司南导航：基于GNSS的机场车辆调度方案（原理篇）

一、 前言

随着我国民航产业快速发展，机场内飞机和特种车辆的数量日益增多，地面车辆与飞机、车辆与车辆之间都存在发生碰撞的隐患，在大风大雾等恶劣天气情况下尤是如此，严重的威胁到了机场运营安全。在此背景下，建设机场高精度GNSS 车辆监控系统，辅助机场安全管理，是非常必要的。

基于GNSS的机场车辆调度系统综合运用了GNSS、通讯、智能控制等多种技术，实现的主要功能包括：

采用GNSS差分技术实现的厘米级或亚米级精确定位;

基于二维电子地图或三维地图来实现车辆的空间可视化监控管理;

通过监控车辆的实时运行情况来处理各种突发事件，并对危险状况(如超速、越界等)进行预警;

通过各种车辆数据的采集和分析，针对性的制定有效措施，促进机场安全管理系统的改善，提高机场生产运营的效率与安全性。

二、 需求概述

实现机场区域内高精度的车辆位置监控，精度要求亚米级或更高;

需建立高精度的机场区域电子地图系统;

建立高精度GNSS差分系统;

需考虑到机场中的各种外界因素对GNSS工作和无线通信系统的影响，并制定规避措施;

实现车载位置数据与监控中心的实时通讯;

定位数据更新率要求不低于10HZ;

支持提供经纬坐标信息和平面坐标信息等;

数据格式为标准NMEA数据，亦可提供自定义报文;

考虑车载报警提示的功能设计。

三、 总体方案设计

本方案设计的核心功能是高精度车辆定位，基于GNSS卫星载波相位差分技术是目前在高精度定位方面最先进的技术，而且经过十几年的广泛应用，成熟度也非常高，而近几年中国北斗卫星导航系统(BDS)的蓬勃发展和应用，使GNSS高精度定位技术在稳定性方面和可靠性方面又得到极大的提升。GNSS定位技术的几个显著特点是：

全天候工作，不受雨雪风天气的影响，不受光线影响;

定位精度高，载波相位差分技术(RTK)动态定位精度最高可达1cm;

测速精度高，测速精度可达0.03m/s。

另外，考虑到机场环境的复杂性，实际应用中存在卫星观测条件不好的情况，例如建筑物遮挡等，因此为了确保车载终端在任何情况下能够连续定位，必须考虑辅助定位方法，本方案将采用惯性导航技术作为辅助手段，但是由于纯惯性定位存在误差积累的特性，即误差会随着时间的延长而降低，因此本方案中采用了惯性-卫星组合导航方法，基于最优估计算法—卡尔曼滤波算法融合两种导航算法，获得最优的导航结果;尤其是当卫星导航系统无法工作时，利用惯性导航系统使得导航系统继续工作，保证导航系统的正常工作，提高了系统的稳定性和可靠性。

除高精度定位技术外，通讯是本方案的另一个关键环节，通信链路系统是监控中心与车载终端之间、GNSS基准站与车载终端之间通讯的通道。通讯技术目前可选方法多种多样，通讯主要考虑安装便捷性、传输稳定性、可容纳终端容量、网络安全和安装及维护成本等，综合考虑上述因素，我们提供了几种可选方案，具体见下文。

监控中心是整个系统的功能操作和实现的核心，其主要职能是实现对机场车辆的监控、调度和管理，还负责响应并处理紧急事件，提供跟踪定位、和远程控制等处理措施，监控中心的主要组成部分包括数据处理软件、数据库服务器和实时显示系统。其中，数据处理软件负责与各车载终端的信息交互，完成各种信息的分类、记录、修改和转发，对车辆运行状况进行实时监控和调度，并及时处理报警信息，同时对整个网络状况进行监控管理;数据库服务器要确保安全、高效、实用。数据库是整个服务器系统的信息中心，对所有的车辆信息和定位数据，图片等进行数据存储;实时显示系统负责图形化、图表化显示机场车辆总体运行情况，包括电子地图、车辆位置坐标、速度、油量、驾驶员信息、车牌号等。

基于上述技术分析与项目需求，基本上确立了本方案的三大部分，即监控中心部分、GNSS基准站部分和车载终端部分，而通讯数据链则是连接各部分功能的纽带。

(一)方案原理和拓扑结构

图1 系统原理图

图2 系统拓扑图

(二)系统工作原理

GNSS参考站自动实时播发差分改正数据给车载终端的GNSS接收机，车载终端中的GNSS接收机实时接收差分数据并进行差分定位解算，并将解算结果(精确坐标和速度)再实时发送到机场监控指挥中心。

除GNSS数据外，车辆的状态信息、报警信息及服务请求信息(如有)等也可以通过无线网络发送到监控指挥中心。

数据中心收集到上述各种信息后，综合分析处理，并作出明确的报告结果和预警指示，展示在大屏幕上。指挥中心可以根据当前车辆的运行情况，给受控车辆发出调度指令。

(三)系统信息流程

1. GNSS接收机接收卫星信号，同时接收差分无线网络发送的差分信号，进行解算后通过串口把坐标发送给无线通信模块。

2. 无线通信模块把GNSS信息和车辆状态信息转发到通信服务器。

3. 通信服务器把接收到的信息存储到数据库服务器中，同时根据监控终端的应用需求，把信息实时转发给数据处理中心。

4. 数据处理中心接收到通信服务器发送来的信息后，发送给数据库服务器进行存储，同时发送给监控终端进行可视化显示，实现车辆监控。