（信号与信息处理专业论文）车载gpsgprs实时定位系统关键技术研究.pdf

摘要 随着人民生活水平的提高，私人汽车日益增多，城市交通状况日益恶化， 而研究车载信息系统对解决城市交通问题具有重要意义。本文研究的车载实时 定位监控系统可实现对汽车、船舶等运输工具运行状态的精确定位，并能实时 传输定位信息至监控中心，城市交通管理者可以根据掌握的移动终端的状态信 息，即时调度交通，缓解城市交通压力，提高资源利用率，同时也能对突发事 故做出及时反应。 本文引入g p r s 作为车载实时定位系统的无线传输方案。g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 即通用分组无线业务，是在现有g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 网络基础上发展起来的分组交换系统，g p r s 可接入因特 网或企业网，可以向移动客户提供诸如文本、语音、图像等丰富的数据业务和 快速的数据传输速度。g p r s 能时时在线，费用低廉，这些特性使得g p r s 无 线传输业务被广泛应用于实时控制以及移动终端监控数据实时传输等领域。将 g p r s 引入智能交通系统( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 。组成g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、g p r s 、g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 综合 应用的监控系统，可实现对船舶、汽车等运输工具运行状态的实时监控。 本文对基于g p r s 实时传输的车载实时定位系统作了深入研究，车载定位 系统由移动终端和g i s 服务器端两大部分组成，本文给出了g p r s 车辆实时定 位系统的总体架构设计方案，分析了移动终端和g i s 服务器端的软硬件构成和 工作过程，移动终端部分给出了具体的框图和详细的工作原理分析，g i s 服务 器端给出了具体搭建服务器的多种设计方案，并根据实际环境论证选择其中一 种作为本系统的方案。在此基础上从硬件选型，硬件电路搭建和调试以及移动 终端软件设计与实现，数据中心服务器搭建等各方面具体实现了本系统，在对 系统调试运行结束后，对系统进行了测试，给出了详细的系统运行测试结果。 其中在移动终端的硬件设计中，采用多g p s 定位的思想，提高了系统定位精度， 降低了系统成本。在本论文的设计方案中，采用a r m 嵌入式系统作为硬件平 台，在其上运行嵌入式操作系统，依托操作系统的资源优势，实现g p r s 技术 在车载g p s 卫星定位系统中的应用。本论文提供了一套切实可行的具有实时监 控能力的车载g p s 卫星定位系统设计方案。 关健词：g p r s ，g p s ，a r m ，嵌入式操作系统，移动终端 a b s t r a c t a st h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r da n dt h ei n c r e a s eo fp r i v a t ee a r , t h es i t u a t i o no fc i t yt r a f f i ch a sd e t e r i o r a t e di n c r e a s i n g l y t h es t u d yo fc a r l o a d i n f o r m a t i o ns y s t e mi ss i g n i f i c a n c ef o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo fc i t yt r a f f i c c a r - l o a d s a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e mi sa i le m b r a n c h m e n to fi t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ) a st h ef o u n d a t i o no fi t s ，i t sp r i m a r yf u n c t i o ni st of i n dt h ep o s i t i o no ft h e a p p o i n t e de a ra tt h ea p p o i n t e dt i m e t h i st h e s i sh a sd e e p l yr e s e a r c h e di nar e a l t i m eb o a ts u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e d o ng p r s ，w h i c he a r ln o to n l yr e a l i z e dt h ep r e c i s i o np o s i t i o n i n gt oc o n v e y a n c e ，b u t a l s ot r a n s f e r r e dt h ei n f o r m a t i o nt ot h es u r v e i l l a n c ec e n t e ro nr e a l t i m e a c c o r d i n gt o t h es t a t u sm e s s a g e so fm o b i l et e r m i n a l s ，t h es u r v e i l l a n tc a nr e a l i z er e a l - t i m ec o n t r o l o v e rt r a f f i c ，r e d u c et r a f f i cp r e s s u r e ，i n c r e a s et h eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e ，r e s p o n s et o t h ee m e r g e n c yi nt i m e g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) i sap a c k e ts w i t c h i n gs y s t e mt h a t d e v e l o p e do nt h eb a s eo fg s m ，g p r sc a ne n t e ri n t oi n t e m e to rl o c a la r e an e t w o r k ， i te a r lp r o v i d ea b u n d a n td a t at r a n s f e rt r a n s a c t i o nt oc l i e n t , s u c ha st e x t ，a u d i o ，p i c t u r e a n ds oo n t h eg e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) c a nk e e pa l w a y s - o n c o n n e c t i o n ，a n di t sf a r ei sc h e a p d u et ot h e s ee h a r a e t e r i s t i e so fg p r s ，i ti s e x t e n s i v e l yu s e di nt h ef i e l do fr e a l - t i m ec o n t r o la n dm o b i l et e r m i n a l s s u r v e i l l a n t d a t ar e a l t i m et r a n s m i s s i o n t h eg p r sc a nb ea p p l i e dt oi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，t h r o u g hi n t e g r a t e dt h eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) ，t h eg e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) a n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，a l l i n t e g r a t e ds u r v e i l l a n c es y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，t h es y s t e mc a nm o n i t o ra n dt r a c k m o v i n gb o a ta n dv e h i c l eo nr e a l t i m e ar e a l t i m eb o a ts u r v e i l l a n c es y s t e mu s i n gg p r si sd e e p l yr e s e a r c h e da n dt h e s y s t e m sa r c h i t e c t u r e i ss h o w e d a st h eb a s i ct w op a r to ft h e s y s t e m ：m o b i l e t e r m i n a l sa n dg i ss e r v e r , b o t ho ft h e ma r ep a r t i c u l a r l ya n a l y z e df r o mc o n s t r u c t i o n o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h ei d e ao fm u l t i - g p sp o s i t i o n i n gi s a d o p t e di nt h e n d e s i g no f m o b i l et e r m i n a l s ，i tc a ni m p r o v e st h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o na n dc u t st h e c o s to ft h es y s t e m i nt h es c h e m eo ft h i ss u b j e c t ，t h ea r me m b e d e ds y s t e mi su s e d a st h eh a r d w a r ep l a t f o r m w i t ht h ea d v a n t a g eo ft h ee m b e d e do p e r a t i n gs y s t e m r u n n i n gi nt h ep l a t f o r m ，t h eg p r st e c h n o l o g yi sa p p l i e d i nt h ec a r l o a dg p s s a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e m t h i ss u b j e c tp r o v i d e saf e a s i b l ed e s i g no fc a r - l o a dg p s s a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e mw h i c hh a st h ea b i l i t yo fs u r v e i l l a n c eo nr e a l - t i m e k e y w o r d s ：g p r s 、g p s 、a r m 、e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 、m o b i l et e r m i n a l l i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名：l 迢也钲日期丝亟荤坦憎匾 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：运敞导师签名：_ j 憋日期芈目 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 研究车载信息系统对解决城市交通问题具有重要意义。车载卫星定位系统， 又称自动车辆定位系统，对它的研究起始于二十世纪七十年代。最初的应用是 为了解决汽车文明带来的日益严重的城市交通问题。时至今日，车载卫星定位 系统集合全球卫星定位技术，现代移动通信技术，地理信息系统技术于一身， 不仅在智能交通系统中担负主要作用，同时还可以提供防盗防抢劫报警，紧急 医疗求助等多种服务。但是，由于目前车载卫星定位系统的无线传输部分大多 采用g s m 短消息通信技术，试验表明，通过g s m 短消息承载的数据通信业务， 实际应用的传输时延不小于6 秒，这对于实时性要求较高的需求，难以提供令 人满意的应用。因此，采用g p r s 技术来替代g s m 无线数据传输部分，通过 g p r s 高达1 7 1 2 k b p s 的通信速率，实现低于秒级的实时定位数据传输，成为车 载卫星定位系统的发展方向。本文通过对g p s 卫星定位理论，卫星数据处理的 深入研究，对g p r s 移动通信技术规范的细致分析以及a r m 嵌入式硬件系统， 嵌入式操作系统等计算机技术的不断实践，提出一套基于g p r s 无线通信技术 的车载g p s 卫星定位系统的设计方案。在本论文的设计方案中，采用a r m 嵌 入式系统作为硬件平台，在其上运行嵌入式操作系统，依托操作系统的资源优 势，实现g p r s 技术在车载g p s 卫星定位系统中的应用。本论文提供了一套切 实可行的具有实时监控能力的车载g p s 卫星定位系统设计方案。 1 2 车载实时监控系统的国内外研究现状分析 车载卫星定位系统，属于智能交通系统的分支，在智能交通系统这一庞大 的体系中，占有极其重要的地位。作为整个智能交通系统的基础，车载卫星定 位系统的主要目的就是找出特定车辆在特定时间的位置。国外对于智能交通系 统的研究，已经开展了三四十年，美国、日本和欧洲等国都为此投入了大量的 资金，人力和物力，取得了很多有价值的成果，并成为世界智能交通系统研究 武汉理f ：大学硕十学位论文 的三大基地。另外一些国家和地区的智能交通系统研究也有相当大的规模，如 澳大利亚、韩国、新加坡、香港等。目前可以说，全球正在形成一个新的智能 交通系统产业，其发展规模和速度惊人 我国智能交通系统的发展起步较晚，二十世纪九十年代之前，主要是在一 些大城市引进和消化城市交通信号控制系统。九十年代以后开始逐步应用g p s 车辆监控调度系统，走过了一条极其起伏而缓慢发展的道路。1 9 9 4 到1 9 9 5 年 日j 是第一次发展高峰，当时有上百家公司都来抢占g p s 车辆监控调度系统的市 场，但成功者不多。究其原因，一是市场尚未形成，用户还没有迫切需求。二 是所用技术尚不完善，基本采用的模拟电台作为通信方式，商品化程度较低。 1 9 9 6 到1 9 9 9 年期间，是g p s 车辆监控调度系统市场的整顿和提高的时期。在 对原有系统进行改造的同时，建成了一些新的系统，如河南天网，广东天网等 多个具有水平集群的系统，并以此在三四十个城市建成了金融车辆和公安车辆 监控系统。2 0 0 0 年开始，g p s 车辆监控调度系统市场又出现了新一轮的快速增 长势头。这时的市场逐步趋于成熟，g p s 车辆监控调度系统的技术也有了较大 的提高和发展，普遍采用g s m 移动通信公众网的短消息作为卫星定位信息的传 输数据链。随着市场的发展，g s m 短消息由于受到自身协议的限制，无法提供 低于秒级的数据传输，所以对于实时性要求较高的需求，难以提供令人满意的 应用。因此，采用g p r s 技术取代g s m 短消息，成为目前车载卫星定位系统的 发展趋势【l s 】。 车载卫星定位信息系统是一个综合性系统，其内容涉及很多方面，如：车载 定位、车载通信、车载多媒体等，其存在的问题也主要集中在这几个方面： 在定位导航方面，随着g p s 技术和无线通信技术的发展，提出了基于 g p s g s m 的方案。车载设备借助g s m 公网，将g p s 采集到的信息通过具有随 时在线功能的短消息业务发送到管理中心，并且g s m 网络还可以提供话音和数 据传输业务，极大的方便了车载设备与管理中心的信息交换。但是这种方法也 有其不足的地方：首先，一般g p s 熄s m 车载设备采用单一的g p s 接收机，由于 受卫星星历、卫星钟的误差、信号传播误差、观测误差及接收设备误差的影响， 定位精度较低；其次，g p s g s m 定位导航方案由于采用短消息这种方式传递信 息，所以存在通信费用高( 信息发送频率高所致) 、延时不确定( 需要短消息服务 中心s m c 转发所致) 、短消息服务器须向电信公司申请专门的业务服务( 申请专 线建立网关) 等缺陷。 武汉理下大学硕士学位论文 另外，除了定位导航功能外，传统车载设备也存在车辆仪表提供的车辆状 态信号模糊、不全、分散等缺陷( 例如多数警告信号并不提供准确的数值) 。除此 之外，目前的车载信息系统还在车辆安全、显示与诊断、车载网络及娱乐设施 方面存在着功能单一、集成度不高等缺陷。 1 3 本论文研究的内容和现实意义 论文的研究内容主要包括： a ) 嵌入式系统。嵌入式系统是硬件设计领域的热门之一。论文以a r m 作 微控制器，以串行方式同g p s 模块通信，处理g p s 模块接收到的定位导航信息， 并控制g p r s 模块传送数据到控制中心，实现对车辆的实时定位。 b ) g p s 全球定位系统。本论文将g p s 应用于嵌入式，实现车载定位。 c ) g p r s 移动通信系统。移动通信是当前发展最快，应用最广的通信技术。 g p r s 系统作为移动数据应用的初级阶段，采用了g s m 系统的频率和系统资源， 提供的数据理论速率最高可达1 7 1 2 k b p s 。本论文将g p r s 应用于车载定位，利 用g p r s 低于秒级的无线传输速率，实现车辆定位信息的实时传输，与控制中 心交互，从而实现了车辆实时定位。 嵌入式系统是硬件设计领域的热门之一。根据i e e e 的定义，嵌入式系统是 指“控制，监视或者辅助设备，机器和车间运行的装置”。从2 0 世纪7 0 年代单 片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入 式系统己经有了将近3 0 年的发展历史。从汽车电子到智能家电，从工业机器到 通信装置，嵌入式的应用几乎涵盖了所有工业领域。如今的3 2 6 4 位嵌入式微 处理器，处理能力达到p c 机的水平，但是体积更小，还可以运行诸如v o o r k s ， w i n d o w s c e ，l i n u x 等嵌入式操作系统。采用嵌入式微处理器设计的嵌入式系 统，专用性更强，系统的软件和硬件结合得更紧密，同时具有实时性，低成本， 小型化和高可靠等多方面优势，从而占据了嵌入式系统应用的大半江山，a r v l 作为其中的主要力量更是功不可没。 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国从2 0 世纪7 0 年代开始研 制，历时2 0 年，耗资1 2 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进 行全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统。g p s 具有性能好、 精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不 武汉理_ 1 ：大学硕+ 学位论文 断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，除了应用在航空航 天定位导航方面外，日i i 已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日 常生活。 移动通信是当前发展最快，应用最广的通信技术。时至今日，a m p s t a c s 的第一代模拟移动通信系统已经淡出历史舞台，g s m 第二代数字移动通信系统 虽然还是移动通信领域中的主力军，但是g s m 最高通信速率仅为9 6 k b p s ，面 对越来越丰富多彩的数据业务要求，越来越难以承载业务的需求。g p r s 作为 2 5 代的重要技术可谓应运而生。g p r s 网络是对g s m 的平滑升级，通过在g s m 系统的无线侧薪增p c u 作为分组接入和控制单元，在网络侧新增s g s n ，g g s n 实施用户管理和分组支撑，将电路交换系统和数据交换系统合二为一，从而实 现系统资源的有效利用，拓展系统功能。g p r s 系统作为无线和网络的融合， 实现技术中既包含无线技术，又包含数据技术，所以相对于g s m 而言变化较大。 从网络结构上讲，g p r s 系统增加了数据处理单元，并通过一些核心网络设备 来处理数掘信息。从接口种类上说，增加了5 5 7 信令接口和数据接口。从协议 种类上讲，g p r s 网络涉及到帧中继协议，i p 协议等等。从业务支持来讲，g p r s 支持基于w a p 和t c p i p 的互联网访问，多媒体短信，视频业务，e m a i l 业务 及无线远端遥控等。g p r s 系统作为移动数据应用的初级阶段，采用了g s m 系 统的频率和系统资源，提供的数据理论速率最高可达1 7 1 2 k b p s 。在下一代网络 应用之前，可以很好的满足各样化的业务需求。 车载g p s g p r s 实时定位信息系统具有g p s 自动定位、g p r s 方式与中心 交互信息、车辆状态信息处理等功能。车载信息系统涉及的方面较广，本论文 仅从定位、通信和数据处理这三个方面对车载信息系统进行了研究。在定位方 面，采用g p s 接收模块设计了嵌入式车载定位系统以提高定位精度；在通信方 面，利用工业级g p r s 模块设计了无线数据传输系统，并分析了g p r s 、g s m 的优势和劣势；在数据处理方面，采用a r m 7 t d m i 作为微控制器，通过每个 模块上的标准异步串口可使各模块互相通信或各自与上位p c 机通信，从而实 现车辆的定位导航、无线通信、状态监测等功能。 本论文提供了一套切实可行的具有实时监控能力的车载g p s 卫星定位系统 设计方案，并完成了其软硬件的具体实现。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g p r s 无线通信系统概述 本章简要介绍g p r s 无线通信系统的工作原理，g p r s 系统采用的无线技 术和网络技术以及g p r s 系统的关键性能指标。 2 1g p r s 无线通信系统 移动通信是当前发展最快，应用最广的通信技术。时至今日，a m p s ，r a c s 的第一代模拟移动通信系统已经淡出历史舞台，g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 第二代数字移动通信系统虽然还是移动通信领域中的主力军， 但是g s m 最高通信速率仅为9 6 k b p s ，面对越来越丰富多彩的数据业务要求， 越来越难以承载业务的需求。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 作为2 5 代 移动通信的重要技术应运而生。 g p r s 网络是对g s m 的平滑升级。通过在g s m 系统的无线侧新增 p c u ( p a c k e tc o n t r o lu n i 0 作为分组接入和控制单元，在网络侧新增s g s n ( s e r v i c e g p r ss u p p o r tn o d e ) ，g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 实施用户管理和分组 支撑，将电路交换系统和数据交换系统合二为一，从而实现系统资源的有效利 用，拓展系统功能。 g p r s 系统作为无线和网络的融合，实现技术中既包含无线技术，又包含 数据技术，所以相对于g s m 而言变化较大。从网络结构上讲，g p r s 系统增加 了数据处理单元，并通过些核心网络设备来处理数据信息。从接口种类上说， 增加了s s 7 信令接口和数据接口。从协议种类上讲，g p r s 网络涉及到帧中继 协议，i p 协议等等。从业务支持来讲，g p r s 支持基于w a p 和t c p i p 的互联 网访问，多媒体短信，视频业务，e m a i l 业务及无线远端遥控等。g p r s 系统 作为移动数据应用的初级阶段，采用了g s m 系统的频率和系统资源，提供的数 据理论速率最高可达1 7 1 。2 k b p s 。在下一代网络应用之前，可以很好的满足多样 化的业务需求嘲。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1g p r s 网络组成单元 g p r s 系统中新引入的网络单元可区分为无线部分和数据部分两大类。其中 p c u 属于无线管理部分，s g s n 属于无线管理和数据管理公用部分，g g s n 则 完全属于数据管理部分。其他一些辅助单元虽然在g p r s 系统中未给出定义， 但在数据网络中必不可少，如域名解析服务器d n s ( d o m a i n n a m es e r v e r ) ，动态 地址分配服务器d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) ，网络时间协议服 务器n t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) 等等。p c u 与b s c 协同作用，提供无线数据的 处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射，数据包的拆封和确认，无线数据信 道的分配等。p c u 可作为模块单元插入b s c ，或者作为独立于b s c 的单元存 在。g g s n 负责g p r s 网络与外部数据网的连接，提供g p r s 与外部数据网之 自j 的传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送1 7 1 。g g s n 起到路 由器的作用，它与其它相关网络单元如p i x ，d n s ，d h c p 等设备协同实现数据 业务的接入和传送等功能。图2 1 描述了g p r s 系统的结构。 终端 图2 - 1g p r s 网络结构图 2 1 2g p r s 网络运行处理过程 g p r s 系统通过各网元相互作用，完成协议处理和呼叫处理等功能。在 g p r s 系统中，最常用也是最基本的系统功能包括用户附着和激活p d p 上下文。 移动用户在进行数据传送时，首先需要进行网络附着，即位置和身份登记，然 后通过p d p 激活请求信息申请网络接入，系统根据接入申请信息中的 a p n ( a c c e s sp o i n t e rn a m c ) 信息进行处理。通过d h c p ( d y n a m i ch o s t c o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) j 艮务器进行用户地址分配和身份认证等，最终使合法用户 6 武汉理工大学硕士学位论文 得到i p 地址。在用户附着过程中，主要涉及无线系统，如p c u ，s g s n ，m s c 和 h l r 等业务单元，与数据单元无关。在激活p d p 上下文过程中，涉及数据单元 与无线单元的配合，如p c u ，s g s n ，g g s n ，d n s 服务器和d h c p 服务器。图2 2 描述了移动台的附着过程。 图2 2 移动台附着示意图 移动台m s 通过附着过程登陆到g p r s 网络，从而能够进行位置区的更新， 以发起数据传送和接收过程。m s 在附着过程中，通过p c u 进行接入控制和信 道分配，通过s g s n 和h l r 进行鉴权管理，并从h l r 中获得用户签约信息， 最终在m s ，h l r 与s g s n 内部形成有关用户的移动管理信息。m s 在未进行 附着之前脱离g p r s 网络，处于空闲状态，不能进行任何数据业务操作。附着 之后用户得到临时身份识别号t l l i ，并在m s 与s g s n 之间建立起逻辑链路， 可以进行p d p 上下文激活过程，进行i p 地址的申请。图2 3 描述了p d p 报文 的激活过程i o 】。 p d p 分组数据协议上下文包含与某个接入网络a p n 相关的地址映射路由 信息。移动用户通过激活p d p 上下文得到动态地址并可随时通过g p r s 接入特 定数据网络。m s 发送p d p 上下文激活请求信息到s g s n ，s g s n 根据a p n 判断 可接入性，并通过d n s 得到相应的g g s n 地址，再通过g n 接口转发p d p 激 活请求信息到g g s n ，由g g s n 控制进行动态地址分配的接入认证。如果a p n 接入允许，m s 与s g s n s g s n 与g g s n 之间q o s 协商通过后分配i p 地址给 m s ，并在m s ( b s s 基站子系统) 与相应的s g s n 和g g s n 之间建立p d p 上下文 信息。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ib s s 卜 s g s n k 一g g s n h d h c p 渔r 舌p d p 卜 息获摄_ 一j j ； 下文请求 i 请求信息 7 一 - - , h - i 山j l ，l 亩 一w r 7 发送创建p d p 上下文 响应信息 激活p d p 上 一 下文接收 图2 - 3p d p 报文的激活示意图 2 2g p r s 系统的关键性能指标 2 2 1g p r s 网络的吞吐量 吞吐量定义为系统平均每秒传输的数据率。g p r s 系统吞吐量指r l c ，m a c 层传输速率。根据理论分析，c s l 到c s 4 的速率分别为9 0 5 k b p s ，1 3 4 k b p s ， 1 5 6 k b p s ，2 1 4 k b p s ，但实际的传输速率由于各协议层的数据包头开销要小于理 论值。应用层数据在通过g p r s 网络迸行传送时，首先进行i p 封装，在经过 s n d c p 层封装，最后经由l l c 和r l c m a c 层封装后采用无线信道进行传送。 以太网上运行的t c p ，i p 的默认数据段的长度为1 4 6 0 字节，加上2 0 字节的t c p 包头和2 0 字节的i p 包头，总长变为1 5 0 0 字节。所以数据经过各协议层的封装 处理后，纯数据速率有所下降。除此之外，无线环境影响造成的编码方式的改 变，丢包引起的t c p 慢启动或稍塞控制，m s 处理能力等都会影响网络的吞吐 量。 上层封装好的数据传到s n d c p l l c 层后又会被打上新的封装，以传送5 0 0 字节l l c 数据帧为例，要增加6 字节的l l c 帧头，r l c 层收到的数据包长度 为5 0 6 字节，另外s n d c p 还有4 字节帧头，所以l l c 层传送效率为 4 9 6 5 0 6 = 9 8 。假设l l c 数据帧为5 0 6 字节，如果采用c s l 编码方式，包长为 2 0 字节的r l c 帧2 5 个，包长为1 9 字节的帧1 个。c s l 的平均r l c m a c 负荷 8 武汉理工大学硕士学位论文 为( 2 0 2 5 + 1 9 ) 2 6 = 1 9 9 6 - 字节r l c 块，传输速率为1 9 9 6 + 8 2 0 - - 7 9 8 4 k b p s ，相对 于9 0 5 k b p s 的理论速率而言，效率为8 8 。如果采用c s 2 编码方式，包长为 3 0 字节的r l c 帧1 6 个，包长为2 9 的帧1 个。c s 2 的平均r l c m a c 负荷为 ( 3 0 * 1 6 + 2 9 ) 1 7 = 2 9 9 4 字节瓜l c 块，传输速率为2 9 9 4 8 2 0 = 1 1 9 7 6 k b p s ，相对 于1 3 4 k b p s 的理论速率而言，效率为8 9 。 2 2 2g p r s 网络的时延 系统延时是指数据包在数据发送设备之问传送所需的时间。对于数据传输 来说，g p r s 中主要有时延系统间传送时延和系统处理时延，数据传送时延和 t b f 建立释放时延。系统处理时延和系统间传送时延基本固定，影响时延的最 大因素为数据传送过程中的t b f 建立时间和数据传送时延。t b f 建立是指从发 送立即指配到已接收第一个u l d l r l c 数据块的时间，因此采用一步接入法和 两步接入法有所不同。 2 2 3g p r s 系统中的p ；n g 时延测试 p i n g 程序用于检测远端主机是否可达，它控制发送工c m p 报文，并根据 应答报文类型确定发送方与目的主机之间路由的通达性，同时可以计算报文发 送与应答之闯的时延，因此用来分析链路的时延。由于g p r s 系统中l l c 和 r l c 层都规定了数据包的大小，所以数据包大小由于包头负荷不一样，传送效 率也不相同。对于g p r s 系统的最小时延，一般采用小的数据包。对于测试i p 的r 1 广r ，通常采用大的数据包。不同大小包的延时差别可以根据r l c 数据块进 行估算1 7 1 。 2 3 小结 本章简要介绍g p r s 无线通信系统的发展历史和工作原理，g p r s 系统采 用的无线技术和网络技术以及g p r s 系统的关键性能指标。 9 武汉理f 大学硕十学位论文 第3 章车载实时定位系统整体架构设计 将g p r s 引入智能交通系统( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ，组成 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、g p r s 、g i s ( g e o g r a p h i ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 综合应用的实时定位监控系统，可实现对车辆、船舶等运输工具运行状态的实 时监控，根据掌握的移动终端的状态信息，能即时调度交通，提高资源利用率， 同时也能对突发事故做出及时反应。 3 1 车载实时定位系统总体架构 g p s g p r s 车载实时定位监控系统实现对车辆的精确定位并实时监控车辆 运行状态。通过g p s 获取车辆的运行状态信息；通过g p r s 无线通信网络发送 车辆运行状态信息到监控中心，同时还提供监控中心与车辆之间的信息交互。 从而为城市交通管理机构和车辆驾驶人员提供丰富的实时城市交通道路信息， 在控制中心与车辆之间建立通信渠道，提高城市交通安全，实现合理分配交通 流，达到交通顺畅。 系统用g p s 实现车辆精确定位，a r m 7 控制器实现数据采集处理，g p r s 无线网络实现车辆状态信息实时传输。车辆状态信息通过g p r s 网络，借助 t c p d p 协议发送到监控中心g i s 服务器，实现车辆运行轨迹在监控中心g i s 服 务器的电子地图上的实时呈现，达到车辆监控的目的。车辆运行状态信息通过 g p r s 无线网络发送到控制中心，同时一些公共信息或社会信息也可以通过 g p r s 在车辆和控制中心之间进行交互【”】。g p s g p r s 车载实时定位监控系统 的工作原理如图3 1 所示。 g p s g p r s 车载实时定位系统包括两部分：移动终端和g i s 服务器。 a ) 移动终端 构建嵌入式软硬件平台处理和传输数据； 获取g p s 定位信息，并对其进行运算、存储和发送： 控制g p r s 定时发送车辆状态信息到g i s 服务器： b ) 服务器 0 武汉理大学硕士学位论文 实时接收来自移动终端的数据： 在电子地图上显示移动终端运行轨迹； 建立数据库管理和存储移动终端发送的车辆状态信息，能重现选定 终端的运行轨迹。 铃渗 图3 - 1g p s g p r s 车载实时定位系统工作原理图 3 2 移动终端 在车载实时定位系统中，完成车辆的定位、车辆状态信息的实时传输功能 的就是移动终端。移动终端装置在运行车辆上，由于每个移动终端都具备g p r s 的功能，所以每个移动终端都有一个唯一可以标识的s i m 卡号，即移动终端的 i d 号。装置了移动终端的车辆也就具备了唯一可识别的i d 号。对车辆本身的 监控就是通过对移动终端的监控实现的。由于车载定位实时监控系统是一个很 庞大的系统，本文所论述的车载实时定位系统的研究主要就是针对笔者所承担 的硬件部分( 即移动终端) 部分的工作展开的。 车载实时定位监控系统的移动终端实现对车辆的g p s 精确定位和车辆运行 状态信息实时传输。移动终端装载在被监控车辆上，移动终端实时传送车辆状 态信息至监控中心，g i s 服务器端将接收到的车辆状态息信存入数据库，并在 电子地图上显示其运行轨迹。移动终端发送数掘的时间间隔建议取2 0 s 9 0 s 之 间，已有的实验表明，数据周期小于5 s 会造成移动终端数据拥挤，数据周期大 武汉理 大学硕十学位论文 于9 0 s 则移动运营商可能会使g p r s 连接挂起，参考车辆的运行速度，取数据 周期在2 0 s 9 0 s 之间可以实现对其连续跟踪1 4 5 】。 g p s g p r s 车辆实时监控系统是多功能应用系统，其中包括的关键技术有： g p s 全球定位，g p r s 无线传输，多传感器融合技术，嵌入式应用，嵌入式操 作系统的选择和移置等，有多种技术交叉应用，所以笔者在实际的设计过程中， 采用模块化设计，以便子系统升级和调试的方便。系统硬件构成模块框图如图 3 - 2 所示。 3 2 1c p s 定位模块 图3 - 2 系统硬件构成模块框图 定位模块主要负责提供车辆的精确定位信息，系统设计中采用多g p s 定位 思想，实现车辆精确定位。该模块由3 个g p s 接收机和微控制器及其他附件构 成，可实现定位信息的采集、存储以及传输等功能。 在g p s 定位过程中，定位误差是不可能完全消除的，测量结果中出现的误 差主要有：与卫星有关的误差：主要包括卫星星历误差、卫星钟的误差、地 球自转的影响和相对论效应的影响等；信号传播误差：g p s 卫星是在距地面 2 0 0 0 0 k m 的高空中运行，g p s 信号向地面传播时要经过大气层，因此，信号传 播误差主要是信号通过电离层和对流层的影响。此外，还有信号传播的多路径 效应的影响；观测误差和接收设备的误差：在高精度的g p s 定位测量e e ( 地球 动力学研究) ，还应考虑与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应 等。 在应用过程中，只能不断的提高定位精度，使其能达到实际使用的需要。多 武汉理工大学硕士学位论文 g p s 定位思想就是在定位模块中采用了多个普通g p s 接收机和高性价比的微控 制器，微控制器将多个g p s 接收机接收到的位置信息进行算术平均滤波后作为 整个系统的位置信息，这样在很大程度上减少了系统的定位误差，而且同差分 g p s 定位技术相比，降低了系统成本。 多g p s 定位的思想是：3 个g p s 接收机分别接收卫星信号，根据系统需求 输出位置信息( 可预先对g p s 接收机进行设置只选择接收系统需要的信息) ，控 制器l p c 2 2 1 0 控制多路开关c d 4 0 5 1 来选择不同的g p s 接收机，g p s 的数据是 通过串口进入控制器，控制器接收到这些数据，经过运算后作为最终位置信息 并把它存在存储器中，存储的数据最后可通过串口进行读取f 1 5 j 。g p s 定位模块 硬件框图如图3 - 3 所示。 i 电源与临拓 l g p s ib 一1 7 选 ig p s 2 b 择 7 控制 开 器 l p c 2 2 1 0 关 础。：il 存兰 l g p s 3 b n 口 舍 竺 图3 3g p s 定位模块硬件框图 3 2 ，1 1g p s 模块与l p c 2 2 1 0 的连接 6 p s 模块接线定义如下： v c c ( 3 4 6 v ) ：电源输入，3 4 v 到6 v 之问，系统g p s 模块的供电由a r m 平台 电源控制部分提供，供电电压为5 v 。 g n o ：地线，需要和串口1 的地线连接。 t 如一2 3 2 ：g p s 的串行发送，接l p c 2 2 1 0 串口1 的接收p 0 1r x d 0 。 r x d - 2 3 2 ：g p s 的串行接收，接l