北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

馬健軍，龍志軍，黃玉華，馮競(jìng)祥

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000 ）

北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

馬健軍，龍志軍，黃玉華，馮競(jìng)祥

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000 ）

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類車載終端，并且運(yùn)用效果良好。本文概述北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)，總結(jié)分析對(duì)北斗車載導(dǎo)航技術(shù)在導(dǎo)航定位精度、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面的研究狀況，最后介紹了北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)的具體應(yīng)用并指出需要改進(jìn)之處。

北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)；定位精度；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中國(guó)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的探究可追溯到20世紀(jì)80年代初，1994年正式研制北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（北斗一號(hào)），直至2012年北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對(duì)亞太地區(qū)提供無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在道路交通領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)延伸發(fā)展的各類車載終端設(shè)備，有效提高了運(yùn)輸效率，促進(jìn)交通事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。為此，本文首先對(duì)中國(guó)北斗車載導(dǎo)航技術(shù)研究概況進(jìn)行介紹，并對(duì)北斗車載導(dǎo)航技術(shù)在導(dǎo)航定位精度、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面的研究狀況及其應(yīng)用與不足進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)后續(xù)北斗車載導(dǎo)航技術(shù)探索具有一定的參考意義。研發(fā)，它取代原有車載導(dǎo)航系統(tǒng)中的GPS系統(tǒng)，使得中國(guó)導(dǎo)航定位服務(wù)擺脫對(duì)外國(guó)的依賴。但由于國(guó)內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)方面起步較晚，相關(guān)技術(shù)尚未成熟，目前部分車載導(dǎo)航系統(tǒng)還是相對(duì)保守地沿用北斗與GPS組合的導(dǎo)航定位模式。

1 北斗車載導(dǎo)航的概述

車載導(dǎo)航系統(tǒng)是融合了GPS/GIS、多媒體、嵌入式以及現(xiàn)代移動(dòng)通信等先進(jìn)技術(shù)、具備高科技含量的系統(tǒng)［1］。上世紀(jì)80年代第1代車載導(dǎo)航終端正式面世，并于90年代初投入商業(yè)應(yīng)用。車載導(dǎo)航終端分別經(jīng)歷了3個(gè)階段的發(fā)展歷程，包括：以CD-ROM 存儲(chǔ)數(shù)字地圖為特征的第1代車載導(dǎo)航系統(tǒng)，并以第1代為基礎(chǔ)改良而來的第2代車載導(dǎo)航，其具備了路徑規(guī)劃與導(dǎo)航、語音誘導(dǎo)及靜態(tài)信息查詢等功能；第3代更顯智能化，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)車載導(dǎo)航、實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、求助救援、交通路網(wǎng)調(diào)控等功能［2］。北斗車載導(dǎo)航是基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)而

2 北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

近年來北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正式投入服務(wù)運(yùn)營(yíng)，針對(duì)北斗導(dǎo)航技術(shù)的研究主要來自國(guó)內(nèi)的學(xué)者。目前國(guó)內(nèi)學(xué)界對(duì)北斗車載導(dǎo)航技術(shù)的研究主要是定位精度、遠(yuǎn)程監(jiān)控等2大方向。研究者們分別從算法優(yōu)化、差分技術(shù)、與GPS融合等角度對(duì)系統(tǒng)定位精度、導(dǎo)航準(zhǔn)確性進(jìn)行改良，并結(jié)合射頻識(shí)別（RFID）、嵌入式、汽車CAN總線等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 定位精度

汪翼舟等［3］設(shè)計(jì)一套基于北斗定位系統(tǒng)的車載定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件方面選用TD-D302芯片為主的MCU 控制模塊以及相對(duì)應(yīng)的北斗定位接收模塊，以保證系統(tǒng)的運(yùn)算速度及響應(yīng)特性；軟件方面建立了終端與地面基準(zhǔn)站以及系統(tǒng)后臺(tái)間網(wǎng)絡(luò)連接，保證系統(tǒng)后臺(tái)與終端信息發(fā)送與接收。后期對(duì)系統(tǒng)測(cè)試與對(duì)比，試驗(yàn)表明：系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、處理、管理、存儲(chǔ)和顯示等基本功能，結(jié)合地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更高定位精度的定位監(jiān)測(cè)。

李鵬等［4］研究設(shè)計(jì)了一套高精度北斗車載差分定位裝置系統(tǒng)。這套系統(tǒng)采用嵌入式Linux技術(shù)以及北斗差分定位、S3C2440 等控制模塊，通過Linux下串口通信以及NTRIP 協(xié)議與連續(xù)運(yùn)行北斗衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（CORS） 進(jìn)行數(shù)據(jù)的認(rèn)證和傳輸，保證了定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。同時(shí)通過擴(kuò)展卡爾曼濾波算法程序處理定位數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高定位精度。實(shí)際道路性能試驗(yàn)以及定位精度對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)定位精度滿足交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的需求。

王雪梅等［5］研究了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的駕培系統(tǒng)。系統(tǒng)采用載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)， 對(duì)行進(jìn)狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)車進(jìn)行精確實(shí)時(shí)測(cè)算，利用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)天線之間的空間相關(guān)性，提高了駕培系統(tǒng)定位精度。該研究對(duì)提高機(jī)動(dòng)車駕照考試品質(zhì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

柯賢亮等［6］研究一款帶有北斗和GPS組合定位的車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)。該終端將北斗和GPS兩種導(dǎo)航系統(tǒng)有機(jī)地組合起來，盡可能利用其兀余量測(cè)信息，具備精度高、抗干擾能力較強(qiáng)、容錯(cuò)性能好等特點(diǎn)。所研制的終端可實(shí)現(xiàn)定位跟蹤、信號(hào)檢測(cè)、報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸、調(diào)度管理車輛等功能，可廣泛應(yīng)用于車載領(lǐng)域，采集實(shí)時(shí)車載狀態(tài)信息。

羅萍等［7］研究了北斗衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和定位精度優(yōu)化問題。利用范數(shù)“剔除” 無效觀測(cè)量等手段對(duì)UPF算法進(jìn)行改進(jìn)，解決UPF算法由于計(jì)算量大而不滿足組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的問題，并應(yīng)用于北斗／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。后期試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)算法能夠有效地縮短組合導(dǎo)航系統(tǒng)的解算時(shí)間，提高定位精度，并且穩(wěn)定性較高，達(dá)到了預(yù)期的要求。

楊殿閣等［8］針對(duì)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的特點(diǎn)，使用電子羅盤、陀螺傳感器和車速傳感器等多種傳感器，基于嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)了一種車輛組合定位系統(tǒng)。以Kalman 濾波算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了航向融合和航位融合算法，實(shí)現(xiàn)了車輛位置和行車方向的測(cè)量。

陳志剛等［9］改進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)車輛無源北斗定位系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度的問題。研究者采用無跡卡爾曼濾波算法UKF（ Unscented Kalman Filter）實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)車載導(dǎo)航系統(tǒng)的非線性狀態(tài)估計(jì)，解決了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)車輛在作業(yè)過程中受定位接收機(jī)本身誤差、環(huán)境噪聲以及人為干擾等因素影響，導(dǎo)航定位不精確的難題。后期通過統(tǒng)計(jì)建模，開展仿真試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：在車載導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)中，UKF濾波方法優(yōu)于EKF濾波方法，定位精度可以達(dá)到1 m左右。

楊增輝等［10］研制了2種具有高增益、低仰角特性的車載天線。為確保車載天線具備良好的接收效果，車載天線的最大增益最好出現(xiàn)在衛(wèi)星所在的軌道位置，并且具有方位角上的全向性。為檢驗(yàn)其性能，研究者將研制的車載天線從增益、低仰角特性以及軸比等關(guān)鍵性能與貼片天線進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比試驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的車載天線具有較好的低仰角、高增益等特性，可以使裝備該天線的車輛在任何地區(qū)都能準(zhǔn)確可靠地接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，提高了定位精度及導(dǎo)航準(zhǔn)確性。

鄒浜等［11］利用主輔站技術(shù)可靠性高，無需雙向數(shù)據(jù)傳輸和服務(wù)用戶無數(shù)量限制等優(yōu)點(diǎn)，將基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主輔站技術(shù)應(yīng)用于車載導(dǎo)航中，提高車載導(dǎo)航的定位精度，有效解決了傳統(tǒng)車載導(dǎo)航定位技術(shù)的不足等問題。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

劉紅等［12］研究了一種基于北斗導(dǎo)航的車載監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的開發(fā)方法，基于S3C6410開發(fā)板進(jìn)行研發(fā)，使用Linux作為操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖像采集、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位以及GPRS無線傳輸?shù)裙δ?；系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車，10 s內(nèi)通過短信方式快速提供車載位置和圖像信息，解決了車輛失竊以及車內(nèi)盜竊事件因缺乏有力的證據(jù)等問題無法偵破的困難。

史順玉等［13］提出了一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的車輛遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控管理調(diào)度方案。該方案創(chuàng)新性地將射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)應(yīng)用到車載終端與路邊車輛管理服務(wù)系統(tǒng)之間的短程無線通信中，有效解決了現(xiàn)有的汽車行駛記錄儀功能單一、通信能力差的缺點(diǎn)，符合未來智能交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

趙亮等［14］設(shè)計(jì)了一種基于北斗/GPS 和GPRS 的車載定位終端。該終端具備車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、溫度監(jiān)測(cè)和短信服務(wù)等功能，可對(duì)車輛位置信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛更加有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的車載定位終端系統(tǒng)定位精度高，定位性能穩(wěn)定、響應(yīng)快，首次冷啟動(dòng)定位時(shí)間35 s，熱啟動(dòng)1 s，重捕獲小于1 s，定位三維精度（RMS）3 m，速度精度0.1 m/s，在車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

梁本仁等［15］提出了以高速公路車輛監(jiān)測(cè)為例，以北斗差分定位技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)車輛厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）、嵌入式系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)建立基于北斗的車輛精確定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研究者利用雙頻相位觀測(cè)值的寬巷組合，采用LAMBDA方法快速固定整周模糊度，切實(shí)有效提高車輛精確定位精度。

王春剛等［16］開發(fā)研究了一款基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的車載嵌入式終端。該終端以中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為依托，將嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS 技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的圖上定位和遠(yuǎn)程通信指揮，推動(dòng)了車輛信息化的發(fā)展水平。

沙乃金等［17］提出了基于北斗導(dǎo)航、汽車CAN總線技術(shù)的車載智能信息模塊。該模塊通過移動(dòng)通信技術(shù)把汽車內(nèi)綜合信息遠(yuǎn)程上傳，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)車況信息采集、信息發(fā)送、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程輔助、定位與導(dǎo)航等功能。模塊最大的特色在于運(yùn)用汽車CAN總線技術(shù)性能穩(wěn)定高效、通用性高等特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)汽車電子產(chǎn)品進(jìn)行個(gè)性化定制和功能延伸研發(fā)。

2.3 北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用與不足

隨著中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)成熟，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已正式投入商業(yè)應(yīng)用。“北斗”產(chǎn)業(yè)鏈加速發(fā)展，市場(chǎng)上“北斗”品牌的車載導(dǎo)航產(chǎn)品也涌現(xiàn)而出。例如，人們出行都依賴便攜式北斗車載導(dǎo)航儀和電子狗等設(shè)備，可為用戶提供無源定位、最新3D實(shí)景版導(dǎo)航等相關(guān)服務(wù)［18］。北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)也可對(duì)重點(diǎn)運(yùn)輸過程進(jìn)行監(jiān)控管理，提供重點(diǎn)車輛運(yùn)行實(shí)時(shí)畫面，對(duì)特殊運(yùn)營(yíng)車輛狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤［19］。應(yīng)對(duì)突發(fā)性應(yīng)急事件，通過監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息同步至公路部門管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控指揮。北斗車載導(dǎo)航設(shè)備還應(yīng)用于校車管理方面，實(shí)時(shí)監(jiān)控校車的行駛情況，避免了校車運(yùn)行中存在車輛超速、超載等安全隱患［20］。

中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)未來發(fā)展前景良好，潛力巨大，但目前市場(chǎng)推廣處于剛起步階段，與美國(guó)GPS系統(tǒng)等成熟產(chǎn)品相較還存在一定的差距與缺陷。例如系統(tǒng)推廣力度不夠，市場(chǎng)上北斗車載產(chǎn)品偏少，市場(chǎng)占有率較小，價(jià)格較為昂貴等諸多問題。這需要國(guó)家相關(guān)部門加大北斗終端設(shè)備與芯片研發(fā)力度，同時(shí)推進(jìn)北斗產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，設(shè)定激勵(lì)機(jī)制，使得北斗系統(tǒng)技術(shù)愈加成熟。

3 總結(jié)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用有助于中國(guó)各領(lǐng)域信息化水平的提升，使中國(guó)在軍事、交通、農(nóng)業(yè)、應(yīng)急救援、國(guó)家安全等領(lǐng)域不再受制于人。該系統(tǒng)在車載導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用能提供可靠的精確導(dǎo)航定位服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。未來隨著北斗車載導(dǎo)航系統(tǒng)不斷提升與完善，將更廣泛地服務(wù)于各個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)社會(huì)信息化發(fā)展。

［1］ 張其善，吳今培，楊東凱.智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社， 2002.

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［3］ 汪翼舟．基于北斗的車載定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］．武漢：武漢郵電科學(xué)研究院，2016．

［4］ 李鵬，柴文兵，陳賽．高精度北斗車載差分定位裝置的設(shè)計(jì)［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（35）：213-217．

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［7］ 羅萍，袁莉杰，黃良學(xué)，等．基于北斗衛(wèi)星組合導(dǎo)航精度優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（11）：75-78．

［8］ 楊殿閣，連小珉，張濤，等．基于北斗衛(wèi)星的車輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，48（5）：857-859．

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［10］ 楊增輝．北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)車載天線研究［D］．南京：南京航空航天大學(xué)，2010．

［11］ 鄒浜，王偉權(quán)，周文勝．基于BDS的主輔站技術(shù)在車載導(dǎo)航中的應(yīng)用研究［J］．測(cè)繪工程，2015，24（5）：52-56．

［12］ 劉紅，王珊婷，馮思宇，等．基于北斗導(dǎo)航的車載監(jiān)控系統(tǒng)［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（11）：3562-3563．

［13］ 史順玉．基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能車載終端設(shè)計(jì)［D］．青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2014．

［14］ 趙亮，劉皓，王偉強(qiáng)，等．基于北斗/GPS 和GPRS的車載定位終端的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．石河子大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33（3）：391-396．

［15］ 梁本仁，斯庭勇，王世臣．基于北斗的車輛精確定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．電子世界，2016（1）：130－132．

［16］ 王春剛，張江水，胡立成．基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的車載嵌入式終端的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)［J］．國(guó)防交通工程與技術(shù)，2017（2）：34-37．

［17］ 沙乃金，何青林，張凱方．基于北斗導(dǎo)航新能源汽車信息交互系統(tǒng)的研發(fā)［J］．汽車電器，2016（9）：50-52．

［18］ 彭明?。倍奋囕d導(dǎo)航系統(tǒng)在高客營(yíng)運(yùn)中的應(yīng)用［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（14）：242．

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（編輯 凌 波）

The Research Status of Beidou Vehicle Navigation System

MA Jian-jun， LONG Zhi-jun， HUANG Yu-hua， FENG Jing-xiang
(Foshan Vocational and Technical College， Foshan 528000， China)

Beidou navigation system is an independently developed global satellite navigation system in China.Now Beidou has been widely used in various types of vehicle terminals， and works effectively. This article introduces the Beidou vehicle navigation system， and summarizes its research status on positioning accuracy and remote monitoring. Finally， the specific application of Beidou is demonstrated， as well as its potential improvements.

Beidou vehicle navigation system；positioning accuracy；remote monitoring

U463.675

A

1003-8639（2017）07-0035-03

2017-03-29

馬健軍（1990-），男，廣西人，助教，碩士，主要從事車輛通信技術(shù)應(yīng)用研究。