张鹏程 周正 周荣华 汪祖国 赵伟
摘 要：根据智能交通系统标准法规信息，提出其检测方案的总体要求，结合道路测试的设备现状，探讨DGPS、航位推测系统、电子地图匹配等技术方案在法规检测中的应用，最后利用实测数据进行验证，结果显示DGPS能够满足其的总体要求。
关键词：差分GPS；智能交通系统；实时动态定位；
中图分类号：U467.1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）03-0067-06
An investigation on intelligent transport systems testing scenarios based on DGPS
ZHANG Peng-Cheng， ZHOU Zheng， ZHOU Rong-hua， WANG Zu-guo， ZHAO Wei
（1.national Automobile Quality Supervision And Test Center（xiangyang）， Xiangyang 441004， China）
Abstract：According to the standards and regulations of Intelligent Transport Systems， abstracted the general requirements of the testing scenarios， and then with respect to the technology status in the field of road testing， made an investigation on DGPS， INS/DR and Map Matching， finally gave some data to demonstrate that DGPS can meet the ITS general requirements.
1 前言
近年来，智能汽车技术己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。为加快我国汽车智能安全技术的研发及产业化进程，国家相关部门也颁布一系列指导政策【1】，为国内汽车整车及零部件产品在该领域的技术积累和质量提升创造了条件，越来越多的智能安全技术成果被应用到汽车制造与交通运输市场上。
本文根据各类智能交通系统法规中给出的模拟场景信息和需要测试的试验参数，分析其工程意义，总结出适用于智能交通系统法规检测领域的一般性要求，在此基础上重点进行了DGPS在具体实施方案中的应用探讨。
2 智能交通系统
智能交通系统是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。在法规检测领域，欧美等认证机构已针对智能交通系统如自适应巡航控制系统（ACC）、前向碰撞预警系统（FCW）、提前紧急制动系统（AEBS）、盲区监测系统（BSD）、变道辅助系统（LCDAS）、车道偏离报警系统（LDWS）、车道保持系统（LKAS）等制订标准并执行对应的认证业务，因此如何科学有效的对智能交通系统进行检测认证是国内认证机构面临的紧迫性课题，表1给出了智能交通系统的部分国际标准法规信息。
通过表1标准法规的研究可知，针对智能交通系统的检测方案，都是根据试验样车上所装备的智能驾驶辅助功能详情，按照标准法规中相应的条款要求，设计出规范的检测场景来对试验样车进行功能性验证。
根据近年来国内在智能交通系统法规认证领域的实践经验【2、3】，認为其测试方案均具有以下特点和要求：
（a）空间位置精度高
在模拟各类智能交通系统测试场景时，一般需要多台试验样车进行动态测试，要求全部试验样车的运动轨迹都必须具备较高的精确度，例如在文献【4】中明确规定，各车之间的相对位置精度应该至少要达到0.1m，这就对测试设备的定位精度提出了严格的要求。
（b）时间精度高
智能交通系统设计的测试场景，都是针对相应的智能驾驶辅助功能进行的实时监控，如何准确捕获智能驾驶辅助功能的开始时刻和（或）结束时刻是关系到法规认证工作有效性的本质问题。因此在满足前述的定位精度的基础上，还要求法规规定的测试参数具有良好的实时性，即要求采用分布式数据采集系统的各设备主机之间，无线通讯技术应满足有关行业在实时性和可靠性方面的性能要求。
（c）驾驶行为的控制精度高
在智能交通系统法规认证的实践中，要求全部试验样车能够按照规定的路线、在规定的时刻按照规定的车速、距离、减速度、方向盘转角或其他控制变量对测试场景进行精准的模拟，即存在一个全部试验样车、测试设备（如目标车、目标物等）之间的同步问题，而大多数情况下，人类驾驶员对这种同步操作的完成存在困难，因此机器人驾驶技术对模拟各类测试场景的必要性越来越高。
文献【5】对国内外研究现状表明，区域智能交通系统是智能汽车应用研究的重要突破，其关键技术在于：①导航控制技术；②传感器信息融合技术；③通信及其他辅助技术。因此在法规认证实践中，把汽车试验场作为一种区域智能交通系统的重要组成部分，如何根据国内现有的测试资源制订出一套适用于各种智能交通系统法规认证的测试方案就显得尤为重要。
3 测试方案分析与探讨
当前，根据对汽车道路试验设备的市场调研可知：以GPS接收机为核心部件的数据采集系统主导了绝大多数的整车道路测试项目，各级管理部门主导实施的整车道路测试项目也要求满足对试验过程连续实时的监控要求，因此全球导航卫星系统已经成为汽车检测乃至社会各个行业中不可或缺的技术手段。
3.1 GPS接收机
GPS定位原理是根据三角测量定位来实现的，并且同时利用相关技术获取测量值。具体来讲，就是GPS接收机通过天线接收所有可见GPS卫星的信号后，接收机对这些信号进行数据处理而精确的测量出各个卫星信号的发射时间，接着将其自备时钟所显示的信号接收时间与测量所得的信号发射时间相减后再乘以光速，由此得到接收机与卫星之间的距离，这就是伪距ρ，公式（1）即是伪距观测方程式【6】：
（1）
式中，r是卫星与接收机之间的几何距离，δtu是接收机时钟钟差，δt（s）是卫星时钟钟差，I是电离层延时，T是对流层延时，ερ是伪距测量噪声量。
GPS卫星所发射的信号从结构上可分为载波、伪码和数据码三个层次，例如在民用领域，载波L1频率为1575.42MHz，伪码是C/A码，伪码具有良好的自相关和互相关特性以满足码分多址通信系统（CDMA）的要求【7】，导航电文则是由数据码序列按照一定格式编排而成的。
GPS接收机作为一种传感器，它的主要任务在于感应、测量GPS卫星相对于接收机本身的距离以及卫星信号的多普勒频移，并从卫星信号中解调出导航电文。GPS接收机利用载波跟踪环路对数字中频信号进行载波剥离，利用码跟踪环路进行C/A码剥离，还需要完成位同步和帧同步这两个阶段的任务，这样就能从中解译出卫星星历或历书等具有实用价值的导航电文参数。
整车道路测试领域的设备资料显示，在某些辅助技术的支持下，GPS的标准定位服务（SPS）能提供1.8m的定位精度，因此标准定位服务是无法满足智能交通系统的测试需求，而差分GPS（Differential GPS，DGPS）为实现亚米级定位精度提供了一种解决途径，按定位精度而言，差分GPS至少可以达到GPS精密定位服务（PPS）这一标准。
3.2 DGPS原理
差分GPS的基本工作原理主要是依据卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时、对流层延时所具有的空间相关性和时间相关性这一事实。如图1所示，基准站将其接收机的测量误差通过无线电发射台播送给流动站（即用户）接收机，那么流动站就可以利用接收到的基准站接收机的测量误差来校正流动站接收机对同一卫星的距离测量值，从而提高流动站接收机的测量和定位精度，表2列出了在基线长度为几十千米的情况下各种GPS测量误差在差分前后的大小情况。
表2的数据表明，差分GPS能够消除或减小卫星时钟、卫星星历、电离层延时、对流层延时这4种误差成分，而多路径与接收机噪声对GPS测量值的影响不能通过差分得到改善。考虑到接收机噪声通常比多路径误差小，于是多路径成为差分系统特别是短基线、基于载波相位测量值的差分系统的主要误差源。为了降低基准站接收机的多路径效应与接收机噪声，基准站需要配备高性能GPS接收机，GPS接收天线则采用扼流圈天线并安装在地势高而开阔的位置上。
根据智能交通系统法规测试的特点，差分GPS系统的用户会相对于基准站运动，因而必须迅速的求解出整周模糊度而实时的完成定位，这需要用到实时动态定位（Real-Time Kinematic，RTK）技术。GPS载波相位整周模糊度的求解是精密RTK测绘和导航应用中的一个关键性技术难题。由于受到通信和误差存在空间相关性的限制，RTK系统中基准站与流动站之间的基线长度应小于10km，很少超过20km，而这个适用范围恰好与汽车试验场的尺寸相吻合。目前有VHF或UHF频段的无线电可用于基准站与流动站之间的通讯，同时，国内外也在开展关于GSM、CDMA、GPRS等新型传输技术在RTK数据链中的应用尝试【8】，还提出了一种称为虚拟基准站（Virtual Reference Station，VRS）的数据处理方法【9】。
根据实践经验和各种测试设备的技术资料，差分GPS基准站的使用过程应注意以下事宜：
（1）基準站周围应视野开阔，卫星仰角截止角应优于10°（有些设备允许对该参数进行自定义设置），GPS接收天线周围无信号反射物以减少多路径效应，见图2所示；
（2）基准站的无线电发射天线应尽量设置于相对制高点以上，以方便播发差分信号；
（3）基准站应远离微波塔、通信塔等大型电磁发射源200m以上，远离高压输电线路、通信线路50m以上。
3.3 其他增强GPS性能的技术方案
3.3.1 精密单点定位
差分与精密定位至少需要来自两个接收机的测量值，并通过差分消除测量误差；然而，对于载波相位测量值只来自单个接收机的非差相定位来说，因为它不具有应用差分技术的资源，所以那些未能经差分而被消除的测量误差会导致定位精度的下降，可是这种状况正在发生变化。现在，我们可以从国际GNSS服务（IGS）那里近乎实时的获得精度非常高（可达厘米级）的GNSS卫星轨道和卫星钟差数据信息，再凭借双频接收机测量出电离层延时，于是单个接收机的载波相位不经差分也能实现精密定位。这种基于单个接收机而实现精密定位的方法称为精密单点定位（PPP），其定位精度可达分米级至厘米级。
与前面探讨的差相式精密定位相比，非差相操作给精密单点定位带来了很多优势。由于消除了对基准站的依赖，因而精密单点定位系统的运行变得简单，成本变低，不再存在要求用户接收机与基准站接收机对卫星进行同时跟踪和测量的这个制约，并且它的定位精度在不同的地方可以说是一致的，不再受所谓的基线距离长短的影响。当然，精密单点定位在实际应用中也面临不少挑战，其中一个问题是如何缩短定位前的初始化时间，另一个问题是如何求解载波相位测量值中遭卫星和接收机初相位偏差破坏而变成非整数值的整周模糊度，等等。
3.3.2 GPS与航位推测系统的组合
在整车道路测试设备中，陀螺仪和加速度计是两种比较常见的惯性传感器，它们与计算机及其导航算法一起组成一个惯性导航系统。惯性导航系统/航位推测（INS/DR）与GPS定位系统在功能特点上存在很多互补性，能明显提高GPS的定位有效率，其组合的优势主要表现在以下两方面：
（1）在GPS信号受到阻挡、干扰等造成GPS接收机不能实现定位的情况下，惯性导航系统能够持续提供定位结果，以维持、保证100%的定位有效率。同时惯性导航系统还能提供更高的定位频率以及用户的姿态角信息，这对处理在高级驾驶辅助系统（ADAS）测试中经常遇到的航向角（Heading）不稳定问题具有重要价值。不仅如此，惯性传感器还可帮助检测伪距和多普勒频移等GPS测量值是否受到多路径、载波相位失周等误差影响，以提高GPS定位的正直性和准确性。
（2）反过来，具有绝对定位功能的GPS可以将载体运动状态初始值提供给惯性导航系统，并帮助校准惯性传感器的各个参数。同时，GPS对惯性传感测量数据的实时监测可帮助判断传感数据是否正常，对惯性传感器参数的实时校准又可降低惯性导航系统的误差积累速度，并限制其误差积累的最大值。
GPS与INS/DR的组合方式分为松性（Loose）组合、紧性（Tight）组合和深性（Deep）组合三种，其中以深性组合的性能最佳。深性组合需要读写GPS接收机内部信号跟踪环路软件的相关变量，因此只有接收机生产商才有可能为了提高接收机性能而去实现GPS与INS/DR的深性组合，相对而言，实现紧性组合的技术门槛要低得多，而实现松性组合的机会是向任何人开放的。
3.3.3 GPS定位值的电子地图匹配
在智能交通系统的测试方案中，前述技术方案能够显著提高GPS的定位精度，但是对于试验车辆的运动轨迹而言，仅仅提高GPS的定位精度是不够的，只有把GPS定位值正确地匹配到各类测试场景的电子地图上才能完成对智能交通系统的检测认证工作。因此，鉴于GPS定位误差和电子地图有限精度这两方面的原因，地图匹配这项内容具有相当的现实意义，并且地图匹配还有利于提高定位性能，使定位结果更加准确、平滑。
电子地图是车辆驾驶员与其所采用的定位技术之间的一层用户界面，根据近几年发展起来的机器人驾驶技术在整车道路测试中的应用经验【10、11】来看，电子地图在机器人驾驶技术的路径跟随（Path Following，PF）测试方法中有着广泛的应用前景，它能够协助测试工程师完成极其复杂的驾驶操作，而这种驾驶操作是传统测试手段无法实现的。该领域的研究表明，地图匹配算法的关键通常在于正确确定一条相匹配的初始阶段。
信息化产业的调查表明，这些年来驱动GPS市场的力量并不是GPS技术的提高，而是更为广泛的GPS应用，而智能交通系统恰好是一个极具规模的集学术研究、商业利益于一体的应用市场，本文对各类技术方案的探讨期望能对同行业的发展规划提供借鉴。
4 DGPS实测案例分析
根据前述的测试方案分析与探讨，同时结合整车道路测试的技术现状，本文对各种原始数据进行对比分析。
4.1 静态定位精度对比
图4对比了单点GPS与DGPS-RTK的静态误差，图中显示了5min时间历程的静态测量数据。可以看出，单点GPS的静态位置漂移明显，其误差约为1.8m，而DGPS-RTK的静态位置不存在漂移现象，其误差约为0.01m，完全能够满足智能交通系统对空间位置的精度要求。
4.2 动态定位精度对比
根据GPS载波的多普勒频移，GPS接收机能够获得比位置信息更高精度的速度信息【12】。因此在动态测量过程中，单点GPS和DGPS-RTK两者之间的差异较小，但是在遇到卫星信号跟踪失锁的情况时，单点GPS的定位精度存在较大波动，而DGPS-RTK对卫星失锁的处理能力较强，能够减小或消除由此产生的干扰问题，表3和图5是试验车辆在某次匀速直线行驶工况时采集的原始数据。其中表3的数据表明，在动态过程中，单点GPS和DGPS-RTK两种测试系统都遇到了卫星信号的跟踪失锁现象，图5中的曲线则表明单点GPS的运动轨迹发生了约0.8m突变，而DGPS-RTK的运动轨迹在整个测试过程中都能够保持较高的定位精度，不存在明显的轨迹突变问题。
5 结束语
本文搜集了各种智能交通系统的检测标准和法规，总结出各类测试场景所具有的总体特点和一般性要求，结合当前整车道路试验设备的技术水平，探讨了差分GPS、航位推测系统、电子地图匹配等技术方案在法规检测中的应用前景，最后，利用试验数据对单点GPS和DGPS-RTK进行对比，结果表明差分GPS能夠满足智能交通系统的测试精度要求，对国内汽车检测认证行业具有一定的指导价值。
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