RTK GPS定位技术在驾驶员道路考试中的应用技术

　　0 引 言 

　　随着社会进步，机动车保有量越来越多，汽车成了普通人的代步工具，参加驾驶员培训、准备拿驾照的人越来越多，为规范驾驶员培训，有必要研制开发一种能对驾驶员的驾驶技能和安全意识进行科学、规范测试的自动化考评系统。

　　现在，驾驶员拿驾照前要通过实际道路驾驶技能考试（科目三考试），即驾驶员在考试时要驾驶考车在3~5km的实际道路上完成上车准备、起步、直线行驶、变更车道、通过路口、通过人行横道线、学校区域、通过公共汽车站、会车、超车、靠边停车、掉头、夜间行驶和综合评判共计14个考试项目，其中需要检测考车相对于道路边缘线、道路中间线、路口停车线、车道分割线的距离，以及检测直线行驶、掉头等考试项目是否合格。

　　本文研制的一种驾驶员实际道路驾驶技能自动化考试系统采用RTK GPS定位技术，能对考车在实际道路上的位置进行动态定位和测距，其精度可以达到"厘米"级，很好地满足了系统对考车定位和测距的高精度要求。

　　1 载波相位实时动态差分技术（RTK）定位原理

　　采用RTK GPS定位技术对考试车辆在道路上的位置进行动态定位，其系统组成通常包括三部分：基准站，移动站（考车）和通信单元。基准站通常设置在考试道路附近的建筑物上或路边立杆上，移动站安装在考试车辆上，通信单元用于实现基准站和移动站之间的数据通信，如图1所示。基准站实时接收GPS卫星信号，其伪距的载波相位观测量见公式（1），并将观测量以广播的形式发送出去；移动站（考车）实时接收GPS卫星信号，其伪距的载波相位观测量见公式（2），同时接收基准站发送的载波相位数据，进行组差解算，其伪距观测方程见公式（3），通过计算得到厘米级的考车定位坐标。 

　　式中：Nir,o,Nip,o是整周模糊数；Ni r,Nip是从初始历元开始至观测历元间的相位整周累积数；Φi r,Φip是测量相位的小数部分；λ是载波波长，L1载波波长是19cm,L2载波波长是24cm. 

　　图1 原理组成

　　式中：Δ-ρ是同一观测历元的各项残差之和。

　　在使用RTK GPS定位技术对考车位置进行精确测量时，整周模糊数的正确求解是获得高精度考车定位位置的必要条件。求解整周模糊数采用整数最小二乘理论，即首先利用最小二乘法求出浮点解，再通过快速搜索算法在整数约束条件下求出整周模糊数，最后得到固定解。在本道路考试系统研制时，为了实现对考车行驶过程中的实时定位，采用组合波宽巷处理技术对整周模糊数求解，工作时采用双频GPS接收机，利用常规码载波相位差分测量，得到一个整周模糊度的近似估值，然后对伪距噪声及多路径效应进行平滑，减少整周数的搜索个数，最后根据双频信号，通过两种波长（巷宽）的线性组合，可以得到一个宽巷的巷宽。

　　GPS的二个载波信号：f1=1 575.42 MHz,波长λ1=19cm;f2=1 227.60MHz,波长λ2=24cm,通过公式（4）的计算得到一个宽巷波长λ 宽为86cm 的巷宽。 

　　宽巷的波长比单频的波长大4倍，利用宽巷极易在估值范围内求出巷宽的整周模糊数，再利用f1和宽巷参数间的线性关系求出f1和整周模糊数。该方法求解速度快，一般只需要几秒到十几秒就可以快速求解出整周模糊数。在本道路考试系统中，考车行驶时受树木、建筑物、桥梁和山峰等障碍物影响会出现"周跳"误差，导致定位精度变差，考车驶出遮挡物的影响区域后，在不到10s的时间内就可以消除"周跳"误差恢复到精确定位。

　　RTK GPS定位系统工作时，基准站需要把观测得到的载波相位信息实时传送到考车上的移动站，为保证考车定位信息的高精度，要求数据传送的误码率小于10-7,差分信息的更新时间不高于10s,这对基准站和考车之间的无线通信单元提出了较高的要求。

　　本道路自动化考试系统研制时，利用满足IEEE 802.11a/b/g协议要求的无线基站端、无线客户端设备（AP）组建一个能在控制中心（基准站）和考车（移动站）之间实现音频、视频、数据通信的无线局域网来传送基准站观测的载波信息到移动站，很好地满足了RTK GPS定位系统中对数据链通信的要求；该通信单元也可以利用中国联通、中国电信提供的3G业务平台组建一个虚拟专网（VPN）来实现。 

　　2 在驾驶人道路考试中的应用

　　在道路考试中需要准确检测出驾驶人驾驶的考车与道路上其他考车、路边物体、道路边缘线、道路中间线、路口停车线、车道分界线等之间的距离，以此判断考车在行驶时是否与其他车辆、物体保持适当的安全距离，是否把考车停在指定区域；如此，要先确定考试区域的参考坐标和相关的地理信息数据。

　　2.1 道路考试区域坐标系的建立

　　以RTK GPS基准站（天线）位置作为三维坐标系的原点，东西向、南北向和高度分别作为x,y,z 轴，如图2所示，把考试区域半径（3~5km）内的道路信息、标志标线信息、路边物体信息通过精确测绘得到其坐标，或用相关的直线方程式表示，道路上的曲线用折线来近似代替。 

　　图2 道路考试区域坐标系

　　2.2 考车之间距离的检测

　　考车甲在道路上考试，其位置可以通过RTK GPS定位系统实时获得，假设为P（Xi,Yi,Zi），另一在道路上考试的考车乙的位置实时检测为Q（Xj,Yj,Zj），考车乙的位置经考试系统中的通信单元传送到考车甲，则二车之间的距离D 通过公式（5）可以计算出： 

　　实际上，考车是用一个立方体来近似模拟的，并投影到大地平面作为一个长方形来处理。RTK GPS定位系统得到的是安装在考车车顶GPS天线的坐标，对于确定的车型可以进一步推导出考车右前端（Xjrf,Yjrf,Zjrf）、右后端（Xjrb,Yjrb,Zjrb）、左前端（Xjlf,Yjlf,Zjlf）、左后端（Xjlb,Yjlb,Zjlb）四个点的坐标；考试时，若二车同向行驶，检测其前后端点之间的距离；若超车，检测超车考车右前端点与被超考车左后端点之间的距离；若二车相向行使，会车时检测二车左前端点之间的距离；图3给出了二车交会时的检测软件流程图。