北斗高精度智能交通系統的設計及測試

王榮 藺陸洲 路鵬飛 宋娟

摘 ? 要：北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統，也是繼GPS、GLONASS之后的第三個成熟的衛星導航系統。中國軟件評測中心通過實施基于北斗高精度導航定位的智能交通應用示范項目，開發出了由中心服務子系統、全球導航衛星系統（GNSS）基準站子系統、車載終端子系統和人員終端子系統構成的北斗高精度導航定位系統，以及與校車應用場景相配套的路徑規劃算法和聯合定位算法，演示系統在泰國進行了部署與測試，對其電子圍欄、實時軌跡、軌跡回放功能進行了驗證，并對其車載終端單點定位精度、RTK定位精度、車載終端速度精度、人員終端單點定位精度、人員終端偽距差分精度等關鍵性能指標開展了測試，測試結果進一步驗證了北斗高精度智能交通系統在國內外的應用可行性。

關鍵詞：瀾滄江-湄公河;北斗衛星導航系統;智能交通;高精度

中圖分類號： TN967.1 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： BeiDou navigation system is the self-developed Global Navigation Satellite System of China and the third mature satellite navigation system after GPS and GLONASS. China Software Testing Center developed the BeiDou high precision navigation system by implementing the demonstration of intelligent transportation based on BeiDou Navigation Satellite System project. The system includes central service subsystem， GNSS reference station， vehicle terminal subsystem and personal terminal subsystem， using the path planning algorithm and the joint localization algorithm which match with the school bus demonstration scene. The system was deployed and tested in Thailand， and its electronic fence， real-time track and track playback functions were verified， and the key performance indexes of its vehicle terminal single point positioning accuracy， RTK positioning accuracy， vehicle terminal speed accuracy， personnel terminal single point positioning accuracy， Personnel Terminal pseudo-range differential accuracy were tested. The test results verify the application feasibility of BeiDou high precision system at home and abroad， and promote the application and popularization of Beidou Global System.

Key words： lancang river-mekong river; BeiDou navigation system; intelligent transportation; high precision

1 引言

北斗衛星導航系統（本文簡稱北斗系統）是我國著眼于國家安全和經濟社會發展的需要，自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。我國高度重視北斗系統建設發展，自20世紀80年代開始探索適合我國國情的衛星導航系統發展道路，形成了“三步走”發展戰略。2000年年底，建成北斗一號系統，為國內提供服務;2012年年底，建成北斗二號系統，為亞太地區提供服務;計劃2020年前后，建成北斗三號系統，為全球提供服務。預計2035年前，將以北斗系統為核心，建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時（PNT）體系。當前，北斗系統基本導航服務在全球的性能指標為定位精度水平10m，高程10m（95%置信度），測速精度0.2m/s（95%置信度），授時精度20ns（95%置信度）;在亞太地區，定位精度水平5m，高程5m（95%置信度）。采用差分定位技術，可實現實時亞米級、厘米級和事后毫米級高精度定位[1]。

北斗衛星導航系統在牽引學科建設、輻射創新發展的同時，也已成為服務國民經濟發展的中堅力量之一。北斗衛星導航系統現已覆蓋亞太大部分地區，可為瀾滄江-湄公河區域合作國家提供智能交通、智慧旅游、跨境運輸等領域的應用，服務周邊國家經濟社會發展。隨著北斗衛星導航系統第三階段全球組網建設的推進，其應用服務必將對瀾滄江-湄公河區域合作國家產生更深遠的影響[2]。

2019年，在瀾滄江-湄公河區域合作機制下，中國軟件評測中心聯合全圖通位置網絡有限公司，實施基于北斗高精度導航定位的智能交通應用示范項目，研制了高精度地基增強設備及系統，系統采用北斗、地理信息系統（GIS）、4G通信技術、計算機網絡技術等技術手段，建立基于北斗地基增強的車輛和人員北斗高精度定位監控和可視化管理系統，滿足國內外的車輛和人員北斗高精度定位需求。

2 系統組成及工作原理

系統分為中心服務子系統、全球導航衛星系統（GNSS）基準站子系統、車載終端子系統和人員終端子系統，系統的整體組成圖如圖1所示。

GNSS基準站子系統的天線安裝在坐標已知點，GNSS基準站接收機接收衛星信號，并將生成的原始觀測數據發送到中心服務子系統;中心服務子系統生成差分改正數，通過4G無線鏈路將GNSS差分改正數播發出去;車載終端子系統和人員終端子系統通過4G無線鏈路獲取GNSS差分改正數，并與接收到的衛星信號進行差分計算，實現車輛和人員的高精度定位，將車輛和人員的位置信息發送至中心服務子系統;中心服務子系統接收車輛的實時位置、速度等信息，在二維GIS地圖上直觀顯示，實現車輛的有效管理，如電子圍欄等功能[3]。

2.1 中心服務子系統

中心服務子系統主要包括高精度定位軟件和配套的計算機、UPS等設備。高精度定位軟件接收GNSS基準站子系統發送的原始觀測數據，生成差分改正數。同時，高精度定位軟件與車載移動站子系統和人員定位子系統進行通訊，通過4G無線鏈路播發GNSS差分改正數，接收返回的高精度定位信息，在二維GIS地圖上直觀顯示，實現車輛和人員的有效監控管理，如電子圍欄管理等。

2.2 GNSS基準站子系統

GNSS基準站子系統接收衛星信號，并將生成的原始觀測數據發送到中心服務子系統，GNSS基準站子系統包含GNSS接收機、GNSS天線、浪涌保護器、避雷針以及配套線纜和機箱等設備，如圖2所示。基準站GNSS接收機支持BDS、GPS、GLONASS和GALILEO高精度板卡，提供毫米級載波相位觀測值和后處理定位信息。主機系統穩定性強、網絡管理功能強大、具有良好的人機交互、抗干擾能力強、穩定性高、功耗低、優秀的環境適應性，很好地滿足了基準站長期無人值守的環境。適用于測繪、氣象、地震、位移監測、科學研究和其他高精度測量定位的應用領域。GNSS測量型天線可接收BDS、GPS和GLONASS三大GNSS系統衛星信號。天線結構采用雙重防水，防紫外線外殼設計，可廣泛應用于智能駕駛、測量測繪、駕考駕培、精準農業、數字化機械作業等領域。

2.3 車載終端子系統

車載終端子系統主要實現車輛的高精度定位。車載終端通過4G無線鏈路獲取GNSS差分改正數，并與自身接收到的衛星信號進行差分計算，實現車輛的高精度定位，將車輛位置信息發送至中心服務子系統。車載終端子系統包含車載GNSS接收機、GNSS天線、4G天線等組成部分。車載GNSS接收機是一款專用于車載的高精度GNSS接收機。該接收機采用了北斗RTK等多種差分定位技術，內置4G全網通通訊模塊，支持差分數據接入及數據實時回傳。

2.4 人員終端子系統

人員終端子系統主要實現人員的高精度定位。通過4G無線鏈路獲取GNSS差分改正數，并與接收到的衛星信號進行差分計算，實現人員的高精度定位，將人員位置信息發送至中心服務子系統。人員終端子系統包含人員定位終端及輔助穿戴套件。人員定位終端是一款專用于人員監控的高精度GNSS接收機，采用北斗偽距差分等多種差分定位技術，內置4G全網通通訊模塊，支持差分數據接入及數據實時回傳。

3 關鍵技術

3.1 聯合定位算法

聯合定位算法主要是研究基于實時RTK的定位解算算法，針對車輛和行人的高精度軌跡跟蹤，開展實時動態載波相位差分技術（RTK）+星際增強系統（SBAS）+無線傳感器網絡（WSN）的高精度無縫定位聯合研究，使系統未來能夠在基于超寬帶（UWB）的技術環境下實現室內外一體化的無縫定位導航[4]。

系統利用的算法基礎是一種空間的距離交會原理。在地面特定位置上安置的北斗/GPS接收機，同一時刻可以接收4顆以上衛星發射的信號。通過測定這4顆以上衛星在此瞬間的位置以及它們分別至該接收機的距離，據此利用距離交會法解算出測站P的位置及接收機鐘差δt。

如圖3所示，設時刻ti在測站點P用接收機同時測得P點至四顆衛星S1、S2、S3、S4的距離、、、，通過GPS電文解譯出四顆GPS衛星的三維坐標，，用距離交會的方法求解P點的三維坐標的觀測方程為：

式中的c為光速，δt為接收機鐘差。

3.2 路徑規劃算法

路徑規劃算法主要是研究多判決標準的路徑導航算法，針對城市環境下交通領域的智能化導航進行研究，引入交通路況信息作為搜索約束，瞄準城市路況智能導航問題場景，最終形成針對城市復雜路況環境下的多判決智能化導航算法。

假設路網中每一個節點都有標號（dt，pt），dt是從出發點s到點t的最短路徑長度;pt表示從s到t的最短路徑中t點的前一個點。求解從出發點s到點t的最短路徑算法的基本過程如圖4所示。

從圖4算法步驟中可以看出，該路徑最優算法的關鍵部分是從未標記的點中不斷地找出距離源點距離最近的點，并把改點加入到標記的點集合中，同時更新未標記的點集合中其余點到起始點的最短估計距離。

在實際應用中，本路徑規劃算法以Dijkstra算法為基礎，結合當地的實際情況，基礎路徑規劃算法利用鄰接矩陣算法和鄰接節點算法開展設計，同時也作為后續算法擴展的基礎。與普通的平面網絡圖相比，瀾滄江-湄公河區域國家實際城市道路網絡的拓撲圖通常具有的特點是：多為大規模的稀疏網絡，點多邊少（網絡的節點通常成千上萬，甚至更多，而每個節點相連的路段一般不超過5，多為2、3或4）;網絡結構相對比較規則，即網中的節點分布比較均勻（特別是經過規劃的現代大都市）;網絡通常是（或近似是）完全連通圖，即網絡中的任意兩點都可以相互到達;網絡中有表示供智能車輛掉頭的換向節點，而且一般距當前路口500m左右。根據以上諸多特點，符合當地該區域內的限制搜索區域的路徑規劃算法有著更多的優勢。

限制搜索區域的最短路徑規劃算法，有效地降低了算法的搜索空間，提高了算法的搜索效率。但是，限制搜索區域的路徑規劃算法只能解算出數學意義上的最短路徑，還需要考慮很多算法預期或定量化的因素。在此基礎上，需利用實際城市道路網絡中路段的不同等級特性，構造不同于方向搜索策略的另一種啟發式搜索策略，即分層搜索策略，設計基于分層道路網絡的分層路徑規劃算法，這樣即可保證路徑規劃的準確性，同時也提高了搜索效率。

3.3 高精度定位模塊

高精度定位模塊包括車載和人員兩類。由于車載終端采用外部供電，且不受功耗、體積和重量等限制，因而主要關注的性能指標是定位精度，因此車載終端選擇RTK定位模塊，實現高精度定位，定位精度為亞米級，滿足車道級導航的應用要求。人員定位終端需要內置電池，且需要輕便、不影響正常工作及工作的持續性，因此人員終端選擇差分全球定位系統（DGPS）定位模塊，同時由于人員自身姿態的變化較大，對定位的精度要求可適當放低，將定位精度設定為米級，滿足人員監控的應用要求，并為未來的應用開發奠定基礎。

4 測試結果

4.1功能測試

4.1.1電子圍欄

通過將電子圍欄系統跟相關移動設備進行綁定，從而可以確定移動設備和電子圍欄的位置關系，包括移動設備進出圍欄區域的時間、在圍欄內區域停留的時長等。在本項目中，若裝有定位系統的校車沒有在規定的區域內行駛或者翻越電子圍欄邊界就會產生一系列的報警通知，平臺會及時進行消息閃爍展示和進行警告聲音的提醒。這時，管理者就能及時查看知曉相關車輛的動態，對其采取相應的處理措施，如圖5所示。

4.1.2 實時軌跡

在地圖上實時顯示車輛和人員的位置，并且可以分別選擇特定車輛和人員，打開實時軌跡窗口，在實時軌跡窗口可以顯示車輛和人員的位置和移動信息，如圖6所示。

4.1.3 軌跡回訪

該系統可以全天侯監控所有被控車輛的實時位置，隨時回放自定義時段車輛歷史軌跡及行程記，如圖7所示為車輛軌跡回訪。

4.2 性能測試

4.2.1 車載終端單點定位精度測試

單點定位是利用單臺設備實時觀測量，不使用差分數據進行定位的方法。本系統的單點定位精度指的是水平的單點定位精度。其計算方法參照《北斗/全球衛星導航系統（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法》[5]，使用實際衛星信號測試，通過饋線將OEM板與天線連接在室外的基線檢驗場的觀測點上，待OEM板得到定位結果后開始記錄輸出的坐標，數據采樣間隔不大于30s，記錄數據不少于100個，計算單點定位的水平定位精度，如圖8和圖9所示，設備實際位置與精確坐標的距離誤差RMS值優于3m。

4.2.2 車載終端RTK定位精度測試

RTK定位精度測試使用差分數據進行定位。本系統的RTK定位精度指的是水平的定位精度。其計算方法參照《北斗/全球衛星導航系統（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法》（BD 420002—2015），使用實際衛星信號測試，通過饋線將OEM板與天線連接在室外的基線檢驗場的觀測點上，待OEM板得到定位結果后開始記錄輸出的坐標，數據采樣間隔不大于30s，記錄數據不少于100個，計算RTK定位的水平定位精度，如圖10和圖11所示，設備實際位置與精確坐標的距離誤差RMS值優于5cm。

4.2.3 車載終端速度精度測試

車載終端速度精度測試參照《北斗/全球衛星導航系統（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法》（BD 420002—2015），用GNSS模擬器模擬衛星導航信號和用戶運動軌跡，輸出射頻仿真信號。被測OEM板接受射頻仿真信號，按1Hz的更新率輸出速度數據，以模擬器仿真的速度作為標準，計算速度誤差及其分布，如圖12所示，設備實際速度與高精度設備精度誤差RMS值優于0.3m/s。

4.2.4 人員終端單點定位精度測試

人員終端單點定位精度測試數據處理方法與上述車載終端單點定位精度測試方法一致。使用實際衛星信號測試，通過饋線將OEM板與天線連接在室外的基線檢驗場的觀測點上，待OEM板得到定位結果后開始記錄輸出的坐標，數據采樣間隔不大于30s，記錄數據不少于100個，計算人員終端單點定位的水平定位精度，如圖13和圖14所示，設備實際位置與精確坐標的距離誤差RMS值優于3m。

4.2.5 人員終端偽距差分精度測試

人員終端偽距差分精度指的是水平的單點定位精度。偽距差分精度參照《北斗/全球衛星導航系統（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法》（BD 420002—2015），使用實際衛星信號測試，在檢驗場地選取不大于50KM基線進行檢驗，有效的GNSS衛星數目不少于8顆，設置衛星截止高度角不大于10°，流動站OEM板在已知坐標的點位上進行觀測，人工進行10組觀測，每組采集不少于100個偽距差分測量結果，如圖15和圖16所示，設備實際位置與精確坐標的距離誤差RMS值優于2m。

4.2.6 人員終端速度精度測試

人員終端速度精度測試數據處理方法與上述車載終端速度精度測試方法一致。用GNSS模擬器模擬衛星導航信號和用戶運動軌跡，輸出射頻仿真信號。被測OEM板接受射頻仿真信號，按1Hz的更新率輸出速度數據，以模擬器仿真的速度作為標準，計算速度誤差及其分布，如圖17所示，設備實際速度與高精度設備精度誤差RMS值優于0.3m/s。

5 結束語

本文介紹了基于北斗高精度導航定位的智能交通示范應用系統，包括系統組成及工作原理、關鍵技術，并在泰國開展實地測試，驗證系統的功能指標與性能指標均滿足國家標準及系統設計的要求。通過搭建此系統，建立北斗應用落地的演示平臺，拓寬了北斗在瀾湄國家及科研機構的合作渠道，為北斗衛星導航系統在國際合作中的應用推廣起到重要的促進作用。

參考文獻

[1] 施闖，趙齊樂，李敏，唐衛明，胡志剛，樓益棟，章紅平，牛小驥，劉經南.北斗衛星導航系統的精密定軌與定位研究[J].中國科學：地球科學2012，6（42），854-861.

[2] 劉增軍.北斗全球衛星導航系統高精度測量數據處理及應用[D].長沙：國防科學技術大學，2014.

[3] 李金龍.北斗/GPS多頻實時精密定位理論與算法[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2014.

[4] 汪商.智能交通系統中載波相位差分定位技術的研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[5] BD 420002—2015 北斗/全球衛星導航系統（GNSS）測量型OEM板性能要求及測試方法[S].中國衛星導航系統管理辦公室，2015.