基于北斗卫星导航系统的高速公路应用研究与示范应用研究

刘永

摘要：近年来，北斗卫星导航系统的应用越来越广泛，特别是其在高速公路中的应用更是为智慧高速的打造提供了有力的支持。为了进一步强化北斗卫星导航系统在高速公路上的应用。采用文献分析法，对近年来国内外关于北斗卫星导航系统研究的文献的分析。通过研究可知北斗卫星导航系统在高速公路中已经有了大量的应用，并取得了突出的效果。北斗卫星导航系统作为集团智慧高速研究建设的一个基础设施，还将在高速公路中得到更为广泛的应用，进而提供更好的服务。

关键词：高速公路；智慧高速；北斗卫星导航系统

一、前言

2020年5月12日，为落实国家创新驱动发展战略和《交通强国建设纲要》，进一步提升公路工程技术创新能力和技术水平，支撑公路行业转型升级和高质量发展，交通运输部组织起草了《关于深入推进公路工程技术创新工作的意见（征求意见稿）》（以下简称“意见”），并对外发布征求意见。意见要求坚持创新驱动、绿色发展、科技引领、机制保障四项基本原则，明确加快推动智能感知、北斗系统、5G通信等技术在公路工程技术中的深入应用，并提出要大力推进北斗卫星导航系统在公路基础设施的系统应用。

北斗卫星导航系统是我国重要的战略基础性设施，也是支持智慧高速发展的重要基础。北斗在高速公路智能服务管理系统中的应用，为实现高速公路舒适、安全、高效、畅通提供了保障，可大大提高高速公路的管理服务水平和道路使用效率，使服务、管理、监测达到最优化[1]。

二、国内外现状

高速公路自由流收费系统是从国外发展而来，普遍采用两种技术方案：一种是基于卫星导航的定位技术，另一种基于DSRC技术。

从国内研究现状来看，现阶段我国的北斗卫星导航定位系统性能已达到世界先进水平。截至2022年底，国产北斗兼容型芯片及模块销量达到亿级规模，季度出货量突破1800万片；具有北斗定位功能的终端产品社会总保有量超过10亿台/套；2022年国内厘米级应用高精度芯片、模块和板卡的总出货量高速增长至突破160万片。交通运输领域，北斗系统广泛应用于重点运输过程监控、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度监控等领域。截至目前，国内外尚无关于北斗技术与CPC卡技术相结合的产品应用，深入推进基于北斗的高速公路复合通行卡产品研究及应用示范工作，符合交通运输部提出的关于深入推进公路工程技术创新工作的意见[2]。

三、北斗卫星导航系统简介

我国研发的北斗卫星导航系统（BDS）是在美国成功研发的全球定位系统（GPS）与俄罗斯研发的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后研发出的卫星导航系统。我国在2000年成功建设了北斗导航试验系统，成为全球第三个拥有自主卫星导航系统的国家，仅次于美国和俄罗斯。结合我国北斗导航试验系统建设的整体规划，在2020年时，我国成功建设了覆盖全球的“北斗卫星导航系统”。北斗一号系统作为我国自主研发，具备自主控制与自主知识产权的区域性卫星导航定位系统。北斗一号系统不仅能够获得精确的定位，而且该系统的容量大且能够精密授时，当前该系统已经被广泛应用在气象行业、水运、海运、军事、铁路智能交通、道路交通管理、航空运输、个人位置服务、农林牧副渔、应急救援等各个领域中[3]。

四、基于北斗卫星导航系统的高速公路应用研究与示范应用

（一）运营公路北斗基准站布设需求研究

研究以集团高速公路为研究立足点，根据观测、维护、组网需求设计北斗地面基准站的点位，研究北斗基准站的点位布设方案，通信链路设计、定位精度与检测、定位服务应用等，为集团高速公路的基础设施监测及公路运营提供基础定位服务。

（二）北斗CPC卡研究与试点应用

研究基于北斗与ETC、DSRC技术相结合的高速公路复合通行卡产品工程应用及性能验证、基于北斗CPC的路侧软硬件系统开发及建设、基于北斗CPC的路网收费系统后台及车道软件开发，基于北斗CPC产品的示范系统在临清或楚姚试点路段的运行测试验证及相关支撑技术研究等。

（三）北斗车辆及路网综合大数据研究

在试验高速及周边路网划定研究区域，从全国两客一危及重点营运车辆监管平台截取通过研究路网的北斗车辆，进行差异化收费研究。通过分析车辆经过上述区域的经过路段、车辆周期通行规律、通过各路段的车型特点、车辆来源地分析、通行费测算等进行研究，进而提高车辆通行效率，优化路网综合通行能力，可为业主方提供引流车辆建议，以及通行费增加预测等研究成果。

（四）基于北斗大数据的收费稽核云平台

分析基于北斗大数据的收费稽核云平台系统原理和工作运行过程，提出实现基于北斗大数据的云收费稽核平台的基本要素；其次，考虑到系统架构的整体复杂度高，在明确需求的基础上，分析研究北斗大数据的云平台架构；最后，根据前期分析研究结果，开发基于北斗大数据的收费稽核云平台系统，为高速公路差异化收费提供研究基础平台[4]。

（五）基于北斗卫星导航系统的差异化收费研究试验验证。

对比基于ETC模式的收费系统，对基于北斗卫星导航系统的自由流收费系统进行联调联试及试验验证，通过轨迹图对比、路网视频监控等方法，测试基于北斗导航定位的自由流收费云平台系统在收费功能实现以及收费的准确性、差异性等指标，并对测试情况予以评价。

（六）运营公路北斗基准站布设需求研究

北斗地基增强网系统，即CORS（Continuous Operational Reference Station，连续运行参考站）系统是重大地理空间基础设施。北斗地基增强服务系统是基于GNSS卫星定位技术、数字通讯技术、计算机网络技术等，通过在一定区域布设若干个GNSS连续运行参考基站，采用多基站网络RTK技术为用户提供更精确的差分改正，对区域GNSS定位误差进行整体建模，通过无线数据通讯网络向用户播发定位增强信息，提高用户的定位精度，且定位精度分布均匀、可靠性高、实时性好。

北斗卫星地基增强系统可快速、高精度地获取空间数据和地理特征，是动态的、连续的空间数据参考框架。立足公路规划、建设施工、运营管理等相关业务的需求，挖掘北斗高精度导航定位的行业服务能力和对业务的提升作用。结合地形地貌和路网状态，以“满足需求、节约成本、分布合理、多元服务”为目标要求，开展公路运营北斗地基增强基准站布设需求方案研究，形成公路领域北斗位置服务系统的设计方案，建立一个覆盖全省的北斗CORS监测站网络，为车辆终端全域北斗高精度厘米级乃至毫米级定位提供基准[5]。

（七）基于北斗数据的辅助收费稽核研究

北斗轨迹还原途经ETC门架功能。具备依托全国重点营运车辆联网联控系统和全国道路货运车辆公共监管与服务平台的道路运输行业数据，利用重点营运车辆北斗实时定位数据还原途经ETC门架信息功能。

车辆相关信息主动推送功能。面向高速公路联网收费系统，具备实时提供途经某个ETC门架的重点营运车辆信息的能力；具备实时提供车辆进出高速全程、途经收费站及ETC门架信息的能力

车辆相关信息查询调用功能。具备接收高速公路联网收费系统的北斗路径信息查询请求，提供车辆全程途经ETC门架精确轨迹信息的能力。

基础信息配置功能。采集所有ETC门架和收费站的空间位置静态基础信息，并在电子地图准确展示；配置整个路网范围内的ETC门架和收费站的电子围栏，配置ETC门架和收费站的拓扑关系，建立路网信息数据库[6]。

（八）北斗 CPC 工程应用研究和试点应用研究

基于北斗卫星导航系统的高速公路复合通行卡与基于北斗的高速公路复合通行卡的充电箱、基于北斗卫星导航系统的高速公路复合通行卡计费系统以及与之配套的北斗定位信号增强基础设施构成一整套的智慧交通解决方案。

基于北斗CPC 设备子系统，围绕北斗定位、CPC 功能、路径标识、电量管理、电源箱、充电系统等相关子功能进行工程应用研究；基于北斗 CPC应用子系统，围绕位置上传、路径还原、信号增强、北斗服务等相关子功能进行研究[7]。

（九）基于“北斗+ETC”的自由流收费模型研究

课题所研究的基于北斗大数据的高速公路自由流计费，围绕研究构建基于北斗的自由流收费技术框架和评价体系，并在此基础上研究建立基于北斗自由流的收费云平台，最后研究自由流计费在试点路段的应用。

开展基于北斗卫星导航系统的自由流收费云平台研究，主要通过对安装在车辆上“北斗+ETC”终端所发出的位置信息进行拟合，实现对车辆行驶轨迹的精确计算，同时基于高精度地图数据，根据车辆的轨迹信息和高速公路出入点坐标信息计算车辆在高速公路上的出入地点和行驶里程。并根据设置的计费周期，将周期内的所有计费位置和计费里程结合路段费费率、折扣率、车型和车种等信息计算车辆应收的通行费，形成周期计费账单。包括里程计算子系统和计费服务子系统。

开展“北斗+ETC”融合终端的应用研究，将安装“北斗+ETC”融合终端，该终端具备卫星定位、无线数据传输和ETC功能，能够对车辆进行实时准确定位，并将轨迹数据经移动网络（4G/5G）回传至基于北斗的自由流收费云平台，实现后台计费，并兼容ETC收费系统。

开展基于北斗卫星导航系统的自由流收费试验应用，软件研发完成后，进行安装部署，系统试运行期间，与在运行的收费模式同步。针对试点路段，按周进行数据汇总和统计分析，对收费效率按月进行数据对比和评估，并结合平台实际运行情况进行实时优化和完善[8]。

五、运营公路北斗基准站布设需求研究

运营公路北斗基准站系统以高速公路为覆盖目标，充分利用高速公路土地资源、网络资源、电力资源等，建设稳定可靠，基站分布合理基准站网络。基站选址首先沿着高等级公路在收费站或服务区选择适合环境布设基站，再沿次等级公路边基站位置，路网较差区域避免重复建站。基站位置的选择需满足标准规范的要求。另外，结合智慧高速、收费稽核、自由流收费等卫星导航应用的实际场景，生成区域厘米级精度增强信息，以及终端辅助定位信息等多层次、高可靠的增强信息，与现有的增强服务系统有效衔接，提供符合智慧高速公路应用特点的卫星导航增强服务，即北斗自由流CORS服务。与北斗CORS服务器成功实现连接和数据传输，且内置差分定位板卡的自由流终端即可实现网络RTK定位功能。

智慧高速北斗地基增强服务系统作为智慧高速公路的空间基础设施，包括北斗地基增强基准站网和北斗高精度位置服务系统。其中北斗地基增强基准站网主要包括基准站建设、通信设施建设、防护设施建设；北斗高精度位置服务系统包括北斗增强数据服务平台、北斗位置服务开放平台、系统运行监控平台。

运营公路北斗基准站系统由连续运行地基增强基准站网、系统控制与数据中心、数据通信网络以及用户应用子系统组成。

连续运行地基增强基准站网是由若干个单基站组成，每个单基站包括北斗卫星导航接收机、计算机、UPS等设备。另外，连续运行基准站网负责对北斗卫星信号进行捕获、跟踪、采集与传输。

然后，通过移动通信网络、光纤通信等通讯方式，将基准站北斗观测数据传输至数据中心，进而进行差分信息编码，形成差分信息队列。

最后，北斗CORS服务器将差分信息传输至用户应用子系统，即具备差分定位功能的定位终端中。终端经过进一步数据解算处理，得到用户当前的位置信息数据。在没有差分的情况下北斗定位终端的定位精度为3—5米，接收到北斗CORS系统的地基增强差分信息后，通过误差修正的模式，终端的定位精度可提高到厘米级。

开展覆盖北斗卫星导航监测站网络建设。北斗监测站支持北斗三号多频多系统，监测站网络覆盖全省，为实现北斗高精度厘米级乃至毫米级应用提供基准。由于南方电离层比较活跃，基准站间距60km左右为宜，共建设约118个基准站。监测大约精度：实时解2～5cm，静态解2～5mm。站间距50～80km之间。若建站较少，站间距60～150km，共建设约58个基准站。监测大约精度：实时解4～9cm，静态解5～10mm。

六、基于北斗数据的辅助收费稽核研究

北斗大数据辅助收费稽核利用“全国道路货运车辆公共监管与服务平台”和“全国重点营运车辆联网联控系统”的700万辆北斗车辆位置数据，还原北斗车辆经过收费站、ETC门架信息，增加新的路径拟合维度，提供北斗行程大数据智能分析、北斗辅助收费稽核、辅助对账、北斗辅助道路安全服务、基础数据支撑等功能。通过接口服务、WEB页面服务、微信小程序/APP服务等三种方式，与收费稽核系统直接对接或作为收费稽核的外置服务系统，为收费系统提供针对北斗车辆的开放服务，使北斗成为现有收费系统的有益补充。

总体框架主要包括数据接入层、网络层、基础层、数据层、应用层和用户层等6个层面。数据接入层：数据接入层为本工程提供基础数据资源，主要包括从路网中心接入车辆出入站数据，从联网联控平台和货运平台接入车辆行驶轨迹数据。网络层：由高速公路通信专网、互联网专线提供通信传输链路，保障地面站、联网联控中心、路网中心之间数据传输。基础层：通过主机及存储系统、网络系统、安全系统等建立支撑应用的基础软硬件环境，包括测试环境和生产环境。测试环境用于升级后的软件系统测试，各项测试通过后导入生产环境正式运行。数据层：包括车辆基础信息库、路网基础数据库等基础数据库及车辆运行数据库、车辆轨迹还原库等应用数据库。应用层：包括北斗辅助精确计费服务系统、北斗轨迹还原服务系统、基础信息配置系统等应用系统，及与路网中心、联网联控平台对接的接口平台。用户层：是应用层各类应用的用户，包括管理用户、普通用户及全国高速公路联网收费系统等。

业务流程有：收费站入口北斗辅助MTC精准计费服务平台实时跟踪车辆，把监测到的入站车辆信息发送给高速公路联网收费系统；后者向北斗辅助MTC精准计费服务平台推送重点营运车辆入口收费站信息，提升车辆跟踪的实时性、准确性；路段通行期间北斗辅助MTC精准计费服务平台自动监测重点营运车辆经过ETC门架的数据，动态推送给全国高速公路联网收费系统。为了加强北斗轨迹与车辆的一致性判别，北斗辅助MTC精准计费服务平台采用抽样的方式，调用ETC门架车牌数据，提升北斗轨迹服务准确性；收费站出口在MTC出口车道需要路径还原时，由高速公路联网收费系统自动请求调用北斗辅助MTC精准计费服务平台的北斗车辆轨迹还原途经ETC门架信息，完成精确计费服务。

七、结语

综上所述，北斗卫星导航系统作为我国一项重要的关键技术与基础设施，其在推动我国社会经济发展以及保障国家安全方面发挥着至关重要的作用。而将北斗卫星导航系统应用在高速公路的管理中，能够推动高速行业的发展进程以及实现北斗产业化。我们坚信，只要结合我国高速公路的发展需求，合理应用北斗卫星导航系统，将实现我国高速公路朝着智慧化的方向不断发展。

参考文献

[1]邵志超，熊伟峰，张建通，等.北斗系统在智慧高速中的应用示范[J].卫星应用，2022（12）：54-58.

[2]贾沛源.新基建环境下智慧高速发展浅析[J].中国交通信息化，2022（S1）：28-30.

[3]陈广辉.江西昌九高速公路北斗卫星导航增强系统[J].中国交通信息化，2020（08）：107-110.

[4]张羽西，冯刚.基于北斗卫星定位的高速公路异物检测[J].中国交通信息化，2019（01）：127-128+134.

[5]邓博，牛军，刘攀.高精度三维地图在机西智慧高速公路的构建与应用[J].公路交通科技（应用技术版），2018，14（08）：13-15.

[6]费伦林，张一衡.基于北斗技术的快速综合应急指挥调度系统在智慧高速公路中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（11）：273-276.

[7]张海亮，鲍海燕.北斗卫星导航系统在高速公路中的应用[J].中国交通信息化，2016（08）：82-85.

[8]盛日兴.双接收北斗卫星和GSM-R的动车定位方案研究[J].甘肃科技，2016，32（09）：54-56.

作者单位：湖南高速信息科技有限公司