基于北斗/GPS雙切換的中心導航系統設計

鄭嘯天,秦貴和,董勁男,,陳 虹

(1. 吉林大學 計算機科學與技術學院,長春 130012； 2. 吉林大學 通信工程學院,長春 130012)

基于北斗/GPS雙切換的中心導航系統設計

鄭嘯天1,秦貴和1,董勁男1,2,陳 虹2

(1. 吉林大學 計算機科學與技術學院,長春 130012； 2. 吉林大學 通信工程學院,長春 130012)

設計一種基于北斗和全球定位系統(global positioning system,GPS)雙切換的中心導航系統. 該系統對兩種定位模式信號載噪比進行分析,靈活切換定位系統,解決了普通雙模定位系統中信號有效性不連續的問題； 并將動態路況信息引入路徑規劃過程,解決了傳統車載導航無法根據實時交通狀況進行靈活規劃的問題； 制定了車臺與中心服務器間簡易數據傳輸協議,簡化了傳統車服通信協議. 實驗結果表明,該切換系統可使衛星數據保持更高的質量并實現了根據交通狀況的動態導航.

中心導航； 北斗； 全球定位系統； 電子地圖

作為智能交通系統的重要組成部分,車載導航系統應用廣泛. 其中車載導航中的中心導航是最適合未來發展方向的導航系統[1],其利用從交管部門獲取的實時路況信息動態地更新服務器端的電子地圖,克服了傳統自主導航技術無法將實時路況融入導航過程、 難以更新車載電子地圖的缺陷[2]. 傳統自主導航系統為單個車輛設計,因此不利于車隊管理和公共交通管理,而擁有全局監控功能的中心導航系統是最佳的解決方案.

車載導航依賴于衛星定位技術,北斗系統是我國自主研發、 獨立運行的GNSS(global navigation satellite system),其與目前全球廣泛應用的全球定位系統(global positioning system,GPS)空間星座規劃幾何特性不同[3],因此,在相同情況下,兩者的服務質量可能存在差異. 研究表明,當前北斗系統與GPS系統的基本性能指標接近,但在某些情況下北斗系統的觀測值質量稍優于GPS觀測值質量[4]. 當出現兩種定位系統提供的數據和服務質量相差較大時,應具備動態切換功能. 因此,本文提出一種基于北斗/GPS雙切換的中心導航系統設計方法. 該系統通過對GPS與北斗衛星信號的實時分析,靈活切換兩種定位模式,從而為用戶提供準確、 高質量的導航服務.

1 中心導航系統的整體設計

中心導航系統的結構如圖1所示. 其中,嵌入式車臺通過北斗或GPS衛星獲取自身的定位信息,并通過3G無線網絡與中心服務器進行通訊,上傳自身信息與服務請求,接受中心下發的各項數據. 中心端包括服務器、 數據庫和客戶端,服務器負責車臺用戶的身份驗證、 路徑規劃、 電子地圖、 協議解析和數據轉發等功能； 數據庫主要保存車臺用戶信息、 中心客戶端客戶信息和電子地圖； 而中心客戶端完成車臺監控和服務器維護等工作.

車臺需要完成衛星信號的采集分析、 電子地圖的更新存儲與繪制顯示、 數據的無線傳輸等功能. 車臺根據衛星模塊獲得當前車輛的定位信息,然后根據用戶的選擇進行中心導航,即將車輛的定位信息、 目的地信息及相應的參數進行協議封裝并通過無線網絡上傳到中心服務器,當接收到中心下發的部分地圖文件和導航路徑數據后,車臺將可視化地顯示定位點的周邊地圖和規劃路徑.

中心端由中心服務器、 后臺數據庫和客戶端構成. 中心服務器D-Partner平臺完成車臺數據包的接收、 協議轉換、 數據庫操作、 地圖下載和路徑規劃等工作； 車臺用戶個人信息、 登錄口令和系統日志等存儲于后臺數據庫； 客戶端使用PC機,與中心服務器通過局域網相連,由中心工作人員進行電子地圖更新、 實時路況上傳等操作.

1.1中心監控服務

中心監控服務是本系統的核心. 監控服務模塊位于中心服務器,連接了車臺與客戶端,將中心導航的各組成部分組合在一起. 中心監控服務模塊框架如圖2所示.

圖1 中心導航系統結構Fig.1 Structure of central navigation system

圖2 中心監控服務模塊框架Fig.2 Framework of central supervisory service

該模塊具有如下功能： 1) 接收車臺通過3G無線通訊網絡發送的數據包; 2) 根據協議對車臺數據包中的信息進行解釋; 3) 將車臺數據包中的部分信息按系統內部協議進行打包并發送至客戶端; 4) 與客戶端進行交互,包括客戶端用戶身份驗證、 車臺信息的傳送、 服務命令下發、 客戶端管理命令及數據處理等; 5) 對數據庫進行操作,包括電子地圖的存儲及更新、 車臺信息的存儲和客戶端用戶信息的存儲等； 6) 根據車臺請求進行路徑規劃,在客戶端修正實時路況權值的基礎上,中心服務器根據路網和用戶導航類型請求進行最佳路徑的計算; 7) 下發電子地圖,當車臺與中心服務器連接后,電子地圖的路網層將被下發至車臺,此外,當其他圖層發生更新時也可將其下發至車臺進行地圖同步.

1.2車臺管理

車臺管理包括車臺通訊和車臺服務. 車臺通訊使用SOCKET網絡編程完成車臺與服務器的無線網絡連接.

本文設計的系統在車服連接部分使用線程池技術. 線程池技術可顯著減少線程動態創建和銷毀次數,從而降低服務器在維護線程上的開銷[5]. 車臺與服務器間的通訊由線程池和一個服務線程構成,服務線程是對用戶請求進行處理的工作線程. 先創建若干數量的線程QThread,并使其處于就緒狀態,當用戶有連接請求時,線程池管理ThreadPoolManager將發射信號do_task( ),而信號與線程QThread的槽函數process( )連接,將任務轉入線程中執行. 任務執行完,該線程再回到就緒狀態. 為防止所有線程都被占用而出現拒絕服務的情況,線程池管理在線程未使用完時就進行預創建工作.

車臺服務是車臺管理中對用戶請求進行響應或根據客戶端命令對車臺操作的直接執行者. 車臺服務需要在中心服務器與車臺連接時對傳輸的數據包進行協議解析,并根據其中的SIM卡號驗證車臺用戶的有效性. 服務器可對車臺存儲的部分電子地圖進行更新,在車臺用戶提出導航請求后,該服務將根據路網及路況進行路徑規劃并將規劃的線路及地圖道路網文件下發至車臺.

1.3車服間通訊協議

圖3 車服通訊協議格式Fig.3 Format of vehicle-server communication

車服間通訊協議是車臺與中心服務器間的數據傳輸協議,車臺將請求服務消息按協議規范進行封裝,再通過無線網絡傳送到中心服務器,中心服務器的協議解析模塊將接收的消息報文進行分析,根據車臺請求再轉向各類服務模塊. 服務器向車臺發送的各類命令同樣需要按照協議規范進行封裝. 協議格式如圖3所示.

中心導航中車臺與服務器間使用最頻繁的是定位信息消息和導航消息. 本文將定位消息和導航請求消息合并為一條報文,該報文消息的參數如圖4所示,其中： 前5個字段分別是車臺根據衛星信號接收模塊獲得的當前定位信息; 導航掩碼字段是根據車臺用戶的選擇,如是否導航及規避什么樣的道路類型等產生的數據; 協議解析模塊通過對導航掩碼的分析可將此條消息歸類并處理； 當產生導航請求時,掩碼后的兩個字段即為目的地經緯度信息. 服務器完成路徑規劃后產生的路線會以路段和拐點作為線路的標識,路徑規劃消息的參數如圖5所示.

圖4 定位導航消息參數Fig.4 Position-navigation message parameter

圖5 導航路徑消息參數Fig.5 Navigation-path message parameter

在中心服務器與客戶端間的數據傳輸并不使用協議定義的格式信息. 客戶端與服務器同處于一個局域網內,因此它們之間使用文件直傳的方式進行數據交換.

2 COMPASS/GPS定位模式切換

2.1衛星定位數據解析

衛星定位模塊輸出的導航電文符合標準NMEA0183協議,該協議數據由幀頭、 數據和結束符組成,根據幀頭字段的不同可區分幀的種類[6]. 根據對定位經緯度信息和衛星狀態信息等數據的需求,本文使用NMEA0183協議3種類型的幀,其中： 推薦定位信息幀RMC獲取經緯度數據和定位狀態指示符STATE； 當前衛星信息幀GSA獲取參與解算衛星號SAT_ID； 可見衛星信息幀GSV獲取可見空域內所有衛星號SAT_ID、 仰角EI和載噪比C_No. 衛星定位通常至少需要4顆衛星存在時,才能計算出有效的定位點數據[7]. 因此,可根據定位狀態指示符STATE是否等于字符‘A’判斷獲得經緯度數據的有效性. 北斗衛星發出的導航電文幀與GPS衛星發出的幀在數據上通過衛星號甄別,GPS衛星的ID區間為1～32,北斗衛星的ID為101～115,處理流程如圖6所示.

2.2COMPASS/GPS定位模式切換

定位模式的切換即選擇北斗定位還是GPS定位. 當出現某種定位系統法再提供有效定位數據時,應考慮切換到另一種定位系統. 切換的常用方法是根據推薦定位信息幀RMC中的定位狀態指示符STATE判定當前定位是否有效,如果無效,即STATE=‘V’,則將切換到另一定位系統中. 這種方法只有在某一定位系統失靈時才進行被動切換,而在該系統即將失效的時間段Δt內,定位的精度必然降低,因此,本文提出一種通過綜合北斗和GPS衛星的可見星數量、 衛星信號載噪比、 衛星仰角和歷史趨勢分析的雙模切換方法,其流程如圖7所示.

圖6 衛星導航電文處理流程Fig.6 Satellite navigation message processing

圖7 定位系統切換流程Fig.7 Position system switch processing

本文切換方法首先采集一次定位中產生的所有GSV幀,將該數據幀中可見空域內所有衛星的衛星號SAT_ID、 仰角EI和載噪比C_No根據ID值的不同分別存入B_VECTOR和G_VECTOR兩個向量中. 由于C_No越大,表明該衛星的信號強度越大; 而EI越大表明信號的質量越好,因此根據C_No和EI值選出向量中前4個衛星,并計算這4個衛星的平均載噪比gps_avg4和bd_avg4.

考慮到某一時刻可能發生信號的抖動,因此對載噪比進行累加求均值,將一段時間內的數據進行綜合考慮,最后形成該種定位系統的信號參數gps_sum和bd_sum,計算方法如下：

在參考信號歷史數據的情況下,引入本段時間的信號參數和上一時段的參數進行比對,產生信號趨勢標志flag,用于說明該種定位系統信號強度的趨勢. 參數計算完后便進入切換判定階段: 情況1) 若|gps_sum-bd_sum|≤ε,則根據趨勢標志flag的大小判定應選擇的定位系統,若兩種定位方式的信號趨勢一致,則選擇參數較大的一方； 情況2): 兩類參數差值較大,則直接選擇參數大的一方. 本文切換方式通過對衛星參數的分析可優化選擇定位系統,并縮短低質量數據接收的時間.

3 路徑規劃

在路徑規劃中,常用的算法有蟻群算法、 A*算法、 Dijkstra算法、 Fallback算法和Floyd算法等[8]. 其中: 蟻群算法易于實現,但計算量大、 易陷入局部最優解[9]; A*算法魯棒性好、 但有節點限制問題[10]; Fallback算法主要應用于多QoS要求的路由選擇[11]; Floyd算法時間復雜度高,不適合計算大量數據[12]. 本文使用直線優化的Dijkstra算法作為路徑規劃的基礎,根據用戶設定的導航掩碼和實際路況進行導航路徑規劃.

為配合路徑規劃算法,先要將路網進行有效地數據存儲和拓撲建立. 本文使用鄰接表的方式存儲路網信息. 表頭Head保存各段路徑的端點信息,邊鏈表節點Item保存該路徑端點所直接相鄰的其他端點信息. Item結構中使用value變量保存表頭Head端點到Item端點間的距離,初始化時value=Length(路徑的直線距離),在客戶端對路況信息進行匯總,并根據道路擁堵級別進行判定后將value變量進行加權處理. 直線優化的Dijkstra算法將兩點間直線距離J(u0,v)作為選取合適頂點進入集合S的判定條件之一[13]. 集合T中的頂點加入集合S的規則改進為： 在集合T中找到一頂點ui,從u0經過ui到v0距離的下限滿足最小值.

導航掩碼是車輛用戶在選擇路徑類型時產生的,電子地圖是分層組織的,不同類別的道路數據分別存儲于不同的地圖層. 道路共分為highway,mroad,sroad,mstreet,ostreet,sstreet 6種,導航掩碼MASK共8位,設計為： [0,0,highway,mroad,sroad,mstreet,ostreet,sstreet]. 當用戶選擇可以行駛某一類型道路時,該道路所在位置1,否則置0. 在路徑規劃遍歷路段的過程中,使用MASK和節點Item的道路類型road_type進行‘與’操作,若是0,則放棄該路段,否則進行計算.

4 實驗系統與結果分析

4.1實驗環境

根據上述中心導航系統模型,在基于S3C6410平臺的嵌入式Linux環境下使用Qt/Embedded開發車臺,并在D-Partner平臺上開發了中心監控端,對基于北斗/GPS雙切換的中心導航系統進行原型系統的實現; 電子地圖數據選取長春市區及郊區的地圖數據; 路網數據由人為采集,包括長春市高新技術開發區大部分區域.

4.2結果分析

在測試實驗中,使用本文提出的定位系統切換方法可較好地適應兩種定位模式下衛星信號的抖動,圖8和圖9顯示了兩個系統衛星部分信號數據的采集分析和定位狀態判定.

圖8 兩定位系統均有效時的信號分析Fig.8 Analysis of satellite signal duringboth positioning system success

圖9 兩定位系統均失效時的信號分析Fig.9 Analysis of satellite signal during bothpositioning system failure

由圖8可見,在兩個系統都有效、 北斗系統信號強度持續降低的情況下,系統在其定位失效前切換到了GPS,保證了服務的連續性. 由圖9可見,在兩種系統都失效的情況下,切換模塊始終選擇信號能量累計均值較大的一方,避免了頻繁在兩種系統中的切換操作. 由于采用能量累計均值作為切換的依據,當信號出現抖動時可較好地保持定位系統穩定. 本切換方法始終能將信號能量最強、 潛力大的定位系統作為導航數據的提供方,保證了數據和服務質量.

中心導航的路徑規劃測試結果如圖10和圖11所示. 由圖10可見,客戶端用戶根據網絡發布的實時交通路況信息將路段135～134和134～133設置為嚴重擁堵,級別DISASTER,路段135～10為中度擁堵,級別HEAVLIY,在路徑規劃時,系統考慮了擁堵路段的權值并再次計算出一條最佳路徑. 車臺顯示結果如圖11所示. 測試結果表明本文設計的中心導航系統達到了導航預期目標.

圖11 車臺顯示Fig.11 Display of vehicle terminal

圖10 客戶端顯示Fig.10 Display of client terminal

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(責任編輯： 韓 嘯)

DesignofCentralNavigationSystemBasedonCOMPASS/GPSDualSwitch

ZHENG Xiaotian1,QIN Guihe1,DONG Jinnan1,2,CHEN Hong2
(1.CollegeofComputerScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130012,China;
2.CollegeofCommunicationEngineering,JilinUnivgersity,Changchun130012,China)

The authors proposed a new central navigation system based on switching between COMPASS and global positioning system (GPS). After analyzing the signal carrier to noise ratio of the two positioning modes,the system achieved dual mode switch and solved signal incontinuous problem in the general dual-mode positioning system. Also the dynamic traffic information has been introduced into the process of routing planning,which helps to solve the problem that traditional vehicle navigation system can not provide flexible routing planning based on real-time traffic condition. This paper formulates simple data transfer protocol between vehicle and server,which simplifies the general protocol between them. Experimental results show that this system can maintain a higher quality of satellite data and has achieved the goal of the dynamic navigation based on traffic situation.

central navigation; COMPASS; global positioning system (GPS); electronic map

2013-10-21.

鄭嘯天(1990—),男,漢族,碩士研究生,從事智能控制與嵌入式系統的研究,E-mail: zxtstar43@163.com. 通信作者： 董勁男(1980—),男,漢族,博士,講師,從事網絡控制的研究,E-mail: dongjinnan@jlu.edu.cn.

國家自然科學基金(批準號: 61034001).

TP399

A

1671-5489(2014)05-0989-06