基于DGPS的智能交通測試方案探討

張鵬程　周正　周榮華　汪祖國　趙偉

摘 要：根據智能交通系統標準法規信息，提出其檢測方案的總體要求，結合道路測試的設備現狀，探討DGPS、航位推測系統、電子地圖匹配等技術方案在法規檢測中的應用，最后利用實測數據進行驗證，結果顯示DGPS能夠滿足其的總體要求。

關鍵詞：差分GPS；智能交通系統；實時動態定位；

中圖分類號：U467.1 文獻標識碼：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，智能汽車技術己經成為世界車輛工程領域研究的熱點和汽車工業增長的新動力，很多發達國家都將其納入到各自重點發展的智能交通系統當中。為加快我國汽車智能安全技術的研發及產業化進程，國家相關部門也頒布一系列指導政策【1】，為國內汽車整車及零部件產品在該領域的技術積累和質量提升創造了條件，越來越多的智能安全技術成果被應用到汽車制造與交通運輸市場上。

本文根據各類智能交通系統法規中給出的模擬場景信息和需要測試的試驗參數，分析其工程意義，總結出適用于智能交通系統法規檢測領域的一般性要求，在此基礎上重點進行了DGPS在具體實施方案中的應用探討。

2 智能交通系統

智能交通系統是一個集環境感知、規劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統，它集中運用了計算機、現代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。在法規檢測領域，歐美等認證機構已針對智能交通系統如自適應巡航控制系統（ACC）、前向碰撞預警系統（FCW）、提前緊急制動系統（AEBS）、盲區監測系統（BSD）、變道輔助系統（LCDAS）、車道偏離報警系統（LDWS）、車道保持系統（LKAS）等制訂標準并執行對應的認證業務，因此如何科學有效的對智能交通系統進行檢測認證是國內認證機構面臨的緊迫性課題，表1給出了智能交通系統的部分國際標準法規信息。

通過表1標準法規的研究可知，針對智能交通系統的檢測方案，都是根據試驗樣車上所裝備的智能駕駛輔助功能詳情，按照標準法規中相應的條款要求，設計出規范的檢測場景來對試驗樣車進行功能性驗證。

根據近年來國內在智能交通系統法規認證領域的實踐經驗【2、3】，認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測試場景時，一般需要多臺試驗樣車進行動態測試，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【4】中明確規定，各車之間的相對位置精度應該至少要達到0.1m，這就對測試設備的定位精度提出了嚴格的要求。

（b）時間精度高

智能交通系統設計的測試場景，都是針對相應的智能駕駛輔助功能進行的實時監控，如何準確捕獲智能駕駛輔助功能的開始時刻和（或）結束時刻是關系到法規認證工作有效性的本質問題。因此在滿足前述的定位精度的基礎上，還要求法規規定的測試參數具有良好的實時性，即要求采用分布式數據采集系統的各設備主機之間，無線通訊技術應滿足有關行業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

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

文獻【5】對國內外研究現狀表明，區域智能交通系統是智能汽車應用研究的重要突破，其關鍵技術在于：①導航控制技術；②傳感器信息融合技術；③通信及其他輔助技術。因此在法規認證實踐中，把汽車試驗場作為一種區域智能交通系統的重要組成部分，如何根據國內現有的測試資源制訂出一套適用于各種智能交通系統法規認證的測試方案就顯得尤為重要。

3 測試方案分析與探討

當前，根據對汽車道路試驗設備的市場調研可知：以GPS接收機為核心部件的數據采集系統主導了絕大多數的整車道路測試項目，各級管理部門主導實施的整車道路測試項目也要求滿足對試驗過程連續實時的監控要求，因此全球導航衛星系統已經成為汽車檢測乃至社會各個行業中不可或缺的技術手段。

3.1 GPS接收機

GPS定位原理是根據三角測量定位來實現的，并且同時利用相關技術獲取測量值。具體來講，就是GPS接收機通過天線接收所有可見GPS衛星的信號后，接收機對這些信號進行數據處理而精確的測量出各個衛星信號的發射時間，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射時間相減后再乘以光速，由此得到接收機與衛星之間的距離，這就是偽距ρ，公式（1）即是偽距觀測方程式【6】：

（1）

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

GPS衛星所發射的信號從結構上可分為載波、偽碼和數據碼三個層次，例如在民用領域，載波L1頻率為1575.42MHz，偽碼是C/A碼，偽碼具有良好的自相關和互相關特性以滿足碼分多址通信系統（CDMA）的要求【7】，導航電文則是由數據碼序列按照一定格式編排而成的。

GPS接收機作為一種傳感器，它的主要任務在于感應、測量GPS衛星相對于接收機本身的距離以及衛星信號的多普勒頻移，并從衛星信號中解調出導航電文。GPS接收機利用載波跟蹤環路對數字中頻信號進行載波剝離，利用碼跟蹤環路進行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，這樣就能從中解譯出衛星星歷或歷書等具有實用價值的導航電文參數。

整車道路測試領域的設備資料顯示，在某些輔助技術的支持下，GPS的標準定位服務（SPS）能提供1.8m的定位精度，因此標準定位服務是無法滿足智能交通系統的測試需求，而差分GPS（Differential GPS，DGPS）為實現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至少可以達到GPS精密定位服務（PPS）這一標準。

3.2 DGPS原理

差分GPS的基本工作原理主要是依據衛星時鐘誤差、衛星星歷誤差、電離層延時、對流層延時所具有的空間相關性和時間相關性這一事實。如圖1所示，基準站將其接收機的測量誤差通過無線電發射臺播送給流動站（即用戶）接收機，那么流動站就可以利用接收到的基準站接收機的測量誤差來校正流動站接收機對同一衛星的距離測量值，從而提高流動站接收機的測量和定位精度，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的數據表明，差分GPS能夠消除或減小衛星時鐘、衛星星歷、電離層延時、對流層延時這4種誤差成分，而多路徑與接收機噪聲對GPS測量值的影響不能通過差分得到改善。考慮到接收機噪聲通常比多路徑誤差小，于是多路徑成為差分系統特別是短基線、基于載波相位測量值的差分系統的主要誤差源。為了降低基準站接收機的多路徑效應與接收機噪聲，基準站需要配備高性能GPS接收機，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。

根據智能交通系統法規測試的特點，差分GPS系統的用戶會相對于基準站運動，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定位（Real-Time Kinematic，RTK）技術。GPS載波相位整周模糊度的求解是精密RTK測繪和導航應用中的一個關鍵性技術難題。由于受到通信和誤差存在空間相關性的限制，RTK系統中基準站與流動站之間的基線長度應小于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站與流動站之間的通訊，同時，國內外也在開展關于GSM、CDMA、GPRS等新型傳輸技術在RTK數據鏈中的應用嘗試【8】，還提出了一種稱為虛擬基準站（Virtual Reference Station，VRS）的數據處理方法【9】。

根據實踐經驗和各種測試設備的技術資料，差分GPS基準站的使用過程應注意以下事宜：

（1）基準站周圍應視野開闊，衛星仰角截止角應優于10°（有些設備允許對該參數進行自定義設置），GPS接收天線周圍無信號反射物以減少多路徑效應，見圖2所示；

（2）基準站的無線電發射天線應盡量設置于相對制高點以上，以方便播發差分信號；

（3）基準站應遠離微波塔、通信塔等大型電磁發射源200m以上，遠離高壓輸電線路、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的非差相定位來說，因為它不具有應用差分技術的資源，所以那些未能經差分而被消除的測量誤差會導致定位精度的下降，可是這種狀況正在發生變化。現在，我們可以從國際GNSS服務（IGS）那里近乎實時的獲得精度非常高（可達厘米級）的GNSS衛星軌道和衛星鐘差數據信息，再憑借雙頻接收機測量出電離層延時，于是單個接收機的載波相位不經差分也能實現精密定位。這種基于單個接收機而實現精密定位的方法稱為精密單點定位（PPP），其定位精度可達分米級至厘米級。

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勢。由于消除了對基準站的依賴，因而精密單點定位系統的運行變得簡單，成本變低，不再存在要求用戶接收機與基準站接收機對衛星進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。當然，精密單點定位在實際應用中也面臨不少挑戰，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星和接收機初相位偏差破壞而變成非整數值的整周模糊度，等等。

3.3.2 GPS與航位推測系統的組合

在整車道路測試設備中，陀螺儀和加速度計是兩種比較常見的慣性傳感器，它們與計算機及其導航算法一起組成一個慣性導航系統。慣性導航系統/航位推測（INS/DR）與GPS定位系統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，其組合的優勢主要表現在以下兩方面：

（1）在GPS信號受到阻擋、干擾等造成GPS接收機不能實現定位的情況下，慣性導航系統能夠持續提供定位結果，以維持、保證100%的定位有效率。同時慣性導航系統還能提供更高的定位頻率以及用戶的姿態角信息，這對處理在高級駕駛輔助系統（ADAS）測試中經常遇到的航向角（Heading）不穩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初始值提供給慣性導航系統，并幫助校準慣性傳感器的各個參數。同時，GPS對慣性傳感測量數據的實時監測可幫助判斷傳感數據是否正常，對慣性傳感器參數的實時校準又可降低慣性導航系統的誤差積累速度，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接收機內部信號跟蹤環路軟件的相關變量，因此只有接收機生產商才有可能為了提高接收機性能而去實現GPS與INS/DR的深性組合，相對而言，實現緊性組合的技術門檻要低得多，而實現松性組合的機會是向任何人開放的。

3.3.3 GPS定位值的電子地圖匹配

在智能交通系統的測試方案中，前述技術方案能夠顯著提高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的檢測認證工作。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，地圖匹配這項內容具有相當的現實意義，并且地圖匹配還有利于提高定位性能，使定位結果更加準確、平滑。

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

信息化產業的調查表明，這些年來驅動GPS市場的力量并不是GPS技術的提高，而是更為廣泛的GPS應用，而智能交通系統恰好是一個極具規模的集學術研究、商業利益于一體的應用市場，本文對各類技術方案的探討期望能對同行業的發展規劃提供借鑒。

4 DGPS實測案例分析

根據前述的測試方案分析與探討，同時結合整車道路測試的技術現狀，本文對各種原始數據進行對比分析。

4.1 靜態定位精度對比

圖4對比了單點GPS與DGPS-RTK的靜態誤差，圖中顯示了5min時間歷程的靜態測量數據。可以看出，單點GPS的靜態位置漂移明顯，其誤差約為1.8m，而DGPS-RTK的靜態位置不存在漂移現象，其誤差約為0.01m，完全能夠滿足智能交通系統對空間位置的精度要求。

4.2 動態定位精度對比

根據GPS載波的多普勒頻移，GPS接收機能夠獲得比位置信息更高精度的速度信息【12】。因此在動態測量過程中，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對衛星失鎖的處理能力較強，能夠減小或消除由此產生的干擾問題，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據。其中表3的數據表明，在動態過程中，單點GPS和DGPS-RTK兩種測試系統都遇到了衛星信號的跟蹤失鎖現象，圖5中的曲線則表明單點GPS的運動軌跡發生了約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 結束語

本文搜集了各種智能交通系統的檢測標準和法規，總結出各類測試場景所具有的總體特點和一般性要求，結合當前整車道路試驗設備的技術水平，探討了差分GPS、航位推測系統、電子地圖匹配等技術方案在法規檢測中的應用前景，最后，利用試驗數據對單點GPS和DGPS-RTK進行對比，結果表明差分GPS能夠滿足智能交通系統的測試精度要求，對國內汽車檢測認證行業具有一定的指導價值。

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