基于北斗的车辆精确定位监测系统设计与实现

安徽四创电子股份有限公司　梁本仁　斯庭勇　王世臣



基于北斗的车辆精确定位监测系统设计与实现

安徽四创电子股份有限公司梁本仁斯庭勇王世臣

【摘要】以高速公路车辆监测为例，提出了以北斗差分定位技术为核心，实现车辆厘米级实时定位，结合地理信息系统（GIS）、嵌入式系统及网络等技术建立基于北斗的车辆精确定位监测系统。论文利用双频相位观测值的宽巷组合，采用LAMBDA方法快速固定整周模糊度，通过实验表明，该种方法在车辆精确定位中切实有效。

【关键词】北斗差分定位；车辆监测；宽巷组合；LAMBDA；整周模糊度

1　引言

高速公路具有高效、快速、舒适、安全、方便等特征，带来巨大的经济效益和社会效益。随着我国高速公路的大量修建，因服务体系不到位造成高速公路交通拥堵和交通安全问题日益突显。同时在浓雾、大雨等天气下，高速公路上驾驶员视线模糊，不易看见周围车辆行驶状况，易造成交通事故。目前我国市场上的各种车载终端功能主要集中在定位及导航上，但定位精度不足以保证车辆的间距，以及无法显示反馈周围车辆准确信息，不能将安全隐患规避到最小，也做不到其他信息的共享与交互[2]。

北斗卫星导航系统（简称北斗）是我国独立自主研制的新一代卫星导航定位系统，具有全天候、应用成本低，在军民多个领域得到了广泛的应用[1]。目前北斗已经发射19颗卫星，可以向整个亚太地区提供免费的授时、定位服务。利用北斗载波差分定位技术实现车辆实时厘米级定位，可以解决传统车载终端卫星定位精度不高的问题。本文提出了以北斗差分定位技术为核心，结合地理信息系统、嵌入式系统、网络等技术建设高速公路车辆精确定位监测系统。该系统能够显示本车和附近车辆的实时位置并在终端地图上实时更新，经过通信链路传输位置、速度等关键信息，保证在浓雾、大雨等恶劣天气情况下车辆安全行驶。

2　系统组成及工作原理

系统主要包括：车辆监控平台、北斗基准参考站、车载北斗终端，通信传输链路。车辆监控平台用于接收车辆的位置信息，实时分析车辆间的距离及车速，并根据数据给出告警提示，同时能够分析高速公路车辆行驶实时状况。北斗基准参考站播发本基站的观测量信息，实现车载北斗终端高精度测量模块的高精度定位测速。车载北斗终端实现车辆的高精度位置解算及使其具备显示本车实时位置和附近车辆位置，并在导航终端地图实时更新。系统框架如图1所示。

图1　系统框架图

整个系统运行流程如下：

Ø北斗基准参考站接收卫星导航信号，获取当前点位信息、观测量信息和电文信息，并将信息以广播的方式进行播发；

Ø车载北斗终端接收到基站播发的数据，修正本车辆的位置和速度信息，实现车辆厘米级的高精度位置测量；

Ø北斗车载终端将本车辆的位置坐标和速度信息传输至车辆监控平台及附近一定范围内车辆；

Ø车辆监控平台根据上报车辆的位置和速度信息，推算车辆间的安全距离及安全速度，并通知超过阈值的车辆，进行实时告警和监控。

Ø北斗车载终端通过本车辆及友邻车辆的地图位置显示，直观显示车辆各类信息。

3　车辆精确定位单历元解算算法

本文利用国内某厂商研制的OEM核心板卡，采用B1、B2频点进行试验仿真。由于高速车辆行驶速度快，一般达到120km/h，对车辆位置坐标获取的实时性要求严格，利用双频相位观测值的宽巷组合波长大特点，采用LAMBDA(the least-squares ambiguity decorrelation adjustment)搜索方法首先固定宽巷模糊度[3]]，待宽巷模糊度全部固定后，再解算B1、B2整周模糊度，最后得到单历元基线向量，从而得到车辆精确位置坐标。

3.1宽巷模糊度固定

本文利用宽巷观测值波长长，模糊度易确定特点，以伪距和宽巷观测值进行最小二乘平差，然后搜索宽巷观测值的整周模糊度以下为算法实现过程。

宽巷观测值方程：

伪距双差观测方程为：

载波相位宽巷双差观测方程为：

双差伪距和宽巷载波观测方程可表示为：

利用上述方程进行最小二乘求解：(5)

式中：

为提高模糊度精度，本文采用采用分组逐步固定模糊度，先选择方差较小的模糊度组成主模糊度组[4]，采用LAMBDA方法解算出主组整周模糊度。当主模糊度组固定后，带入方程求取较高精度的观测值，回代双差的观测方程。用固定的宽巷模糊度更新观测方程，改进所有的参数，再求取从模糊度实数解。利用LAMBDA方法，求得从模糊度组的固定解，进而将宽巷模糊度组合固定下来[5]。

3.2双差B1/B2模糊度固定

双差宽巷模糊度固定后，双差宽巷观测值、载波B1观测方程为：

B1和B2的双差模糊度固定后进而，利用高精度的载波观测值进行单历元基线解算[6]。

3.3算法仿真

为了验证上述算法的正确性，本文采用两块带有B1、B2频率的OEM板卡，以及两个北斗高精度天线，采集两处的原始数据，利用论文算法进行单基线的测量解算。两处数据采集点相距约5km，一处选择在某12楼楼顶较空旷地域进行数据采集，另一采集点选在某学校主教学楼楼顶。测试环境良好，视野宽阔，数据采样率为1s。利用观测到的北斗码伪距和载波相位进行单历元姿态解算。选取其中330个历元，根据本文算法进行解算，如图2所示，将每个历元计算得到的X、Y、Z基线向量与各个分量的平均值做差。

图2　基线偏差

计算X、Y、Z三个分量的内符合精度σ1,σ2,σ3。计算公式为：

4　实例分析

选择某大桥高速公路作为试验点，该大桥正桥长约17公里，在大桥未正式运营前，进行设备安装试验。

4.1基准参考站建设

按照基准站建设要求选择基准站点，在选定试验的路段中间架设两处基准参考站，基准站选择应考虑以下因素：

1)站址应选在基础坚实稳定，易于长期保存，并有利于安全作业的地方, 年平均下沉和位移小于3mm。

2)站址应避开地质构造不稳定区域，如：断层破碎带，易于发生滑坡、沉陷等局部变形的地点及地下水位变化较大的地点。

3)站址与周围大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站、通讯基站、变电所等）的距离应大于200m；与高压输电线、微波通道的距离应大于100m。

4)站址附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体

5)站址视场内高度角大于10º的障碍物遮挡角累积不应超过30º。

4.2车载北斗终端

终端主要包括：高精度定位模块、车载电台、无线传输模块、地图显示模块、显控单元等。

4.3地图数据获取及开发

由于一般的电子地图精度无法满足厘米级的定位精度指标，故该系统的地图数据可以按相关测绘法规向特定单位进行地图数据采集申请，申请后根据案例实际情况进行地图的采集及处理。论文中的地图数据获取是在基站、终端及通讯系统联调成功之后，让装有北斗车载终端的车辆沿着试验路段缓慢行驶，采集POI点数据，建立相对坐标系，经过数据处理，获取导航地图数据。显控单元采用基于Android系统的平板，在此平台上开发地图显示等功能，实时显示本车及周围车辆的位置信息。

5　结束语

论文做了以下工作：

1)将北斗差分定位技术应用于车辆精确定位监测系统中，实现车辆厘米级定位，解决一般车载定位终端定位精度不高，无法满足在浓雾、大雨等视线不佳带来的行车难及安全问题。

2)同时论文利用双频相位观测值的宽巷组合，采用LAMBDA搜索快速固定整周模糊度，并利用MATLAB进行仿真实验，实验表明，该种方法在车辆精确定位中切实有效。

3)以某公铁大桥公路为例进行系统建设说明，从基准站选址、北斗车载终端组成、高精度地图获取及开发几个方面进行了简略阐述。该系统在一定程度上能够缓解浓雾等恶劣天气带来的交通安全问题。

参考文献

[1]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件(2.0版)[R].中国卫星导航系统管理办公室,北京,2013.

[2]李华贵,项志华,何伟.基于GPS和GPRS车载导航定位系统的实现[J].计算机技术与发展,2006,11(16):242-245.

[3]唐卫明,邓辰龙,高丽峰.北斗单历元基线解算算法研究及初步结果[J].武汉大学学报(信息科学版),2013,38(8):897-901.

[4]祝会忠,高星伟,秘金钟.一种GPS整周模糊度单历元解算方法[J].测绘科学,2011,36(4):9-11.

[5]阳仁贵,欧吉坤,任超.GPS单历元载波相位整周模糊度的解算方法研究[J].长江科学院院报,2005,22(1):32-34.

[6]赵琳,刘玥.基于北斗多频观测量的载波相位差分精密定位技术研究[C].第四届中国卫星导航学术年会电子文集.

梁本仁（1982—），男，硕士，工程师，从事北斗导航、GNSS高精度测量、无线通信相关的技术研发工作。

斯庭勇（1987—），男，硕士，助理工程师，从事北斗导航、GNSS高精度测量相关的技术研发工作。

王世臣（1987—），男，硕士，助理工程师，从事通信导航、GNSS高精度测量相关的技术研发工作。

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

作者简介：