趙超杰 鄧涵月

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安 710065)

0 引言

隨著我國公路里程的持續(xù)增加，我國公路網(wǎng)絡(luò)已基本形成，公路交通的強(qiáng)大優(yōu)勢有力地推動(dòng)了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是隨之而來的交通安全已經(jīng)成為我國公路交通必須面對的重大問題。因?yàn)槲覈丝诨鶖?shù)大，車輛保有率高，近些年，我國每年發(fā)生的道路交通事故數(shù)、死亡人數(shù)、萬車死亡率、直接經(jīng)濟(jì)損失等指標(biāo)一直居世界前列，如何有效降低交通事故仍然是交通安全研究領(lǐng)域亟待解決的問題。

對大量的交通事故分析表明，80%以上的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員反應(yīng)不及時(shí)引起的，超過65%的車輛相撞屬于追尾相撞。研究表明，如果駕駛員能夠提早1s意識到危險(xiǎn)并及時(shí)采取預(yù)防措施，則有大約60%的正面碰撞事故和90%的追尾事故可以避免[1]。為了讓駕駛員在事故發(fā)生前提早感知風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對車輛防撞預(yù)警方法及模型進(jìn)行了大量研究。隨著北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射與組網(wǎng)，基于衛(wèi)星定位技術(shù)的研究越來越多。張樂然等應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù)與無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車車間的車距預(yù)警[2,3]；王楠等利用衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對道路車輛的管理與誘導(dǎo)[4,5]。

吳明先等采用了基于高精度GNSS組合定位技術(shù)，通過對車輛未來1s、2s、3s輪廓與周圍車輛及設(shè)施的位置狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行的分級預(yù)警[6]。

車載終端作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，需要能實(shí)現(xiàn)厘米級高精度定位，且能實(shí)時(shí)上傳車輛信息到預(yù)警平臺，并接收預(yù)警平臺下發(fā)的信息。但目前對車載終端的研究主要面向車輛監(jiān)控、管理、調(diào)度以及服務(wù)等方面[7]，“兩客一?！避囕v上的車載終端，其定位方式仍采用單點(diǎn)定位，精度較低，而且數(shù)據(jù)更新率低；而測量型接收機(jī)可以滿足高精度定位要求，但不能和服務(wù)平臺通信，均無法滿足車輛風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的要求。本文引入北斗高精度定位技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)一種滿足車輛運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的車載終端，并在真實(shí)高速工況下對車載終端進(jìn)行測試，可為集成化設(shè)計(jì)車載終端提供參考。

1 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)

基于北斗高精度定位的車輛運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)工作原理如圖1所示，系統(tǒng)由預(yù)警平臺、車載終端、CORS服務(wù)站以及通信鏈路組成。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)工作原理

預(yù)警平臺具有用戶管理、車輛管理、設(shè)備管理、預(yù)警預(yù)報(bào)信息管理及其它管理功能，主要以WebGIS的方式展現(xiàn)，疊加高精度影像圖與高精度地圖，通過與車載終端的不斷交互，可實(shí)時(shí)顯示在途車輛運(yùn)行軌跡。該平臺還集成了車輛碰撞模型算法，可根據(jù)車載終端提供的高精度定位數(shù)據(jù)、車輛速度、方位等數(shù)據(jù)，預(yù)測車輛運(yùn)行軌跡，用來判斷其輪廓是否與其他鄰近車輛以及中央分隔帶、護(hù)欄等公路設(shè)施存在碰撞，并對碰撞進(jìn)行分級，對有碰撞車輛下發(fā)相應(yīng)等級的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警消息。

CORS服務(wù)站向用戶提供高精度服務(wù)，由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)四部分組成[8,9]?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)是由間距30Km以內(nèi)、組成多邊形的單基站組成，各基站通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將衛(wèi)星星歷與觀測值匯集到數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心針對基站網(wǎng)內(nèi)不同的流動(dòng)站發(fā)送不同的差分改正數(shù)，相當(dāng)于在流動(dòng)站附近虛擬出一個(gè)基站，可大大縮短基線距離，提高定位精度[10]。

車載終端是一臺安裝在車輛上具有4G通信與語音報(bào)警功能的GNSS接收機(jī)。工作時(shí)，衛(wèi)星天線接收GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航電文實(shí)現(xiàn)定位，當(dāng)車載終端跟CORS服務(wù)站建立連接后，可以接收來自CORS服務(wù)站的差分改正數(shù)，從而提高定位精度，實(shí)現(xiàn)厘米級實(shí)時(shí)定位。車載終端還是預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為預(yù)警平臺實(shí)時(shí)提供車輛的位置、速度、航向角等預(yù)警算法所需信息，車載終端也可以接收預(yù)警平臺下發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)等級信息，并做出語音報(bào)警，提醒駕駛員謹(jǐn)慎駕駛，提高行車安全。

2 車載終端設(shè)計(jì)

車載終端是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的位置傳感器，由GNSS定位模塊、4G通信模塊、預(yù)警模塊、異步通信模塊、ARM主控單元、電源模塊以及輸入輸出單元(OLED顯示、矩陣鍵盤)組成，設(shè)備框圖如圖2所示。

圖2 車載終端設(shè)計(jì)框圖

2.1 模塊選型及設(shè)計(jì)

GNSS定位模塊使用和芯星通的UB4B0M模塊，是一款全系統(tǒng)多頻高精度RTK定位模塊，可以提供厘米級載波相位觀測值和RTK定位精度。

4G通信模塊采用有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的USR-LTE-7S4模塊，該模塊是一款串口轉(zhuǎn)4G的網(wǎng)絡(luò)透明傳輸模塊，支持域名解析服務(wù)，支持套接字分發(fā)協(xié)議等。適用于移動(dòng)、聯(lián)通、電信4G和移動(dòng)、聯(lián)通3G和2G網(wǎng)絡(luò)制式(五模十二頻)，支持2路Socket連接。

預(yù)警響應(yīng)模塊是由一個(gè)語音合成(TTS)芯片與喇叭組成，語音合成芯片采用北京宇音天下的SYN6288芯片，通過異步串行通信方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換。

主控單元是控制、協(xié)調(diào)車載終端正常運(yùn)行的核心部分，采用ARM架構(gòu)的32位單片機(jī)STM32F103RC作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)車載終端與CORS服務(wù)站的互聯(lián)，實(shí)時(shí)提取車輛的位置、速度等數(shù)據(jù)，控制4G通信模塊發(fā)送車輛信息，控制預(yù)警響應(yīng)模塊執(zhí)行響應(yīng)等。

車載終端采集的是衛(wèi)星天線中心點(diǎn)的位置，而系統(tǒng)的預(yù)測算法是判斷車輛輪廓與其它車輛或護(hù)欄等設(shè)施的沖突，因此，預(yù)警平臺要根據(jù)天線位置來構(gòu)建出車輛的輪廓，這要求車載終端在上報(bào)位置以前，先把車輛的尺寸、天線相對車輛前方與左方的尺寸上報(bào)給平臺。但是，車載終端是安裝在不同車型上，同一車型也不一定在同一位置，因此車載終端設(shè)計(jì)了輸入輸出單元。

輸入輸出單元由1.54寸OLED顯示屏與3*4矩陣鍵盤組成，顯示屏在配置時(shí)顯示配置的項(xiàng)目，在正常工作時(shí)，顯示車輛的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、速度、航向角、定位解狀態(tài)等信息，矩陣鍵盤可輸入數(shù)字及移動(dòng)光標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

車載終端跟預(yù)警平臺通信的協(xié)議參照《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容車載終端通訊協(xié)議技術(shù)規(guī)范》[11]中的數(shù)據(jù)格式，包括注冊、位置信息匯報(bào)、應(yīng)答等。為滿足高精度定位與快速預(yù)警的需要，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了以下三方面改進(jìn)。

第一，經(jīng)緯度值由保留10-6度修改為10-7度。規(guī)范中位置信息匯報(bào)的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

假設(shè)地球是一個(gè)半徑r為6370km的標(biāo)準(zhǔn)球體，則10-6度的經(jīng)線長度l為：

表1 位置基本信息數(shù)據(jù)格式

因?yàn)橐?guī)范中的車載終端定位方式采用單點(diǎn)定位，其精度只能達(dá)到米級，所以將經(jīng)緯度保留10-6度可以滿足定位需求，而基于RTK技術(shù)的接收機(jī)經(jīng)度可達(dá)厘米級，因此有必要將經(jīng)緯度值保留至10-7度，且DWORD數(shù)據(jù)類型的4個(gè)字節(jié)完全可以保存180×107= 0x6B49D200的值，這樣既不用增加內(nèi)存開銷，又能提高輸出數(shù)據(jù)的精度。

第二，增加經(jīng)線緯線方向。當(dāng)經(jīng)緯度值乘以107后，內(nèi)存中的最高位始終沒有使用，因此協(xié)議將最高位用來指示經(jīng)線、緯線的方向，即MSB為0時(shí)，代表數(shù)值為東經(jīng)或北緯；MSB為1時(shí)，代表數(shù)值為西經(jīng)或南緯。如：0x40C3E13F表示東經(jīng)108.6579007度，0xC0C3E13F表示西經(jīng)108.6579007度。

第三，時(shí)間數(shù)據(jù)格式增加十分之一秒字節(jié)。規(guī)范中時(shí)間信息只精確到秒，但在預(yù)測系統(tǒng)中，車載終端的位置更新率為5Hz，即每0.2秒輸出一個(gè)位置信息。因?yàn)闆_突預(yù)測算法是根據(jù)已知的連續(xù)9點(diǎn)來預(yù)測未來1-3秒的位置，因此時(shí)間的數(shù)據(jù)類型改為BCD[7]，增加十分之一秒的一個(gè)字節(jié)，即使數(shù)據(jù)有粘包，也可以將數(shù)據(jù)按時(shí)間順序排列出來。

2.3 數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議

車載終端要求同時(shí)與預(yù)警平臺、CORS服務(wù)站通信。因此，需要用兩個(gè)Socket通道來封裝不同服務(wù)器的數(shù)據(jù)，USR- LTE-7S4通信模塊支持2路Socket連接，2路Socket的數(shù)據(jù)要通過同一UART接口收發(fā)。因此，需要一套協(xié)議來定義數(shù)據(jù)，協(xié)議格式如表2。根據(jù)該協(xié)議參數(shù)區(qū)的內(nèi)容，判斷數(shù)據(jù)發(fā)往哪個(gè)Socket，或來自哪個(gè)Socket。

表2 數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議格式

2.4 NTRIP協(xié)議

車載終端訪問CORS系統(tǒng)時(shí)，一般要用到NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。使用NTRIP通訊協(xié)議的CORS系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 NTRIP結(jié)構(gòu)圖

圖3中NtripCaster是差分?jǐn)?shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)接收、發(fā)送GNSS的差分?jǐn)?shù)據(jù)，NtripServer負(fù)責(zé)把NtripSource產(chǎn)生的GNSS差分?jǐn)?shù)據(jù)提交給NtripCaster，NtripClient登錄NtripCaster后，就可以接收NtripCaster發(fā)送的差分?jǐn)?shù)據(jù)。NtripCaster給NtripClient發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)有兩種方案：一是直接轉(zhuǎn)發(fā)NtripSource產(chǎn)生的差分?jǐn)?shù)據(jù)；二是通過解算多個(gè)NtripSource的差分?jǐn)?shù)據(jù)，為NtripClient產(chǎn)生一個(gè)虛擬的基準(zhǔn)站。

NtripClient一般就是GNSS流動(dòng)站，登錄NtripCaster后，發(fā)送自身的坐標(biāo)給NtripCaster，NtripCaster選擇或產(chǎn)生差分?jǐn)?shù)據(jù)，然后發(fā)送給NtripClient，這樣流動(dòng)站即可實(shí)現(xiàn)高精度的差分定位。

3 系統(tǒng)測試

車載終端研發(fā)完成后，其定位精度已在文獻(xiàn)[6]中做過介紹，本文對車載終端的改進(jìn)方案進(jìn)行測試。自從北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)成功以后，車載終端的搜星能力大大增強(qiáng)，在我國四系統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)備可以同時(shí)捕獲到40顆左右的衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)快速定位。因此為了車載終端使用安裝方便，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮將設(shè)備跟衛(wèi)星天線集成在一起，做成一體機(jī)形式，只引出一條電源線即可。工作時(shí)只要將設(shè)備放置在車輛前擋風(fēng)玻璃下就可以實(shí)現(xiàn)高精度定位。

3.1 數(shù)據(jù)采集

為了驗(yàn)證衛(wèi)星天線安裝在車外與集成在設(shè)備內(nèi)兩種情況下定位的差異性，在西安繞城高速進(jìn)行了測試，試驗(yàn)采用對比法，同時(shí)采集天線在車外與車內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對。采集方案如下：

1、臨時(shí)架設(shè)差分基站，基站采用NTRIP協(xié)議將差分信號通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器再轉(zhuǎn)發(fā)給流動(dòng)站，基線距離小于10Km。

2、取兩臺車載終端，配置使其輸出GGA、VTG數(shù)據(jù)，設(shè)置定位更新率為5Hz，增加樣本數(shù)據(jù)，配置其NTRIP協(xié)議參數(shù)，使其能接收差分基站的差分改正信號。

3、取一臺車載終端接測量型蘑菇頭天線(HJC-GPS6388)，將天線安裝在車頂，作為對比測試的基準(zhǔn)；另一臺接北天BN-345AJ型天線，先安裝在車頂，采集完第一組數(shù)據(jù)后再將其安裝在車內(nèi)前擋風(fēng)玻璃下采集第二組數(shù)據(jù)，天線用膠固定，避免滑動(dòng)。

4、將兩臺車載終端用數(shù)據(jù)線跟電腦連接，打開串口助手，接受并實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)。測試車從西安丈八收費(fèi)站上高速，從阿房宮收費(fèi)站下高速，完成第一組數(shù)據(jù)采集；測試車又從阿房宮收費(fèi)站上高速返回到丈八收費(fèi)站，完成第二組數(shù)據(jù)采集。

5、數(shù)據(jù)整理分析。

將采集的數(shù)據(jù)分析整理，取出處于公共空間的兩組數(shù)據(jù)。取數(shù)據(jù)時(shí)要保證每組數(shù)據(jù)中兩臺設(shè)備的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間相同，將這些數(shù)據(jù)展示到圖新地球上，軌跡如圖4所示。將軌跡圖放大，可以展現(xiàn)出兩個(gè)天線的相對位置，如圖5所示，圖中黑色標(biāo)記代表車外的HJC-GPS6388天線，白色標(biāo)記代表車外的BN-345AJ天線，灰色標(biāo)記代表車內(nèi)的BN-345AJ天線。

圖4 圖測試車軌跡圖

圖5 圖天線相對位置圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

車載終端的高精度定位值應(yīng)為RTK固定解數(shù)據(jù)，而非單點(diǎn)定位、RTD和RTK浮點(diǎn)解數(shù)據(jù)(其精度無法保障)，因此RTK固定解比例成為一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。在相同的測試條件下，如果RTK固定解比例越高，GNSS產(chǎn)品就越容易實(shí)現(xiàn)和維持RTK固定解，即可用性越好[12]。本次分析重點(diǎn)對RTK固定解比例進(jìn)行比對，實(shí)驗(yàn)中RTK解狀態(tài)比例對比數(shù)據(jù)如表3所示。表中0表示定位無效，1表示單點(diǎn)定位，2表示RTD 偽距差分，4表示RTK 固定解，5表示RTK 浮點(diǎn)解。

表3 RTK解狀態(tài)比例對比

此次對比實(shí)驗(yàn)在同一路段往返采集數(shù)據(jù)，第一組數(shù)據(jù)兩天線都在車外，主要變量是天線不同。由表3可以看出這組實(shí)驗(yàn)RTK解狀態(tài)的各個(gè)占比基本相同，說明這兩種天線在相同的測試條件下，搜星定位能力基本相同，兩臺車載終端性能基本一致。

通過對比第一組與第二組車外HJC-GPS6388采集的數(shù)據(jù)可以看出，兩組數(shù)據(jù)中每種解狀態(tài)的分布占比基本相同(第二組RTK浮點(diǎn)解略高一些)，說明車輛往返的這個(gè)路段的周圍環(huán)境對車載終端定位影響基本一樣。

因此采集第二組數(shù)據(jù)時(shí)，將BN-345AJ天線置于車內(nèi)，可以認(rèn)為主要變量是天線的位置，即車內(nèi)與車外。通過對比第二組數(shù)據(jù)可以看出，天線置于車內(nèi)，解狀態(tài)為4(固定解)的比例降低了近4%，而其它狀態(tài)的比例都有所增加，也就是說天線置于車內(nèi)對接收機(jī)定位有一定的影響。但是，88%的固定解比例，可以滿足風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的要求。

RTK固定解比例既與測試車行駛的路線環(huán)境有關(guān)，如道路兩側(cè)的高樓、大樹、輸電線，過街天橋、隧道等；也與通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有關(guān)，如通信中斷，差分?jǐn)?shù)據(jù)不能發(fā)送到車載終端，影響定位解算；還與基站的距離有關(guān)。第二組數(shù)據(jù)的解狀態(tài)隨時(shí)間的分布如圖6所示，從圖中可以看出兩種天線位置(車內(nèi)、車外)的數(shù)據(jù)有著相同的變化規(guī)律，即車輛在行駛過程中遇到相同的影響因素，而在沒有影響的地方，解狀態(tài)都能保持穩(wěn)定的固定解。

圖6 圖不同天線位置的解狀態(tài)分布圖

圖7為車內(nèi)天線解狀態(tài)與衛(wèi)星數(shù)的關(guān)系，可以看出車內(nèi)天線的數(shù)據(jù)在保持固定解時(shí)，基本可以捕獲到35顆以上的衛(wèi)星，保證高精度定位。同時(shí)當(dāng)解狀態(tài)每發(fā)生一次跳變，此刻的衛(wèi)星數(shù)就會(huì)急劇減少。圖8是車輛駛過立交橋下的軌跡，從圖8中可以看出，車輛駛過立交橋下后，軌跡有明顯的間斷或偏離，反應(yīng)出遮擋對解狀態(tài)的明顯影響。通過圖新地球的衛(wèi)星圖層可以看到測試區(qū)域有15座人行天橋或上跨公路，正好對應(yīng)著統(tǒng)計(jì)圖7中解狀態(tài)的15個(gè)跳變。

圖7 圖車內(nèi)天線的解狀態(tài)與衛(wèi)星數(shù)關(guān)系

圖8 圖車輛駛過立交橋時(shí)的定位狀態(tài)

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的車載終端系統(tǒng)，將GNSS接收機(jī)天線集成到終端中，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)安裝。通過對數(shù)據(jù)通信協(xié)議的修改，實(shí)現(xiàn)了高精度和快速定位與預(yù)警服務(wù)。兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同環(huán)境下，兩種天線的性能基本相同，均能滿足車輛運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警需要；在無遮擋路段，天線置于車內(nèi)或車外對解的狀態(tài)影響不明顯；有短時(shí)遮擋時(shí)，天線置于車內(nèi)或車外，都會(huì)影響接收的衛(wèi)星數(shù)，從而影響RTK固定解占比，只是天線在車內(nèi)時(shí)，定位解狀態(tài)收斂到固定解的時(shí)間會(huì)長一點(diǎn)。因此將天線跟接收機(jī)集成在一起，置于車內(nèi)，大部分情況可以達(dá)到天線置于車外的效果。

另外，在應(yīng)用時(shí)要注意車前擋風(fēng)玻璃不能貼防曬膜，不適用于大客車、大貨車等前擋風(fēng)玻璃豎直安裝的車型，因?yàn)樵谶@兩種工況下，設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)車內(nèi)差分定位，甚至不能定位。