王　璞，姚晨雨，冷明鑫，毛　琪

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京　210000)

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一種高精度雙模定位的智能公交報(bào)站系統(tǒng)

王璞，姚晨雨，冷明鑫，毛琪

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210000)

摘要：本文針對(duì)現(xiàn)有的公交報(bào)站終端大多存在定位模式單一、精度低和數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等不足，提出了采用BDS/GPS雙系統(tǒng)融合定位模塊、無線數(shù)傳模塊與連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)相結(jié)合的改進(jìn)型智能公交報(bào)站系統(tǒng)，保證了在高樓和林蔭等遮擋環(huán)境下定位的準(zhǔn)確性和通信的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的定位精度達(dá)到亞米級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)車道級(jí)導(dǎo)航，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：BDS/GPS組合定位；偽距差分；CORS系統(tǒng)；智能公交；車道級(jí)導(dǎo)航

0引言

城市公共交通是城市經(jīng)濟(jì)生活的命脈，然而目前城市公交系統(tǒng)卻存在著不少問題[1]：車輛在行駛過程中與調(diào)度系統(tǒng)缺乏信息化反饋機(jī)制、站臺(tái)等車乘客得不到公交行駛信息、駕駛員仍采用操作繁瑣的手動(dòng)報(bào)站器等等，要解決這些問題，必須發(fā)展信息化、網(wǎng)絡(luò)化的智能公交系統(tǒng)，對(duì)公交車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位并統(tǒng)一管理。

公交車現(xiàn)在普遍使用手動(dòng)按鍵報(bào)站器，當(dāng)車輛進(jìn)出站臺(tái)、拐彎下行時(shí)，駕駛員需要對(duì)報(bào)站器進(jìn)行手動(dòng)操作，向乘客播報(bào)提醒信息。但這些時(shí)刻公交車面臨的路況往往較為復(fù)雜，駕駛員既要對(duì)車輛進(jìn)行操作，同時(shí)還要兼顧報(bào)站器，有一定的安全隱患，因此建設(shè)智能化報(bào)站系統(tǒng)很有必要。目前的智能化報(bào)站方法有兩種：基于衛(wèi)星定位與基于非衛(wèi)星定位?；诜切l(wèi)星定位的方法有紅外等[2]，成本較低，但是能做到的僅僅是提供報(bào)站信息，不利于構(gòu)建更加完善合理的公交調(diào)度系統(tǒng)；基于衛(wèi)星定位的智能報(bào)站器不僅可以提供報(bào)站信息，還可以將定位信息發(fā)送給公交調(diào)度中心，對(duì)于車輛調(diào)度、應(yīng)急處理、信息交互等方面有積極作用，實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)的管理和服務(wù)。

現(xiàn)存的基于衛(wèi)星定位的自動(dòng)報(bào)站器，大都只使用了全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)單模式定位[3-4]，由于受到市區(qū)高層建筑、林蔭樹木等因素影響，單模式接收機(jī)有時(shí)會(huì)因可搜索到衛(wèi)星信號(hào)數(shù)目的減少無法輸出有效信息，而且定位精度也十分有限；同時(shí)現(xiàn)有設(shè)備大多數(shù)沒有通過網(wǎng)絡(luò)與公交調(diào)度系統(tǒng)形成可靠互聯(lián)，無法把定位結(jié)果上傳，以便后續(xù)的管理和服務(wù)。針對(duì)以上問題，本文提出了一種改進(jìn)型的自動(dòng)報(bào)站器，使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)/GPS雙模式定位技術(shù)，增加衛(wèi)星信號(hào)，提高定位精度，同時(shí)加入第四代移動(dòng)通信技術(shù)(the 4th generation，4G)，達(dá)到快速連接連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(continuously operational reference system，CORS)基準(zhǔn)站進(jìn)行差分定位，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位和與調(diào)度中心保持聯(lián)系的目的。

1框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)報(bào)站系統(tǒng)分為人機(jī)交互模塊和內(nèi)置高精度定位系統(tǒng)兩個(gè)部分。人機(jī)交互模塊包括用于播報(bào)提示信息的語音模塊，顯示公交線路及站臺(tái)信息的顯示器以及操作按鈕。在進(jìn)行自動(dòng)報(bào)站前，需要事先將播報(bào)信息的位置點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的提示語記錄在安全數(shù)碼卡(secure digital memory card，SD)中，對(duì)于相同行駛路線的公交車可以直接復(fù)制SD卡中的信息。在公交車正常運(yùn)行過程中，報(bào)站器會(huì)根據(jù)內(nèi)置定位系統(tǒng)獲得的高精度定位信息，在SD卡存儲(chǔ)坐標(biāo)點(diǎn)的允許誤差范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)站。同時(shí)SD卡中信息可以人工擦除用于公交線路的更改。本系統(tǒng)還設(shè)有手動(dòng)報(bào)站模式供給特殊情況下使用。

圖1　智能公交報(bào)站系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

報(bào)站器內(nèi)置的高精度定位系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的核心，可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位功能，主要包括車載移動(dòng)終端的定位部分和CORS系統(tǒng)。車載終端定位部分包括：泰斗定位模塊、4G模塊和ARM9控制模塊。泰斗定位模塊用于原始定位信息的獲取，ARM9控制模塊用于實(shí)現(xiàn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的解析與偽距差分算法，CORS系統(tǒng)用于提供偽距差分所需的差分改正數(shù)。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。當(dāng)通過定位系統(tǒng)獲得的定位結(jié)果和存儲(chǔ)在SD卡中的地理點(diǎn)坐標(biāo)在誤差范圍內(nèi)相符時(shí)，自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)會(huì)通過語音模塊和顯示器播報(bào)相應(yīng)提示信息。

智能公交報(bào)站系統(tǒng)準(zhǔn)確報(bào)站的基礎(chǔ)是能夠獲得高精度的位置信息，而現(xiàn)有系統(tǒng)多采用單一GPS或者單一BDS通過單點(diǎn)定位的方式進(jìn)行公交車位置的定位。同時(shí)目前所使用的定位算法需要在衛(wèi)星數(shù)目大于等于4顆時(shí)才可以正確解算，當(dāng)公交車行駛在城市多高樓多樹木的區(qū)域內(nèi)時(shí)，單一定位系統(tǒng)的衛(wèi)星跟蹤數(shù)目將無法滿足要求，因此本系統(tǒng)采用BDS兼容GPS的定位模塊，并經(jīng)過現(xiàn)有論文和實(shí)驗(yàn)的論證，保證了衛(wèi)星數(shù)目，提高了定位準(zhǔn)確度[5-6]。由于衛(wèi)星的精度普遍誤差在8～10 m，傳統(tǒng)單點(diǎn)定位精度較低，本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)碼相位差分技術(shù)(real time differential，RTD)，結(jié)合CORS基站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正定位坐標(biāo)可以達(dá)到亞米級(jí)定位。在城市車輛導(dǎo)航中，亞米級(jí)定位已經(jīng)可以達(dá)到具體車道的定位，提高報(bào)站器工作準(zhǔn)確性，也為公交車調(diào)度管理，例如擁堵車道避開指示、特殊路段公共車輛先行等提供了可能。

2硬件設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的系統(tǒng)具有高精度的優(yōu)勢(shì)，硬件核心部分包括S3C2440處理器、衛(wèi)星定位模塊和無線數(shù)傳模塊。

2.1S3C2440處理器

控制模塊采用以ARM9為內(nèi)核的S3C2440芯片，并在其上移植Linux操作系統(tǒng)。ARM嵌入式設(shè)備體積小、功耗低、功能強(qiáng)，該處理器運(yùn)行于400 MHz，處理速度快，操作系統(tǒng)支持多線程處理，是高性能車載導(dǎo)航應(yīng)用的理想選擇。

2.2衛(wèi)星定位模塊

衛(wèi)星定位模塊采用泰斗D302 BD2 B1/GPS L1頻點(diǎn)雙模導(dǎo)航定位模塊，支持BDS/GPS雙模工作模式。本裝置只采集衛(wèi)星模塊的原始觀測(cè)量，在后續(xù)處理中自主使用CORS基站信號(hào)進(jìn)行高精度的差分解算。

2.3無線數(shù)傳模塊

無線數(shù)傳模塊采用中興ME3860 4G通信模塊，其傳輸速率上行最高到50 Mbps，下行最高150 Mbps。支持Linux操作系統(tǒng)，與控制器通過通用串行總線(universal serial bus，USB)接口進(jìn)行連接，系統(tǒng)采用加載驅(qū)動(dòng)后通過AT指令獲取動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Internet protocol，IP)的方式接入無線網(wǎng)絡(luò)。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心軟件由三個(gè)線程組成，線程一為差分改正數(shù)據(jù)的獲取與解碼，數(shù)據(jù)的傳輸遵循Ntrip協(xié)議；線程二為原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取與解碼，數(shù)據(jù)的傳輸是通過串口由D302模塊傳送給ARM板；線程三為RTD解算，得到亞米級(jí)的定位信息。

3.1數(shù)據(jù)的接入

車載終端與CORS系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸遵循基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(transmission control protocol/Internet protocol，TCP/IP)的Ntrip協(xié)議。

3.2數(shù)據(jù)解碼模塊

數(shù)據(jù)解碼模塊用以完成原始觀測(cè)數(shù)據(jù)解碼和RTCM差分電文解碼。電文解碼類似于事后解碼，從網(wǎng)絡(luò)中接收到二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊之后，根據(jù)數(shù)據(jù)消息塊標(biāo)識(shí)確定數(shù)據(jù)類型，再根據(jù)數(shù)據(jù)類型的定義進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換[7-8]。具體流程如圖2所示。

圖2　原始數(shù)據(jù)解碼流程圖

3.3定位解算模塊

本系統(tǒng)中由S3C2440處理器結(jié)合接收到的差分改正數(shù)與移動(dòng)終端原始觀測(cè)信息完成定位解算，采用的是實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位的方式。利用設(shè)置在坐標(biāo)已知的點(diǎn)(基準(zhǔn)站)上的BDS/GPS接收機(jī)測(cè)定BDS/GPS測(cè)量定位誤差，用以提高在一定范圍內(nèi)其他BDS/GPS接收機(jī)(流動(dòng)站)測(cè)量定位精度。即在基準(zhǔn)站上，觀測(cè)所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離。再與測(cè)得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，將其傳輸至運(yùn)動(dòng)載體上的接收機(jī)來改正測(cè)量的偽距，提高定位精度。

4定位精度測(cè)試

由于本系統(tǒng)主要對(duì)報(bào)站系統(tǒng)進(jìn)行定位精度上的改進(jìn)，因此測(cè)試階段僅驗(yàn)證定位系統(tǒng)經(jīng)過差分改正后的定位精度。測(cè)試過程如下：

1)選取東南大學(xué)3S中心實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的EarthNet2.0為CORS服務(wù)軟件建立RTD單基站模式。同時(shí)，車載終端所接入的衛(wèi)星天線的坐標(biāo)已知，其經(jīng)緯度坐標(biāo)為(32.058 137 239°N，118.788 552 719°E)。

2)用車載終端(圖3)對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行半小時(shí)的靜待定位測(cè)試，得到GGA定位信息，截取部分見表1所示：

圖3　定位系統(tǒng)實(shí)物圖

3)將所得GGA中的經(jīng)緯度信息按照度分的形式表示，并將結(jié)果由大地坐標(biāo)系B、L、H轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo)系N、E、U[9-10]。定位精度分為平面精度與高程精度，對(duì)于地面導(dǎo)航定位一般只需要驗(yàn)證平面精度，即N、E方向的誤差，因此，對(duì)定位結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算N、E方向定位誤差，并將定位誤差按照5 s的間隔采樣得到兩個(gè)方向上的定位偏差圖，如圖4所示。

表1　GGA定位信息

圖4　定位系統(tǒng)定位偏差圖

從圖4中可以看出，在半個(gè)小時(shí)的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，定位結(jié)果比較穩(wěn)定，大部分點(diǎn)的定位N、E方向的偏差優(yōu)于1 m。

以上測(cè)試結(jié)果表明，該定位系統(tǒng)具有亞米級(jí)的定位精度，為智能公交報(bào)站系統(tǒng)準(zhǔn)確報(bào)站提供了基礎(chǔ)。

5結(jié)束語

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，公共交通建設(shè)必然越來越重要，本文所實(shí)現(xiàn)的高精度智能公交報(bào)站系統(tǒng)由于具有可定位到車道的優(yōu)勢(shì)不僅可以實(shí)現(xiàn)報(bào)站功能，還可以實(shí)現(xiàn)與公交車管理系統(tǒng)的信息交互，完成對(duì)公交車的調(diào)度。

在未來的應(yīng)用上，擁有亞米級(jí)定位精度的車載終端不僅可以在智能公交管理中大放異彩，也可以移植到普通車輛上實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和車輛導(dǎo)航，移植到警車、消防車、救護(hù)車等特殊車輛上實(shí)現(xiàn)車輛優(yōu)先控制，移植到特殊物品運(yùn)輸車輛上實(shí)現(xiàn)車輛安全監(jiān)管功能。

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An Intelligent Bus Stop Announcement System with Precision Dual-system Navigation

WANGPu，YAOChenyu，LENGMingxin，MAOQi

(School of Instrument Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210000，China)

Abstract：Nowadays existing bus stop announcement systems have deficiencies in single positioning mode，low accuracy and unstable data transmission.This paper focuses on a new smart bus stop announcement system combining with BDS and GPS Dulan-system Navigation module，wireless data transmission module and the CORS.The new announcement system guarantees the accurate positioning and stably real-time communication.Experiments showed that the system reached 1m accuracy and could realize lane-level navigation.

Key words：BDS/GPS integrated positioning system；pseudo-range difference；CORS；smart bus system；lane-level positioning

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4999(2016)-01-0055-04

作者簡(jiǎn)介：第一王璞(1994—)，女，安徽壽縣人，本科，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器。

收稿日期：2015-05-13

引文格式：王璞，姚晨雨，冷明鑫，等.一種高精度雙模定位的智能公交報(bào)站系統(tǒng)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(1)：55-58.(WANG Pu，YAO Chenyu，LENG Mingxin，et al.An Intelligent Bus Stop Announcement System with Precision Dual-system Navigation[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：55-58.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160111.