2022年北斗卫星导航系统在智能交通系统中的应用 .pdf

The Application of Compass in the Intelligent Transportation System Zhigang XuPolice Maritime Academy, Ningbo, ChinaXAbstract: According to the current development problems of developed urban transportation and Intelligent Transportation System (ITS), and the characteristics of Compass application in the ITS, the all aspects of applications of Compass in the ITS are analyzed in this paper, and then some problems about these applications and their suggestions are also proposed. Keywords: Compass; Intelligent Transportation System (ITS); Location Based Service (LBS) 北斗卫星导航系统在智能交通系统中的应用徐志刚公安海警学院，宁波，中国，315801 X 【摘要】 根据当前发达城市交通以及我国在智能交通系统发展中存在的问题，结合北斗卫星导航系统在智能交通系统中应用的特点，分析了北斗卫星导航系统在智能交通系统各方面的应用，并针对这些应用提出了可能存在的问题及建议。【关键词】 北斗卫星导航系统；智能交通系统；基于位置服务1 引言我国是一个经济持续发展的发展中国家，改革开放以来， 城市化与汽车化发展十分迅猛。改革开放前，城市化水平不足19%，据今年公布的人口普查结果，我国的城镇人口接近6.66亿人，城镇化率达到49.68 %；相应的车辆增长也非常快速，截至2011年6月底，全国机动车总量达2.17亿辆，其中私家车达7206万辆，并且私家车拥有率呈不断增长的趋势。反观中国城市道路建设情况，改革开放以来，中国道路交通设施及管理设施虽然有较大改观，但远远跟不上机动车增长速度，而且总体水平与发达国家有较大差距，特别是大多数城市路网结构不合理，道路功能不完善，道路系统不健全。造成城市交通拥塞严重，交通效率大大下降。另外，交通拥堵、车速下降以及车况差、车辆技术性能低等，致使汽车尾气对城市的空气污染剧增。同时，车辆状况差也直接影响到城市交通，并已成为制约我国城市交通的重要因素。以车况较好的北京市为例， 平均日故障次数达500次以上， 给城市交通带来巨大压力。另外一个问题，就是我国大多城市交通管理设施缺乏，管理水平不高。即使各地都建立了交通控制中心，大多只是实现了监视功能，而远没有发挥控制功能。正是由于的车辆、道路和管理发展不均衡所带来的问题，迫切需要发展智能交通系统（ Intelligent Transportation System，ITS ）来缓解上述问题。智能交通系统是以信息、通信、控制和计算机技术将人、车、路三者紧密协调、和谐统一，而建立起的大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输管理系统。ITS 将有效地利用现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、提高运输效率、促进社会经济发展、提高人民生活质量，并以推动社会信息化及形成新产业受到各国的重视，目前已成为世界21世纪交通系统的发展方向。我国在上世纪90年代末期就确立智能交通系统的研究和发展战略，并已经在北京、上海、 广州等一些发达城市实施了ITS 的“关键技术开发和示范工程”。经过十多来年的发展，我国 ITS发展总体形势良好， 但在管理面层主要存在问题如下：体制分散， 统一协调不够；引进太多， 消化创新不够；政府主导，民间参与不够。从技术的战略面层来看，我国几乎所有的ITS 都是建立在美国的全球定位系统（GPS）的基础上的，这是个基础性战略性的缺陷。现在我国的北斗卫星导航系统（下述简称“北斗系统” ）发展快速， 完全可以取代GPS在ITS 的地位， 北斗系统将在我国的 ITS中具有更加重要和更广泛的应用。2 北斗卫星导航系统在智能交通系统中应用的特点北斗卫星导航系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成。 空间星座部分由5 颗对地球静止轨道（ GEO ）卫星和30 颗对地球非静止轨道（Non-GEO ）卫星组成。北斗卫星导航系统建成后将名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 为全球用户提供卫星定位、导航和授时服务，并为我国及周边地区用户提供定位精度1米的广域差分服务和120个汉字 /次的短报文通信服务。卫星定位、无线通信及网络技术是ITS 的支撑技术，具有广域差分服务以及短报文通信服务功能的北斗系统将比 GPS更适合应用在ITS中。从国家的根本利益出发，今后我国的 ITS 也必须建立在北斗系统的基础之上。北斗系统在ITS 中的应用，具有以下几个GPS不能拥有的特点：首先，北斗系统完全为我国所有和控制，系统运行维护不受国际环境变化的影响；系统具有很好的加密功能，可以有效保障用户关键业务数据在处理、存储、传输过程中的安全性。其次，北斗系统的通信功能，能实现点对点和点对中心或中转站等多种数据信息通信网络，可以实现用户之间、用户和管理部门之间双向或转发通信，对于ITS中智能监管、 调度和安全救助， 具有独特的优势。尤其是在发生地震等重大灾难面前，建立在北斗系统基础上的 ITS 可以在脱离陆基无线及有线通信网络的情况下正常工作，而基于 GPS的ITS 在陆基无线或有线通信网络的中断的情况下根本无法工作。另外，建立在卫星通信基础之上的ITS， 不仅可以运行在陆基无线通信网络覆盖区内繁华的闹市，即使在陆基无线通信网络不能覆盖的偏远地区同样可以使用，尤其是车辆在偏远地区出现安全事故的情况下，能够及时得到救助。第三，由于北斗系统在我国及周边国家具备基于卫星的广域差分服务，这将为 ITS提供比 GPS更为精确位置信息。3 北斗卫星导航系统在智能交通系统的应用通常，智能交通系统通常包括交通信息、车辆监控、车辆管理以及车辆控制等子系统组成。将北斗系统代替 GPS应用于 ITS 后，可以建立一种新型的ITS，基于北斗系统的ITS 将由交通信息及通信、车辆用户终端以及交通监管等子系统组成，北斗系统将在上述各部分中具有相当广泛的应用。3.1 北斗系统在 ITS 的交通信息及通信子系统中的应用交通信息及通信子系统是基于北斗系统的智能交通系统的神经中枢，负责交通信息的采集、处理和分发工作。 应包括信息采集、处理和发布分系统，如图 1所示。上述各分系统中，利用“信息采集”分系统，不仅车辆的位置可以由北斗车载用户机准确测量并提供到智能交通信息子系统中，其他采集信息部位，只要需要结合位置信息，均可由北斗系统提供。其中，交通设施信息是智能交通管理数据的重要组成部分之一，作为交通运输的详细信息，例如交通中的红绿灯控制信息、步行街、单行道、禁止左转等信息，公路交通中的路况、车道数、限速等有关交通运输专用信息在实际中经常发生变化，随时掌握交通设施的位置及变化，对交通管理，规划出行路线等至关重要。另外，各段路况的实时采集，包括各路段车流量、拥塞程度以及道路条件等，这些实时信息可以利用雷达监测器、摄像机等实时采集，也可在采集的基础上由交管部门发布文字信息等等。上述采集到的各种交通信息，除图像、视频、语音信息外，其文本信息（如位置、交通流量、道路设施变化情况等等）均可应用北斗系统的通信服务传输到信息服务器。各种交通信息经“信息处理”分系统（中心）处理后，通过“信息发布”分系统包括3G/4G网络、互联网、广播等发布交通信息，但是诸如有关路段事故、急救等紧急、重要的信息在通过陆基无线/有线通信通道传输的同时应该通过北斗系统的通信服务传输给监控中心及相关的北斗系统移动车辆用户终端，保证这些紧急、重要的交通信息在任何环境下不中断。3.2 北斗系统在 ITS移动车辆用户终端中的应用如图 2所示 , 该系统由北斗系统车载用户机、显示器、微处理机、用户软件（包括电子地图软件、导航软件、专家系统等）、数据库（包括地理信息数据、交通设施数据库等）、3G/4G通信及辅助定位等, 北斗系统车辆用户终端能够为驾驶员提供车辆的位置、导航以及查询交通信息等服务，还可通过该系统把本车的位置及其相关的信息传输到交通信息中心。系统利用用户软件通过地理信息数据库、北斗系统提供的位置和交通信息（包括3G/4G网络提供的），负责向司机提供本车的位置、选择最佳路线、路况信息以及相关旅游信息等，其中专家系统，将不断根据路况和车信息发布信息采集北斗车载用户机；车辆通行电子信息 卡；交通设施及路况信 息；人工输入信息；,信息服务器；专家系统；GIS 应用系统；人工决策信息处理互联网；手机；车载终端；广播；路侧广播；电子情报板；电话服务台；,图 1 交通信息及通信子系统组成示意图Compass 车载用户机显示器及键板微处理器用户软件数据库3G/4G 通信及辅助定位图 2 移动车辆用户终端示意图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 流信息及其趋势，提出相应的导航建议，达到最佳的车路协同。显示器及面板则是人机交互接口。系统还可以人工向监控中心发布本车及周围路况等交通相关信息， 如拥塞、 交通事故、 车辆故障以及急救信息（包括车辆遇险、遭劫等）。从发展的观点来看，随着智能交通系统车辆用户终端的进一步发展后，车辆自动控制系统最终可以发展成车辆无人自动驾驶系统。3.3 北斗系统在 ITS 的交通监管子系统中的应用交通监管子系统是智能交通系统中非常重要的一个子系统， 可以对交通整体进行监测管理、指挥调度、以及安全救助等，直接关系到 ITS的实时、 准确、 高效功能的发挥。 该子系统包括交通信息监管设备（软件）以及通信指挥设备（软件）等组成。交通信息监管设备（软件）对交通信息及通信子系统的原始信息服务器和发布系统所发布的重要交通信息进行实时监测和进一步的处理，根据需要，筛选出监测对象，对其相应的状态信息、环境信息以及趋势信息进行监控，通过其通信指挥设备（软件）对其监管对象实施指挥、调度、管理以及安全救助等等。监管过程中的通信手段包括北斗系统通信、3G/4G等无线通信、互联网通信等。该子系统典型应用包括：（1）交通信息查询。 为监管中心提供监测对象的信息。用户能够在电子地图上根据需要进行查询，查询资料可以文字、语言及图像的形式进行，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内任意目标的所在位置进行查询，车辆信息将在控制中心的电子地图上显示出来。（2）交通流量监测。 为了对交通态势进行多方面分析，利用北斗系统采集到的实时路况信息结合其他交通数据，对道路交通状况进行分析，提供某路段的实时流量，也提供由多条路段形成的道路交通状态。（3）车辆跟踪。 利用北斗系统和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，对重要车辆和货物进行跟踪运输，包括长途货运车辆、危险品运输车辆等重要监控对象进行跟踪监控。如：利用北斗系统可实现对运钞车、长途运输车等特殊交通工具进行实时监控。运钞车内安装北斗系统后 , 如果路途遭遇抢劫, 押运员可触发报警装置，监控中心的电子地图将会自动显示报警车辆的位置、车速、行驶路线等信息, 同时系统自动将信息上传到公安部门的电子地图上, 警方迅速调动警力进行围堵。在每辆长途运输车辆上安装数据存储器, 时刻记录车辆的位置数据, 定期将数据下载到控制中心, 可以查看车辆是否按预定轨迹接送货物, 以及途中停歇情况。（4）公交车监控和调度。公共交通管理部门可以采用车辆监管系统对各车发回的信息进行综合分析, 再将调度命令发送给司机，及时调整车辆运行情况，实现有效管理。同时，还可以推广使用电子站牌，电子站牌通过无线数据链路接收即将到站车辆发出的位置和速度信息， 显示车辆运行信息，并预测到站时间，为乘客提供方便。（5）出租车叫车服务。出租车叫车服务系统和监控系统互联互通， 当客户用电话或者网络请求服务时，系统快速通过卫星导航定位系统找到离乘客最近的空载车并通知该车前往接送客人，经司机同意后马上答复客户载客出租车的车牌号和到达时间，从而实现快速响应。（6）行车安全管理。 通过对北斗系统位置信息的显示分析，能对道路上一些不安全的行为进行记录，以便事后及时处理与纠正，如超速行驶，在单行线上逆行，不按规定拐弯，不按交通限制行驶等情况。（7）紧急援助。 通过北斗系统定位和监控管理系统， 可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图可显示求助信息和报警目标，规划出最优援助方案，并以声、光报警提醒值班人员进行应急处理。（8）交通事故分析。 运用系统中保存北斗系统信息，可将发生的交通事故重现出来，管理人员可根据当时车辆的行驶路线、方向、速度等得出事故发生的原因。加快事故的确认和处理，使受阻的路段尽快恢复通行，提高道路交通运营能力。4 北斗卫星导航系统在智能交通系统应用中存在的问题及建议4.1 定位精度北斗系统的定位误差和GPS一样，主要来源于卫星、卫星信号的传播延时和地面接收设备, 造成的后果是移动的车辆在监控中心的电子地图上显示混乱。在使用“北斗一代”的情况下，北斗系统的定位精度达到 20米以内，这已经达到当前GPS民用精度。在区域性被动式定位系统或全球定位系统建成后，精度即可提高一倍， 即达到 10米以内的精度。 这个精度到 2012年底即可实现。若需要更高的精度，可以使用其星基广域差分系统1米精度的定位服务，这个精度要比现在的GPS差分定位精度提高25倍4.2 定位盲区有时由于道路两旁地物特征复杂, 如高大建筑名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 物、隧道、 立交桥、 树木等地物的反射和遮蔽等影响，车载北斗系统接收机接收到的卫星信号存在严重的多路径效应，在某些区域内由于信号受到遮挡甚至会形成北斗系统定位盲区。对于定位盲区问题的解决，笔者首先建议采用移动通信基站定位技术来辅助北斗系统定位，其优点有：（1）缩短各车载导航仪初始定位时间；（2）可以消除北斗系统信号遮挡区域对ITS的影响；（ 3）移动基站信号穿透能力强， 可以将基于北斗系统的ITS 应用于室内、地下车库甚至地铁等在卫星信号完全阻断的场合使用。当然，对定位精度要求不高的情况，这是适用的；对于一些重要区域，需要连续高精度无缝的定位数据，则可以参照日本的“室内精确定位系统（Indoor messaging system ，IMES ）” 该系统通过一些预置在室内的信号发射器、移动设备中经过修改的内嵌固件、以及相应的信息服务器，共同组成了一个无缝的室内定位系统。其次，也可以使用多星座卫星组合系统，当前可以使用的卫星导航系统包括GPS和GLONASS ， 今后还可集成 GALILEO 系统，虽然他们都是国外的卫导系统，但是多星座组合系统，具有可见星数多、选择性大，几何精度系数好等特点，可以提高导航定位的可靠性和精度。4.3 通信带宽由于北斗二代只是保留北斗一代的短消息通信功能，该功能每次最多只能发送120个汉字的短消息，而且每小时最多通信54万次。按照这个数值计算，这种卫星通信与通常卫星通信的带宽相差甚远，难以满足ITS对通信的要求。考虑到北斗全球定位系统计划于2020年才能完全完成，所以，强烈建议升级北斗通信系统， 提升北斗系统在包括ITS的LBS应用性能， 这将具有十分重大战略意义。根据目前北斗系统现状，上述涉及到通信问题的时候，笔者只要求重要、紧急的文本信息可以通过北斗通信通道传输，而涉及传输量较大的图像及其他数据，笔者建议使用陆基无线通信传输。 当前无线通信已经进入3G时代， 4G通信也正在试验阶段， 并已经出现 LTE 、LTE-Advanced 、WiMax 、HSPA+ 以及 WirelessMAN-Advanced等多个标准，4G通信具有通信速度快、网络频谱宽、通信质量高以及智能经济等特点，估计2015左右将进入实际应用。因此，在北斗系统投入包括ITS在内的 LBS 应用中， 应该尽快研究和发展4G通信和北斗系统的结合应用。5 结束语随着北斗系统应用的推广，本文认为北斗系统在我国完全可以也必须取代GPS 在 ITS 中应用的地位，并较为详细地说明了北斗系统在ITS 各子系统中的广泛应用。当前，我国已经进入北斗二代建设和试用阶段，应该充分发挥北斗系统的特长，从国家基础资源建设以及国家安全的角度出发，大力发展和推广北斗系统及其在包括ITS 在内的 LBS 方面的应用。在ITS的交通信息及通信、移动车辆用户终端以及交通监管等子系统各方面，应充分发挥北斗系统的卫星通信和星基差分的优势，力争把中国的ITS 打造成名副其实的实时、准确、高效和可靠的综合性交通管理系统。参考文献1王青、吴一红， 北斗系统在基于位置服务中的应用，卫星与网络，2010年04期。2杜飞，卫星导航定位系统在智能交通系统中的应用研究，华东公路，第二期，2007年4月 20日。3北斗卫星导航系统发展报告（1.0版），中国卫星导航系统管理办公室，2011 年12月17日。名师资料总结 - 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