（信号与信息处理专业论文）基于gsmgpsgis的车辆监控系统的设计与实现.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t t h e v e h i c le s u p e r v i s e a n d c o n tr o l s y s t e m i s a n i n t e g r a t e d a p p l i c a t i o n s y s t e m o f g p s , g i s ,c o m m u n ic a t i o n a n d c o m p u t e r t e c h n o lo g y . i t s k e rn e l t e c h n o l o g y i s p r i m a r i l y t h e t e c h n o l o g y o f c o l l e c t i o n a n d d i s p o s a l o f g p s d a t a , c o m m u n i c a t i o n d i s p o s a l , e s t a b l i s h m e n t a n d m a n a g e m e n t o f t h e g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) . t h e p a p e r i m p l e m e n t s t h e d e s i g n o f v e h i c l e m o b i l e t e r m i n a l a n d s o ft w a r e s y s t e m o f m o n it o r i n g c e n t e r . t h e t e r m i n a l i s b a s e d o n p d a a n d a s s i s t e d w i t h g p s a n d g s m. t h e p r o g r a m m in g la n g u a g e i s e v c + + 4 .0 w it h w h ic h a e m b e d d e d g i s s y s t e m is d e v e lo p e d o n m a p x m o b i le 5 .0 5 c o n tr o l w a r e . t h i s s y s t e m r e a l i z e s t h e v e r i f i c a t i o n a n d d i s p l a y o f e l e c tr o n i c m a p o f d a l i a n c i t y a n d i n f o r m a t i o n i n q u i r i n g a n d g p s i n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g ; t h e m e d i u m b e t w e e n m o b i l e c a r s a n d m o n i t o r i n g c e n t e r is t h e p u b l i c g s m m o b i l e n e t w o r k a n d i n f o r m a t i o n o f v e h i c l e l o c a t i o n ( l a t it u d e , l o n g it u d e , d r i v i n g d i r e c t i o n a n d t i m e e t c ) a n d o t h e r in f o r m a t io n f o r e x a m p le : h e lp in f o r m a t io n is tr a n s f e r r e d 妙t h e f o r m可s h o rt m e s s a g e s ;t h e m o n i t o r in g c e n t e r s y s t e m i s b a s e d o n t h e g i s s y s t e m w h i c h c o n t a i n s t h e m a p o b j e c t s 2 .3 c o n t ro l w a r e a n d t h e p r o g r a m m i n g l a n g u a g e i s v i s u a l c + + 6 .0 . t h e s y s t e m is t e s t e d w i t h t h e d a l i a n c i t y 1 : 1 m a p , a n d r e a l i z e t h e f u n c t i o n a s e l e c tr o n i c m a p d i s p l a y , i n f o r m a t i o n i n q u i r i n g , c a r s t r a c i n g a n d tr a c k r e l e a s i n g . k e y w o r d s : v e h i c l e s u p e r v i s e a n d c o n tr o l s y s t e m g p s g s m g i s i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并 采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动口 学 位 论 文 作 者 签 名 : 加 , 1 才 水 、 ) :. 0 7 年少 月 z h 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 葬 u r 一咭 q - ( ir i 藏一奇 多 手 b if ) 科 李 伽。 年 最 长 1 0 年 ， 可 少 于1 0 年 ) k如 参% j 一l -9 0 年 ， 可 奸 2 。 年 ) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的 成果。 除 文中已 经 注明引 用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的 研究 工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己 在文中以明确方式标明。 本 学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 弓 q , r , 寸 未 2 - 7 年i 月 2 牙 日 第一章绪论 第一章绪论 车辆监控系统 ( v e h i c le s u p e r v i s e a n d c o n t r o l s y s t e m ， 简称v s c s )，是 把全 球卫星定位技术、地理信息技术和现代通信技术综合在一起的高科技系统。其 主要功能是将装有g p s 接收机的移动目 标的动态位置 ( 经度、纬度)、时间、 状 态等信息，实时地通过无线通信链路传送至监控中心， 而后在具有强大的地理 信息查询功能的电子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并对目标的准确位 置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询，为调度 管理提供可视化依据，提高车辆的运营效率，并确保车辆的安全。车辆监控系 统主要由 车 载移 动单 元 和监 控中 心两个部 分 组 成 o 1 . 车 载移 动单元负责 完成 车 辆 定位、发送位置信息、接收并处理监控中心下行数据或命令;监控中心负责接 收并处理移动单元上行的数据，同时在电子地图上形象直观的显示车辆的位置 和 状态， 并 根 据需 要 进行 指 挥和调度 2 1 1 . v s c s 系 统 特别 适合公安、 银行、 保 安、机场等单位对某些特种车辆的监控和调度管理.如警车的调度与指挥，出 租车监控与调度，公共汽车的合理调配，运钞车的监控和运输公司的车辆监控 等。 第一节国内外v s c s 系统的研究现状 1 . 1 . 1 国外研究现状 在过去， 用于v s c s 的主要设备是无线电通信设备，调度中心通过无线电向 驾驶员询问车辆位置、进行车辆调度，驾驶员只能根据自己的判断说出车辆的 大致位置，而在生疏地带或夜间则无法确定自己的方位甚至迷路。因此，从调 度管理和安全管理方面，其应用受到限制。后来采用电 子路标、推算法定位等 车辆定位方法， 使v s c s 中的车辆定位手段有了 较大进步。直到二十世纪八十年 代国外采用罗兰c 自 动车辆定位，v s c s 才进入实用阶段。到九十年代后期，全 球卫星定位系统的出现以 及地理信息系统 ( g i s )、计算机、通信技术的逐步发 展， v s c s 越来越走向 成熟， 必将步入更加先 进、 适用的时代。 第一章绪论 二十世纪 0 年代后期，西欧、北美和日 本等发达国家竞相发展智能交通系 统 ( i t s )，来减少交通阻塞、增加车辆机动性和路面运输效率、增强安全性、 节约能源以 及保护环境。其主要途径是利用信息、通信、定位和控制技术将车 辆和公路集成在一个可以安装在车辆上的信息网络中，同时，将整个公路系统 的车辆流量进行优化以增加交通容量，提高车辆的运行安全系数，改变传统的 交通运输状况。 除了 欧、 美、日 以 外， 新兴的 工业国家和发展中国家也开 始i t s 的全面开发和研究。 在日 本， 由于政府的高度重视， 较为突出的是利用g p s 技术的自 主导航产品 非常普及。目前日本的i t s 研究与应用开发工作主要围绕三个方面进行，它们分 别是:车辆信息与通信系统 ( v i c s )、不停车收费 ( e t c )系统、先进道路支 援系统 ( a h s )。由警察厅、邮政省和建设省主持的v i c s 系统以向驾驶员提供 道路交通信息、使道路交通安全流畅为目 的，它已经开始进入应用化试验的阶 段，目 前在日 本东京、长野等城市周围已 经建立了 v i c s 服务系统，装载有接收 此类交通信息设施和车载g p s 自 主导航装置的 车辆己 超过7 0 0 万台，并且仍在以 每年至少1 0 0 万辆的速度增加。它们为驾乘人员提供出 行的最佳路径规划， 沿途 的道路指引， 途中的加油站、便利点、维修点、商旅服务信息提供等一系列的 帮助. 其中部分设备更与通信资讯系统结合提供关于前 方的实时交通障碍信息. 按计划，v i c s 系统将在2 0 0 2 年覆盖日 本全国的主要城市。此外，由日 本警察厅 主持开发的“ 2 1 世纪交通管理系统” ( u t m s 2 1 ) 也是日 本i t s 的主要组成部分 之一。它包括八个子系统。它包括八个子系统，分别为:先进的车辆信息系统 ( a m i s )、公交优先系统 ( p t p s )、车辆运行管理系统 ( mo o s )、动态路线 诱导系统 ( d r g s )、紧急救援与公众安全系统 ( h e l p ) ， 环境保护管理系统 ( e p ms ) 、 安全驾驶支持系统 ( d s s s ) 、 智能图像处理系统 ( i l l s ) 等。 其中， 有多 个 子 系 统 都 需 要 利 用 g i s , g p s 技 术 来 实 现 4 ) 在美国，汽车的导航服务则表现为另外一种特色，即结合救助服务系统的 辅助导航占有优势，所谓辅助导航是专门建设有服务监控中心，监控中心一般 有较为完善并功能强大的计算机管理系统并配有电子地图及通信连接设备，为 装有g p s 设备的车辆提供定位跟踪管理、 报警服务受理、 求助服务受理、 紧急救 援提供、在线语音导航甚至安全防盗服务等。美国为防止交通堵塞，提高公路 运输能力，正在试验智能公路系统。美国芝加哥阿贡国家实验室的专家与联邦 机构、州级机构和私营公司合作，利用g p s 、城市交通地理信息和移动通信等， 第一章绪论 同交通管理中心联络， 为司机提供实时的交通和气象信息， 可以使装有g p s 接收 机、 传感器和车载计算机的“ 智能” 车辆， 在交通高峰时顺利行驶。 他们使用 高效率的计算机和大屏显示器， 对行驶在芝加哥西北郊的7 5 辆 “ 智能”车辆进 行了 7 个月的跟踪活动。受试车辆上的车载导航装置能设计策划行驶路线，避开 交通阻塞的路段、指引汽车选择最佳路线开往目的地，车上装的传感器可自动 辨别车辆和调整车距，避免撞车. n a v s y s 是最早从事这方面开 发工作的国外公司之一， 它于1 9 9 4 年把 g p s 和蜂 窝通信联系起来，设计了 t i d g e t 系统， 该系统中的车辆在街区上行驶时可以 把 它们的位置发向中心站从而请求援助。 t r i m b l e 和mo t o r o l a 公司也加入开发者的行 列，将g p s 与通信单元结合起来应用于多种领域，成为先驱者之一。t r i m b l e 在 1 9 9 5 年开发的m e s s e n g e r 系统将公司的六通道g p s 接收机与公 用蜂窝网连接起 来， 并在船只管理市场中占据领导地位。 mo t o r o l a 公司则将其八通道o n c o r e 接收 机和m o t o r o l a 的一种无线电收发两用机联系起来， 开发了 m o t o r o l a 蜂窝定位系统。 国 外的 这类系统还有f o r d 的 r e s c u 系统、 r o c k w e l l 的a d t , a t x ( s a n a n t o n i o , t e x a s ) 的 o n g a r d 系统等。 他们设计的 g p s 车辆监控系统一般都 和蜂窝通信联系起 来， 通信方面具有比 较高的实用性。 现在，愈来愈多的这类系统通过测试，走 入市场，而且功能走向多元化。如最近在美国华盛顿州安装测试的一套名为 m a y d a y 的 g p s 报警处理系统， 就以 其强大和实用获得了 华盛 顿交 通部门的高 度 评价。 1 . 1 . 2 国内研究现状 国内这方面的开发工作开始也很早， 大约从1 9 9 4 年开始。 一些从事g p s 研究 开发的公司、科研单位结合国情进行了这类移动信息系统的设计和开发工作， 如清华大学电 子工程系、北京航空 航天大学2 0 2 教研室、北京倾成公司、北京大 恒公司、北京维思斯特公司、西安大唐公司、云南无线电厂等都投入了大量的 人力、物力致力于该系统的开发与应用研究。与国外相比，国内的这类系统的 通信部分采用的技术比较落后， 还没有与公共蜂窝通信技术结合起来;大部分 采用扫描地图或低程度数字化的 地图， g i s 软件做得比较粗糙。 目 前， 在g p s 车辆监控系统领域， 国内外己 有一些初步的成果， 在此介绍几 个具有代表性的系统如下: 第一章绪论 ( 1 )南京市 “ 1 1 0 ” 报警巡逻车g p s 监控系统 车载部分采用g p s 差分6 -1 2 通道并行接收机，内 含g p s 接收板、调制解调 器、处理板、电台等;控制中心由固定电台、 g p s 接收板、调制解调器、微机工 作站、 g i s 矢量数据处理、 模拟显示板图等组成。 控制中心与各巡逻车采用主从 单频通信，依次巡检，中心站点名巡逻车应答方式。整个通信网络的操作均由 控制中心控制，首先给网内 所有巡逻车进行 “ 注册登记”，按前后顺序与每辆 巡逻车依次 进行信号连接及数据交换。 数据交换的接口 是串行数据接口( r s - 2 3 2 , r s - 4 2 2 或a n - s 1 .x 3 . 1 6 ) 。 该套系统在数据无 线传输方面反应较慢， 如果巡逻车 增至1 0 0 辆时， 控制中 心更新一遍数据的时间 要用8 分钟多。 ( 2 ) 海口 市公安局g p s 移动无线报警终端 这套系统最大的特点是移动单元一体化的设计， 即g p s 接收机， 超短波收发 信机、单片计算机管理控制器以及调制解调器做在一个整体机内。移动终端具 有两个用户自 行定义的遥控口，可以实现遥控熄火等功能.中心站可以 通过无 线的方式对移动终端进行点名检验。海口 的这套系统属于比较初级的车辆监控 系统，大部分是现有设备的一种集成的设计。通信方式在系统规模较大的情况 下性能明显下降。中心计算机虽然具有图形功能，但没有达到矢量化电子地图 的高度，功能比较简单. ( 3 ) k x j - h 型卫星定位调度管理监控报警系统 该系统试用在我国首次召开的世界妇女大会上。它采用单频单工，移动站 m s ( m o b i l e s ta t i o n ) 与调 度中 心( 或中 继站) i作于 2 2 0 - 2 3 5 m h z ( 带宽 为2 5 k h z ) 的某一频点上，调度中心与中继站之间可用4 5 0 m h z 或2 3 m h z 附近的另一个 2 5 k h z 带宽的 频点。 调度中心由 无线收发信机及无线、 g p s 差分接收控制台、 计 算机及电子地图软件、计算机与收发信机之间接口 和报警设备等组成。移动用 户站ms 由g p s 接收机模块、无线收发信机及接口和报警装置组成，是调度中心 的监控对象。操作人员或司机把自己的车辆编号和目 前车辆的各种状态 ( 如正 常、故障、事故等) 信号连同车辆的实时定位信号一起送到ms 的发信机， 然后 发送给调度中心。在遇到劫持等紧急情况下，还可用暗藏紧急开关向中心紧急 报警;如果遇盗或受破坏，还能自动报警。调度中心利用g p s 差分控制站对ms 的位置信号进行校正，使定位精度达到约1 0 -1 5 米，并能在电子地图上显示该 车辆位置、车号、司机姓名、车辆特征等。在报警情况下，中心站还有声光指 示，便于采取必要的救援措施，保证车辆行车和入库保管时的安全。 第一章绪论 就现有的g p s 车辆监控系统技术发展来说， g p s 定位技术是走在其他相关技 术的前列的，基本上己经达到稳定高性能的程度， 而且国内外各套系统在这个 方面没有明显差异。 另一方面， 国内g p s 车辆监控系统中 使用的无线通信技术相 对比较落后:车辆监控系统的g i s 技术也在国内外普遍呈现出起步不久，发展不 很完善的现象。国内不同单位设计的车辆监控系统，一般都明显地存在以下几 个不足:一是车辆监控巡检周期长 ( 一百辆车巡检周期通常要达至数分钟的数 量级);二是车辆报警响应不够及时 ( 一百辆车巡检到该车的时候才能发出 报 警信息，或单独占 用一个频点来报警，而且信道冲突解决得不理想):三是监 控平台技术落后 ( 大部分采用扫描地图或低程度数字化的地图， g i s 软件做得比 较粗糙等)。 不难看出， 要解决上述不足之处， 主要着眼点应放在构造高性能的g p s 车辆 监控无线通信网和发展高水平g i s 技术上。 本课题提出的解决方案就是基于g s m 数字蜂窝移动通信系统的短消息业务， 设计并实 现了移动端嵌入式g i s 软件系统 和监控中心g i s 软件系统，实现了车辆监控系统的大部分功能。 第二节本文的研究目的和意义 充分利用车辆监控系统可以获得巨大的社会经济效益。其意义主要表现在: 1 .提高道路网的通行能力和提高汽车运输生产率及经济效益。 2 .提高交通的安全水平，防止和减少交通事故，减少阻塞，增加交通的 机 动性。 3 . 有利于打击和预防犯罪， 快速救援危机事件等，促进社会的信息化、自 动化建设等相关产业的发展。 因此车辆监控导航系统以及相关产业的开发与应用对社会和经济建设都具 有重要的意义。它可以 提高交通运输的安全性、 可靠性，改善服务质量，提高 运输管理水平，创造良好的社会效益和经济效益，有着巨大的社会和市场应用 价值。 本论文的意义还在于将先进的无线网络通信技术和高性能的智能设备应用 到传统的空间信息服务中，使基于位置的服务机制不受时空限制，从而根本性 地改变人与数字世界、人与真实世界的交互方式，为任何基于空间的作业系统 如导航、数字战场、智能交通、旅游、娱乐等提供全新的模式。 第一章绪论 论文的独特之处表现在整体架构和技术的先进性， 通过研究利用g p s 定位 技术、 嵌入式g i s 系统、 g s m短消息通信技术， 为车辆监控系统的进一步发展与 应用提供新的途径和方法.论文的实验成果将为今后的类似开发提供借鉴。 第三节 本文的研究内容和创新点 1 . 3 . 1 本文的研究内容 本论文的主题是基于g s m / g p s / g i s 的车辆监控系统的设计与实现，它是将 电 子地图与成熟的 g p s , p d a 等高智能移动硬件产品进行集成， 通过无 线通信技 术实现移动目 标的适时定位，以及移动目 标与监控中心服务器之间相互通信。 论文的内容主要分为六个部分来阐述: 第一章: 绪论，介绍课题的国内 外研究进展情况、主要内 容和创新点; 第二章:车辆监控系统的关键技术研究，为课题实现提供理论支持; 第三章:车辆监控系统的总体设计; 第四章:车载移动单元的设计与实现: 第五章: 监控中心软件的设计与实现; 第六章:结论和展望。 1 . 3 . 2 论文的创新点 论文的创新点主要体现在以下几个方面: 1 ， 在监 控中 心， 自 主开 发了 基于 m a p o b j e c t s 2 . 3 控件的 大连 市地理 信息系统， 实现了电 子地图显示、地理信息查询等功能。 2 . 在车 载 移 动单元， 采用 e v c + + 4 .0 语言， 开发了 基于 m a p x m o h i l e 5 .0 5 控 件的嵌入式g i s 系统，系统可运行于基于p o c k e t p c 2 0 0 3 操作系统的嵌入式设备， 能满足实时显示的需求。 3 . g i s 系统与 g p s 模块相结合， 实现了 移动车辆在电 子地图上的定 位与导 航 功能。 4 .采用g s m模块的短消息 ( s ms )业务，实现了p d a 的通信功能。 第二章车辆监控系统关键技术的研究 第二章车辆监控系统关键技术的研究 车辆监控系统的关键技术主要包括:移动终端技术、地理信息技术、g p s 定位技术和移动通信技术等。 第一节移动终端技术 车辆监控系统的无线终端是一种嵌入式系统，随着计算机技术的发展，该 系统己 经广泛的渗透到人们的日常生活方方面面中。具有代表性的嵌入式无线 终端设备包括; 掌上电脑、p d a和手机等。与此相应的各种各样的商用嵌入式 操作系统从无到有， 逐步发展起来， 如wi n d o w s c e , p a l m o s 、 嵌入式 l i n u x等。 嵌 入 丸a v a 技术是 移动终 端中比 较常 用的一 种开发 技术， 嵌 入 式设备大体上 区分为两种: 一种是运算功能有限、 电 力供应也有限的嵌入式设备( 比方说p d a , 手机);另外一种则是运算能力相对较佳、并且在电力供应上相对比较充足的 嵌入式设备 ( 如掌上电 脑、电 冰箱、电视机顶盒( s e t 一 t o p b o x ) ) m i c r o s o ft wi n d o w s c e是微软公司的一个为多种嵌入式系统和产品而设计 的紧凑、高效、可升级的操作系统，并特别为有限的硬件资源设计了多线程、 多任务和完全优先的操作系统环境。其模块化设计使嵌入式系统开发者和应用 程序开发者能够根据多种不同产品进行定制，例如，用户电子设备、专用工业 控制器以 及嵌入式通信设备，也是目 前嵌入式g i s终端中使用最为广泛的操作 系统之一。 第二节 地理信息技术 地理 信息系 统 ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ， 简称 g i s ) 是以 地理空间 数 据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操 作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态 的地理信息， 为地理决策服务而建立起来计算机技术系统。 g i s 提供的信息产品 不仅仅是简单的文字和数据，而且还有一幅幅空间图形或图象。大到地球、国 第二章 车辆监控系统关键技术的 研究 家、 省市，小到村镇、 街道乃至地面上的一个点位， g i s 都能以 直观、 方便、 互 动的可视化方式，实现数据信息的 快速查询、 计算、 分析和辅助决策5 1 g i s 技术的发展， 在软件开发模式上经历了功能模块、 包式软件、 核心软件， 到组件式g i s 和we b g i s 的过程。 传统g i s 虽然在功能上已 经比较成熟， 但是这些 系统多是基于十多年前的软件技术，属于独立封闭的系统。同时， g i s 软件变得 日 益庞大，用户难以掌握，费用昂贵，阻碍了 g i s 的普及和应用。组件式g i s 的 出现，为传统g i s 面临的多种总是提供了全新的解决思路。 2 . 2 . ， 组件式地理信息系统 组件式g i s 就是基于组件技术开发的g i s 系统， 其基本思想是把g i s 的各大功 能模块划分成几个控件，每个控件完成不同的功能。 各个g i s 控件之间 及g i s 控 件与其他非g i s 控件之间， 可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来， 形 成最终的g i s 应用。形象地说， 控件如同一堆各式各样的积木， 它们分别实现不 同的功能， 人们根据需要把各种功能的“ 积木” 搭建起来，就构成了g i s 应用系 统。 组件式g i s 建立在严格的标准之上，实现了g i s 的基本功能函数，按照 mi c r o s o f t 的a c t i v e x 控件标准开发接口。 这有利于减轻g i s 软件开发者的负担， 而 且增强了g i s 软件的可扩展性。 g i s 应用开发者不必掌握额外的g i s 开发语言， 只 需熟悉基于wi n d o w s 平台的通用集成开发环境，以 及g i s 各个控件的属性、方法 和事件， 就 可以 完成应 用系 统的 开 发 和 集成 6 ) 。目 前， 可 供选择的 集成开发 环境 很多，如v i s u a l c + + 等。 2 . 2 . 2 嵌入式地理信息系统 ( e m b e d d e d g i s ) 嵌入式地理信息系统 ( e m b e d d e d g i s )是集成g i s 功能的嵌入式系统产品， 是系统设计与开发层次 上的应用， 是一个软硬件混合的系统，它是导航、定位、 查询和空间数据管理的一种理想解决方案，可广泛应用在如军事、智能交通、 旅游、自 然资 源调查、 环境研究等 领域 h l 台式机g i s 指组成地理信息系统的计算机系统是通用的个人电脑， 而嵌入式 g i s 则是嵌入式计算机系统。 台式机g i s 要求全面， 而嵌入式g i s 要求精练功能可 裁剪。 第二章车辆监控系统关键技术的研究 两者对比见表2 . 1 : 表2 . 1 台式机g i s 与嵌入式g i s 的对比 内容台式机g i s嵌入式g i s 程序和数据的存储方式硬盘 f l a s h r o m 程序的容错程度高不允许出错 程序的改变和升级容易实现较难 程序的安全性较低较高 程序的通用性高低 程序的可靠性低高 目 标代码的大小限制无限制代码精简 程序的数据容量大/ j . 嵌入式g i s 主要特点是“ 可裁剪” 性， 包括数据格式的剪裁、 功能剪裁和数 据 剪 裁 18 1 。 不 同 的 用户 要 求 不同 ， 裁 剪 可 顾及 用 户 对 精 确 性、 完 整性 的 要求， 如 嵌入式导航系统所用的数字地图就可以 很简单， 数据格式只需要道路、地标、 水体和分界线信息即可。 功能上只要求浏览、卫星定位和简单的查询，不必要 g i s 中复杂的空间分析功能。数据内容也要作剪裁，道路和地标信息要求详细， 其它信息都有一定程度的简化。 2 . 2 . 3 适应车辆监控系统的g i s 开发方案选择 组件式g i s 与嵌入式g i s 系统的开发与实现可采用以下两种方式实现: ( 1 ) 独立开发 指不依赖任何g i s 工具软件独立进行应用系统开发，从空间数据的采 集、 编辑到数据的处理分析及结果输出， 所有的 算法都由开发者设计， 然 后选用某种程序设计语言 ( 组件式g i s 开发使用v b , v c ， 嵌入式g i s 开发 使用 e v b , e v c ) ， 在一定的 操作系统平台 上编程实 现， 与 通常g i s 工具软 件相比，开发过程相似，功能结构上更针对应用目 标。 ( 2 ) 集成二次开发 集成二次开发是指利用g i s 工具软件 ( 组件式g i s 开发工具软件e s r i 公司的 m a p o b j e c t s ， 嵌入式 g i s 开发工具软 件m a p ln f o 公司的 m a p x m o b i l e 等)实现g i s 的基本功能，以 通用编程软件尤其是面向对象的可视化开发 第二章 车辆监控系 统关键技术的研究 工具 ( v i s u a l c + + , v i s u a l b a s i c , e v is u a l c + + , e v i s u a l b a s i c 等)为开发平 台，充分发挥g i s 工具软件在空间数据处理上的优势及可视化开发工具在 应用程序开发上的强大功能，进行二者的集成二次开发。 就上述两种开发方式来说，独立开发的好处在于无须依赖任何商业 g i s 工具软件，这样不仅减少了开发成本， 而且同样的算法设计与代码可 以运用于以后类似的应用系统开发中， 但要求开发者有很好的计算机程序 设计功底，同时对于大多数的开发者来说，能力、时间、财力方面的限制 使得开发出的产品很难同商业化的g i s 工具软件相匹敌。集成二次开发既 可以充分利用可视化软件开发工具的高效编程功能， 又可充分利用地理信 息系统工具软件完备的空间数据可视化分析处理功能， 集两者之长， 不仅 能大大提高应用系统的开发效率， 而且使用面向 对象的可视化软件开发工 具开发出来的应用程序具有良好的外观、 完善的功能，而且可靠性好、 便 于维护。本文采用的是集成二次开发方案。 第三节 g p s 定位技术 g p s 系统是由美国国防部的海陆空三军在7 0 年代联合研制的新型卫星导 航 系 统 19 1 ， 它的 英 文 名 称 是“ n a v ig a t io n s a t e ll it e t im in g a n d r a n g in g / g l o b a l p o s it i o n s y s t e m ，即“ 卫星测试测距导 航全 球定 位系统斤 ， 简称 g p s 系 统。 该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性 ( 陆地、海洋、 航 空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。能 为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间. 2 . 3 . 1 g p s 组成 g p s 由 三 部分 组 成: g p s 空间部分、 地面 部分 和g p s 用户接收机部 分p o l g p s 空间部分由 2 4 颗分布在6 个等间隔轨道上的卫星组成。卫星分布可保证 全球任何地区、 任何时刻都不少于4 颗卫星可供观测。 2 4 颗卫星中3 颗作为 备份。 每个轨道平面上由 4 颗卫星，它们按与地球成5 5 度的相同方向运行，空间间隔约 为9 0 度。这些卫星工作在两种频率下: 1 5 7 5 . 4 2 m h z 和1 2 2 7 . 6 m h z ，卫星识别码、 携带星历和星钟参数的导航电文都调制在这两个频率上。通过测量这些卫星到 达的时间，用户可以用4 颗卫星确定4 个导航参数: 纬度、经度、高度和时间。 第二章车辆监控系统关键技术的研究 地面运行控制系统 ( o c s ) 由一个主控站、 五个监测站和三个地面控制站组 成。运行控制部分的主要任务是跟踪所有卫星，进行轨道测定和星钟测定，预 测修正模型参数，星钟同步及向卫星上行注入数据、电文和发送指令。降低精 度的有选择可用性技术 ( s a ) 控制也由 o c s 完成。 用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自 身的位置以实现定位和导 航。 g p s 接收机按使用环境可分为中、 低动态接收机和高动态接收机; 按所收信 号可分为单频c / a 码接收机和双频p 码和y 码接收机。 g p s 接收机可以捕获到按一 定卫星高度截止角所选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫星的运行， 对所接收 到的g p s 信号进行变换、 放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线 的 传播时间， 解释出g p s 卫星所发送的导航电文， 实时地计算出测站的 三维位置。 甚至三维速度和时间。 2 . 3 . 2 g p s 基本定位原理 g p s 的基本定位原理是: 卫星不断地发送自 身的星历参数( 卫星的空间位置) 和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维方向以及运 动速度和时间信息。 g p s 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离， 由于 含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差， 故称为伪距。 对c / a 码测得的伪距称 为c / a 码伪距，精度约为2 0 米左右， 对p 码测得的伪距称为p 码伪距，精度约为2 米左右。 g p s 接收机对收到的卫星信号， 进行解码或采用其它技术， 将调制在载 波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频 相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产 生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟 踪， 就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初 值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数 据处理中 作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊 度， 因 此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要 达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。 2 . 3 . 3 g p s 和g i s 集成 空间定位系统 ( g p s )和地理信息系统 ( g i s )集成实现了对空间信息的获 第二章 车辆监控系统关键技术的研究 取、存储管理、更新、分析和应用，是现代社会持续发展、资源合理规划利用、 城乡规划与管理、自 然灾害动态监测与防治等的重要技术手段。在这种集成应 用中， g p s 主要用于实时、 快速地提供目 标，包括各类传感器和运载平台 ( 车、 船、飞机、卫星等)的地空位置. g i s 则是对多种数据源的时空数据进行综合处 理、集成管理、动态存取，作为新的集成系统的基础平台，并为智能化数据采 集提供地学知识。g p s 和g i s 的结合，为g i s 的实际应用提供了强大的数据源， 而且这些数据具有时间维的特性，这就为实现人类对地球空间数据的动态管理 奠定了坚实的基础并使之成为可能。 第四节移动通信技术 现代无线通信始于1 9 世纪末的无线电 通信，从2 0 世纪初到9 0 年代，无线电 通信技术得到发展和广泛应用，它为人类提供了一种便利的通信手段。无线电 通信将通信从固定线路中解放出来， 移动性和个人化成为人们对通信日益强烈 的新需求，集成电路技术和微处理器的成熟、蜂窝系统的发明以及无线接入技 术的进展将点对点的无线通信带入了网络化的移动通信时代。这个时代，移动 通信成为大众普遍接受的通信方式，移动通信呈现出加速发展并超越固定电 话 的趋势。蜂窝移动通信已成为世界范围内的一项非常成功之作，其发展如此迅 速以 致业务需求远远超过了原先的预测。在第二代移动通信系统中，g s m是目 前使用最广的，其网络遍布1 3 0 个国家，具有1 8 0 个运营商。 2 . 4 . 1 g s m通信系统简介 g s m ( g l o b a l s y s t e m f o r m o b i le c o m m u n i c a t i o n s ) 是欧洲国家为t 创造一个统 一的、完整的泛欧数字蜂窝移动通信系统，联合了欧洲加多个国家的电信运营 部门、 研究所和生产厂家组成的标准化委员会设计的。它从1 9 8 2 年开始提出， 1 9 9 2 年欧洲各大g s m 9 0 0 运营者开始商业服务，到现在己经在全世界1 0 0 多个国 家和地区投入商用。它是目 前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最 完善、应用最广的一种。 我国于1 9 9 3 年开始建立g s m实验网，到目前已建成了 覆盖全国的数字蜂窝移动通信网。 g s m采用频率一时间分隔的蜂窝结构， 蜂窝小区 ( c e l l )的覆盖范围可大 第二章车辆监控系统关键技术的研究 可小，大的小区半径达3 5 k m，适用于农村。小的半径i k r n 左右，适用于市区。 g s m工作在9 0 0 m h z 附近的射频频带， 上行频率( 移动台一基站) 8 9 0 -9 1 5 mh z e 下行频率 ( 基站一移动台) 9 3 5 -9 6 0 m h z ， 双工间隔为 4 5 m h z ， 载频间隔为2 0 0 k h z ，采用数字调制速率为2 7 0 . 8 3 3 k b i t / s 的高斯滤波最小移频键控 ( g ms k ) 调制 ( b t = 0 . 3 ) ， 每载频使用时分多址 ( t d m a ) 技术， 分为8 个全速率业务信 道 ( t c h / f ) 或1 6 个半速率业务信道 ( t c h / h ) ， 并包括各自 所带有的随路控制 信道， 全速率业务信道速率为2 2 .8 k b it / s ， 半速率业务信道速率为1 1 .4 k b it / s ， 每 一个小区基站台有若干个预先分配的频率/ 时间信道。 2 . 4 . 2 g s m通信系统提供的业务 g s m系统定义的所有业务是建立在综合业务数字网( i s d n) 概念基础上的， 并考虑移动特点作了修改。 g s m提供的业务可分为两人类:基本通信业务和补 充业务。基本通信业务根据在网络中接入的位置不同又可分为电 信业务和承载 业务。电信业务是根据网络运营者之间的协约所建立的协议为用户间的通信提 供全部能力的通信业务。承载业务是在用户和网 络之间提供传送信号能力的通 信业务.补充业务与通信方式无关，包括呼叫转移等。 话音业务: g s m传输的是数字话音，完全不同于以前的模拟系统的音频调 制方式。 采用数字话音主要是为了 压缩频带， 提高频率利用率， g s m目 前所采 用的话音编码方式可达到1 3 k b i t / s ， 这比 有线网络中 p c m调制方式的 6 4 k b i t/ s 的数 据率大为降低， g s m计划在将来使用6 . 5 k b i t 的数据率， 从而将进一步提高频率利 用率。另外，g s m在传输中采用间断传输即不连续传输 ( d i s c o n t i n u o u s t r a n c m i c c i o n )的方式，在话音激活期间进行1 3 k b i t / s 的话音编码;在话音非激活 期间传送4 8 0 m s 一帧，约5 0 0 b i t / s 的话音编码， 仅传输舒适噪声的特性参数， 这 样不仅降低了空中总的干扰电平 ( 约降低网路干扰功率的4 0 %)， 提高了系统效 率，而且节省了 无线收发信机的托电， 对移动台尤为重要。 数据业务: g s m的互通功能 ( i f w) 提供高达9 6 0 0 b it / s 的数据业务 ( 透明和 非透明)。g s m的数据业务既可以在g s m通信网内部使用，也可以在g s m通信 网与其他通信网 之间通信， 如与i s d n , p s t n( 公众交换电话网) ， p s p d n( 分 组交换公用数据网)等网络之间。 短消息业务: 短消息 ( s h o r t m e s s a g e ) 是g s m 系统提供给用户的 一种数字业 第二章车辆监控系统关键技术的研究 务。短消息业务分为两种，一种为点对点短消息 ( s m s - p p )， 在用户之间传送 文字信息: 一种为小区广播短消息 ( s m s - c b )， 类似于现在的寻呼， 定期在一 定的区域内重复广播交通流量、天气状况等信息。短消息业务使得用户可以发 送或接收一定长度的数字或文字消息。手机接收这种消息时类似于寻呼机，消 息可以显示在显示屏上，但是功能有所增强。这主要靠g s m网比寻呼网有更强 的接续能力， 其中最重要的区别是g s m系统具有双向通信能力而常规的寻呼只 能是一种单向 通信。 g s m系统提供的短消息业务可以使网络端知道被叫方是否 己 经收到所发的消息。如果传送失败，被叫方没有回答确认消息，网络会保留 所传的消息:一旦网络发现被叫方能够被叫通时，消息能被重发以确保被叫方 能够收到。另一种增强的性能是主叫方能够得到消息发出后的结果，知道发送 是否成功。由 于短消息业务的这种方便可靠的优点，越来越多的用户开始使用 这种业务，除最普通的相互传送文字信息外，运营商也开通了许多增值业务， 如:股票查询系统、航班查询系统等，用户只要向 运营商提供的某一号码发送 一条固定格式的短消息，在几分钟内 立即会收到你需要的股票或航班信息。这 种增值业务是在短消息中心实现的，需要运营方更新短消息中心设备和软件。 2 . 4 . 3 适应车辆监控系统的g s m业务选择 g s m最基本的功能是完成通话，由于g s m 是数字移动通信系统， 其话音传 送是用针对人发音特点的语音编码技术，即带有长期预测的规则脉冲激励线性 预测编码( r