一種高精度雙模定位的智能公交報站系統

王　璞，姚晨雨，冷明鑫，毛　琪

(東南大學 儀器科學與工程學院，南京　210000)

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一種高精度雙模定位的智能公交報站系統

王璞，姚晨雨，冷明鑫，毛琪

(東南大學 儀器科學與工程學院，南京210000)

摘要：本文針對現有的公交報站終端大多存在定位模式單一、精度低和數據傳輸不穩定等不足，提出了采用BDS/GPS雙系統融合定位模塊、無線數傳模塊與連續運行衛星定位服務綜合系統相結合的改進型智能公交報站系統，保證了在高樓和林蔭等遮擋環境下定位的準確性和通信的穩定性、實時性。測試結果表明，該系統的定位精度達到亞米級，可以實現車道級導航，具有較好的應用前景。

關鍵詞：BDS/GPS組合定位；偽距差分；CORS系統；智能公交；車道級導航

0引言

城市公共交通是城市經濟生活的命脈，然而目前城市公交系統卻存在著不少問題[1]：車輛在行駛過程中與調度系統缺乏信息化反饋機制、站臺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報站器等等，要解決這些問題，必須發展信息化、網絡化的智能公交系統，對公交車輛進行實時定位并統一管理。

公交車現在普遍使用手動按鍵報站器，當車輛進出站臺、拐彎下行時，駕駛員需要對報站器進行手動操作，向乘客播報提醒信息。但這些時刻公交車面臨的路況往往較為復雜，駕駛員既要對車輛進行操作，同時還要兼顧報站器，有一定的安全隱患，因此建設智能化報站系統很有必要。目前的智能化報站方法有兩種：基于衛星定位與基于非衛星定位。基于非衛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站信息，不利于構建更加完善合理的公交調度系統；基于衛星定位的智能報站器不僅可以提供報站信息，還可以將定位信息發送給公交調度中心，對于車輛調度、應急處理、信息交互等方面有積極作用，實現更加科學的管理和服務。

現存的基于衛星定位的自動報站器，大都只使用了全球定位系統(global positioning system，GPS)單模式定位[3-4]，由于受到市區高層建筑、林蔭樹木等因素影響，單模式接收機有時會因可搜索到衛星信號數目的減少無法輸出有效信息，而且定位精度也十分有限；同時現有設備大多數沒有通過網絡與公交調度系統形成可靠互聯，無法把定位結果上傳，以便后續的管理和服務。針對以上問題，本文提出了一種改進型的自動報站器，使用北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)/GPS雙模式定位技術，增加衛星信號，提高定位精度，同時加入第四代移動通信技術(the 4th generation，4G)，達到快速連接連續運行衛星定位服務綜合系統(continuously operational reference system，CORS)基準站進行差分定位，實現亞米級定位和與調度中心保持聯系的目的。

1框架結構設計

整個報站系統分為人機交互模塊和內置高精度定位系統兩個部分。人機交互模塊包括用于播報提示信息的語音模塊，顯示公交線路及站臺信息的顯示器以及操作按鈕。在進行自動報站前，需要事先將播報信息的位置點坐標和對應的提示語記錄在安全數碼卡(secure digital memory card，SD)中，對于相同行駛路線的公交車可以直接復制SD卡中的信息。在公交車正常運行過程中，報站器會根據內置定位系統獲得的高精度定位信息，在SD卡存儲坐標點的允許誤差范圍內進行自動報站。同時SD卡中信息可以人工擦除用于公交線路的更改。本系統還設有手動報站模式供給特殊情況下使用。

圖1　智能公交報站系統系統框圖

報站器內置的高精度定位系統為整個系統的核心，可以實現亞米級定位功能，主要包括車載移動終端的定位部分和CORS系統。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控制模塊用于實現原始觀測數據的解析與偽距差分算法，CORS系統用于提供偽距差分所需的差分改正數。其總體結構框圖如圖1所示。當通過定位系統獲得的定位結果和存儲在SD卡中的地理點坐標在誤差范圍內相符時，自動報站系統會通過語音模塊和顯示器播報相應提示信息。

智能公交報站系統準確報站的基礎是能夠獲得高精度的位置信息，而現有系統多采用單一GPS或者單一BDS通過單點定位的方式進行公交車位置的定位。同時目前所使用的定位算法需要在衛星數目大于等于4顆時才可以正確解算，當公交車行駛在城市多高樓多樹木的區域內時，單一定位系統的衛星跟蹤數目將無法滿足要求，因此本系統采用BDS兼容GPS的定位模塊，并經過現有論文和實驗的論證，保證了衛星數目，提高了定位準確度[5-6]。由于衛星的精度普遍誤差在8～10 m，傳統單點定位精度較低，本系統采用實時動態碼相位差分技術(real time differential，RTD)，結合CORS基站實時動態修正定位坐標可以達到亞米級定位。在城市車輛導航中，亞米級定位已經可以達到具體車道的定位，提高報站器工作準確性，也為公交車調度管理，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硬件設計

改進后的系統具有高精度的優勢，硬件核心部分包括S3C2440處理器、衛星定位模塊和無線數傳模塊。

2.1S3C2440處理器

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

2.2衛星定位模塊

衛星定位模塊采用泰斗D302 BD2 B1/GPS L1頻點雙模導航定位模塊，支持BDS/GPS雙模工作模式。本裝置只采集衛星模塊的原始觀測量，在后續處理中自主使用CORS基站信號進行高精度的差分解算。

2.3無線數傳模塊

無線數傳模塊采用中興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，與控制器通過通用串行總線(universal serial bus，USB)接口進行連接，系統采用加載驅動后通過AT指令獲取動態網絡協議(Internet protocol，IP)的方式接入無線網絡。

3軟件設計

系統核心軟件由三個線程組成，線程一為差分改正數據的獲取與解碼，數據的傳輸遵循Ntrip協議；線程二為原始觀測數據的獲取與解碼，數據的傳輸是通過串口由D302模塊傳送給ARM板；線程三為RTD解算，得到亞米級的定位信息。

3.1數據的接入

車載終端與CORS系統間的數據傳輸遵循基于傳輸控制協議/因特網互聯協議(transmission control protocol/Internet protocol，TCP/IP)的Ntrip協議。

3.2數據解碼模塊

數據解碼模塊用以完成原始觀測數據解碼和RTCM差分電文解碼。電文解碼類似于事后解碼，從網絡中接收到二進制數據塊之后，根據數據消息塊標識確定數據類型，再根據數據類型的定義進行相應的數據提取與轉換[7-8]。具體流程如圖2所示。

圖2　原始數據解碼流程圖

3.3定位解算模塊

本系統中由S3C2440處理器結合接收到的差分改正數與移動終端原始觀測信息完成定位解算，采用的是實時差分動態定位的方式。利用設置在坐標已知的點(基準站)上的BDS/GPS接收機測定BDS/GPS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內其他BDS/GPS接收機(流動站)測量定位精度。即在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站的精確坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至運動載體上的接收機來改正測量的偽距，提高定位精度。

4定位精度測試

由于本系統主要對報站系統進行定位精度上的改進，因此測試階段僅驗證定位系統經過差分改正后的定位精度。測試過程如下：

1)選取東南大學3S中心實驗室自主研發的EarthNet2.0為CORS服務軟件建立RTD單基站模式。同時，車載終端所接入的衛星天線的坐標已知，其經緯度坐標為(32.058 137 239°N，118.788 552 719°E)。

2)用車載終端(圖3)對同一點進行半小時的靜待定位測試，得到GGA定位信息，截取部分見表1所示：

圖3　定位系統實物圖

3)將所得GGA中的經緯度信息按照度分的形式表示，并將結果由大地坐標系B、L、H轉換成空間直角坐標系N、E、U[9-10]。定位精度分為平面精度與高程精度，對于地面導航定位一般只需要驗證平面精度，即N、E方向的誤差，因此，對定位結果與標準坐標點計算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　定位系統定位偏差圖

從圖4中可以看出，在半個小時的測試時間內，定位結果比較穩定，大部分點的定位N、E方向的偏差優于1 m。

以上測試結果表明，該定位系統具有亞米級的定位精度，為智能公交報站系統準確報站提供了基礎。

5結束語

隨著社會的快速發展，公共交通建設必然越來越重要，本文所實現的高精度智能公交報站系統由于具有可定位到車道的優勢不僅可以實現報站功能，還可以實現與公交車管理系統的信息交互，完成對公交車的調度。

在未來的應用上，擁有亞米級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現路徑規劃和車輛導航，移植到警車、消防車、救護車等特殊車輛上實現車輛優先控制，移植到特殊物品運輸車輛上實現車輛安全監管功能。

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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：P228

文獻標識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0055-04

作者簡介：第一王璞(1994—)，女，安徽壽縣人，本科，研究方向為測控技術與儀器。

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站系統[J].導航定位學報，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.