基于北斗高精度定位的自由流車載終端軟硬件研究

王維芳 錢莉 王立端

摘 要：為提高高速公路收費站通行速度，實現高速公路自由流收費，設計了一套采用網絡RTK與BDS/INS組合定位技術的北斗高精度車載終端。該終端由北斗差分定位模塊、慣性導航模塊和4G通訊模塊等組成，終端基于NTRIP協議與CORS服務器進行用戶認證和數據傳輸。同時，結合高速公路自由流收費站高精度地圖，該終端通過車輛位置識別算法獲取車輛在自由流收費站中的位置信息并上傳至自由流收費系統位置云平臺請求抬桿。實際道路測試結果表明，該終端可滿足高速公路自由流收費系統應用需求，促進交通運輸行業健康發展。

關鍵詞：高速公路自由流收費系統;北斗高精度;BDS/INS組合定位技術

DOI：10. 11907/rjdk. 191887 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0155-04

0 引言

北斗衛星導航系統是由我國自主研制并獨立運行的全球衛星導航定位系統，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能[1-2]。交通運輸行業具有點多、線長、面廣以及移動性強的特點，是北斗衛星導航系統最大的應用行業[3-4]。近年來，高速公路收費站堵車問題嚴重，依靠技術創新提升高速公路通行效率，實現自由流收費已成為社會共識[5-7]。已有研究中還未有將北斗高精度定位技術應用于高速公路收費系統的先例。因此，應用于高速公路自由流收費系統的北斗高精度車載終端值得研究。文獻[8-9]對北斗高精度差分定位技術實現車輛的厘米級定位進行了深入研究;文獻[10]提出了一種基于ARM芯片并結合4G通信技術的GPS車載定位終端設計;文獻[11]對慣導和衛導組合導航方法進行了定位不間斷研究。

基于以上研究和自由流收費系統應用需求，本文終端采用連續運行衛星定位服務參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）進行載波相位差分定位（Real-Time Kinematic，RTK）[12-15]。并且，通過NTRIP協議與CORS服務器進行相應的數據通信與處理[16-17]。另外，該終端采用北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）和慣性導航系統（Inertial Navigation System，INS）組合定位方式進行不間斷定位[18-19]。通過實際道路測試驗證，該終端可滿足高速公路自由流收費系統的應用需求，具有較好的應用前景。

1 車載終端總體設計

設計方案從兩個方面論述：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、慣性導航模塊、4G通信模塊。

軟件：以Linux為軟件平臺，在此平臺上編寫基于NTRIP協議的認證傳輸程序以及收費站區域車輛位置識別算法。

北斗高精度車載終端總體設計如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 北斗差分定位模塊

北斗差分定位模塊選用國產的一款支持BDS B1/B2、GPS L1/L2、GLONASS L1/L2三系統六頻信號的北斗高精度定位板卡，型號為K726。該模塊設計有3組UART串口，波特率范圍為4 800～921 600bps。并且，支持RTCM3.2協議格式的數據。RTK水平定位精度為1cm+1ppm，垂直定位精度為2cm+1ppm。

2.2 慣性導航模塊

選用的慣性導航模塊具有三軸陀螺儀和三軸加速度計，支持標準NMEA GNSS輸入。該模塊利用外部輸入的北斗高精度衛星導航定位數據與自身慣性器件所測得的數據，不間斷輸出復雜環境下的導航定位數據。該模塊在衛星信號中斷10s時，定位精度（1[σ]）為0.2m;中斷30s時，定位精度（1[σ]）為3m;中斷大于60s時，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置全網通4G通信模塊，實現車載終端與各服務器無線數據的接收與發送。該通信模塊支持Windows和Linux操作系統。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 軟件設計

該終端軟件結構分為底層和應用層，底層主要包括Bootloader、Linux內核、驅動程序以及文件系統，需要完成USB驅動、串口驅動。應用層主要包括與CORS服務器連接的TCP/IP協議與NTRIP協議程序、結合高速公路自由流收費站高精度地圖識別車輛在收費站區域的位置程序。應用程序通過驅動程序提供的接口調用內核空間的數據。

3.1 連接CORS服務器程序設計

北斗高精度車載終端與CORS服務器的連接通信建立在TCP/IP協議以及NTRIP協議基礎上。TCP/IP協議主要用于與CORS服務器建立連接;NTRIP協議是一種基于HTTP協議進行RTK數據傳輸的應用層協議，主要用于用戶認證和GNSS數據流傳輸。連接CORS系統服務器程序流程如圖2所示。

3.1.1 與CORS服務器建立連接

與CORS服務器建立連接，運輸層主要采用TCP協議，網絡層采用IP協議。連接CORS系統的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函數返回整型套接口描述符sockfd，通過Connect函數建立TCP連接;通過Send函數發送基于NTRIP協議的用戶認證信息;通過recv函數接收基于NTRIP協議的CORS服務器返回的信息。

3.1.2 基于NTRIP協議的用戶認證與數據傳輸

（1）NtripClient與NtripCaster建立TCP連接，并發送源列表請求信息。若請求通過，NtripCaster返回SOURCETABLE 200 OK。

（2）NtripClient給NtripCaster發送差分數據請求信息，包含用戶名、密碼、掛載點名稱。若請求通過，將返回ICY 200 OK。

（3）NtripSource產生GNSS差分數據，并將差分數據提交給NtripServer。

（4）NtripServer與NtripCaster建立TCP連接，并發送掛載點請求信息。NtripCaster對接收到的請求信息進行認證。若掛載點、密碼均有效，NtripCaster回復ICY 200 OK，NtripServer將差分數據發送給NtripCaster。NtripCaster收到差分數據后，再將差分數據發送給NtripClient。

3.2 收費站區域車輛位置識別算法程序設計

北斗高精度車載終端需要實現車道識別和抬桿功能，因此，設計收費站區域車輛位置識別算法獲取車輛在收費站區域的位置信息，即收費站、車道和收費桿信息，并上傳至自由流收費系統位置云平臺請求抬桿。首先，對高速公路自由流收費站高精度地圖進行設計與制作，并將地圖文件存儲在數據存儲模塊中以供讀取調用;然后，采用射線法作為判斷車輛是否在某個特定區域的空間算法。通過車輛某位置點作一條水平射線，判斷該射線與特定區域各線段的交點個數。如果是奇數點，該點就在特殊區域內，偶數點則不在。收費站區域車輛位置識別算法程序設計如圖3所示。

結合高速公路自由流收費系統需求，本文高精度地圖采用最普遍的點、線、面抽象表示方法對收費站、車道、收費桿進行描述[21]。收費站和車道的形態，以面要素形式表達。收費桿的形態，以點要素形式表達。

地圖文件采用WGS84大地坐標，文件存儲格式為mid/mif。高精度地圖數據邏輯結構上劃分為3層，包括收費站、車道、收費桿。高精度地圖屬性數據定義如表1、表2、表3所示。

采用收費站區域車輛位置識別算法對車輛定位數據和高精度地圖文件進行處理，獲取車輛當前所在收費站、車道和收費桿的信息以及收費桿的抬桿情況。

4 試驗測試

測試地點選取在高速公路自由流收費系統北斗試驗收費站。車輛通過北斗試驗車道進出站口的測試速度為40km/h～50km/h。

通過串口線與開發板連接，啟動差分定位模塊，輸入IP以及端口號等信息，整個終端開始運行。通過串口采集北斗高精度板卡及慣導輸出報文數據，判斷連接CORS系統程序設計的邏輯正確性。通過開發口采集上傳位置云平臺數據及慣導數據，判斷收費站區域車輛位置識別算法的正確性。

測試車輛以40km/h～50km/h的行駛速度10次出入收費站，北斗高精度車載終端與CORS服務器10次均能正常通信，驗證了連接CORS系統程序設計的邏輯正確性。另外，北斗高精度車載終端10次均能正確識別收費站以及車道，10次均能成功請求抬桿，驗證了收費站區域車輛位置識別算法的正確性。

為了方便對定位數據進行觀察，通過Goole earth將定位數據處理成行車軌跡圖。以不同顏色的點分別描述固定解、慣導解、浮動解、單點解和無效解，如圖4、圖5所示。

圖4、圖5分別為采用BDS定位和BDS/INS組合定位經過北斗試驗收費站的行車軌跡。圖4中，北斗高精度板卡的軌跡在收費站遮擋處出現單點跳點和無效解，無衛星信號且軌跡中斷;圖5中，采用BDS/INS組合定位時，遮擋無衛星信號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間內BDS丟失信號或者信號弱時的定位連續性問題。

由圖5可看出，行車軌跡無明顯偏移實際行駛軌道，沒有偏離出北斗試驗車道。經多次試驗計算，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系統應用需求。

5 結語

本文結合CORS系統設計北斗高精度車載終端，實現了車載終端厘米級的定位精度。該終端采用北斗差分定位模塊聯合慣性導航模塊進行定位，BDS/INS的組合定位方式保證了北斗高精度車載終端在收費站遮擋區域的定位連續性。同時，本文通過收費站區域車輛位置識別算法程序，實現了終端在收費站區域車道識別和抬桿請求功能。

本文設計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。技術上，該終端對行駛狀態下的車輛進行精確定位，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費。管理上，可以與現有收費方式兼容，改造簡單，具有推廣應用價值。因此，該終端開發與應用對高速公路通行管理具有非常重要的現實意義。

參考文獻：

[1] 譚述森. 北斗系統創新發展與前景預測[J]. 測繪學報，2017，46（10）：1284-1289.

[2] 周兵，陳向東，趙齊樂. 北斗系統與GPS應用比較分析[J]. 全球定位系統，2012，37（4）：6-8.

[3] 劉建，李晶，劉法龍. 北斗衛星導航系統在交通運輸行業的應用及展望[J]. 衛星應用，2019（3）：28-34.

[4] 張曉鈞，崔洪州，袁圣勇. 基于北斗的動車組實時高精度定位系統研究與應用[J]. 測繪通報，2017（6）：77-81.

[5] 許光建. 取消高速公路省界收費站加快推進區域一體化[J]. 中國黨政干部論壇，2019（4）：87-89.

[6] 黃黎，李晶，張建通，等. 基于北斗高精度定位的自由流收費云平臺系統[J]. 中國交通信息化，2019（2）：84-87.

[7] 劉睿健. 消界去站論“自由”——高速公路取消省界收費站背景下自由流收費探討[J]. 中國交通信息化，2019（4）：29-35.

[8] 王古月，陶庭葉，張耀允. 北斗智能車載終端的研究與實現[J]. 信息通信，2016（4）：80-82.

[9] 陳庚，張勇. 基于北斗差分定位技術的車載終端研究[J]. 電子設計工程，2017，25（24）：92-95.

[10] 申倍文，張振東，王健. 基于ARM的車載GPS終端軟硬件研究[J]. 軟件導刊，2018，17（11）：86-89，93.

[11] 劉影. 基于BDS/INS組合列車定位系統的研究[D]. 大連：大連交通大學，2018.

[12] 黃丁發，周樂韜，李成剛. GPS增強參考站網絡理論[M]. 北京：科學出版社，2011.

[13] 顏琳 北斗/GPS雙模CORS網研制與測試技術研究[D]. 上海：上海交通大學，2013.

[14] 李強. 網絡CORS建設及在城市道路測量中的應用[D]. 長沙：中南大學，2011.

[15] 李昌貴，呂志平，趙冬青，等. CORS網絡互聯及虛擬CORS關鍵技術[J]. 測繪通報，2008（1）：56-58，71.

[16] WEBER G，DETTMERING D，GEBHARD H. Networked transport of RTCM via internet protocol （NTRIP）[C]. Proceedings of the International Association of Geodesy IAG General Assembly Sapporo，2005：60-64.

[17] 祁芳，林鴻. Ntrip協議在CORS系統中的應用[J]. 城市勘測，2008（1）：82-85.

[18] FAN Y J， WANG P， YU J，et al. Accuracy analysis on the Beidou/INS integrated navigation based on the field trial[C]. 2018 IEEE 23rd International Conference on Digital Signal Processing （DSP），2018：395-405.

[19] 肖鵬，周志峰，趙勇. 農機不間斷組合導航系統探究[J]. 導航定位學報，2019，7（1）：33-37.

[20] 胡志強. 嵌入式TCP/IP協議的研究與ARM實現[D]. 咸陽：西北農林科技大學，2007.

[21] 賀勇，路昊，王春香，等. 基于多傳感器的車道級高精細地圖制作方法[J]. 長安大學學報（自然科學版），2015，35（S1）：274-278.

（責任編輯：孫 娟）