RTK GPS定位技術(shù)在駕駛員道路考試中的應(yīng)用

　0 引 言

　　隨著社會(huì)進(jìn)步，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量越來(lái)越多，汽車(chē)成了普通人的代步工具，參加駕駛員培訓(xùn)、準(zhǔn)備拿駕照的人越來(lái)越多，為規(guī)范駕駛員培訓(xùn)，有必要研制開(kāi)發(fā)一種能對(duì)駕駛員的駕駛技能和安全意識(shí)進(jìn)行科學(xué)、規(guī)范測(cè)試的自動(dòng)化考評(píng)系統(tǒng)。

　　現(xiàn)在，駕駛員拿駕照前要通過(guò)實(shí)際道路駕駛技能考試（科目三考試），即駕駛員在考試時(shí)要駕駛考車(chē)在3~5km的實(shí)際道路上完成上車(chē)準(zhǔn)備、起步、直線(xiàn)行駛、變更車(chē)道、通過(guò)路口、通過(guò)人行橫道線(xiàn)、學(xué)校區(qū)域、通過(guò)公共汽車(chē)站、會(huì)車(chē)、超車(chē)、靠邊停車(chē)、掉頭、夜間行駛和綜合評(píng)判共計(jì)14個(gè)考試項(xiàng)目，其中需要檢測(cè)考車(chē)相對(duì)于道路邊緣線(xiàn)、道路中間線(xiàn)、路口停車(chē)線(xiàn)、車(chē)道分割線(xiàn)的距離，以及檢測(cè)直線(xiàn)行駛、掉頭等考試項(xiàng)目是否合格。

　　本文研制的一種駕駛員實(shí)際道路駕駛技能自動(dòng)化考試系統(tǒng)采用RTK GPS定位技術(shù)，能對(duì)考車(chē)在實(shí)際道路上的位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位和測(cè)距，其精度可以達(dá)到厘米級(jí)，很好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)對(duì)考車(chē)定位和測(cè)距的高精度要求。

　　1 載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)（RTK）定位原理

　　采用RTK GPS定位技術(shù)對(duì)考試車(chē)輛在道路上的位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位，其系統(tǒng)組成通常包括三部分：基準(zhǔn)站，移動(dòng)站（考車(chē)）和通信單元。基準(zhǔn)站通常設(shè)置在考試道路附近的建筑物上或路邊立桿上，移動(dòng)站安裝在考試車(chē)輛上，通信單元用于實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的數(shù)據(jù)通信，如圖1所示。基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，其偽距的載波相位觀測(cè)量見(jiàn)公式（1），并將觀測(cè)量以廣播的形式發(fā)送出去；移動(dòng)站（考車(chē)）實(shí)時(shí)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，其偽距的載波相位觀測(cè)量見(jiàn)公式（2），同時(shí)接收基準(zhǔn)站發(fā)送的載波相位數(shù)據(jù)，進(jìn)行組差解算，其偽距觀測(cè)方程見(jiàn)公式（3），通過(guò)計(jì)算得到厘米級(jí)的考車(chē)定位坐標(biāo)。

　　式中：Nⁱ_r,o,Nⁱ_p,o是整周模糊數(shù)；Nⁱ _r,Nⁱ_p是從初始?xì)v元開(kāi)始至觀測(cè)歷元間的相位整周累積數(shù)；Φⁱ _r,Φⁱ_p是測(cè)量相位的小數(shù)部分；λ是載波波長(zhǎng)，L1載波波長(zhǎng)是19cm,L2載波波長(zhǎng)是24cm.

圖1 原理組成

　　式中：Δ^-_ρ是同一觀測(cè)歷元的各項(xiàng)殘差之和。

　　在使用RTK GPS定位技術(shù)對(duì)考車(chē)位置進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，整周模糊數(shù)的正確求解是獲得高精度考車(chē)定位位置的必要條件。求解整周模糊數(shù)采用整數(shù)最小二乘理論，即首先利用最小二乘法求出浮點(diǎn)解，再通過(guò)快速搜索算法在整數(shù)約束條件下求出整周模糊數(shù)，最后得到固定解。在本道路考試系統(tǒng)研制時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)考車(chē)行駛過(guò)程中的實(shí)時(shí)定位，采用組合波寬巷處理技術(shù)對(duì)整周模糊數(shù)求解，工作時(shí)采用雙頻GPS接收機(jī)，利用常規(guī)碼載波相位差分測(cè)量，得到一個(gè)整周模糊度的近似估值，然后對(duì)偽距噪聲及多路徑效應(yīng)進(jìn)行平滑，減少整周數(shù)的搜索個(gè)數(shù)，最后根據(jù)雙頻信號(hào)，通過(guò)兩種波長(zhǎng)（巷寬）的線(xiàn)性組合，可以得到一個(gè)寬巷的巷寬。

　　GPS的二個(gè)載波信號(hào)：f1=1 575.42 MHz,波長(zhǎng)λ1=19cm;f2=1 227.60MHz,波長(zhǎng)λ2=24cm,通過(guò)公式（4）的計(jì)算得到一個(gè)寬巷波長(zhǎng)λ 寬為86cm 的巷寬。

　　寬巷的波長(zhǎng)比單頻的波長(zhǎng)大4倍，利用寬巷極易在估值范圍內(nèi)求出巷寬的整周模糊數(shù)，再利用f1和寬巷參數(shù)間的線(xiàn)性關(guān)系求出f1和整周模糊數(shù)。該方法求解速度快，一般只需要幾秒到十幾秒就可以快速求解出整周模糊數(shù)。在本道路考試系統(tǒng)中，考車(chē)行駛時(shí)受樹(shù)木、建筑物、橋梁和山峰等障礙物影響會(huì)出現(xiàn)周跳誤差，導(dǎo)致定位精度變差，考車(chē)駛出遮擋物的影響區(qū)域后，在不到10s的時(shí)間內(nèi)就可以消除周跳誤差恢復(fù)到精確定位。

　　RTK GPS定位系統(tǒng)工作時(shí)，基準(zhǔn)站需要把觀測(cè)得到的載波相位信息實(shí)時(shí)傳送到考車(chē)上的移動(dòng)站，為保證考車(chē)定位信息的高精度，要求數(shù)據(jù)傳送的誤碼率小于10-7,差分信息的更新時(shí)間不高于10s,這對(duì)基準(zhǔn)站和考車(chē)之間的無(wú)線(xiàn)通信單元提出了較高的要求。

　　本道路自動(dòng)化考試系統(tǒng)研制時(shí)，利用滿(mǎn)足IEEE 802.11a/b/g協(xié)議要求的無(wú)線(xiàn)基站端、無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端設(shè)備（AP）組建一個(gè)能在控制中心（基準(zhǔn)站）和考車(chē)（移動(dòng)站）之間實(shí)現(xiàn)音頻、視頻、數(shù)據(jù)通信的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)來(lái)傳送基準(zhǔn)站觀測(cè)的載波信息到移動(dòng)站，很好地滿(mǎn)足了RTK GPS定位系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)鏈通信的要求；該通信單元也可以利用中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信提供的3G業(yè)務(wù)平臺(tái)組建一個(gè)虛擬專(zhuān)網(wǎng)（VPN）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 在駕駛?cè)说缆房荚囍械?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/news/listbylabel/label/應(yīng)用">應(yīng)用

如此，考車(chē)P 到交通標(biāo)線(xiàn)間的距離可以通過(guò)公式（6）計(jì)算得出，進(jìn)而判斷考車(chē)在道路上是否按交規(guī)正確行駛和停車(chē)，圖4給出了考車(chē)在道路上靠邊停車(chē)項(xiàng)目考試時(shí)的檢測(cè)軟件流程圖。

　　式中：δ1 =A1xi+B1yi+C1zi+D1,δ2 =A2xi+B2yi+C2zi+D2,n1 = {A1,B1,C1},n2 = {A2,B2,C2}.

　　在檢測(cè)考車(chē)與路邊緣線(xiàn)之間的距離時(shí)，實(shí)際上檢測(cè)考車(chē)右前端和右后端離路邊緣線(xiàn)的距離，取其大者作為考車(chē)與路邊緣線(xiàn)間的距離。此外，為減少計(jì)算量，通常在非道路立交處，考車(chē)與道路標(biāo)線(xiàn)換算為二維平面坐標(biāo)進(jìn)行處理。

圖4 檢測(cè)靠邊停車(chē)項(xiàng)目考試軟件流程。

　　3 結(jié) 語(yǔ)。

　　RTK GPS定位技術(shù)為駕駛?cè)说缆房荚嚂r(shí)對(duì)考車(chē)位置的高精度、實(shí)時(shí)測(cè)量提供了很好的解決方案，在公安部規(guī)定的100項(xiàng)道路考試檢測(cè)項(xiàng)目中，利用RTKGPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目達(dá)到35項(xiàng)，大大提高了整個(gè)考試系統(tǒng)的自動(dòng)化考試程度，且保證了考試要求的檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性要求。

　　采用RTK GPS定位技術(shù)研制成功的道路駕駛技能（科目三）考試系統(tǒng)減少了考試過(guò)程中人為因素對(duì)考試結(jié)果的影響，提高了道路考試評(píng)判的準(zhǔn)確性、客觀性和公正性，體現(xiàn)了考試過(guò)程的公正、公平、公開(kāi)，對(duì)提高駕駛員的綜合駕駛素質(zhì)、減少道路交通事故起到了積極的推動(dòng)作用；同時(shí)，道路自動(dòng)化考試系統(tǒng)的使用實(shí)現(xiàn)了考試過(guò)程的自動(dòng)評(píng)判和考試管理的計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化，極大地解放了警力，實(shí)現(xiàn)了科技強(qiáng)警。

　　在道路考試中需要準(zhǔn)確檢測(cè)出駕駛?cè)笋{駛的考車(chē)與道路上其他考車(chē)、路邊物體、道路邊緣線(xiàn)、道路中間線(xiàn)、路口停車(chē)線(xiàn)、車(chē)道分界線(xiàn)等之間的距離，以此判斷考車(chē)在行駛時(shí)是否與其他車(chē)輛、物體保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，是否把考車(chē)停在指定區(qū)域；如此，要先確定考試區(qū)域的參考坐標(biāo)和相關(guān)的地理信息數(shù)據(jù)。

　　2.1 道路考試區(qū)域坐標(biāo)系的建立

　　以RTK GPS基準(zhǔn)站（天線(xiàn)）位置作為三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，東西向、南北向和高度分別作為x,y,z 軸，如圖2所示，把考試區(qū)域半徑（3~5km）內(nèi)的道路信息、標(biāo)志標(biāo)線(xiàn)信息、路邊物體信息通過(guò)精確測(cè)繪得到其坐標(biāo)，或用相關(guān)的直線(xiàn)方程式表示，道路上的曲線(xiàn)用折線(xiàn)來(lái)近似代替。

圖2 道路考試區(qū)域坐標(biāo)系。

　　2.2 考車(chē)之間距離的檢測(cè)

　　考車(chē)甲在道路上考試，其位置可以通過(guò)RTK GPS定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得，假設(shè)為P（Xi,Yi,Zi），另一在道路上考試的考車(chē)乙的位置實(shí)時(shí)檢測(cè)為Q（Xj,Yj,Zj），考車(chē)乙的位置經(jīng)考試系統(tǒng)中的通信單元傳送到考車(chē)甲，則二車(chē)之間的距離D 通過(guò)公式（5）可以計(jì)算出：

　　實(shí)際上，考車(chē)是用一個(gè)立方體來(lái)近似模擬的，并投影到大地平面作為一個(gè)長(zhǎng)方形來(lái)處理。RTK GPS定位系統(tǒng)得到的是安裝在考車(chē)車(chē)頂GPS天線(xiàn)的坐標(biāo)，對(duì)于確定的車(chē)型可以進(jìn)一步推導(dǎo)出考車(chē)右前端（Xjrf,Yjrf,Zjrf）、右后端（Xjrb,Yjrb,Zjrb）、左前端（Xjlf,Yjlf,Zjlf）、左后端（Xjlb,Yjlb,Zjlb）四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；考試時(shí)，若二車(chē)同向行駛，檢測(cè)其前后端點(diǎn)之間的距離；若超車(chē)，檢測(cè)超車(chē)考車(chē)右前端點(diǎn)與被超考車(chē)左后端點(diǎn)之間的距離；若二車(chē)相向行使，會(huì)車(chē)時(shí)檢測(cè)二車(chē)左前端點(diǎn)之間的距離；圖3給出了二車(chē)交會(huì)時(shí)的檢測(cè)軟件流程圖。

　　2.3 考車(chē)與道路標(biāo)線(xiàn)間的距離測(cè)量

　　考車(chē)在道路上考試，其與道路上各種交通標(biāo)線(xiàn)的位置需要實(shí)時(shí)檢測(cè)得到，以確定考車(chē)是否按規(guī)定正確行駛，考車(chē)的位置P（Xi,Yi,Zi）通過(guò)RTK GPS定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)得，道路上的各種交通標(biāo)線(xiàn)可以用直線(xiàn)表示，曲線(xiàn)可以用折線(xiàn)近似表示，其直線(xiàn)方程在GPS差分基準(zhǔn)站確定后通過(guò)精密測(cè)繪獲得；在空間三維坐標(biāo)系中，直線(xiàn)方程表示為：{A1x+B1y+C1z+D1=0,A2x+B2y+C2z+D2=0},若是線(xiàn)段可以加上約束條件[（x1,y1,z1），（x2,y2,z2）];直線(xiàn)方程系數(shù)A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D2和開(kāi)始點(diǎn)（x1,y1,z1）、結(jié)束點(diǎn)（x2,y2,z2）坐標(biāo)通過(guò)實(shí)際測(cè)繪得到。

圖3 檢測(cè)二車(chē)交會(huì)過(guò)程的考試軟件流程。