基于組合導航定位結果的車輛里程統計應用研究

張文超，魏東巖，袁 洪

(1. 中國科學院大學，北京 100094；2.中國科學院光電研究院，北京 100094)

0 引言

出租車行業是全國大中城市交通運營的主要產業，也是市民日常出行的必備交通工具。其中，出租車計價器是出租車運營者與乘客之間進行貿易結算的計量器具，其主要是通過統計車輛行駛里程進行計價，因而計價器統計的車輛里程準確與否直接關系到運營者和乘客的經濟利益。隨著城市出租車數量的不斷增加、國家法制計量管理的不斷加強，出租車計價器檢定已成為出租車行業運營不可或缺的重要環節。

計價器檢定是對計價器進行校準的過程[1]，傳統計價器檢定是通過模擬檢測方式[2]實現的，即：在固定檢測場地建立檢定裝置，通過控制步進電動機轉動模擬汽車輪軸轉動，根據輸出的脈沖數對比電機轉數對各類出租汽車計價器進行整體檢測，并通過計算機配套軟件對檢測結果進行科學分析。整個過程繁雜又耗時，同時又影響出租車的正常運營。另外一種檢定方法是基于高精度定位技術的檢定方式[3-7]，即：將高精度差分全球導航衛星系統(Dfferential Global Navigation Satellite System， DGNSS)接收機放在車輛上，利用GNSS定位結果校準車輛計價器。該方法可以實現出租車計價器的移動檢定，且不影響出租車的正常運營。但是用于檢定的高精度差分全球導航衛星系統接收機成本較高，且在城市環境中容易失鎖丟失定位信息，不利于實際應用。

本文主要的貢獻有三點：1)提出了基于低成本微型慣性測量單元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)和DGNSS松組合技術的移動檢測方法，通過將MIMU/DGNSS松組合模塊固連在車上隨車一起運動，采集車輛行進過程中的高精度定位信息，利用位置增量計算車輛行駛里程，然后將該里程結果和計價器輸出里程進行比對，實現車輛計價器的移動在線檢定。該方法的優點是：低成本MIMU和DGNSS的組合，保證了在衛星信號良好及丟失的情況下均能輸出較準確的定位信息，滿足車輛在城市環境下行駛時衛星信號易被遮擋的應用需求，可以在不影響車輛正常運營的條件下對車輛進行檢定，方法簡便、效率高，且組合導航模塊成本低，可滿足廣大出租車輛移動檢測的需求。2)為了避免定位過程中的一些較大粗差定位點造成的里程累積誤差，提出了一種分段里程比對方法，增加了長距離里程對比結果的客觀性。同時自編寫了里程比對軟件，可有效簡化里程比對分析過程。3)對本文提出的計價器移動在線檢定方法進行了分類和重復性實驗，驗證了本文算法的有效性和可靠性。

1 技術原理

傳統的模擬檢測方式需要固定的場地和專門的模擬檢測設備，整個過程繁瑣、耗時且不方便。基于高精度衛星定位結果的檢測方法是根據連續跟蹤車輛一系列定位結果計算車輛行駛里程，該過程簡便、省時，但由于在城市環境中衛星信號易被遮擋，所以在實際移動檢測過程中往往造成定位信息丟失，使得計算的里程信息不準確，影響車輛里程檢定的精度[8]。

采用低成本MIMU和DGNSS組合的方式，可以在一定程度上彌補城市環境中衛星信號丟失的缺點，在保證精度的條件下增加車輛里程移動檢測的可靠性。利用組合導航的優勢可以降低移動檢測模塊的成本，滿足廣大出租車輛移動檢測的需求。

將低成本MIMU和DGNSS組合導航模塊固連在參與移動檢測的車輛上，采集車輛移動定位信息，同時車輛計價器里程采集裝置也記錄車輛行駛里程。將二者的里程結果進行比對從而實現計價器里程的移動檢定過程。移動檢測模擬效果如圖1所示。

1.1 低成本MIMU/DGNSS松組合方式原理

采用MIMU和DGNSS松組合的方式構成組合導航系統，根據位置、速度組合導航方案，采用間接Kalman濾波及閉環校正方式，MIMU輸出運動載體3個方向的加速度及角速度，DGNSS在差分條件下輸出載體3個方向的位置和速度信息[9-13]。松組合系統結構如圖2所示。

利用MIMU導航解算方法獨立計算出載體位置、速度和姿態，然后將所得結果與DGNSS模塊獲得的位置、速度相組合，進行MIMU/DGNSS組合導航濾波，然后利用濾波結果閉環校正慣導輸出的姿態導航參數完成導航輸出，同時對慣導系統的傳感器誤差和數學平臺誤差進行反饋校正，以進行下一次導航濾波。

1.2 里程比對原理

在衛星信號良好的情況下，高精度DGNSS接收機的載波相位差分技術(Real-Time Kinematic，RTK)定位精度為厘米級，根據該定位精度計算得到的里程結果誤差在0.2%內[4]，符合 JJG517-2009 《出租汽車計價器》國家檢定規程規定的要求。

為了證明本文所提出方法的精度及穩定性，在移動檢測車輛上同時放置高精度DGNSS接收機和低成本MIMU/DGNSS組合導航模塊，分別獨立采集移動車輛的定位信息。把根據高精度DGNSS接收機定位信息計算的里程作為基準里程，由低成本MIMU/DGNSS組合導航模塊輸出定位信息計算的里程作為測試里程，二者進行比對驗證低成本MIMU/DGNSS組合導航模塊輸出里程的精度。同時，在實驗過程中人為對MIMU/DGNSS組合模塊進行一段時間拔天線處理，模擬衛星失鎖的情況，驗證在城市遮擋環境下組合導航模塊里程統計結果的精度。

為了避免定位過程中的一些較大定位誤差點造成的里程累積誤差，影響比對結果的客觀性及可靠性。里程比對算法根據高精度DGNSS接收機得到的基準里程把整個測試路段以1km為單位進行切分，并記錄車輛每走1km里程的起始和結束的時間點，按照該時間點與組合導航測試數據進行時間匹配，比對每個1km路段內的基準里程和測試里程，評估低成本MIMU/DGNSS組合導航模塊輸出里程的精度。里程比對流程圖如圖3所示。

1)首先把基準數據和測試數據進行坐標轉換，從空間坐標轉為高斯平面坐標。

2)計算基準數據相鄰兩點間的距離增量，求和后計算基準數據里程。

3)基準里程累計結果每到≥1km記錄基準數據時間點及對應1km的實測里程。

4)將基準數據1km處時間點和測試數據時間點進行匹配。

5)若時間可以匹配，求測試數據在匹配時間段內的距離，和基準里程比對，求出誤差百分比。

根據上述算法自編的里程比對軟件界面如圖4所示。

上述軟件可讀取最原始RTK輸出數據及組合導航模塊輸出數據，然后按照時間匹配結果，比對測試數據每個1km里程段的里程誤差；同時，軟件可以輸出測試數據每個定位點的點位誤差，用于輔助分析每個里程段是否存在較大粗差定位點影響測試數據的里程統計結果精度。

2 算例分析

2.1 實驗過程

本次實驗基準設備為中海達H32 BDS/GPS/GLONASS雙頻實時動態GNSS接收機，采用網絡RTK模式，RTK平面測量精度為±(10mm+1×10-6D)，高程測量精度為±(20mm+1×10-6D)，基準設備精度滿足測試需求。測試設備(低成本MIMU/DGNSS 松組合導航平臺)采用東方聯星CC50III-BG衛星增強高精度原始設備制造(Original Equipment Manufacturer, OEM)模塊，偽距差分情況下平面測量精度為1.5m，高程測量精度為3.0m，載波相位差分情況下平面測量精度為0.5m，高程測量精度為1.0m。模塊在實驗前已參照上述原理中所述組合導航算法，可在線處理測試數據。

本次實驗數據在杭州進行采集，選擇衛星信號良好的開闊路段進行測試，利用杭州市當地CORS網為測試設備提供實時高精度差分改正數，實現基準設備和組合模塊的差分定位，基準和測試的采樣率都為1Hz。實驗過程中采用別克商務車作為測試平臺，將RTK流動站和差分模塊的天線固定在車頂，其相對位置如圖5所示(圖上貼在車頂上黑色小方塊為組合導航模塊天線，白色接收機為基準RTK設備，二者位置盡量靠近)。圖6所示為低成本組合導航模塊，由于模塊包含MIMU單元，為了保證移動測量過程中定位點精度，模塊按照坐標系Y軸指向，被固定在車內地面上，Y軸指向與車前進方向一致。實驗過程中選取不同的路段進行數據采集，同時人為拔天線一段時間模擬衛星失鎖的情況，驗證在城市遮擋環境下組合導航模塊里程統計結果的可靠性及穩定性。RTK流動站采集的數據作為基準數據，模塊采集的數據作為測試數據。

本次實驗數據分兩類進行采集：一類是在開闊條件下采集組合導航模塊和基準RTK設備的連續定位數據，定位結果如圖7所示；第二類是在測試過程中人為設置幾段90s左右拔天線過程，模擬衛星失鎖，采集組合導航模塊和基準RTK模塊的連續定位數據，定位結果如圖8所示(黃色點為衛星信號良好狀態下組合模塊的定位結果，綠色點和紅色點為拔天線情況下組合模塊的定位結果)。

2.2 實驗分析

實驗過程中進行了兩類驗證實驗，即：第一類是在開闊條件下采集組合導航模塊并且不含拔天線情況；第二類是在開闊條件下采集組合導航模塊且含拔天線情況。下面分別對兩類驗證實驗的結果進行分析。

2.2.1 第一類實驗

第一類實驗，數據在衛星信號良好的開闊條件下采集，保證基準RTK數據的準確性。數據采集過程中，基準設備為定點RTK模式，低成本組合導航模塊為定點RTK和慣性組合模式。數據采集結束后，比對算法以1km為單位將組合導航模塊測試數據和高精度DGNSS基準里程結果切分，比對每1km里程統計誤差。

選取一組實測數據，該組數據記錄了4km左右的數據，如圖7所示，比對算法將其切分為4段，結果如表1所示。

表1 組合導航模塊和基準RTK里程比對結果

2.2.2 第二類實驗

第二類實驗，數據在衛星信號良好的開闊條件下采集，保證基準RTK數據的準確性。數據采集過程中，基準設備始終為定點RTK模式，組合導航模塊人為地設置幾段90s左右拔天線過程，未拔天線情況下組合導航模塊為定點RTK和慣性組合模式，拔天線后組合導航模塊主要依靠慣性遞推位置信息，且在重新插上天線過程中，組合導航模塊會處于短暫浮點、單點和慣性組合模式定位過程。數據采集結束后，比對算法按照1km為單位將組合導航模塊測試數據和高精度DGNSS基準里程結果切分，比對每1km里程統計誤差。

選取一組實測數據，該組數據記錄了6km左右的數據，如圖8所示，比對算法將其切分為6段，結果如表2所示。

表2 組合導航模塊和基準RTK里程比對結果

2.2.3 穩定性實驗

為驗證上述2組實驗結果的穩定性，第一類實驗和第二類實驗分別重復進行了10組(其中分別包含5組直線段測試和5組曲線段測試)，直線段和曲線段的里程長度分別為10km左右；第一類實驗直線和曲線三維里程測試比對結果如圖9和圖10所示。

第一類穩定性實驗結果表明：低成本MIMU/DGNSS 松組合導航模塊在衛星信號良好(未拔天線)情況下，直線段和曲線段的里程比對誤差結果均能穩定在8‰范圍內。

第二類實驗(含拔天線)直線和曲線三維里程測試比對結果如圖11和圖12所示。

第二類穩定性實驗結果表明：含拔天線(幾段90s左右拔天線)情況下，低成本MIMU/DGNSS 松組合導航模塊在直線段和曲線段的部分里程比對誤差會略大于8‰，實驗結果總體穩定在8‰范圍內。

2.3 實驗結論

1)在第一類實驗(未拔天線)中，低成本MIMU/DGNSS 松組合導航模塊和中海達H32 BDS/GPS/GLONASS雙頻GNSS接收機均處于定點RTK模式，低成本組合導航模塊衛星單元性能低于H32GNSS接收機，故里程統計結果相較H32GNSS接收機誤差約為8‰。

2)在第二類實驗(拔天線：幾段90s左右拔天線)中，未拔天線時低成本MIMU/DGNSS 松組合導航模塊定位方式和第一類實驗情況相同；拔天線情況下，低成本組合導航模塊可以短時通過慣性遞推出實時準確位置信息，最終里程統計誤差也穩定在8‰范圍內。

3)兩類實驗結果表明：組合導航模塊里程統計精度誤差約在8‰范圍內，精度等級基本與高精度DGNSS接收，機接近且該組合導航模塊成本低、體積小、應用方便，適合大范圍應用。按照JJG517-2009《出租汽車計價器》國家檢定規程規定的要求：檢定標準裝置誤差小于0.3%，被檢出租汽車計價器的誤差為+1.0% ～-4.0%。該組合導航模塊誤差精度約為8‰左右，高于被檢出租汽車計價器的誤差(+1.0% ～-4.0%)，略低于檢定標準裝置誤差0.3%，基本可應用于出租車計價器的移動檢定。

3 結論

基于計價器檢定背景，本文提出了將低成本MIMU/DGNSS OEM松組合導航模塊應用于移動車輛里程統計中，保證了在衛星信號良好及丟失的情況下均能輸出較準確的定位信息，滿足車輛在城市環境下行駛時衛星信號被遮擋時的應用需求，可以在不影響車輛正常運營的條件下對車輛進行檢定，方法簡便、效率高，且組合導航模塊成本低，可滿足廣大出租車輛移動檢測的需求；同時，設計了一種分段里程比對方法，增加了長距離里程對比結果的客觀性。本文實驗結果表明，該組合導航模塊里程統計精度誤差約在8‰范圍內，基本可應用于出租車計價器的移動檢定，后期可采用更高精度的組合導航模塊硬件平臺提高輸出里程的精度。