基于北斗高精度定位的自由流车载终端软硬件研究

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　　摘 要：为提高高速公路收费站通行速度，实现高速公路自由流收费，设计了一套采用网络RTK与BDS/INS组合定位技术的北斗高精度车载终端。该终端由北斗差分定位模块、惯性导航模块和4G通讯模块等组成，终端基于NTRIP协议与CORS服务器进行用户认证和数据传输。同时，结合高速公路自由流收费站高精度地图，该终端通过车辆位置识别算法获取车辆在自由流收费站中的位置信息并上传至自由流收费系统位置云平台请求抬杆。实际道路测试结果表明，该终端可满足高速公路自由流收费系统应用需求，促进交通运输行业健康发展。
　　关键词：高速公路自由流收费系统;北斗高精度;BDS/INS组合定位技术
　　DOI：10. 11907/rjdk. 191887 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）005-0155-04
　　0 引言
　　北斗卫星导航系统是由我国自主研制并独立运行的全球卫星导航定位系统，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能[1-2]。交通运输行业具有点多、线长、面广以及移动性强的特点，是北斗卫星导航系统最大的应用行业[3-4]。近年来，高速公路收费站堵车问题严重，依靠技术创新提升高速公路通行效率，实现自由流收费已成为社会共识[5-7]。已有研究中还未有将北斗高精度定位技术应用于高速公路收费系统的先例。因此，应用于高速公路自由流收费系统的北斗高精度车载终端值得研究。文献[8-9]对北斗高精度差分定位技术实现车辆的厘米级定位进行了深入研究;文献[10]提出了一种基于ARM芯片并结合4G通信技术的GPS车载定位终端设计;文献[11]对惯导和卫导组合导航方法进行了定位不间断研究。
　　基于以上研究和自由流收费系统应用需求，本文终端采用连续运行卫星定位服务参考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）进行载波相位差分定位（Real-Time Kinematic，RTK）[12-15]。并且，通过NTRIP协议与CORS服务器进行相应的数据通信与处理[16-17]。另外，该终端采用北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）和惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）组合定位方式进行不间断定位[18-19]。通过实际道路测试验证，该终端可满足高速公路自由流收费系统的应用需求，具有较好的应用前景。
　　1 车载终端总体设计
　　设计方案从两个方面论述：硬件搭建、软件编写。
　　硬件：主要包括北斗高精度差分定位模块、惯性导航模块、4G通信模块。
　　软件：以Linux为软件平台，在此平台上编写基于NTRIP协议的认证传输程序以及收费站区域车辆位置识别算法。
　　北斗高精度车载终端总体设计如图1所示。
　　2 硬件设计
　　2.1 北斗差分定位模块
　　北斗差分定位模块选用国产的一款支持BDS B1/B2、GPS L1/L2、GLONASS L1/L2三系统六频信号的北斗高精度定位板卡，型号为K726。该模块设计有3组UART串口，波特率范围为4 800～921 600bps。并且，支持RTCM3.2协议格式的数据。RTK水平定位精度为1cm+1ppm，垂直定位精度为2cm+1ppm。
　　2.2 惯性导航模块
　　選用的惯性导航模块具有三轴陀螺仪和三轴加速度计，支持标准NMEA GNSS输入。该模块利用外部输入的北斗高精度卫星导航定位数据与自身惯性器件所测得的数据，不间断输出复杂环境下的导航定位数据。该模块在卫星信号中断10s时，定位精度（1[σ]）为0.2m;中断30s时，定位精度（1[σ]）为3m;中断大于60s时，定位精度（1[σ]）为行驶路程的1.5%。
　　2.3 4G通信模块
　　本文北斗高精度车载终端选用内置全网通4G通信模块，实现车载终端与各服务器无线数据的接收与发送。该通信模块支持Windows和Linux操作系统。并且，支持LTE-FDD B1/B3/B5/B8、LTE-TDD B38/B39/B40/B41，LTE-FDD最大下行速率为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 软件设计
　　该终端软件结构分为底层和应用层，底层主要包括Bootloader、Linux内核、驱动程序以及文件系统，需要完成USB驱动、串口驱动。应用层主要包括与CORS服务器连接的TCP/IP协议与NTRIP协议程序、结合高速公路自由流收费站高精度地图识别车辆在收费站区域的位置程序。应用程序通过驱动程序提供的接口调用内核空间的数据。
　　3.1 连接CORS服务器程序设计
　　北斗高精度车载终端与CORS服务器的连接通信建立在TCP/IP协议以及NTRIP协议基础上。TCP/IP协议主要用于与CORS服务器建立连接;NTRIP协议是一种基于HTTP协议进行RTK数据传输的应用层协议，主要用于用户认证和GNSS数据流传输。连接CORS系统服务器程序流程如图2所示。
　　3.1.1 与CORS服务器建立连接
　　与CORS服务器建立连接，运输层主要采用TCP协议，网络层采用IP协议。连接CORS系统的IP及端口分别为59.63.215.180和10005。建立TCP Socket套接字和配置Socket[20]，其中Socket函数返回整型套接口描述符sockfd，通过Connect函数建立TCP连接;通过Send函数发送基于NTRIP协议的用户认证信息;通过recv函数接收基于NTRIP协议的CORS服务器返回的信息。 　　3.1.2 基于NTRIP协议的用户认证与数据传输
　　（1）NtripClient与NtripCaster建立TCP连接，并发送源列表请求信息。若请求通过，NtripCaster返回SOURCETABLE 200 OK。
　　（2）NtripClient给NtripCaster发送差分数据请求信息，包含用户名、密码、挂载点名称。若请求通过，将返回ICY 200 OK。
　　（3）NtripSource产生GNSS差分数据，并将差分数据提交给NtripServer。
　　（4）NtripServer与NtripCaster建立TCP连接，并发送挂载点请求信息。NtripCaster对接收到的请求信息进行认证。若挂载点、密码均有效，NtripCaster回复ICY 200 OK，NtripServer将差分数据发送给NtripCaster。NtripCaster收到差分数据后，再将差分数据发送给NtripClient。
　　3.2 收费站区域车辆位置识别算法程序设计
　　北斗高精度车载终端需要实现车道识别和抬杆功能，因此，设计收费站区域车辆位置识别算法获取车辆在收费站区域的位置信息，即收费站、车道和收费杆信息，并上传至自由流收费系统位置云平台请求抬杆。首先，对高速公路自由流收费站高精度地图进行设计与制作，并将地图文件存储在数据存储模块中以供读取调用;然后，采用射线法作为判断车辆是否在某个特定区域的空间算法。通过车辆某位置点作一条水平射线，判断该射线与特定区域各线段的交点个数。如果是奇数点，该点就在特殊区域内，偶数点则不在。收费站区域车辆位置识别算法程序设计如图3所示。
　　结合高速公路自由流收费系统需求，本文高精度地图采用最普遍的点、线、面抽象表示方法对收费站、车道、收费杆进行描述[21]。收费站和车道的形态，以面要素形式表达。收费杆的形态，以点要素形式表达。
　　地图文件采用WGS84大地坐标，文件存储格式为mid/mif。高精度地图数据逻辑结构上划分为3层，包括收费站、车道、收费杆。高精度地图属性数据定义如表1、表2、表3所示。
　　采用收费站区域车辆位置识别算法对车辆定位数据和高精度地图文件进行处理，获取车辆当前所在收费站、车道和收费杆的信息以及收费杆的抬杆情况。
　　4 试验测试
　　测试地点选取在高速公路自由流收费系统北斗试验收费站。车辆通过北斗试验车道进出站口的测试速度为40km/h～50km/h。
　　通过串口线与开发板连接，启动差分定位模块，输入IP以及端口号等信息，整个终端开始运行。通过串口采集北斗高精度板卡及惯导输出报文数据，判断连接CORS系统程序设计的逻辑正确性。通过开发口采集上传位置云平台数据及惯导数据，判断收费站区域车辆位置识别算法的正确性。
　　测试车辆以40km/h～50km/h的行驶速度10次出入收费站，北斗高精度车载终端与CORS服务器10次均能正常通信，验证了连接CORS系统程序设计的逻辑正确性。另外，北斗高精度车载终端10次均能正确识别收费站以及车道，10次均能成功请求抬杆，验证了收费站区域车辆位置识别算法的正确性。
　　为了方便对定位数据进行观察，通过Goole earth将定位数据处理成行车轨迹图。以不同颜色的点分别描述固定解、惯导解、浮动解、单点解和无效解，如图4、图5所示。
　　图4、图5分别为采用BDS定位和BDS/INS组合定位经过北斗试验收费站的行车轨迹。图4中，北斗高精度板卡的軌迹在收费站遮挡处出现单点跳点和无效解，无卫星信号且轨迹中断;图5中，采用BDS/INS组合定位时，遮挡无卫星信号处轨迹无中断且平滑。因此，本文车载终端使用BDS/INS组合定位方法可以有效解决短时间内BDS丢失信号或者信号弱时的定位连续性问题。
　　由图5可看出，行车轨迹无明显偏移实际行驶轨道，没有偏离出北斗试验车道。经多次试验计算，该终端的测试定位精度为16mm。因此，本文北斗高精度车载终端的定位精度完全满足高速公路自由流收费系统应用需求。
　　5 结语
　　本文结合CORS系统设计北斗高精度车载终端，实现了车载终端厘米级的定位精度。该终端采用北斗差分定位模块联合惯性导航模块进行定位，BDS/INS的组合定位方式保证了北斗高精度车载终端在收费站遮挡区域的定位连续性。同时，本文通过收费站区域车辆位置识别算法程序，实现了终端在收费站区域车道识别和抬杆请求功能。
　　本文设计为北斗高精度自由流车载终端提供了一种软硬件解决方案。技术上，该终端对行驶状态下的车辆进行精确定位，可以有效解决高速公路多路径问题，保证车辆在高速公路通行按里程计费。管理上，可以与现有收费方式兼容，改造简单，具有推广应用价值。因此，该终端开发与应用对高速公路通行管理具有非常重要的现实意义。
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　　（責任编辑：孙 娟）
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