高精度定位系統在車載逆反射測量儀上的應用

■陳冬青

（福建省福泉高速公路有限公司，福州 350000）

道路標線是公路向其使用者傳遞信息的窗口，是表達道路規范化信息、服務疏導交通方式的重要基礎設施之一[1]，對提高道路通行能力，改善交通流狀態都具有非常重要的作用，廣泛應用在公路交通領域。 在組成道路標線的所有技術指標中，逆反射亮度系數（標線光度性能）是最重要的一項指標[2]，能直接反應標線可視性能的優劣。 RP-MR11 車載式標線逆反射測量儀可在不封閉道路交通的情況下，實現以正常車輛行駛速度對道路標線逆反射系數的檢測，具有檢測效率高、檢測樣本覆蓋全、檢測環境安全等優點。 其測量值可與手持式標線逆反射測量儀相當， 并能提供道路標線狀況的全景影像，檢測數據能繪制標線養護地圖、標線資產管理地圖等，解決了傳統標線逆反射測試儀占用人力、效率低、且抽樣檢測樣本覆蓋不足、檢測環境不安全等問題，是標線施工單位、檢測單位、養護單位掌握標線質量數據的設備。 但由于RP-MR11 車載式標線逆反射測量儀采用的是GPS 定位，而低頻GPS 導航精度為20 m[3]，不能反映車輛運行實際軌跡，且易導致車載式標線自動化測試數據定位精度不足， 無法準確反映標線逆反射亮度系數沿道路的變化， 從而影響標線養護決策。 因此本研究將高精度定位系統應用在車載逆反射測量儀上，以精確估計標線逆反射亮度系數在地圖上的對應位置，從而使路線樁號與車載式標線自動化測試數據準確匹配對應。

1 RP-MR11 車載式標線逆反射測量儀介紹

1.1 儀器簡介

RP-MR11 車載式標線逆反射測量儀（圖1）安裝于車輛一側，包括：主機（主機包括紅外激光光學測量系統、測量儀控制系統、行車影像記錄系統、測量儀高度/側傾補償系統、GPS 定位天線）、計算機輔助算法處理系統、縱向輪距儀測量等。 其工作原理是通過模擬駕駛員觀測道路標線，收集經道路標線反射的激光調制解調器調制發射的激光，從而計算標線的逆反射亮度系數，即RL值。

圖1 RP-MR11 車載式標線逆反射測量儀

1.2 系統特點

該系統的主要特點包括：（1）測量儀安裝初始化時可實現自動角度校準；（2）測試全程可自動識別標線寬度；（3）測量儀可根據檢測數據系統能繪制標線養護信息地圖，結合全程道路標線的全景影像信息可視化不同道路環境下的標線逆反射亮度系數，最重要的是除冰雪、積水等惡劣天氣外，測量儀可以全天候不間斷工作；（4）測量儀軟件系統地圖數據實時更新；（5）采用12 位灰度線陣相機進行高精度脈沖激光測距；（6）可使用便攜式筆記本電腦進行數據采集；（7）測量儀外觀小巧，安裝拆卸輕便快速；（8）支持超大容量數據存儲、拓展和導出；（9）支持超大容量充電，可滿足測量儀連續工作，并完成300 km 測試，也可以接入汽車電源系統，滿足續航要求。

2 高精度定位方案的選擇

2.1 提高定位精度的方式

目前，提高車輛導航系統的定位精度可從2 種方式入手[4]（圖2）。（1）提升導航系統的硬件設備，如選擇合適的導航衛星，提高定位的實時性和定位精度，優化衛星接收機等方式；（2）利用地圖匹配技術[5]，尤其是與高精地圖的匹配，以修正衛星定位誤差。 前者技術要求高、成本大，實施起來需要一定的技術和資金支持， 但其卻是解決問題的根本所在；后者主要通過軟件進行修正，把通過衛星導航獲取的車輛軌跡數據進行糾錯處理，使其與電子地圖或高精地圖的公路線位匹配一致。

圖2 定位修正技術

市場上低、高精度定位系統的主要區別在于傳感器（IMU、GNSS）的精度等級不同[6]。 因此，本研究將采用第一種方式提升導航系統的硬件設備，將高精度定位儀器集成在RP-MR11 車載標線逆反射測量儀上，從根本上優化車載式標線自動化測試數據的定位修正技術。

2.2 高精度定位修正技術的確定

整個高精度定位修正技術框架如圖3 所示，系統由硬件及其相關配套的軟件和算法構成，各種組合解算算法在導航領域都已有很多思路和方法[7]，因此本文不在此做過多的介紹。

圖3 高精度定位修正技術框架

全球衛星導航系統國際委員會公布的全球4 大衛星導航系統供應商為：美國的GPS、中國的北斗BDS、 俄羅斯的GLONASS 以及歐盟的GALILEO[8]。其中GPS 和BDS 已在我國已取得廣泛應用，各有優缺點。 GPS 屬于被動定位、安全隱蔽，可同時為所有的接收機提供導航定位信息，但其成本高，定位時需要的衛星數量比較多， 關鍵各個接收機之間不能互相通信，限制了用戶的使用；BDS 的主要優點是成本低，導航定位時需要衛星數量相對比較少，且各接收機之間還可以通過衛星直接進行通信， 此外還有選擇性的服務，可以選擇用戶并為其提供信息反饋服務，但由于其是主動定位，導航定位時需用戶機先發送請求給衛星，只有衛星接收到用戶機信息并作出響應后才能定位，這樣用戶信息容易暴露，且若用戶過多，很可能導致信息阻塞。為提高車載逆反射測量儀的定位精度， 故其高精度定位方案采用集成GPS 和BDS 優勢的高精度全頻點GNSS 雙天線。

衛星導航與慣性導航能優勢互補。 一方面，慣性導航中的速度姿態角能更好地輔助衛星導航系統[9]。 另一方面，衛星導航會受到林木、隧道、電磁干擾等，會導致車載逆反射測量儀導航模塊無法接收衛星信號，造成衛星導航短期失效，此時就需要慣性導航INS 來彌補。 但慣性導航INS 會產生累計誤差，這就需要將兩者整合起來，取長補短。 衛星導航長時間檢測無累計誤差，這個特性可以很好地矯正慣性導航INS 長時間測試所產生的累計誤差。 當衛星導航信號比較弱的時候，或者被林木、隧道、高程建筑遮擋，或者被電磁干擾的時候，可以利用慣性導航INS 短時間的高精度的定位信息校正衛星導航信號缺失和受干擾的定位信息，使得行車定位信息相關數據更加準確[10]。

3 RP-MR11 車載標線逆反射測量儀高精度定位導航系統總體設計

3.1 高精度定位系統的設計安裝

從應用的角度考慮，RP-MR11 車載標線逆反射測量儀在選擇高精度導航系統時需考慮以下2個方面，以實現對車輛位置信息的位置獲取。 （1）服務端—選擇不同的衛星（相當于選擇不同的導航系統，例如：BDS/GPS），并集成慣性導航IMU；（2）用戶端—導航硬件選擇，如選擇導航不同品牌的導航芯片和模塊。 綜合考慮后期標線養護工作的開展及相關科研的開展，RP-MR11 車載標線逆反射測量儀定位導航系統（圖4）選用高精度全頻點GNSS 雙天線， 它在整個帶寬內性能一致 （增益、 軸比、PCV和PCO），集成在導航定位接收器（蘑菇天線）中并安裝在車頂， 除安裝座外其他方向均無任何遮擋，其安裝使用時安裝位置可根據具體車輛再做決定，使整個GNSS 頻率范圍內提供最低的軸比（地平到地平，所有方位角內）。其中的慣性導航IMU 提供精確、可靠的航向角、俯仰角和橫滾角，憑借雙天線輸入，mosaic-H 可提供精確、 可靠的衛星導航定位坐標， 同時輔以RTK 差分定位和SBAS 星基增強技術。 此接收器不僅封裝緊湊，還具備雙天線導航定位能力，體積小、功耗低。此外，此接收器采用AIM+技術，內置RF 采樣系統、抗干擾機制以及防欺騙系統，AMI+可以抑制來自自動化設備或電子裝置輻射的GNSS 干擾信號，縮短設定時間，確保接收機連續穩健的運行。 安裝在車載標線逆反射測量儀上的處理器模塊采用Intel 奔騰N4200 四核心四線程處理器處理、傳輸數據，處理速度快，且功耗低，確保定位的實時性。 高精度導航定位系統主要用來采集定位信息，系統安裝后車載標線逆反射測量儀水平定位精度可達cm 級， 車輛行駛中能夠獲得道路車道級的導航定位信息數據。

圖4 RP-MR11 車載標線逆反射測量儀高精度定位系統的設計安裝

3.2 高精度定位系統工控端數據交互方式

高精度定位系統工控端信息采集有2 個定時器觸發，如下：（1）高精度導航定位信息定時器——下位機， 同時觸發線陣相機數據采集，4 ms 間隔時間；（2）傳感器采集信息定時器——上位機，由上位機檢測溫度電量等，并通過人機交互界面向用戶展示。 整個車載表現逆反射測量儀系統上電后，在高精度定位模塊采集高精度車輛位置信息的參與下，下位機采集表現逆反射亮度系數數據、上位機工控端數據進行合并處理后，最終顯示給用戶，數據交互方式具體參照圖5。

圖5 高精度定位系統工控端數據交互方式

3.3 高精度定位系統導航誤差

為驗證高精度定位系統導航誤差，分別測試了高精度定位系統的動態、靜態誤差。 （1）動態誤差：如圖6 所示， 圓的半徑為25 cm， 延長天線的連接線，將高精度定位系統繞固定圓心，并以延圓弧線低速（步行）移動畫圓打點，測試可知高精度定位系統誤差小于20 cm。（2）靜態誤差：如圖7 所示，圓的半徑為1 cm，將天線靜置于一點，查看采集高精度定位系統在系統中的坐標點，結果顯示導航定位均在圓內，即定位誤差小于2 cm。

圖6 高精度定位系統動態誤差

圖7 高精度定位系統靜態誤差

4 高精度定位系統在車載逆反射亮度系數測量儀上的應用

RP-MR11 車載標線逆反射測量儀高精度定位導航系統定位誤差達到cm 級， 可精確記錄地圖指定位置的標線逆反射亮度系數，反映實線路線樁號與車載式標線自動化測試數據對應關系。 采用高精度定位導航系統的RP-MR11 車載式標線逆反射亮度系數測量儀對G15 福泉高速福州收費站——鏡洋收費站普通標線逆反射亮度系數進行采集。 測試車到達起始標記位置時開始測量并記錄數據，到達終點標記位置時停止測量和記錄數據，實時存儲數據，某一標線測點數值15 m 內采集平均值，采用車載式逆反射連讀系數測量儀進行3 次測試，排除異常數據（逆反射亮度系數超過該段測量均值10%）后，取3 次測試數據的算術平均值記為該點的逆反射亮度系數。

得到車載靜態與手持設備靜態測試數據對比結果如表1 所示（部分數據范圍：K0+400～600）。 該路段9 組車載動態與手持設備靜態測試數據平均誤差－0.7%，最大誤差－3.24%，誤差均不超過5%，說明在誤差允許的特定條件下， 說明使用RP-MR11車載式標線逆反射亮度系數測量儀進行標線逆反射亮度系數數據采集是可行的。

表1 高速普通標線車載動態與手持靜態測試數據對比

對采集數據進行可視化處理，若設定逆反射亮度系數小于40 mcd·m-2·lx-1標定為不合格，大于150 mcd·m-2·lx-1標定為良好，40～50 mcd·m-2·lx-1之間標定為合格， 可得到逆反射亮度系數的分布圖，具體如圖8 所示。真實地反映標線逆反射亮度系數沿道路的變化情況，對標線養護決策有著重要的意義。

圖8 逆反射亮度系數的分布圖

5 結論及展望

將高精度導航定位系統應用于車載逆反射測量儀，提高車載式標線自動化測試儀定位精度，充分反映標線逆反射亮度系數與公路標線的對應關系，對標線性能做出相應判斷，進一步可深化標線逆反射系數衰變和公路線形指標、交通量、降雨、日照等關系的規律研究，在提高道路標線使用壽命同時，提高道路交通安全。

我國有龐大的公路網絡，并且每年仍在以兩位數增長，車載標線逆反射亮度系數測量儀具有廣闊的應用前景；新的標線逆反射亮度系數智能檢測方法與信息化管養技術融合后，可使公路路面標線管養大為簡化， 從而較大幅度地提高標線管養效率，降低標線管養成本，具有較大的市場需求和應用前景，對于推動我國的公路路面標線管養發展具有十分重要的意義。