北斗高精度智能交通系统的设计和实现

孙 越

（吉林交通职业技术学院 吉林 长春 132000）

0 引言

北斗高精度智能交通系统的设计和应用，不仅保证车辆和人员北斗定位的高效性和准确性，还能为人们的出行提供极大的便利，保证人们出行的安全性和便捷性，很好地满足国家安全和经济发展的需求，促进我国卫星导航系统的健康、可持续发展，所以，为了更好地满足车辆的高精度定位需求，在联合定位算法、路径规划算法的应用背景下，如何科学地设计和实现北斗高精度智能交通系统是技术人员必须思考和解决的问题。

1 系统设计关键技术

1.1 联合定位算法

联合定位算法作为一种重要算法，主要是在参照实时动态测量（real time kinematic，RTK）定位解算算法的基础上进行研发的，通过该算法，结合车辆和行人的轨迹跟踪情况，利用RTK差分技术，确保车辆和人员定位的精确性和真实性。北斗高精度智能交通系统在实际设计中，要重视对联合定位算法的应用，通过利用空间距离交会原理[1]，将北斗/GPS接收机安装和部署到地面特定位置上，在同一时间段内，接收多个卫星所发射的信号。通过对这些卫星当前位置以及与该接收机之间的距离进行精确化测定，并利用距离交会法，精确地计算出测站P位置信息。基础算法示意图如图1所示，从图1中可以看出，将测站点p至四颗卫星S1、S2、S3、S4之间的距离分别设置为P1、P2、P3、P4，然后，借助GPS电文解译法[2]，精确地计算出四颗GPS卫星的三维坐标。

1.2 路径规划算法

路径规划算法主要是在参照多判决标准路径导航算法的基础上进行设计的，主要用于对智能化交通导航相关问题的分析和研究，利用交通路况信息，可以实现对搜索条件的有效约束，从而确定出城市路网智能导航场景，并形成相应的多判决智能化导航算法。假设路网中所有节点的标号均为（dt，pt）。其中，dt主要是指从s出发点到t点之间最短路径长度；pt主要是指从s出发点到t点之间的最短路径中t点的上一个点，最短路径计算步骤如下：从未标记的点中，确定出与距离源点距离最近的点，并将该点添加到所标记好的点集合中，然后，对其余点到起始点之间最短距离进行实时更新。路径规划算法在实际应用中，需要参照Dijkstra算法，根据当地实际应用需求，借助基础路径规划算法，科学设计临接矩阵算法和临接节点算法，为后期算法的拓展打下坚实的基础。以“某城市道路网络”为例，该网络所对应的拓扑图表现出点多边少、网络结构规则、节点分布均匀、稀疏网络规模大等特点，整个网络通常呈现出完全连通图外观，也就是说，当网络中任意两点均可以相互连接和到达，该网络可以精确地表示出智能车辆所对应的换向节点，该节点与当前路口之间的距离为500 m。结合网络拓扑图的特点，满足当地限制搜索区域的路径规划算法表现出较多的应用优势。通过利用路径规划算法，可以对限制搜索区域进行有效的限制[3]，使得算法的搜索空间降到最低。在使用该算法期间，除了要考虑最短路径外，还要考虑多个算法的定量化因素，然后，利用城市道路路段的不同特性，完成对启发式搜索策略的构建，从而形成相应的分层搜索策略，这样一来，不仅可以最大限度地提高路径规划的精确性，还能保证搜索效率。

2 系统架构设计

系统架构设计示意图如图2示，从图2可以看出，该系统主要包含以下几个层次：（1）数据采集层。数据采集层主要由传感器、摄像头和RFID等设备组成，该层主要负责对相关信息数据的采集、收集和处理。（2）数据存储层。数据存储层在具体的设计中，主要使用了Hadoop平台内部的分布式文件系统和分布式数据库，因此，该层具有较高的数据访问的效率和较强的扩展性，便于用户根据自己的需求，有针对性地扩展数据的存储节点。（3）数据展示层。数据展示层在具体的运用中，主要通过利用数据相关算法，借助计算机，采用绘制图表的方式，向用户形象、直观地展示各种信息数据，便于用户利用该系统实现对各种信息数据的查询、分析和预测。

3 系统功能模块设计

为了充分利用联合定位算法与路径规划算法两种算法的应用优势，提高该系统的稳定性和实用性，技术人员必须要严格按照如图3所示的系统功能模块设计示意图，完成对以下功能模块的科学化设计。

3.1 中心服务模块设计

中心服务模块主要包含计算机设备、UPS设备和高精度定位软件等部分，其中，高精度定位软件与GNSS基准站之间建立良好的连接关系，可以从GNSS基准站内接收相应的原始观测数据，并产生多个差分改正数。此外，高精度定位软件与人员定位模块和车载移动站模块之间可以进行高效的通信，通过借助5G无线链路[4]，可以实现对差分改正数的全面化、高效化播发，并获得相应的高精度定位信息，借助二维GIS地图，将这些定位信息形象、直观地呈现在用户面前，确保车辆和人员管理的有效性和规范性。

3.2 GNSS基准站模块设计

GNSS基准站模块主要用于对卫星信号的接收，并向中心服务模块安全、可靠地传输所生成的原始观测数据，该模块主要是由GNSS接收机、GNSS天线和浪涌保护器等部分组成。此外，该模块在实际设计中，主要用到了北斗地基增强站，该增强站示意图如图4所示。GNSS接收机为高精度板卡提供了良好的支持作用。主机系统表现出运行性能稳定、网络管理水平高、抗干扰能力强、功耗低等特点[5]，完全符合基准站智能化操控需求，被广泛地应用于测绘、地震、位移监测等领域中，并取得了良好的应用效果。GNSS测量型天线主要负责对GNSS系统卫星信号的实时接收和处理。天线结构在实际设计期间，主要借助了外壳，该外壳具有防水、防紫外线等性能特点。

3.3 车载终端模块设计

车载终端模块的设计和应用，可以保证车辆定位的精确性，以达到高精度定位车辆的目的。车载终端通过利用5G无线链路，实现对GNSS差分改正数的完整化、全面化收集和整理，并结合所接收到的卫星信号[6]，对差分进行精确化计算，确保车辆定位的便捷性和高精确性，并向中心服务模块安全、可靠地传输所获取的车辆位置信息。车载终端模块主要是由车辆GNSS接收机、5G天线等部分组成。其中，车载GNSS接收机在实际设计中，主要用到了北斗RTK差分定位技术，通过内置和应用通信模块[7]，可以实现对差分数据的安全化、科学化管控和处理。

3.4 人员终端模块设计

人员终端模块的设计和应用可以保证人员定位的精确性和高效性，完全符合人员高精度定位需求。通过利用5G无线链路，可以实现对GNSS差分改正数的完整化、全面化收集和整理，并借助所接收的卫星信号，精确地计算差分，确保人员定位的高效性和精确性，并向中心服务模块安全、可靠地传输所获取的人员位置信息[8]。人员终端模块主要是由人员定位终端和穿戴套件组成。其中，人员定位终端作为一种GNSS接收机，主要用于对人员位置信息的精确化监控，利用北斗伪距差分技术，可以实现对差分数据的安全化接入和管控。

3.5 高精度定位模块设计

高精度定位模块主要包含车载定位和人员定位两种类型。由于车载终端在实际设计中，主要用到了外部供电方式，有效地突破了功耗、重量等参数的限制，所以，车载终端重点关注的性能指标以定位精度这一参数为主。为了进一步提高车载终端设计水平，需要使用RTK定位模块，以确保车载和人员定位的高精确性和高智能性[9]，符合车道级导航管控需求。人员定位终端在实际设计中，需要优先选用轻便、能效高的电池，所以，人员终端模块要借助DGPS定位模块，对其进行科学设计。另外，由于人员姿态经常出现较大的改变，所以，可以适当地降低人员定位精确度，用“米级”表示人员定位精度，从而更好地满足人员监控相关标准和要求，为促进未来应用系统的科学化、高效化开发打下坚实的基础。

4 系统测试

为了更好地验证北斗高精度智能交通系统的有效性和稳定性，测试人员要重点对该系统的功能和性能进行全方位测试。

4.1 功能测试

4.1.1 电子围栏

将电子围栏系统与移动设备进行融合，利用移动设备在围栏区域的停留时长和进出时间，精确地确定出移动设备位置和电子围栏位置之间的关系。在本次测试项目中，内置定位系统的校车在所规定的时间段内如果没有离开电子围栏边界，系统会自动发出报警声[10]，以引起相关人员的注意，此时，管理人员会在第一时间内及时查看和了解相关车辆的实际动态，并采用行之有效的措施，对其进行处理。

4.1.2 实时轨迹

通过利用地图，可以将车辆位置和人员位置呈现在用户面前，并选择和确定出特定车辆和人员，此时，系统会自动跳转到轨迹页面中，该轨迹页面可以实时显示车辆和人员当前的位置信息。

4.1.3 轨迹回访

通过利用该系统，可以对被控车辆的当前位置信息进行全天24小时的监控，并对车辆历史轨迹和行程记录进行随时随地回放。

4.2 性能测试

4.2.1 车载终端单点定位精度测试

单点定位是借助单台设备进行实时观测，该系统的单点定位精度主要是指处于水平状态的单点定位精度，该定位精度在实际计算中，主要参照了北斗卫星导航系统测量方法，通过对实际卫星信号进行精确化测试，并借助馈线，将OEM板与天线进行有效的连接，当OEM板获得最终定位结果后，方可对坐标信息进行精确化输出，此外，还要将数据采样间隔、数据记录量分别设置，并对单点定位精度进行精确化计算，静态单点定位精度图和动态单点定位精度图分别如图5、图6所示，从图中可以看出，设备实际位置与精确坐标之间的距离误差远远优于3 m。

4.2.2 车载终端速度精度测试

在对车载终端速度精度进行测试期间，需要参照北斗卫星导航系统相关测量方法，使用模拟器，对用户运动购机和导航信号进行真实化模拟，并完成对射频仿真信号的输出。被测OEM板经过仿真测量后，其速度数据输出更新频率达到了1 Hz，参照模拟器的仿真速度，对速度误差进行计算。车载终端速度精度图如图7所示。从图7中可以看出，设备实际位置与精确坐标之间的距离误差远远优于0.3 m。

5 结语

综上所述，在联合定位算法、路径规划算法的应用背景下，本文所设计的北斗高精度智能交通系统具有强大的高精度定位功能，可以实现对车辆和人员的精确化、高效化定位，极大地提高了北斗系统建设水平，为用户带来良好的使用体验。由此可见，该系统表现出较高的应用可行性和可靠性，有效地满足了车辆和人员的高效化、精确化定位需求。