基于北斗卫星导航的车联网系统研究

0 引 言

随着我国经济的飞速发展，人民生活质量越来越高，现在汽车不仅仅是代步工具，消费者还需要更多先进的智能高端功能，所以对汽车制造业的要求越来越高，因此车联网系统应运而生。车联网通过车辆装载的相应终端借助高端识别技术获取车辆的各项信息、静态属性信息及动态运行状态信息等 [1]。目前我国车辆所安装的车载终端均为 GPS 定位系统， 然而一旦美国不再提供 GPS 信号，就会导致系统完全失效， 尤其在战时紧急状态，国家需要对车辆进行紧急管控时，若因 GPS 信号的实效性导致调度失败，将产生重大影响 [2]，因此基于我国北斗卫星的车联网系统研发势在必行。

美国 GPS 的精度只有 20 m，需要经过地面站的加强系统处理，才可以达到水平 1 m、垂直 1.5 m 的精度。而我国自主研发的北斗系统，民用级别精确度高达 10 m，军用级别精确度更高，基于北斗的车联网系统覆盖了全国乃至东北亚、东南亚以及西亚边贸口岸，到 2020 年，北斗系统将覆盖全世界，精度达到毫米级 [3]。

北斗导航系统符合国家产业政策方向，是政府未来几年力推的重点产业。而车联网系统正是基于北斗导航系统实现的车与车、车与人、车与路、车与传感设备进行互联互通的动态移动通信系统，具有一定的创新性和产业发展能力 [4]。

北斗车联网系统为每辆车配有 10多个传感器对其进行信息监控，并将得到的信息汇集到黑匣子中，北斗卫星通过黑匣子实时获取监控状态信号，如驾驶员的驾驶状态等，指挥中心可以通过北斗卫星获取状态信息从而更全面地对车辆进行控制监管 [5]。若车辆在运行过程中发生异常现象，如改变行车路线或者发生交通事故时，指挥中心会立即报警，呼叫就近的救援团队赶赴现场救援。该系统较传统的 GPS 导航更为先进，在手机没有信号的情况下同样适用，大大缩短了信息从地面反馈到指挥中心的时间，用时缩短到 0.01 s 左右。

1 北斗车联网系统总体概述

1.1 北斗车联网系统的全国网络架构

1.1.1 技术架构

系统技术架构是指利用传感、计算、网络等先进技术对大范围、大容量的车辆、道路及交通状况进行感知与控制， 以便提高交通效率和交通安全。北斗车联网技术架构如图 1 所示。

从网络的角度来看，北斗车联网系统具有三层体系架构， 分别是端系统、管系统和云系统 [6]。

(1) 端系统负责感知与采集车辆的行车状态与环境信息，同时作为一个通信终端，可以实现车与车、车与网间的通信，使汽车能够进行 IOV寻址，具备网络可信标识等能力。

(2) 管系统统一了公网与专网，实现了车辆间自组织网络与异构网络间的通信漫游，提升了网络广泛性，可解决车与车、车与网、车与路之间的联通问题，保障系统的实时性 [7]。

(3) 云系统可以虚拟化并存储各行业类型车辆的海量运行信息，并对这些数据进行汇集、计算，进而对车辆进行调度、监控与管理。

1.1.2 云平台架构

车联网系统由覆盖全国车联网指挥中心及网络、车联网数据及应用平台的建设、车联网技术研发中心、车联网国家级产业园的建设、车联网运营服务公司等构成 [8]。

系统采用矩阵式部署，在全国组成网络系统，主要面向与银行、电信、移动、交通、公安等重点行业进行专业对接。北斗车联网系统的云平台架构如图 2 所示。

北斗车联网系统利用 GIS 技术进行科学的管理和决策 ： 将 GIS 应用到车联网行业，增加行业的应用分析功能，科学地管理好桥隧信息 [9]。北斗车联网系统的遥感地理信息系统如图 3 所示。

(1) 全国路网及其地形信息、属性信息以数据形式保存 在全国云数据磁盘阵列中，通过专业光纤传输至各省市车联 网数据中心的数据库，无需重复勘测和投资，避免精度降低 引起误差从而降低数据的利用率，可大幅提高工作处理效率 ；

(2) 通过 BDS 和 RS 及时更新 GIS 中的数据，为车联网用户提供最新最准确的路网图，保证信息数据的现势性 ；

(3) GIS 可以自动计算车联网行业的业务量，减少人工计算引起的误差，如车辆路径寻优技术，货运的多任务规划与协同等，有效提高了资源利用率 [10]。

1.2 北斗车联网系统的省级网络架构

北斗车联网系统分为省外和省内两部分，省外通过高速光纤专线信道将本省北斗车联网数据应用中心与全国北斗车联网数据应用中心相连，通过该通道与全国其他省级和国际口岸进行数据交换，形成开放的应用网络架构。

省内系统由省级北斗车联网平台和已有车辆业务平台系统构成，它们通过信息交换服务与数据共享网关进行松耦合连接，彼此业务独立，数据共享，相互支撑 [11]。其中省级北斗车联网平台包括省北斗车联网数据与应用中心、省车联网运维服务中心和省车联网客户呼叫服务中心。

1.2.1 车联网数据共享中心

北斗车联网系统车辆可以通过一系列传感器、图像处理装置等进行车辆静态位置、动态速度和路线数据信息的采集， 并将这些数据运用移动互联技术传输汇聚到省车联网数据中心 [12]。数据中心分析和处理车辆的数据信息，对路况现状进行汇报及对交通信号灯进行安排。车联网系统省级数据平台如图 4 所示。

1.2.2 信息交换服务与数据共享网关

建立省统一的信息资源交换平台，实现信息交换服务和数据共享网关功能，将省车联网数据中心建成全省车联网信息的枢纽，加强与公路交通、执法监督、物流运输等车辆管理系统之间的数据共享和交换，建立车联网信息资源目录， 与各市交通运输局、厅直各单位自身信息资源建立目录共享服务 [13]。

1.2.3 客户呼叫服务中心

车联网呼叫中心是一个较为庞大的系统工程，涉及方言配比、远程服务内容、坐席数量等因素，由于目前车主的付费意愿不强，厂家收不到服务费，所以需要投入大量资金建立北斗车联网呼叫中心， 中心基于 Telematics 的 E-CALL， B-CALL 及 I-CALL 为用户提供人工领航服务、声控导航等个性化服务，用户可以通过一键通按钮对服务中心进行呼叫， 随时享受其提供的全方位服务 [14]。

1.3 北斗车联网系统应用服务平台

1.3.1 第三方应用服务平台

车联网应用模式建立在 OpenAPI 基础上， 它是 Web， IM，SMS 等服务的提供者。第三方应用开发商通过该技术与车联网平台互动，通过即时通信软件，基于其 OpenAPI 客户端进行交互，车联网相当于是一个存活于 OpenAPI 基础之上的互联网服务中心 [15]。降低第三方应用开发和接入的成本有利于系统应用数量的增长与用户数量的增长。三方应用技术架构如图 5 所示。

1.3.2 计费系统

北斗车联网的计费系统功能繁多，包括客户管理、计费处理、账务处理、资费管理等，其中语音业务、信息服务业务需要付费 [16]。

1.3.3 银行结算与支付系统

北斗车联网利用中国银联的 NFC 可信赖服务管理者（TSM）平台，将 TSM 平台整合于车联网运营商与企业，让TSM 平台不仅可用于支付卡，还能用于储值卡、社保卡、学生卡、赊购卡及移动门票等的结算与支付 [17]。

1.3.4 手机联网支付系统

北斗车联网与手机支付已有成熟的商业合作，手机就像银行卡，车载终端就像一台移动 POS 机，用户在加油、宽带充值、银行卡转账、买电影票以及预订酒店机票等时可以进行手机支付 [18]。

2 北斗车联网系统拟解决的难点问题

车联网系统亦有其局限性与需要解决的难题。随着经济发展的全球化，车流的跨地域活动越来越频繁，当某一省的车辆离开省境时，车与车、车与路、车与人的数据链接都会因为省级车联网数据中心的限制而变得困难，另外跨省移动通信资费等问题也难以解决。

同样，当省外车辆进入省境时，也会因为普通省级车联网平台的限制，使车辆处于监管盲区，这对于估算省内物流、客流的情况极为不利。

3 结 语

中国自主研发的全球定位导航系统—北斗卫星导航系统可以为用户大范围、全天候的提供高精度且可靠的定位导航信息服务，方便快捷。基于北斗的车联网系统也可以为用户提供精确高效、实时性高的信息，以便更好地控制和管理车辆，实现智能一体化。