèi)星信號(hào)且軌跡中斷;圖5中,采用BDS/INS組合定位時(shí),遮擋無衛(wèi)星信號(hào)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(shí)間內(nèi)BDS丟失信號(hào)或者信號(hào)弱時(shí)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(shí)際行駛軌道,沒有偏離出北斗試驗(yàn)車道。經(jīng)多次試驗(yàn)計(jì)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(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用需求。

        5 結(jié)語

        本文結(jié)合CORS系統(tǒng)設(shè)計(jì)北斗高精度車載終端,實(shí)現(xiàn)了車載終端厘米級(jí)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(jìn)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(fèi)站遮擋區(qū)域的定位連續(xù)性。同時(shí),本文通過收費(fèi)站區(qū)域車輛位置識(shí)別算法程序,實(shí)現(xiàn)了終端在收費(fèi)站區(qū)域車道識(shí)別和抬桿請求功能。

        本文設(shè)計(jì)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(duì)行駛狀態(tài)下的車輛進(jìn)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(jì)費(fèi)。管理上,可以與現(xiàn)有收費(fèi)方式兼容,改造簡單,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。因此,該終端開發(fā)與應(yīng)用對(duì)高速公路通行管理具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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        (責(zé)任編輯:孫 娟)

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