高精度车载定位终端系统的设计范文

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《武汉理工大学学报》2014年第十一期

1系统相关技术

1．1定位原理本文所提出的定位终端系统应用于实时连续修正信号的路边设施和接收修正信号的车载用户端之间通信场景下，其定位原理是考虑北斗地基增强系统由若干个采用网络RTK技术的虚拟参考站网络（virtualreferencestation，VRS网络）构成，每个VRS网络中的主控站将生成的修正信息通过有线方式（如VPN光纤网）传送至该网络覆盖范围内的路边设施（如交通灯、电子站牌等），路边设施对修正信息重新编码，以WSM（waveshortmessage）方式向用户实时连续，车载用户端通过本文提出的基于WAVE标准高精度车载定位终端接收WSM数据包，并进行解码，进而完成实时高精度定位．

1．2VRS技术VRS技术，是网络RTK技术的一种，通过在一定区域均匀布设多个（3个或3个以上）永久性连续运行参考站，对该地区构成网状覆盖，在网络范围内完成修正信息的生成、传输，从而在用户端实现各项误差的消除获得高精度实时定位精度［5］．测试结果表明，从用户选择网络并发出请求信息到控制中心发回改正数据，用户利用改正数据得到测量点位置的固定解，耗费的时间在30s左右［6］．可见，这种定位方式占用已有的频带资源进行信息传递，且远远无法满足运行车辆的实时高精度定位需求．

1．3WAVE协议栈WAVE协议是专为车载无线通信网络所设计［7］，可满足车载通信高移动性和高实时性的需求，同时基于WAVE的应用更容易部署且成本更低，更符合商业模式需求．WAVE协议标准包括IEEE802．11p标准和IEEE1609．X协议族［8］．其中IEEE802．11p定义了物理层和媒体访问控制层（MAC层），MAC层采用增强型分布式信道接入（EDCA）机制，物理层采用正交频分复用（OFDM）技术；IEEE1609．X协议族主要为车辆环境下的V2V和V2I无线接入制定，在IEEE802．11p标准的基础上规定相应的高层协议，制订了车载无线通信技术的指标和相关参数，描述了高速行车时短距离无线通信的运行机制．

2基于WAVE标准的高精度车载定位终端系统设计

本终端系统通过DSRC模块接收路边设施以WSM方式实时连续的修正信号，通过BDS模块接收来自卫星的定位信号，并将这些信息送入微处理器处理，获得车辆的高精度位置信息，实时、准确地完成各种定位服务功能，为交通车辆安全性提供保障。

2．1硬件结构终端系统的硬件系统基于FreescaleI．MX6开发板，采用ARM架构的CortexA9处理器，主频1GHz，512MBDDR内存．终端系统主要包括DSRC模块、BDS模块、处理器CPU模块、LCD显示模块和接口模块5个部分，其结构见图1．1）DSRC模块工作于5．850～5．925GHz的频率范围内，支持IEEE802．11p协议，传输速率达到27Mbps，包含主控模块及射频模块；采用NXP公司的TEF5100和SAF5100模块，主要完成修正信号的获取．2）BDS模块选取司南K500板卡．主要完成BDS定位信号与同步时间的提取，对BDS信号进行解调和滤波处理，解算出BDS卫星的导航报文，获得车辆导航定位的位置、方向等数据．并与DSRC模块获取的修正信号融合，消除定位综合误差．3）处理器CPU模块采用ARM架构的CortexA9处理器，它的串口分别同GPS／BDS模块、DSRC模块相连，外围电路有电源及LCD，能有效地完成相连器件之间数据的传输和控制，保证系统能正常而稳定地工作．4）LCD显示模块通过VGA接口外接LCD显示屏，将DSRC接收到的修正信息与本车辆BDS采集的信息融合处理，处理后的精准位置信息反馈到LCD显示．5）接口模块通过开发板提供的接口实现各模块连接，完成模块间信息的传输．

2．2软件结构软件设计主要包括系统初始化、BDS数据采集及处理、DSRC通信处理及其他功能等功能模块，包括一个无限循环的主程序和若干功能模块子程序．正常情况下主程序一直接收BDS卫星数据和修正数据并将其处理后应用，然后通过车载网络上传或播发，上传或播发的精准位置信息为车车主动安全等应用提供保障．Freescale开发板采用嵌入式Linux系统．操作系统移植基于ARMA9处理器的Linux2．6．39内核，完成进程管理、内存管理、文件系统、设备控制、网络实现，应用层程序通过调用标准接口对设备进行操作．系统整体软件工作流程见图2．

3系统测试

3．1测试环境及测试参数配置实际测试中采用司南M600作为基站，安装在标定的基准点，完成相关信号的接收、存储和转发．开发2套系统原型机，终端1安放在基准点位置，并通过串口与基站相连，通过USB接口与笔记本电脑相连．终端2安放在车辆上，通过CAN接口与车辆相连，通过USB接口与笔记本电脑相连，天线采用吸附式天线，部署于车顶．整个系统测试过程分3步完成：（1）通信性能，终端1与终端2之间在不同调制方式、不同速度、不同通信距离等条件下的通信速率及丢包率；（2）静态定位精度，分别用K500，M600和终端2测量标定基准点位置并比较其各自误差；（3）跑车轨迹，在基站附近直径约一公里范围的路段内采用M600轨迹作为参考依据评估终端2设备的动态定位精度．测试参数配置见表1．1）通信性能测试终端1与终端2组成的通信系统的通信性能，包括不同调制方式、不同速度、不同通信距离等条件下系统的通信速率及丢包率，测试结果见图3．由图3a）可知，BPSK调制模式下系统的通信速率最低，在车辆静态时为2．2Mb／s，而在车辆运动状态下仅1．6Mb／s；QAM16调制方式下系统的通信速率最高，在静态和动态条件下分别达到11．2Mb／s和8．9Mb／s．由图3b）可知，车辆静止和运动状态下BPSK调制模式下的通信效果最佳；传输速率越高丢包越严重；车站间距越大，丢包现象越明显．因此，进行终端系统定位精度测试时差分信号传输选用BPSK调制模式．

3．2测试结果分析2）静态定位精度本文采用圆概率误差（circularerrorprobability，CEP）方法评估所设计终端的静态定位精度．进行数据采样获得的零基线条件下的定位水平误差结果见表2、图4．由表2和图4可知，以95％圆概率误差方法计算，M600定位精度最高，为毫米级，可以作为其他卫星导航设备定位精度评定的参考基准．相对来说，K500RTD伪距差分方法定位精度较低，但K500采用3G方法接收RTD伪距差分信号时的定位精度与终端2采用WSM方式接收RTD伪距差分信号时的定位精度相差无几，都能较好的实现高精度定位．3）跑车轨迹以M600轨迹为参考基准，测量得到的跑车轨迹及误差结果见表3、图5～6．图5中K500，终端2与M600的轨迹之间有一个基本固定的偏差，K500与终端2两者行进轨迹几乎一致；图6中K500和终端2相对于M600的RMS（root－mean－square）误差曲线除距离基站较远距离的少数轨迹点略有偏差外，其余几乎相同．可知，WSM方式完全可以实现3G方式的定位效果，且在车载网络布设完全的情况下，共用车载网实现车辆精准定位而完全不占用现有紧张的移动频带资源．

4结束语

本文所提出的基于WAVE标准的高精度车载定位终端系统以车载网和地基增强系统为基础实现高精度定位，在通信技术上利用车载网传递修正信息，既可以充分利用车载网和地基增强系统技术及其基础设施，无需重复建设通讯基站和网络，又不占用有限的移动频带资源．在实际车载环境中的测试验证结果表明，该系统终端具备实施周期短、覆盖范围广、通讯误码率低、高效、可靠的实时定位等特点，具有较大的实用价值和非常广阔的市场应用前景．

作者：刘建郑洪江卢红洋陈伟单位：武汉理工大学信息工程学院交通信息通信技术研究发展中心