北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、The Application of Compass in the Intelligent Transportation SystemZhigang XuPolice Maritime Academy, Ningbo, ChinaAbstract: According to the current development problems of developed urban transportation and Intelligent Transportation System (ITS), and the characteristics of Compass application in

2、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)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用徐志剛公安海警學(xué)院，寧波，中

3、國(guó)，315801【摘要】根據(jù)當(dāng)前發(fā)達(dá)城市交通以及我國(guó)在智能交通系統(tǒng)發(fā)展中存在的問題，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智能交通系統(tǒng)中應(yīng)用的特點(diǎn)，分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智能交通系統(tǒng)各方面的應(yīng)用，并針對(duì)這些應(yīng)用提出了可能存在的問題及建議?！娟P(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；智能交通系統(tǒng)； 基于位置服務(wù)1 引言我國(guó)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的發(fā)展中國(guó)家，改革開放以來，城市化與汽車化發(fā)展十分迅猛。改革開放前，城市化水平不足19%，據(jù)今年公布的人口普查結(jié)果，我國(guó)的城鎮(zhèn)人口接近6.66億人，城鎮(zhèn)化率達(dá)到49.68 %；相應(yīng)的車輛增長(zhǎng)也非?？焖伲刂?011年6月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車總量達(dá)2.17億輛，其中私家車達(dá)7206萬輛，并且私家車

4、擁有率呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。反觀中國(guó)城市道路建設(shè)情況，改革開放以來，中國(guó)道路交通設(shè)施及管理設(shè)施雖然有較大改觀，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)速度，而且總體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距，特別是大多數(shù)城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，道路功能不完善，道路系統(tǒng)不健全。造成城市交通擁塞嚴(yán)重，交通效率大大下降。另外，交通擁堵、車速下降以及車況差、車輛技術(shù)性能低等，致使汽車尾氣對(duì)城市的空氣污染劇增。同時(shí)，車輛狀況差也直接影響到城市交通，并已成為制約我國(guó)城市交通的重要因素。以車況較好的北京市為例，平均日故障次數(shù)達(dá)500次以上，給城市交通帶來巨大壓力。另外一個(gè)問題，就是我國(guó)大多城市交通管理設(shè)施缺乏，管理水平不高。即使各地都建立了交通控制中

5、心，大多只是實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視功能，而遠(yuǎn)沒有發(fā)揮控制功能。正是由于的車輛、道路和管理發(fā)展不均衡所帶來的問題，迫切需要發(fā)展智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）來緩解上述問題。智能交通系統(tǒng)是以信息、通信、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)將人、車、路三者緊密協(xié)調(diào)、和諧統(tǒng)一，而建立起的大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的運(yùn)輸管理系統(tǒng)。ITS將有效地利用現(xiàn)有交通設(shè)施、減少交通負(fù)荷和環(huán)境污染、保證交通安全、提高運(yùn)輸效率、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量，并以推動(dòng)社會(huì)信息化及形成新產(chǎn)業(yè)受到各國(guó)的重視，目前已成為世界21世紀(jì)交通系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國(guó)在上世紀(jì)90年代末期就

6、確立智能交通系統(tǒng)的研究和發(fā)展戰(zhàn)略，并已經(jīng)在北京、上海、廣州等一些發(fā)達(dá)城市實(shí)施了ITS的“關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和示范工程”。經(jīng)過十多來年的發(fā)展，我國(guó)ITS發(fā)展總體形勢(shì)良好，但在管理面層主要存在問題如下：體制分散，統(tǒng)一協(xié)調(diào)不夠；引進(jìn)太多，消化創(chuàng)新不夠；政府主導(dǎo)，民間參與不夠。從技術(shù)的戰(zhàn)略面層來看，我國(guó)幾乎所有的ITS都是建立在美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）的基礎(chǔ)上的，這是個(gè)基礎(chǔ)性戰(zhàn)略性的缺陷?，F(xiàn)在我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（下述簡(jiǎn)稱“北斗系統(tǒng)”）發(fā)展快速，完全可以取代GPS在ITS的地位，北斗系統(tǒng)將在我國(guó)的ITS中具有更加重要和更廣泛的應(yīng)用。2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智能交通系統(tǒng)中應(yīng)用的特點(diǎn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間星

7、座、地面控制和用戶終端三大部分組成。空間星座部分由 5 顆對(duì)地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和 30 顆對(duì)地球非靜止軌道（Non-GEO）衛(wèi)星組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后將為全球用戶提供衛(wèi)星定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，并為我國(guó)及周邊地區(qū)用戶提供定位精度1米的廣域差分服務(wù)和120個(gè)漢字/次的短報(bào)文通信服務(wù)。衛(wèi)星定位、無線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是ITS的支撐技術(shù)，具有廣域差分服務(wù)以及短報(bào)文通信服務(wù)功能的北斗系統(tǒng)將比GPS更適合應(yīng)用在ITS中。從國(guó)家的根本利益出發(fā)，今后我國(guó)的ITS也必須建立在北斗系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上。北斗系統(tǒng)在ITS中的應(yīng)用，具有以下幾個(gè)GPS不能擁有的特點(diǎn)：首先，北斗系統(tǒng)完全為我國(guó)所有和控制，系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)

8、不受國(guó)際環(huán)境變化的影響；系統(tǒng)具有很好的加密功能，可以有效保障用戶關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在處理、存儲(chǔ)、傳輸過程中的安全性。其次，北斗系統(tǒng)的通信功能，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)中心或中轉(zhuǎn)站等多種數(shù)據(jù)信息通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)用戶之間、用戶和管理部門之間雙向或轉(zhuǎn)發(fā)通信，對(duì)于ITS中智能監(jiān)管、調(diào)度和安全救助，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。尤其是在發(fā)生地震等重大災(zāi)難面前，建立在北斗系統(tǒng)基礎(chǔ)上的ITS可以在脫離陸基無線及有線通信網(wǎng)絡(luò)的情況下正常工作，而基于GPS的ITS在陸基無線或有線通信網(wǎng)絡(luò)的中斷的情況下根本無法工作。另外，建立在衛(wèi)星通信基礎(chǔ)之上的ITS，不僅可以運(yùn)行在陸基無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)繁華的鬧市，即使在陸基無線通信網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋的偏

9、遠(yuǎn)地區(qū)同樣可以使用，尤其是車輛在偏遠(yuǎn)地區(qū)出現(xiàn)安全事故的情況下，能夠及時(shí)得到救助。第三，由于北斗系統(tǒng)在我國(guó)及周邊國(guó)家具備基于衛(wèi)星的廣域差分服務(wù)，這將為ITS提供比GPS更為精確位置信息。3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用通常，智能交通系統(tǒng)通常包括交通信息、車輛監(jiān)控、車輛管理以及車輛控制等子系統(tǒng)組成。將北斗系統(tǒng)代替GPS應(yīng)用于ITS后，可以建立一種新型的ITS，基于北斗系統(tǒng)的ITS將由交通信息及通信、車輛用戶終端以及交通監(jiān)管等子系統(tǒng)組成，北斗系統(tǒng)將在上述各部分中具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。3.1 北斗系統(tǒng)在ITS的交通信息及通信子系統(tǒng)中的應(yīng)用交通信息及通信子系統(tǒng)是基于北斗系統(tǒng)的智能交通系統(tǒng)的神經(jīng)中樞

10、，負(fù)責(zé)交通信息的采集、處理和分發(fā)工作。應(yīng)包括信息采集、處理和發(fā)布分系統(tǒng)，如圖1所示。上述各分系統(tǒng)中，利用“信息采集”分系統(tǒng)，不僅車輛的位置可以由北斗車載用戶機(jī)準(zhǔn)確測(cè)量并提供到智能交通信息子系統(tǒng)中，其他采集信息部位，只要需要結(jié)合位置信息，均可由北斗系統(tǒng)提供。其中，交通設(shè)施信息是智能交通管理數(shù)據(jù)的重要組成部分之一，作為交通運(yùn)輸?shù)脑敿?xì)信息，例如交通中的紅綠燈控制信息、步行街、單行道、禁止左轉(zhuǎn)等信息，公路交通中的路況、車道數(shù)、限速等有關(guān)交通運(yùn)輸專用信息在實(shí)際中經(jīng)常發(fā)生變化，隨時(shí)掌握交通設(shè)施的位置及變化，對(duì)交通管理，規(guī)劃出行路線等至關(guān)重要。另外，各段路況的實(shí)時(shí)采集，包括各路段車流量、擁塞程度以及道路條件

11、等，這些實(shí)時(shí)信息可以利用雷達(dá)監(jiān)測(cè)器、攝像機(jī)等實(shí)時(shí)采集，也可在采集的基礎(chǔ)上由交管部門發(fā)布文字信息等等。上述采集到的各種交通信息，除圖像、視頻、語音信息外，其文本信息（如位置、交通流量、道路設(shè)施變化情況等等）均可應(yīng)用北斗系統(tǒng)的通信服務(wù)傳輸?shù)叫畔⒎?wù)器。各種交通信息經(jīng)“信息處理”分系統(tǒng)（中心）處理后，通過“信息發(fā)布”分系統(tǒng)包括3G/4G網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、廣播等發(fā)布交通信息，但是諸如有關(guān)路段事故、急救等緊急、重要的信息在通過陸基無線/有線通信通道傳輸?shù)耐瑫r(shí)應(yīng)該通過北斗系統(tǒng)的通信服務(wù)傳輸給監(jiān)控中心及相關(guān)的北斗系統(tǒng)移動(dòng)車輛用戶終端，保證這些緊急、重要的交通信息在任何環(huán)境下不中斷。3.2 北斗系統(tǒng)在ITS移動(dòng)車

12、輛用戶終端中的應(yīng)用的位置及其相關(guān)的信息傳輸?shù)浇煌ㄐ畔⒅行?。系統(tǒng)利圖 2 移動(dòng)車輛用戶終端示意圖 用用戶軟件通過地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、北斗系統(tǒng)提供的位置和交通信息（包括3G/4G網(wǎng)絡(luò)提供的），負(fù)責(zé)向司機(jī)提供本車的位置、選擇最佳路線、路況信息以及相關(guān)旅游信息等，其中專家系統(tǒng)，將不斷根據(jù)路況和車流信息及其趨勢(shì)，提出相應(yīng)的導(dǎo)航建議，達(dá)到最佳的車路協(xié)同。顯示器及面板則是人機(jī)交互接口。系統(tǒng)還可以人工向監(jiān)控中心發(fā)布本車及周圍路況等交通相關(guān)信息，如擁塞、交通事故、車輛故障以及急救信息（包括車輛遇險(xiǎn)、遭劫等）。從發(fā)展的觀點(diǎn)來看，隨著智能交通系統(tǒng)車輛用戶終端的進(jìn)一步發(fā)展后，車輛自動(dòng)控制系統(tǒng)最終可以發(fā)展成車輛無人自動(dòng)駕駛

13、系統(tǒng)。3.3 北斗系統(tǒng)在ITS的交通監(jiān)管子系統(tǒng)中的應(yīng)用交通監(jiān)管子系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)子系統(tǒng)，可以對(duì)交通整體進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理、指揮調(diào)度、以及安全救助等，直接關(guān)系到ITS的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效功能的發(fā)揮。該子系統(tǒng)包括交通信息監(jiān)管設(shè)備（軟件）以及通信指揮設(shè)備（軟件）等組成。交通信息監(jiān)管設(shè)備（軟件）對(duì)交通信息及通信子系統(tǒng)的原始信息服務(wù)器和發(fā)布系統(tǒng)所發(fā)布的重要交通信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和進(jìn)一步的處理，根據(jù)需要，篩選出監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)其相應(yīng)的狀態(tài)信息、環(huán)境信息以及趨勢(shì)信息進(jìn)行監(jiān)控，通過其通信指揮設(shè)備（軟件）對(duì)其監(jiān)管對(duì)象實(shí)施指揮、調(diào)度、管理以及安全救助等等。監(jiān)管過程中的通信手段包括北斗系統(tǒng)通信、3G/4G等無線

14、通信、互聯(lián)網(wǎng)通信等。該子系統(tǒng)典型應(yīng)用包括：（1）交通信息查詢。為監(jiān)管中心提供監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。用戶能夠在電子地圖上根據(jù)需要進(jìn)行查詢，查詢資料可以文字、語言及圖像的形式進(jìn)行，并在電子地圖上顯示其位置。同時(shí)，監(jiān)測(cè)中心可以利用監(jiān)測(cè)控制臺(tái)對(duì)區(qū)域內(nèi)任意目標(biāo)的所在位置進(jìn)行查詢，車輛信息將在控制中心的電子地圖上顯示出來。（2）交通流量監(jiān)測(cè)。為了對(duì)交通態(tài)勢(shì)進(jìn)行多方面分析，利用北斗系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)路況信息結(jié)合其他交通數(shù)據(jù)，對(duì)道路交通狀況進(jìn)行分析，提供某路段的實(shí)時(shí)流量，也提供由多條路段形成的道路交通狀態(tài)。（3）車輛跟蹤。利用北斗系統(tǒng)和電子地圖可以實(shí)時(shí)顯示出車輛的實(shí)際位置，對(duì)重要車輛和貨物進(jìn)行跟蹤運(yùn)輸，包括長(zhǎng)途貨運(yùn)車

15、輛、危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛等重要監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行跟蹤監(jiān)控。如：利用北斗系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)鈔車、長(zhǎng)途運(yùn)輸車等特殊交通工具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)鈔車內(nèi)安裝北斗系統(tǒng)后, 如果路途遭遇搶劫, 押運(yùn)員可觸發(fā)報(bào)警裝置，監(jiān)控中心的電子地圖將會(huì)自動(dòng)顯示報(bào)警車輛的位置、車速、行駛路線等信息, 同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將信息上傳到公安部門的電子地圖上, 警方迅速調(diào)動(dòng)警力進(jìn)行圍堵。在每輛長(zhǎng)途運(yùn)輸車輛上安裝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器, 時(shí)刻記錄車輛的位置數(shù)據(jù), 定期將數(shù)據(jù)下載到控制中心, 可以查看車輛是否按預(yù)定軌跡接送貨物, 以及途中停歇情況。（4）公交車監(jiān)控和調(diào)度。公共交通管理部門可以采用車輛監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)各車發(fā)回的信息進(jìn)行綜合分析 , 再將調(diào)度命令發(fā)送給司機(jī)，及時(shí)調(diào)

16、整車輛運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)有效管理。同時(shí)，還可以推廣使用電子站牌，電子站牌通過無線數(shù)據(jù)鏈路接收即將到站車輛發(fā)出的位置和速度信息，顯示車輛運(yùn)行信息，并預(yù)測(cè)到站時(shí)間，為乘客提供方便。（5）出租車叫車服務(wù)。出租車叫車服務(wù)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)互通，當(dāng)客戶用電話或者網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求服務(wù)時(shí)， 系統(tǒng)快速通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)找到離乘客最近的空載車并通知該車前往接送客人，經(jīng)司機(jī)同意后馬上答復(fù)客戶載客出租車的車牌號(hào)和到達(dá)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。（6）行車安全管理。通過對(duì)北斗系統(tǒng)位置信息的顯示分析，能對(duì)道路上一些不安全的行為進(jìn)行記錄，以便事后及時(shí)處理與糾正，如超速行駛，在單行線上逆行，不按規(guī)定拐彎，不按交通限制行駛等情況。（7）緊

17、急援助。通過北斗系統(tǒng)定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以對(duì)遇有險(xiǎn)情或發(fā)生事故的車輛進(jìn)行緊急援助。監(jiān)控臺(tái)的電子地圖可顯示求助信息和報(bào)警目標(biāo)，規(guī)劃出最優(yōu)援助方案，并以聲、光報(bào)警提醒值班人員進(jìn)行應(yīng)急處理。（8）交通事故分析。運(yùn)用系統(tǒng)中保存北斗系統(tǒng)信息，可將發(fā)生的交通事故重現(xiàn)出來，管理人員可根據(jù)當(dāng)時(shí)車輛的行駛路線、方向、速度等得出事故發(fā)生的原因。加快事故的確認(rèn)和處理，使受阻的路段盡快恢復(fù)通行，提高道路交通運(yùn)營(yíng)能力。4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智能交通系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題及建議4.1 定位精度北斗系統(tǒng)的定位誤差和GPS一樣，主要來源于衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)的傳播延時(shí)和地面接收設(shè)備, 造成的后果是移動(dòng)的車輛在監(jiān)控中心的電子地圖上顯

18、示混亂。在使用“北斗一代”的情況下，北斗系統(tǒng)的定位精度達(dá)到20米以內(nèi)，這已經(jīng)達(dá)到當(dāng)前GPS民用精度。在區(qū)域性被動(dòng)式定位系統(tǒng)或全球定位系統(tǒng)建成后，精度即可提高一倍，即達(dá)到10米以內(nèi)的精度。這個(gè)精度到2012年底即可實(shí)現(xiàn)。若需要更高的精度，可以使用其星基廣域差分系統(tǒng)1米精度的定位服務(wù)，這個(gè)精度要比現(xiàn)在的GPS差分定位精度提高25倍4.2 定位盲區(qū)有時(shí)由于道路兩旁地物特征復(fù)雜, 如高大建筑物、隧道、立交橋、樹木等地物的反射和遮蔽等影響，車載北斗系統(tǒng)接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)存在嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)，在某些區(qū)域內(nèi)由于信號(hào)受到遮擋甚至?xí)纬杀倍废到y(tǒng)定位盲區(qū)。對(duì)于定位盲區(qū)問題的解決，筆者首先建議采用移動(dòng)通信基站定

19、位技術(shù)來輔助北斗系統(tǒng)定位，其優(yōu)點(diǎn)有：（1）縮短各車載導(dǎo)航儀初始定位時(shí)間；（2）可以消除北斗系統(tǒng)信號(hào)遮擋區(qū)域?qū)TS的影響；（3）移動(dòng)基站信號(hào)穿透能力強(qiáng)，可以將基于北斗系統(tǒng)的ITS應(yīng)用于室內(nèi)、地下車庫(kù)甚至地鐵等在衛(wèi)星信號(hào)完全阻斷的場(chǎng)合使用。當(dāng)然，對(duì)定位精度要求不高的情況，這是適用的；對(duì)于一些重要區(qū)域，需要連續(xù)高精度無縫的定位數(shù)據(jù)，則可以參照日本的“室內(nèi)精確定位系統(tǒng)（Indoor messaging system，IMES）” 該系統(tǒng)通過一些預(yù)置在室內(nèi)的信號(hào)發(fā)射器、移動(dòng)設(shè)備中經(jīng)過修改的內(nèi)嵌固件、以及相應(yīng)的信息服務(wù)器，共同組成了一個(gè)無縫的室內(nèi)定位系統(tǒng)。其次，也可以使用多星座衛(wèi)星組合系統(tǒng)，當(dāng)前可以使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括GPS和GLONASS，今后還可集成GALILEO系統(tǒng)，雖然他們都是國(guó)外的衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)，但是多星座組合系統(tǒng)，具有可見星數(shù)多、選擇性大，幾何精度系數(shù)好等特點(diǎn)，可以提高導(dǎo)航定位的可靠性和精度。4.3 通信帶寬由于北斗二代只是保留北斗一代的短消息通信功能，該功能每次最多只能發(fā)送120個(gè)漢字的短消息，而且每小時(shí)最多通信54萬次。按照這個(gè)數(shù)值計(jì)算，這種衛(wèi)星通信與通常衛(wèi)星通信的帶寬相差甚遠(yuǎn)，難以滿足ITS對(duì)通信的要求?？紤]到北斗全球定位系統(tǒng)計(jì)劃于2020年才能完全完成，所以，強(qiáng)烈建議升級(jí)北斗通信系統(tǒng)，提升北斗系統(tǒng)在包括ITS的LBS應(yīng)用性能，這將具有十分重大戰(zhàn)略意義。根據(jù)目前北斗