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一、前言

隨著我國民航產業快速發展，機場內飛機和特種車輛的數量日益增多，地面車輛與飛機、車輛與車輛之間都存在發生碰撞的隱患，在大風大霧等惡劣天氣情況下尤是如此，嚴重的威脅到了機場運營安全。在此背景下，建設機場高精度GNSS車輛監控系統，輔助機場安全管理，是非常必要的。

基于G N S S 的機場車輛調度系統綜合運用了GNSS、通訊、智能控制等多種技術，實現的主要功能包括：

●采用GNSS差分技術實現的厘米級或亞米級精確定位；

●基于二維電子地圖或三維地圖來實現車輛的空間可視化監控管理；

●通過監控車輛的實時運行情況來處理各種突發事件，并對危險狀況（如超速、越界等）進行預警；

●通過各種車輛數據的采集和分析，針對性的制定有效措施，促進機場安全管理系統的改善，提高機場生產運營的效率與安全性。

二、需求概述

●實現機場區域內高精度的車輛位置監控，精度要求亞米級或更高；

●需建立高精度的機場區域電子地圖系統；

●建立高精度GNSS差分系統；

●需考慮到機場中的各種外界因素對GNSS工作和無線通信系統的影響，并制定規避措施；

●實現車載位置數據與監控中心的實時通訊；

●定位數據更新率要求不低于10HZ；

●支持提供經緯坐標信息和平面坐標信息等；

●數據格式為標準NMEA數據，亦可提供自定義報文；

●考慮車載報警提示的功能設計。

三、總體方案設計

本方案設計的核心功能是高精度車輛定位，基于GNSS衛星載波相位差分技術是目前在高精度定位方面最先進的技術，而且經過十幾年的廣泛應用，成熟度也非常高，而近幾年中國北斗衛星導航系統（BDS）的蓬勃發展和應用，使GNSS高精度定位技術在穩定性方面和可靠性方面又得到極大的提升。GNSS定位技術

的幾個顯著特點是：

●全天候工作，不受雨雪風天氣的影響，不受光線影響；

●定位精度高，載波相位差分技術（RTK）動態定位精度最高可達±1cm；

●測速精度高，測速精度可達0.03m/s。

另外，考慮到機場環境的復雜性，實際應用中存在衛星觀測條件不好的情況，例如建筑物遮擋等，因此為了確保車載終端在任何情況下能夠連續定位，必須考慮輔助定位方法，本方案將采用慣性導航技術作為輔助手段，但是由于純慣性定位存在誤差積累的特性，即誤差會隨著時間的延長而降低，因此本方案中采用了慣性-衛星組合導航方法，基于最優估計算法—卡爾曼濾波算法融合兩種導航算法，獲得最優的導航結果；尤其是當衛星導航系統無法工作時，利用慣性導航系統使得導航系統繼續工作，保證導航系統的正常工作，提高了系統的穩定性和可靠性。

除高精度定位技術外，通訊是本方案的另一個關鍵環節，通信鏈路系統是監控中心與車載終端之GNSS基準站與車載終端之間通訊的通道。通訊技術目前可選方法多種多樣，通訊主要考慮安裝便捷性、傳輸穩定性、可容納終端容量、網絡安全和安裝及維護成本等，綜合考慮上述因素，我們提供了幾種可選方案，具體見下文。

監控中心是整個系統的功能操作和實現的核心，其主要職能是實現對機場車輛的監控、調度和管理，還負責響應并處理緊急事件，提供跟蹤定位、和遠程控制等處理措施，監控中心的主要組成部分包括數據處理軟件、數據庫服務器和實時顯示系統。其中，數據處理軟件負責與各車載終端的信息交互，完成各種信息的分類、記錄、修改和轉發，對車輛運行狀況進行實時監控和調度，并及時處理報警信息，同時對整個網絡狀況進行監控管理；數據庫服務器要確保安全、高效、實用。數據庫是整個服務器系統的信息中心，對所有的車輛信息和定位數據，圖片等進行數據存儲；實時顯示系統負責圖形化、圖表化顯示機場車輛總體運行情況，包括電子地圖、車輛位置坐標、速度、油量、駕駛員信息、車牌號等。

基于上述技術分析與項目需求，基本上確立了本方案的三大部分，即監控中心部分、GNSS基準站部分

和車載終端部分，而通訊數據鏈則是連接各部分功能的紐帶。

1、方案原理和拓撲結構

2、系統工作原理

GNSS參考站自動實時播發差分改正數據給車載終端的GNSS接收機，車載終端中的GNSS接收機實接收差分數據并進行差分定位解算，并將解算結果（精確坐標和速度）再實時發送到機場監控指揮中心。

除GNSS數據外，車輛的狀態信息、報警信息及服務請求信息（如有）等也可以通過無線網絡發送到監控指揮中心。

數據中心收集到上述各種信息后，綜合分析處理，并作出明確的報告結果和預警指示，展示在大屏幕上。指揮中心可以根據當前車輛的運行情況，給受控車輛發出調度指令。

3、系統信息流程

(1)GNSS接收機接收衛星信號，同時接收差分無線網絡發送的差分信號，進行解算后通過串口把坐標發送給無線通信模塊。

(2)無線通信模塊把GNSS信息和車輛狀態信息轉發到通信服務器。

(3)通信服務器把接收到的信息存儲到數據庫服務器中，同時根據監控終端的應用需求，把信息實時轉發給數據處理中心。

(4)數據處理中心接收到通信服務器發送來的信息后，發送給數據庫服務器進行存儲，同時發送給監控終端進行可視化顯示，實現車輛監控。

四、方案詳細設計

1、GNSS基準站

GNSS基準站主要負責實時播發RTK差分改正數，使車載移動站接收機能夠達到厘米級的定位精度。GNSS基準站接收機通常與GNSS天線、無線數傳模塊及其組件一起組成GNSS基準站系統。

設備安裝時，基準站接收機與數傳電臺一起歸置設備箱內，為方便檢查維護一般放置于室內，也可以放置于室外； GNSS天線和電臺發射天線必須安置于室外開闊處，并注意固定牢固。

在GNSS基準站選址和建設過程中，用戶可以根據對易建性、實用性、美觀性等因素的不同需求，采取不同的方法，比如可以用水泥或鋼材制作衛星天線觀測墩，或者用金屬材料焊接天線支架等等。GNSS基準站部分的供電系統，須采用12V～15VDC電壓供電，電流要求5A～10A（建議10A），為保證設備能夠長期穩定工作，需要能夠提供的穩定的電流和電壓，建議采用UPS電源。

另外，GNSS基準站屬于永久性或者半永久性設施，須根據現場的條件采取適當的防雷措施，一般機場區域都已經有完善的防雷系統，可以不用另行建設。

GNSS基準站可以選用司南M300Pro型或M300C型接收機，后文中有詳細說明。

2、車載終端

車載終端部分主要包括GNSS接收機（移動站）、數傳模塊（可選）、GNSS天線、數傳模塊天線以及平板電腦（可選），其中GNSS接收機和數傳模塊放置在車內，天線均用吸盤固定在外部車頂。主要功能如下：

●負責接收GNSS基準站廣播的RTK差分改正數信息；

●負責計算和輸出標準格式的高精度定位結果和速度信息；

●負責通過3G網絡把位置和速度信息上傳至監控中心；

●若裝備平板電腦，則可以實現監控中心對駕駛室遠程發送指令和預警。

以下主要介紹GNSS移動站接收機，數傳模塊將在通訊方案中詳細說明。

(1)車載GNSS移動站

車載GNSS移動站作為直接提供數據的設備，至少需達到以下要求：

●實時數據輸出的頻率要求最大支持10HZ；

●差分解算后數據精度應達到亞米級或厘米級；

●為保證位置導航的連貫性，須采用GNSS與INS（慣性導航）組合導航的模式；

●輸出數據類型應支持經緯度坐標和平面坐標；

●對于車載應用，GNSS接收機最好采用主機和天線分體式設計，如此既可以保護主機，有不影響衛星信號的接收。

(2)車載平板電腦

如果需要實現監控調度中心向車輛駕駛室發送指令，并能夠進行告警功能，可以在駕駛室內安裝平板電腦，必要的時候可以對駕駛員發出指示信息。平板電腦將通過網絡與監控中心直接通訊。

3、通訊方案設計

本系統中，涉及到通訊的有兩個方面，一是GNSS基準站播發的差分改正數據要傳送到各個移動終端；另一個是移動站端接收機解算得到高精度的定位結果后要上傳至數據中心。

目前常用的數據通訊方式有兩種，一種是數傳電臺通訊，一種是通過局域網或者Internet網通訊。根據目前實際應用成熟度來看，兩種方式在RTK差分數據通訊中都有大量應用，而且使用網絡通訊越來越多；定位數據上傳方面，目前基本上都是采用網絡通訊。

幾種通訊方式的優缺點大致分析如下：

(1)電臺通訊

RTK差分數據通訊可采用GNSS行業專用的數傳電臺，通過標準RS232串口接收GNSS基準站輸出的差分改正數，然后轉換為模擬信號以無線電形式廣播，電臺需設置特定的頻率，可選范圍在410MHZ~470MHZ

之間，工作示意圖如圖3、圖5。

(2)局域網wifi通訊

局域網通訊一般采用無線網橋設備搭建，它利用無線傳輸方式實現在兩個或多個網絡之間搭起通信的橋梁。無線網橋采用IP傳輸機制，接口協議采用橋接原理實現，具有組網靈活，成本相當對較低的特征，適合于絡數據傳輸和低等級監控類圖像、數據等傳輸，廣泛應用于各種基于純IP構架的數據網絡解決方案。

網橋局域網示意圖如下：

考慮到對監控區域（機場）的完全覆蓋，且可能存在樓房等建筑物或構筑物的遮擋，需根據現場的實際情況確定基站的數量，以保證良好的通信效果。

(3)3G/4G網絡通訊

采用3G或4G網絡通訊，即每個車輛上安裝一套3G/4G網絡通訊模塊，模塊通過公網將GNSS基準站差分數據傳輸給各個車載終端，同時將高精度GNSS定位數據回傳至控制中心（網絡雙向通信），控制中心可以根據模塊的ID識別每個車輛，從而能準確的判斷每個車輛的準確位置。當然，3G/4G模塊也可以單獨用作定位數據上傳，RTK差分數據傳輸采用電臺傳輸（網絡單向通信），連接示意圖如圖5。以下介紹網絡雙向通信方式。

4、電子地圖

本項目需要亞米級別的車輛監控定位，電子地圖的精度必須要更高的級別，也就是要達到厘米級，因此電子地圖要求的指標如下：

●精度要求厘米級；

●地圖的格式，測繪成圖一般是AUTOCAD圖形，監控軟件須能夠接入；

●地圖形式可以是2D或者3D；

●地圖元素至少應包括車道、關鍵區域以及所需要標示的重要地物；

如果已有高精度地圖，且滿足要求，則可以直接使用，但是可能需要做如下工作：

(1)坐標系轉換，即GNSS系統給出的坐標系需要轉換到已有地圖坐標系中。

(2)坐標格式，根據地圖的需要提供對應格式的坐標，例如經緯度坐標或平面坐標。

如果沒有現成可用的地圖，可以重新測繪，我們可以提供專業的測繪設備、測繪人員以及制圖服務。

下圖是我們在高精度駕考行業（厘米級定位）應用中的示例圖形（2D）：

基于差分GNSS技術的高精度車輛監控或調度應用十分廣泛，動態精度最高可以達到厘米級別，目前最為典型的是GNSS駕駛員考試系統中的應用，評判精度要求不大于2cm。司南導航產品在駕考領域的市場占有率在70％以上。

另外，在電子地圖方面，我們還可以提供更多的選擇，例如可以實現將區域高精度地圖與百度或其它低精度導航地圖結合，在核心監控區域（例如某機場），以高精度電子地圖監控，同時，即使受控車輛離開核心監控區域，依然能夠監控到其實時的大致位置。

5、數據中心服務器

數據中心是整個系統的核心組件，包括核心數據處理、通信處理和業務處理三大職能，因此服務器的穩定運行時整個系統穩定運行的基礎。一旦該服務器出現故障，將影響到整個網絡系統的正常運行，所以服務器應有足夠的安全性和容錯性。因此為了保障系統的可靠性，服務器盡量采用雙機熱備份機制。整個系統的服務響應由兩個服務器節點相連成的一個整體來提供服務。通過群集，可以實現在一個服務器節點失效的情況下，仍然可以提供數據訪問和網絡服務的正常運行，保證了客戶的關鍵業務穩定、可靠、不間斷運行。

由于數據處理和業務處理軟件已經具備，本方案重點考慮通訊處理的職能，即如何接收車輛終端上傳的各種數據，并以某種接口提供給已有的數據處理軟件。由于車載設備與數據中心的網絡通訊有兩種選擇，即局域網通訊或3G/4G網絡通訊，具體操作有所不同。

如果采用局域網通訊，則需要將數據中心的計算機，與各個車載終端接入一個局域網內，然后在數據中心安裝司南網絡接收軟件，通過相關設置即可實現通訊。此種方法由于是局域網內通訊，操作簡便。

如果采用3G/4G網絡通訊，則需要將數據中心的計算機接入互聯網，并且提供固定IP或者用動態IP映射端口的方法，再結合司南網絡接收軟件，實現通訊。

此方法相比局域網通訊主要增加了獲取固定IP或映射端口的操作，其它步驟幾乎一致。

五、設備選型

1、GNSS基準站選型

GNSS基準站用于播發RTK差分數據，其信號和數據的穩定性直接影響移動站的定位精度，因此基準站的選型十分關鍵。

(1)M300Pro接收機

M300 Pro接收機是司南導航針對GNSS參考站建設而設計的一款高性能GNSS接收機，搭載公司完全自主知識產權的先進高精度主板，支持國家北斗衛星導航系統，兼容全球主流衛星導航系統。具有完全自主核心知識產權的高精度GNSS RTK技術，支持BDS B3I信號，具備BDS獨立定位、差分和RTK解算能力。內置網絡通訊功能，以太網接口采用10M/100M自適應網卡接口芯片，滿足大多數數據傳輸需要。用戶可通過本地網絡、串口或液晶面板按鈕、遠程網絡配置系統參數。同時支持遠程重啟、內存格式化和固件升級等系統維護功能。

(2)M300C型接收機

司南導航M300 GNSS接收機采用自主知識產權BDS+ GPS雙星五頻GNSS模塊，緊跟國際衛星定位發展的步伐，為GNSS產業革命性產品。M300C提供標準的RS232串行接口，可以與數傳電臺模塊或網絡通訊模塊連接，組成簡易的基準站系統。

2、GNSS移動站接收機選型

考慮到機場環境的復雜性，車輛在機場行駛過程中難免會遇到大型遮擋物下穿行環境，這樣對GNSS車載導航設備接收衛星信號以及基站差分源信號都會造成有很大影響，會導致定位不準確甚至信號失鎖，從而導致中心對車輛的顯示與預警系統產生錯誤預報或者失效。對于以上隱患我們采用GNSS+INS技術，即衛星導航+慣導組合導航技術，組合導航的優勢是在衛星信號和差分源信號不能很好的提供給車載移動端時，載移動端導航設備輸出的數據報文上會有專門的差分解算標識，當慣導模塊檢測到狀態位變化時會自動激活慣導模塊工作，GNSS+INS組合導航提供高精度推算坐標，這樣實現了良好環境下采用單衛星導航，環境不好時進行組合導航，保證設備穩定高精度運算工作。

(1) M300-INS接收機簡介

產品簡介：

M300-INS是面向車載應用推出的一款高精度定位組合導航產品。M300-INS采用的是車載 GNSS 接收機內置INS模塊，可在GNSS失去信號或者遮擋嚴重時提供短時間連續可靠的精確定位、測速、測姿服務。

(2)M300-INS接收機測試示例GNSS+INS組合導航接收機和GNSS接收機采用RTK差分模式在茂密樹木及高樓環境下對比測試效果

如下（實驗設備采用司南M300接收機）：

兩者在同一時間同一環境下采集的GPGGA經緯度坐標信息導入到谷歌地圖中所生成的圖片，圖中紅色點連線形成的軌跡定位軌跡為不帶慣導M300采集的數據形成的， 黑色點連線形成的軌跡定位軌跡為M300-INS采集的數據形成的，由下圖對比可以看出在同一時間同一遮擋測試環境下，M300-INS導航設備采集數據形成的軌跡平滑度遠好于M 3 0 0 接收機，M300-INS對遮擋環境具有較高的應對能力。

3、數傳電臺選型

數傳電臺方面，目前市場上電臺可選類型比較多，應用也比較成熟，相互之間主要區別在頻段和協議方面，司南可以提供的三種電臺對比表如下：

綜合多種因素，我們推薦采用CDL3型電臺。

CDL3電臺是上海司南衛星導航技術股份有限公司為GNSS差分數據傳輸設計的高性能數傳電臺，適用于

RTK等野外實時數據傳輸。CDL3電臺在功能上增加了諸多保護措施，如增加了電源的防反接功能、輸出開

路短路保護和高低電壓保護功能等，有效的保護了電臺。

4、3G模塊選型

車載3G網絡模塊如今在各行業內應用都很普遍，目前采用北京驛唐科技公司提供的MR-900E型模塊（如圖2 - 8 ），它工作在中國電信C D M A 2 0 0 01x/EV-DO網絡下，具有高速上網與數據傳輸能力。

5、GNSS天線

(1)基準站GNSS天線選型

AT500 是一款具有零相位中心誤差的多星多頻扼流圈測量型天線，采用多饋點微帶天線技術，保證天線相位中心與幾何中心的重合。采用前置濾波技術的低噪聲放大器，提高系統抗干擾能力；內置防雷保護電路可長期在戶外安裝使用；特設玻璃鋼材料的天線外罩，耐用性好，專為GNSS參考站、CORS系統以及各種高精度監測應用而設計。

(2)車載GNSS天線選型

推薦采用司南公司AT300型全頻GNSS天線，頻段范圍覆蓋了BDS B1/B2/B3、GLonAS L1/L2和GPSL1/L2共七個頻段，設計小巧，直徑14cm左右，性價比高，適合高精度車載應用。

六、北斗衛星定位系統的優越性

1、概述

北斗衛星導航系統（Bei D o u（CO M P A S S ）Navigation Satellite System）是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。系統建設目標是：建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠的覆蓋全球的北斗衛星導航系統，促進衛星導航產業鏈形成，形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用。

北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。

2、發展歷程

衛星導航系統是重要的空間信息基礎設施。中國高度重視衛星導航系統的建設，一直在努力探索和發展擁有自主知識產權的衛星導航系統。2000年，首先建成北斗導航試驗系統（北斗一代），使我國成為繼美、俄之后的世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。該系統已成功應用于測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域，產生顯著的經濟效益和社會效益。特別是在2008年北京奧運會、汶川抗震救災中發揮了重要作用。為更好地服務于國家建設與發展，滿足全球應用需求，我國啟動實施了北斗衛星導航系統建設。

3、發展計劃北斗衛星導航系統正按照“三步走”的發展戰略穩步推進：

第一步，2000年建成北斗衛星導航試驗系統（北斗一代），使中國成為世界上第三個擁有自主衛星導航的國家，不過早期的北斗一代系統包括四顆衛星，相對于GPS來說精度較低，而且不支持移動定位，而后續的北斗二代衛星體系性能不弱于美國GPS系統；

第二步，建設北斗衛星導航系統（北斗二代），2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力；

第三步2020年左右，北斗衛星導航系統形成全稱全球覆蓋能力，屆時將有5顆靜止軌道衛星和30顆非靜

止軌道衛星組成，等到2020年左右北斗全球衛星導航系統建成之后北斗系統所提供的定位精度在全球范圍內將與GPS相抗衡，而在增強區域也就是亞太地區，北斗的精度甚至會超過GPS。

截止目前BDS系統已經有19顆衛星升空，前兩步已經完全實現而且效果超出預期，現在單北斗接收機（即只跟蹤北斗衛星）在亞太地區完全可以自主定位（單機定位、差分定位、RTK定位、CORS定位等等）而且精度不亞于GPS。

4、北斗衛星導航系統的優越性

利用我國自主建設的北斗二代衛星導航系統（BDS），實現與美國GPS系統以及包括GLONASS在內的其它衛星導航系統的聯合定位，克服了RTK高精度衛星定位單純依靠國外衛星定位系統的固有缺陷，有效的保障了系統的安全可靠性；以BDS與GPS的組合為例，兩種衛星定位系統的聯合應用有以下優點：

●增多了可跟蹤衛星數，彌補了高軌道衛星數據少的問題，同時如果可利用BDS三頻技術，增加了多余觀測，從而可以較大程度的提高定位精度；

●增多了可跟蹤衛星數，使衛星分布更為合理，降低了DOP值，提高了解算精度，特別是所能跟蹤GPS衛星少時顯得更為重要（如下圖所示，綠色為BDS衛星，藍色為GPS衛星）；

●增多了可跟蹤衛星數，使在山區、遮擋較嚴重的路段等高遮擋的區域進行長時間、穩定、可靠的應用定位成為可能；

●采用BDS+GPS雙衛星系統，安全性將得到進一步提升，使整套監測系統有效、安全運行，不受制于人，不完全依賴于國外的衛星定位系統，不會因為某一單一衛星系統由于戰爭等原因關閉或故意干擾導致 的系統癱瘓。