劉永

摘要：近年來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，特別是其在高速公路中的應(yīng)用更是為智慧高速的打造提供了有力的支持。為了進一步強化北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高速公路上的應(yīng)用。采用文獻分析法，對近年來國內(nèi)外關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研究的文獻的分析。通過研究可知北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高速公路中已經(jīng)有了大量的應(yīng)用，并取得了突出的效果。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為集團智慧高速研究建設(shè)的一個基礎(chǔ)設(shè)施，還將在高速公路中得到更為廣泛的應(yīng)用，進而提供更好的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：高速公路；智慧高速；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

一、前言

2020年5月12日，為落實國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和《交通強國建設(shè)綱要》，進一步提升公路工程技術(shù)創(chuàng)新能力和技術(shù)水平，支撐公路行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展，交通運輸部組織起草了《關(guān)于深入推進公路工程技術(shù)創(chuàng)新工作的意見（征求意見稿）》（以下簡稱“意見”），并對外發(fā)布征求意見。意見要求堅持創(chuàng)新驅(qū)動、綠色發(fā)展、科技引領(lǐng)、機制保障四項基本原則，明確加快推動智能感知、北斗系統(tǒng)、5G通信等技術(shù)在公路工程技術(shù)中的深入應(yīng)用，并提出要大力推進北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在公路基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)應(yīng)用。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)性設(shè)施，也是支持智慧高速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。北斗在高速公路智能服務(wù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，為實現(xiàn)高速公路舒適、安全、高效、暢通提供了保障，可大大提高高速公路的管理服務(wù)水平和道路使用效率，使服務(wù)、管理、監(jiān)測達到最優(yōu)化[1]。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀

高速公路自由流收費系統(tǒng)是從國外發(fā)展而來，普遍采用兩種技術(shù)方案：一種是基于衛(wèi)星導(dǎo)航的定位技術(shù)，另一種基于DSRC技術(shù)。

從國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，現(xiàn)階段我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)性能已達到世界先進水平。截至2022年底，國產(chǎn)北斗兼容型芯片及模塊銷量達到億級規(guī)模，季度出貨量突破1800萬片；具有北斗定位功能的終端產(chǎn)品社會總保有量超過10億臺/套；2022年國內(nèi)厘米級應(yīng)用高精度芯片、模塊和板卡的總出貨量高速增長至突破160萬片。交通運輸領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于重點運輸過程監(jiān)控、公路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控、港口高精度實時定位調(diào)度監(jiān)控等領(lǐng)域。截至目前，國內(nèi)外尚無關(guān)于北斗技術(shù)與CPC卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品應(yīng)用，深入推進基于北斗的高速公路復(fù)合通行卡產(chǎn)品研究及應(yīng)用示范工作，符合交通運輸部提出的關(guān)于深入推進公路工程技術(shù)創(chuàng)新工作的意見[2]。

三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介

我國研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是在美國成功研發(fā)的全球定位系統(tǒng)（GPS）與俄羅斯研發(fā)的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后研發(fā)出的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。我國在2000年成功建設(shè)了北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，成為全球第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，僅次于美國和俄羅斯。結(jié)合我國北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)建設(shè)的整體規(guī)劃，在2020年時，我國成功建設(shè)了覆蓋全球的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”。北斗一號系統(tǒng)作為我國自主研發(fā)，具備自主控制與自主知識產(chǎn)權(quán)的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗一號系統(tǒng)不僅能夠獲得精確的定位，而且該系統(tǒng)的容量大且能夠精密授時，當前該系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在氣象行業(yè)、水運、海運、軍事、鐵路智能交通、道路交通管理、航空運輸、個人位置服務(wù)、農(nóng)林牧副漁、應(yīng)急救援等各個領(lǐng)域中[3]。

四、基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高速公路應(yīng)用研究與示范應(yīng)用

（一）運營公路北斗基準站布設(shè)需求研究

研究以集團高速公路為研究立足點，根據(jù)觀測、維護、組網(wǎng)需求設(shè)計北斗地面基準站的點位，研究北斗基準站的點位布設(shè)方案，通信鏈路設(shè)計、定位精度與檢測、定位服務(wù)應(yīng)用等，為集團高速公路的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測及公路運營提供基礎(chǔ)定位服務(wù)。

（二）北斗CPC卡研究與試點應(yīng)用

研究基于北斗與ETC、DSRC技術(shù)相結(jié)合的高速公路復(fù)合通行卡產(chǎn)品工程應(yīng)用及性能驗證、基于北斗CPC的路側(cè)軟硬件系統(tǒng)開發(fā)及建設(shè)、基于北斗CPC的路網(wǎng)收費系統(tǒng)后臺及車道軟件開發(fā)，基于北斗CPC產(chǎn)品的示范系統(tǒng)在臨清或楚姚試點路段的運行測試驗證及相關(guān)支撐技術(shù)研究等。

（三）北斗車輛及路網(wǎng)綜合大數(shù)據(jù)研究

在試驗高速及周邊路網(wǎng)劃定研究區(qū)域，從全國兩客一危及重點營運車輛監(jiān)管平臺截取通過研究路網(wǎng)的北斗車輛，進行差異化收費研究。通過分析車輛經(jīng)過上述區(qū)域的經(jīng)過路段、車輛周期通行規(guī)律、通過各路段的車型特點、車輛來源地分析、通行費測算等進行研究，進而提高車輛通行效率，優(yōu)化路網(wǎng)綜合通行能力，可為業(yè)主方提供引流車輛建議，以及通行費增加預(yù)測等研究成果。

（四）基于北斗大數(shù)據(jù)的收費稽核云平臺

分析基于北斗大數(shù)據(jù)的收費稽核云平臺系統(tǒng)原理和工作運行過程，提出實現(xiàn)基于北斗大數(shù)據(jù)的云收費稽核平臺的基本要素；其次，考慮到系統(tǒng)架構(gòu)的整體復(fù)雜度高，在明確需求的基礎(chǔ)上，分析研究北斗大數(shù)據(jù)的云平臺架構(gòu)；最后，根據(jù)前期分析研究結(jié)果，開發(fā)基于北斗大數(shù)據(jù)的收費稽核云平臺系統(tǒng)，為高速公路差異化收費提供研究基礎(chǔ)平臺[4]。

（五）基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差異化收費研究試驗驗證。

對比基于ETC模式的收費系統(tǒng)，對基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自由流收費系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)聯(lián)試及試驗驗證，通過軌跡圖對比、路網(wǎng)視頻監(jiān)控等方法，測試基于北斗導(dǎo)航定位的自由流收費云平臺系統(tǒng)在收費功能實現(xiàn)以及收費的準確性、差異性等指標，并對測試情況予以評價。

（六）運營公路北斗基準站布設(shè)需求研究

北斗地基增強網(wǎng)系統(tǒng)，即CORS（Continuous Operational Reference Station，連續(xù)運行參考站）系統(tǒng)是重大地理空間基礎(chǔ)設(shè)施。北斗地基增強服務(wù)系統(tǒng)是基于GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，通過在一定區(qū)域布設(shè)若干個GNSS連續(xù)運行參考基站，采用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)為用戶提供更精確的差分改正，對區(qū)域GNSS定位誤差進行整體建模，通過無線數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)向用戶播發(fā)定位增強信息，提高用戶的定位精度，且定位精度分布均勻、可靠性高、實時性好。

北斗衛(wèi)星地基增強系統(tǒng)可快速、高精度地獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征，是動態(tài)的、連續(xù)的空間數(shù)據(jù)參考框架。立足公路規(guī)劃、建設(shè)施工、運營管理等相關(guān)業(yè)務(wù)的需求，挖掘北斗高精度導(dǎo)航定位的行業(yè)服務(wù)能力和對業(yè)務(wù)的提升作用。結(jié)合地形地貌和路網(wǎng)狀態(tài)，以“滿足需求、節(jié)約成本、分布合理、多元服務(wù)”為目標要求，開展公路運營北斗地基增強基準站布設(shè)需求方案研究，形成公路領(lǐng)域北斗位置服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計方案，建立一個覆蓋全省的北斗CORS監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)，為車輛終端全域北斗高精度厘米級乃至毫米級定位提供基準[5]。

（七）基于北斗數(shù)據(jù)的輔助收費稽核研究

北斗軌跡還原途經(jīng)ETC門架功能。具備依托全國重點營運車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)和全國道路貨運車輛公共監(jiān)管與服務(wù)平臺的道路運輸行業(yè)數(shù)據(jù)，利用重點營運車輛北斗實時定位數(shù)據(jù)還原途經(jīng)ETC門架信息功能。

車輛相關(guān)信息主動推送功能。面向高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)，具備實時提供途經(jīng)某個ETC門架的重點營運車輛信息的能力；具備實時提供車輛進出高速全程、途經(jīng)收費站及ETC門架信息的能力

車輛相關(guān)信息查詢調(diào)用功能。具備接收高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的北斗路徑信息查詢請求，提供車輛全程途經(jīng)ETC門架精確軌跡信息的能力。

基礎(chǔ)信息配置功能。采集所有ETC門架和收費站的空間位置靜態(tài)基礎(chǔ)信息，并在電子地圖準確展示；配置整個路網(wǎng)范圍內(nèi)的ETC門架和收費站的電子圍欄，配置ETC門架和收費站的拓撲關(guān)系，建立路網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫[6]。

（八）北斗 CPC 工程應(yīng)用研究和試點應(yīng)用研究

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高速公路復(fù)合通行卡與基于北斗的高速公路復(fù)合通行卡的充電箱、基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高速公路復(fù)合通行卡計費系統(tǒng)以及與之配套的北斗定位信號增強基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成一整套的智慧交通解決方案。

基于北斗CPC 設(shè)備子系統(tǒng)，圍繞北斗定位、CPC 功能、路徑標識、電量管理、電源箱、充電系統(tǒng)等相關(guān)子功能進行工程應(yīng)用研究；基于北斗 CPC應(yīng)用子系統(tǒng)，圍繞位置上傳、路徑還原、信號增強、北斗服務(wù)等相關(guān)子功能進行研究[7]。

（九）基于“北斗+ETC”的自由流收費模型研究

課題所研究的基于北斗大數(shù)據(jù)的高速公路自由流計費，圍繞研究構(gòu)建基于北斗的自由流收費技術(shù)框架和評價體系，并在此基礎(chǔ)上研究建立基于北斗自由流的收費云平臺，最后研究自由流計費在試點路段的應(yīng)用。

開展基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自由流收費云平臺研究，主要通過對安裝在車輛上“北斗+ETC”終端所發(fā)出的位置信息進行擬合，實現(xiàn)對車輛行駛軌跡的精確計算，同時基于高精度地圖數(shù)據(jù)，根據(jù)車輛的軌跡信息和高速公路出入點坐標信息計算車輛在高速公路上的出入地點和行駛里程。并根據(jù)設(shè)置的計費周期，將周期內(nèi)的所有計費位置和計費里程結(jié)合路段費費率、折扣率、車型和車種等信息計算車輛應(yīng)收的通行費，形成周期計費賬單。包括里程計算子系統(tǒng)和計費服務(wù)子系統(tǒng)。

開展“北斗+ETC”融合終端的應(yīng)用研究，將安裝“北斗+ETC”融合終端，該終端具備衛(wèi)星定位、無線數(shù)據(jù)傳輸和ETC功能，能夠?qū)囕v進行實時準確定位，并將軌跡數(shù)據(jù)經(jīng)移動網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）回傳至基于北斗的自由流收費云平臺，實現(xiàn)后臺計費，并兼容ETC收費系統(tǒng)。

開展基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自由流收費試驗應(yīng)用，軟件研發(fā)完成后，進行安裝部署，系統(tǒng)試運行期間，與在運行的收費模式同步。針對試點路段，按周進行數(shù)據(jù)匯總和統(tǒng)計分析，對收費效率按月進行數(shù)據(jù)對比和評估，并結(jié)合平臺實際運行情況進行實時優(yōu)化和完善[8]。

五、運營公路北斗基準站布設(shè)需求研究

運營公路北斗基準站系統(tǒng)以高速公路為覆蓋目標，充分利用高速公路土地資源、網(wǎng)絡(luò)資源、電力資源等，建設(shè)穩(wěn)定可靠，基站分布合理基準站網(wǎng)絡(luò)?；具x址首先沿著高等級公路在收費站或服務(wù)區(qū)選擇適合環(huán)境布設(shè)基站，再沿次等級公路邊基站位置，路網(wǎng)較差區(qū)域避免重復(fù)建站?；疚恢玫倪x擇需滿足標準規(guī)范的要求。另外，結(jié)合智慧高速、收費稽核、自由流收費等衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的實際場景，生成區(qū)域厘米級精度增強信息，以及終端輔助定位信息等多層次、高可靠的增強信息，與現(xiàn)有的增強服務(wù)系統(tǒng)有效銜接，提供符合智慧高速公路應(yīng)用特點的衛(wèi)星導(dǎo)航增強服務(wù)，即北斗自由流CORS服務(wù)。與北斗CORS服務(wù)器成功實現(xiàn)連接和數(shù)據(jù)傳輸，且內(nèi)置差分定位板卡的自由流終端即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK定位功能。

智慧高速北斗地基增強服務(wù)系統(tǒng)作為智慧高速公路的空間基礎(chǔ)設(shè)施，包括北斗地基增強基準站網(wǎng)和北斗高精度位置服務(wù)系統(tǒng)。其中北斗地基增強基準站網(wǎng)主要包括基準站建設(shè)、通信設(shè)施建設(shè)、防護設(shè)施建設(shè)；北斗高精度位置服務(wù)系統(tǒng)包括北斗增強數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、北斗位置服務(wù)開放平臺、系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺。

運營公路北斗基準站系統(tǒng)由連續(xù)運行地基增強基準站網(wǎng)、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)以及用戶應(yīng)用子系統(tǒng)組成。

連續(xù)運行地基增強基準站網(wǎng)是由若干個單基站組成，每個單基站包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機、計算機、UPS等設(shè)備。另外，連續(xù)運行基準站網(wǎng)負責(zé)對北斗衛(wèi)星信號進行捕獲、跟蹤、采集與傳輸。

然后，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)、光纖通信等通訊方式，將基準站北斗觀測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，進而進行差分信息編碼，形成差分信息隊列。

最后，北斗CORS服務(wù)器將差分信息傳輸至用戶應(yīng)用子系統(tǒng)，即具備差分定位功能的定位終端中。終端經(jīng)過進一步數(shù)據(jù)解算處理，得到用戶當前的位置信息數(shù)據(jù)。在沒有差分的情況下北斗定位終端的定位精度為3—5米，接收到北斗CORS系統(tǒng)的地基增強差分信息后，通過誤差修正的模式，終端的定位精度可提高到厘米級。

開展覆蓋北斗衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。北斗監(jiān)測站支持北斗三號多頻多系統(tǒng)，監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)覆蓋全省，為實現(xiàn)北斗高精度厘米級乃至毫米級應(yīng)用提供基準。由于南方電離層比較活躍，基準站間距60km左右為宜，共建設(shè)約118個基準站。監(jiān)測大約精度：實時解2～5cm，靜態(tài)解2～5mm。站間距50～80km之間。若建站較少，站間距60～150km，共建設(shè)約58個基準站。監(jiān)測大約精度：實時解4～9cm，靜態(tài)解5～10mm。

六、基于北斗數(shù)據(jù)的輔助收費稽核研究

北斗大數(shù)據(jù)輔助收費稽核利用“全國道路貨運車輛公共監(jiān)管與服務(wù)平臺”和“全國重點營運車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)”的700萬輛北斗車輛位置數(shù)據(jù)，還原北斗車輛經(jīng)過收費站、ETC門架信息，增加新的路徑擬合維度，提供北斗行程大數(shù)據(jù)智能分析、北斗輔助收費稽核、輔助對賬、北斗輔助道路安全服務(wù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐等功能。通過接口服務(wù)、WEB頁面服務(wù)、微信小程序/APP服務(wù)等三種方式，與收費稽核系統(tǒng)直接對接或作為收費稽核的外置服務(wù)系統(tǒng)，為收費系統(tǒng)提供針對北斗車輛的開放服務(wù)，使北斗成為現(xiàn)有收費系統(tǒng)的有益補充。

總體框架主要包括數(shù)據(jù)接入層、網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層等6個層面。數(shù)據(jù)接入層：數(shù)據(jù)接入層為本工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，主要包括從路網(wǎng)中心接入車輛出入站數(shù)據(jù)，從聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控平臺和貨運平臺接入車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層：由高速公路通信專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)專線提供通信傳輸鏈路，保障地面站、聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控中心、路網(wǎng)中心之間數(shù)據(jù)傳輸。基礎(chǔ)層：通過主機及存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等建立支撐應(yīng)用的基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境，包括測試環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境。測試環(huán)境用于升級后的軟件系統(tǒng)測試，各項測試通過后導(dǎo)入生產(chǎn)環(huán)境正式運行。數(shù)據(jù)層：包括車輛基礎(chǔ)信息庫、路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及車輛運行數(shù)據(jù)庫、車輛軌跡還原庫等應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用層：包括北斗輔助精確計費服務(wù)系統(tǒng)、北斗軌跡還原服務(wù)系統(tǒng)、基礎(chǔ)信息配置系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)，及與路網(wǎng)中心、聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控平臺對接的接口平臺。用戶層：是應(yīng)用層各類應(yīng)用的用戶，包括管理用戶、普通用戶及全國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)等。

業(yè)務(wù)流程有：收費站入口北斗輔助MTC精準計費服務(wù)平臺實時跟蹤車輛，把監(jiān)測到的入站車輛信息發(fā)送給高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)；后者向北斗輔助MTC精準計費服務(wù)平臺推送重點營運車輛入口收費站信息，提升車輛跟蹤的實時性、準確性；路段通行期間北斗輔助MTC精準計費服務(wù)平臺自動監(jiān)測重點營運車輛經(jīng)過ETC門架的數(shù)據(jù)，動態(tài)推送給全國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)。為了加強北斗軌跡與車輛的一致性判別，北斗輔助MTC精準計費服務(wù)平臺采用抽樣的方式，調(diào)用ETC門架車牌數(shù)據(jù)，提升北斗軌跡服務(wù)準確性；收費站出口在MTC出口車道需要路徑還原時，由高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)自動請求調(diào)用北斗輔助MTC精準計費服務(wù)平臺的北斗車輛軌跡還原途經(jīng)ETC門架信息，完成精確計費服務(wù)。

七、結(jié)語

綜上所述，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國一項重要的關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施，其在推動我國社會經(jīng)濟發(fā)展以及保障國家安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用在高速公路的管理中，能夠推動高速行業(yè)的發(fā)展進程以及實現(xiàn)北斗產(chǎn)業(yè)化。我們堅信，只要結(jié)合我國高速公路的發(fā)展需求，合理應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將實現(xiàn)我國高速公路朝著智慧化的方向不斷發(fā)展。

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作者單位：湖南高速信息科技有限公司