基于GNSS_CN高速公路自动收费系统的研究与设计

王 勇

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001）

随着我国汽车保有量的快速增加和高速公路的快速投资建设，高速公路管理以及组网收费越来越复杂。交通拥堵、交通安全、能源浪费、环境污染等问题日益严峻[1]。高速公路收费高、收费期限模糊的问题一直备受公众的质疑，当前，全球有超过70%的收费公路在中国，中国的智能交通系统的开发应用前景广阔，因此，规范我国交通管理，解决交通网中的交通信息服务系统(ATIS)、交通管理系统(ATMS) 、公共交通系统(APTS)、车辆控制系统(AVCS)、货运管理系统、电子收费系统(ETC)、紧急救援系统(EMS)等七大应用中的问题迫在眉睫。

1 系统工作原理

本设计是针对全球卫星导航系统（包括GPS、GLONASS、GALILEO和BD）和蜂窝通信系统，即Global Navigation Satellite System / Cellular Network（GNSS/CN）开发的智能交通系统中的车载单元，车载单元通过车载GPS和惯性传感器以及微机电传感器获取当前车辆的经度，纬度，速度等参数，通过蜂窝网络中GPRS/GSM或CDMA技术向交通控制中心发送数据，在交通控制中心的显示设备上可动态显示和收费，根据车辆的当前状态，科学地进行调度和管理，从而提高运营效率。

整个系统由GPS 卫星、车载终端、通信网络（GPRS 和Internet ）和监控中心组成。车辆在运行过程中，车载终端的GPS 接收机接收定位数据，计算出车辆当前的经度、纬度、速度、航向和其他信息（时间、状态），然后通过GPRS等无线网络传送到具有静态IP 地址的监控中心，并存入中心数据库，实时电子地图进行匹配[2]并动态跟踪显示。

2 系统硬件设计

本系统主要由九部分组成：分别为GPS/BD接收机模块、嵌入式双核控制模块和GPRS/GSM 模块、DRSC模块、INS/MEMS惯性传感器模块、蓝牙通信模块、触摸屏显示模块、GIS数据库模块、电源管理模块。硬件框图如图1[3-7]。

图1 系统硬件框图Fig. 1 Block diagram of hardware system

在本系统中处理器采用嵌入式双核，主要由两个部分组成, 一部分是ARM处理核, 一部分是DSP处理核。ARM核因为有丰富的接口驱动和软件的开源性，主要处理蓝牙模块、GIS数据库模块、TFT触摸屏模块、DRSC模块的处理工作。DSP核具有高速的计算能力，主要处理GPRS/GSM模块、GPS/GLONASS模块、MEMS/INS传感器模块、以及卡尔曼滤波器[12-13]的软件设计和电源模块等。为了节省车辆设备空间和其他车载设备像速度表、里程表等的融合增值，以后可以增加媒体播放等娱乐功能和自动相关监视（ADS）等汽车防撞功能。考虑到GPS信号在隧道或者城市峡谷、高架桥下等环境中GPS信号可能被遮挡或不能达到精确定位所需的最少卫星数时，增加以惯性传感器（INS）或微机电传感器（MEMS）为基础的推算导航，采用卡尔曼滤波器将两者融合在一起，进一步提高了系统精确定位的可靠性，为电子地图匹配提供了有力数据支持。此外为方便车载通话和数据传输，采用了蓝牙通信机制，增加了蓝牙模块。还配备了液晶显示和各种丰富的用户接口资源等。

通过硬件设计, 车载终端将实现对GNSS 定位数据的接收与分类处理，实现对监控收费中心命令的接收与解析，并且向监控收费中心发送定位信息等功能。

3 多卫星定位系统融合的实现

卡尔曼滤波（KF）已经被认为是一种标准的滤波与信息融合方法，并且被广泛应用于车辆定位中。但是，如果直接将卡尔曼滤波应用于GPS/DR组合定位系统，即采用卡尔曼滤波集中处理所有传感器的量测数据，不仅滤波器的阶次高、计算量大；且系统不具有容错能力，一旦某个传感器发生故障，将导致整个组合定位系统无法正常工作。基于此，本文采用了一种简化的联合卡尔曼滤波器，以实现GPS/DR组合系统的滤波与信息融合。参照通用联邦卡尔曼滤波器的结构，去除其中的参考系统，且让主滤波器无信息分配，这样就得到如图2所示的简化了的联合卡尔曼滤波器，其显著特点是主系统的计算量最小，而且总体系统前向滤波速度最快，系统设计最佳。

图2 联合卡尔曼滤波结构Fig. 2 Calman filter structure

其基本原理是：两个局部传感器分别处理GPS和DR系统的定位数据。两者的状态估计输送到主滤波器进行最优融合并产生高精度的全局估计，然后按照信息分配系数对局部滤波器进行状态反馈重置，从而使局部滤波器的精度也获得提高。一旦某个子系统发生故障，只需要调整信息分配系数便可实现另一个子系统独立定位。

简化的联合卡尔曼滤波的主滤波器部分不进行滤波处理，只对来自不同传感器的定位数据完成数据的综合。这种分散式滤波结构，不仅没有降低组合系统的定位精度，而且计算量小，稳定性高，且避免了误差的“污染”,具有很强的容错能力，因而更适用于车载GPS/DR组合定位系统的信息融合。

4 系统软件设计

整个软件系统分三大块：操作系统及硬件驱动、导航系统相关软件、收费系统及其他应用软件。分主控模块、GNSS模块、蜂窝通信模块、蓝牙等设计组合而成。软件系统模块如图3。

图3 软件系统模块结构图Fig. 3 Software system module structure diagram

图2中导航系统的I/O层，包括一个可以伸缩的I/O硬件抽象层和实际的I/O接口。核心层读取从I/O抽象层传过来的数据并进行处理，实现的主要功能主要包括：地图显示、POI查询、路线引导、车辆信息管理、媒体播放等。核心层一样对这些功能模块进行统一管理，它提供可伸缩的架构，如果需要新的功能，只需要选用预先定义的接口即可，无须改变任何的软件结构。

车载单元装置软件主要实现的功能是从主控模块的串口接收到GNSS模块的定位信息，经过主控模块的处理后通过串口传送到蜂窝通信模块，由蜂窝通信模块通过无线数传方式发送到收费监控中心上。其程序包括看门狗程序、串口通信程序、GPS数据接收程序、蜂窝通信收发程序、数据处理及控制程序。系统通过收费监控中心的远端控制方，按预先设置的流程进行控制与获取相应的信息，同时还可控制其工作模式，为了节省供电消耗，只有在进入收费路段时，才启用收费价目表的下载，启动计费子程序。

人机交互层（HMI）主要包含图形渲染器、逻辑控制模块、输入控制模块3部分。其软件架构如图4所示。

图4 导航系统软件架构Fig. 4 Navigation system software architecture

图形渲染器主要是显示最终的界面（包括地图显示和其他显示部分），图形渲染器是一套完整的图形渲染接口，可以使用不同平台的不同图形接口来实现。逻辑控制主要对界面逻辑进行控制，菜单、按钮、对话框的状态都经过逻辑控制集中控制。输入控制直接接受鼠标、键盘、遥控器或者触摸屏返回的信息，来反映当前用户的操作状态，提供给用户操作接口。人机交互层实现了完整的界面元素、消息控制，用于和终端用户进行互操作，最终图形化的元素也均通过这一层显示在屏幕上。

5 结 论

本论文独创性的提出将多卫星定位系统融合来提高定位精度，并采用高可靠、高精度的定位应用于高速公路等收费系统中，实现了基于GNSS/CN高速公路收费车载单元的研究与设计。此车载[8-9]单元利用GPS或/和BD等系统获取车辆的位置、速度等信息，通过蜂窝网 络和控制中心进行通信，将位置、速度等信息发送到控制收费中心，可在控制收费中心和车载单元上进行地图匹配，动态显示车辆位置、速度等以及收费等信息。

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