高精度車載定位終端系統(tǒng)的設(shè)計范文

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《武漢理工大學(xué)學(xué)報》2014年第十一期

1系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1．1定位原理本文所提出的定位終端系統(tǒng)應(yīng)用于實時連續(xù)修正信號的路邊設(shè)施和接收修正信號的車載用戶端之間通信場景下，其定位原理是考慮北斗地基增強系統(tǒng)由若干個采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的虛擬參考站網(wǎng)絡(luò)（virtualreferencestation，VRS網(wǎng)絡(luò)）構(gòu)成，每個VRS網(wǎng)絡(luò)中的主控站將生成的修正信息通過有線方式（如VPN光纖網(wǎng)）傳送至該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的路邊設(shè)施（如交通燈、電子站牌等），路邊設(shè)施對修正信息重新編碼，以WSM（waveshortmessage）方式向用戶實時連續(xù)，車載用戶端通過本文提出的基于WAVE標(biāo)準(zhǔn)高精度車載定位終端接收WSM數(shù)據(jù)包，并進行解碼，進而完成實時高精度定位．

1．2VRS技術(shù)VRS技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的一種，通過在一定區(qū)域均勻布設(shè)多個（3個或3個以上）永久性連續(xù)運行參考站，對該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)完成修正信息的生成、傳輸，從而在用戶端實現(xiàn)各項誤差的消除獲得高精度實時定位精度［5］．測試結(jié)果表明，從用戶選擇網(wǎng)絡(luò)并發(fā)出請求信息到控制中心發(fā)回改正數(shù)據(jù)，用戶利用改正數(shù)據(jù)得到測量點位置的固定解，耗費的時間在30s左右［6］．可見，這種定位方式占用已有的頻帶資源進行信息傳遞，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足運行車輛的實時高精度定位需求．

1．3WAVE協(xié)議棧WAVE協(xié)議是專為車載無線通信網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計［7］，可滿足車載通信高移動性和高實時性的需求，同時基于WAVE的應(yīng)用更容易部署且成本更低，更符合商業(yè)模式需求．WAVE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE802．11p標(biāo)準(zhǔn)和IEEE1609．X協(xié)議族［8］．其中IEEE802．11p定義了物理層和媒體訪問控制層（MAC層），MAC層采用增強型分布式信道接入（EDCA）機制，物理層采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)；IEEE1609．X協(xié)議族主要為車輛環(huán)境下的V2V和V2I無線接入制定，在IEEE802．11p標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上規(guī)定相應(yīng)的高層協(xié)議，制訂了車載無線通信技術(shù)的指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)，描述了高速行車時短距離無線通信的運行機制．

2基于WAVE標(biāo)準(zhǔn)的高精度車載定位終端系統(tǒng)設(shè)計

本終端系統(tǒng)通過DSRC模塊接收路邊設(shè)施以WSM方式實時連續(xù)的修正信號，通過BDS模塊接收來自衛(wèi)星的定位信號，并將這些信息送入微處理器處理，獲得車輛的高精度位置信息，實時、準(zhǔn)確地完成各種定位服務(wù)功能，為交通車輛安全性提供保障。

2．1硬件結(jié)構(gòu)終端系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)基于FreescaleI．MX6開發(fā)板，采用ARM架構(gòu)的CortexA9處理器，主頻1GHz，512MBDDR內(nèi)存．終端系統(tǒng)主要包括DSRC模塊、BDS模塊、處理器CPU模塊、LCD顯示模塊和接口模塊5個部分，其結(jié)構(gòu)見圖1．1）DSRC模塊工作于5．850～5．925GHz的頻率范圍內(nèi)，支持IEEE802．11p協(xié)議，傳輸速率達(dá)到27Mbps，包含主控模塊及射頻模塊；采用NXP公司的TEF5100和SAF5100模塊，主要完成修正信號的獲取．2）BDS模塊選取司南K500板卡．主要完成BDS定位信號與同步時間的提取，對BDS信號進行解調(diào)和濾波處理，解算出BDS衛(wèi)星的導(dǎo)航報文，獲得車輛導(dǎo)航定位的位置、方向等數(shù)據(jù)．并與DSRC模塊獲取的修正信號融合，消除定位綜合誤差．3）處理器CPU模塊采用ARM架構(gòu)的CortexA9處理器，它的串口分別同GPS／BDS模塊、DSRC模塊相連，外圍電路有電源及LCD，能有效地完成相連器件之間數(shù)據(jù)的傳輸和控制，保證系統(tǒng)能正常而穩(wěn)定地工作．4）LCD顯示模塊通過VGA接口外接LCD顯示屏，將DSRC接收到的修正信息與本車輛BDS采集的信息融合處理，處理后的精準(zhǔn)位置信息反饋到LCD顯示．5）接口模塊通過開發(fā)板提供的接口實現(xiàn)各模塊連接，完成模塊間信息的傳輸．

2．2軟件結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、BDS數(shù)據(jù)采集及處理、DSRC通信處理及其他功能等功能模塊，包括一個無限循環(huán)的主程序和若干功能模塊子程序．正常情況下主程序一直接收BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和修正數(shù)據(jù)并將其處理后應(yīng)用，然后通過車載網(wǎng)絡(luò)上傳或播發(fā)，上傳或播發(fā)的精準(zhǔn)位置信息為車車主動安全等應(yīng)用提供保障．Freescale開發(fā)板采用嵌入式Linux系統(tǒng)．操作系統(tǒng)移植基于ARMA9處理器的Linux2．6．39內(nèi)核，完成進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，應(yīng)用層程序通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)接口對設(shè)備進行操作．系統(tǒng)整體軟件工作流程見圖2．

3系統(tǒng)測試

3．1測試環(huán)境及測試參數(shù)配置實際測試中采用司南M600作為基站，安裝在標(biāo)定的基準(zhǔn)點，完成相關(guān)信號的接收、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)．開發(fā)2套系統(tǒng)原型機，終端1安放在基準(zhǔn)點位置，并通過串口與基站相連，通過USB接口與筆記本電腦相連．終端2安放在車輛上，通過CAN接口與車輛相連，通過USB接口與筆記本電腦相連，天線采用吸附式天線，部署于車頂．整個系統(tǒng)測試過程分3步完成：（1）通信性能，終端1與終端2之間在不同調(diào)制方式、不同速度、不同通信距離等條件下的通信速率及丟包率；（2）靜態(tài)定位精度，分別用K500，M600和終端2測量標(biāo)定基準(zhǔn)點位置并比較其各自誤差；（3）跑車軌跡，在基站附近直徑約一公里范圍的路段內(nèi)采用M600軌跡作為參考依據(jù)評估終端2設(shè)備的動態(tài)定位精度．測試參數(shù)配置見表1．1）通信性能測試終端1與終端2組成的通信系統(tǒng)的通信性能，包括不同調(diào)制方式、不同速度、不同通信距離等條件下系統(tǒng)的通信速率及丟包率，測試結(jié)果見圖3．由圖3a）可知，BPSK調(diào)制模式下系統(tǒng)的通信速率最低，在車輛靜態(tài)時為2．2Mb／s，而在車輛運動狀態(tài)下僅1．6Mb／s；QAM16調(diào)制方式下系統(tǒng)的通信速率最高，在靜態(tài)和動態(tài)條件下分別達(dá)到11．2Mb／s和8．9Mb／s．由圖3b）可知，車輛靜止和運動狀態(tài)下BPSK調(diào)制模式下的通信效果最佳；傳輸速率越高丟包越嚴(yán)重；車站間距越大，丟包現(xiàn)象越明顯．因此，進行終端系統(tǒng)定位精度測試時差分信號傳輸選用BPSK調(diào)制模式．

3．2測試結(jié)果分析2）靜態(tài)定位精度本文采用圓概率誤差（circularerrorprobability，CEP）方法評估所設(shè)計終端的靜態(tài)定位精度．進行數(shù)據(jù)采樣獲得的零基線條件下的定位水平誤差結(jié)果見表2、圖4．由表2和圖4可知，以95％圓概率誤差方法計算，M600定位精度最高，為毫米級，可以作為其他衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備定位精度評定的參考基準(zhǔn)．相對來說，K500RTD偽距差分方法定位精度較低，但K500采用3G方法接收RTD偽距差分信號時的定位精度與終端2采用WSM方式接收RTD偽距差分信號時的定位精度相差無幾，都能較好的實現(xiàn)高精度定位．3）跑車軌跡以M600軌跡為參考基準(zhǔn)，測量得到的跑車軌跡及誤差結(jié)果見表3、圖5～6．圖5中K500，終端2與M600的軌跡之間有一個基本固定的偏差，K500與終端2兩者行進軌跡幾乎一致；圖6中K500和終端2相對于M600的RMS（root－mean－square）誤差曲線除距離基站較遠(yuǎn)距離的少數(shù)軌跡點略有偏差外，其余幾乎相同．可知，WSM方式完全可以實現(xiàn)3G方式的定位效果，且在車載網(wǎng)絡(luò)布設(shè)完全的情況下，共用車載網(wǎng)實現(xiàn)車輛精準(zhǔn)定位而完全不占用現(xiàn)有緊張的移動頻帶資源．

4結(jié)束語

本文所提出的基于WAVE標(biāo)準(zhǔn)的高精度車載定位終端系統(tǒng)以車載網(wǎng)和地基增強系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)高精度定位，在通信技術(shù)上利用車載網(wǎng)傳遞修正信息，既可以充分利用車載網(wǎng)和地基增強系統(tǒng)技術(shù)及其基礎(chǔ)設(shè)施，無需重復(fù)建設(shè)通訊基站和網(wǎng)絡(luò)，又不占用有限的移動頻帶資源．在實際車載環(huán)境中的測試驗證結(jié)果表明，該系統(tǒng)終端具備實施周期短、覆蓋范圍廣、通訊誤碼率低、高效、可靠的實時定位等特點，具有較大的實用價值和非常廣闊的市場應(yīng)用前景．

作者：劉建鄭洪江盧紅洋陳偉單位：武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院交通信息通信技術(shù)研究發(fā)展中心