（交通信息工程及控制专业论文）车载监控系统设计.pdf

摘要 交通运输业伴随着社会经济的进步和发展，在近年内涨势迅猛，越来越多的车辆走 进国人的生活。道路交通量的增加，却因为公路建设发展的相对滞后，导致了交通压力 陡增，事故频繁发生，给国家和个人带来损失。面对有限的资源和财力以及自然环境的 压力，公路建设量的加大也将受到限制，这就需要依靠其它方法来满足日益增长的交通 运输需求。智能交通系统中的车辆监控系统的引进和应用在目前能较好的解决这一问 题。通过对车辆的定位、监控、远程调度，使得运输车辆得到充分、合理的使用，节约 运输时间，保障运输安全。 论文通过对全球卫星定位系统( g p s ) 、通用分组无线业务( g p r s ) 和地理信息系统 ( g i s ) 的技术的利用，以及利用单片机为核心，通过b c 模式的监控服务器中心，设计 开发了具有监控，导航，调动功能的物流车载监控系统。与一般的车载监控系统不同的 是本系统拥有自己的特殊监控点，即监控车辆加油时间及地点、停车卸货地点以及卸货 量，通过安装不同的传感器来实现对其的监控。 本文设计的运输车物流监控系统针对实际要求而开发，通过西安金鑫水泥制品有限 公司的使用，达到实际应用要求。 关键词：车载监控，传感器，g p s ，g s m a b s t r a c t a l o n g 晰t i lt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so fs o c i a la n de c o n o m yi nr e c e n ty e a r s ，t h e t r a n s p o r t a t i o nr i s er a p i d l y , m o r ea n dm o r ev e h i c l e sd r i v e ni n t op e o p l e sl i f e t h ei n c r e a s eo f r o a dt r a f n cr e s u l t si nt h el o s so fo u rc o u n t 巧a n dp e o p l ef o rt h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o nl a g g i n g d e v e l o p m e n t , w h i c ha l s ol e a d st ot h et r a f f i ca c c i d e n th a p p e n e df r e q u e n t l ya n dp r e s s u r er i s e s h a r p l y o w i n gt ot h el i m i t e dr e s o u r c e sa n df i n a n c i a lr e s o u r c e sa n dt h ep r e s s u r eo ft h en a t u r a l e n v i r o n m e n t , t h ep r o j e c to ft h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o nw i l lb er e s t r i c t e d ，s oo t h e rw a y sw h i c h c a nm e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n do ft r a n s p o r t a t i o nw i l lb er e l i e do n at e c h n o l o g ys h o u l db e i n t r o d u c i n ga n du s i n g ，i t st h ev e h i c l el o c a t i o na n do n - b o a r dm o n i t o rs y s t e m i ti sag o o dw a y t os o l v et h i sp r o b l e ma n di ti sap a r to fi n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m w eh a v eg o taw a yt h a t w o u l dm a x i m i z et h eu s eo fe x i s t i n gr e s o u r c e s i ti n c l u d e sv e h i c l e so fp o s i t i o n i n g ，m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l i n g i tw i l lh e l pt oa c h i e v et h eg o a lo fs a v i n gt h et r a n s p o r t a t i o nt i m e ，v e h i c l e s s u r v e i l l a n c ea n dm a n a g i n gi nas c i e n t i f i cw a y t h et h e s i sg i v e sa ni n t r o d u c t i o no ft h et e c h n o l o g yt h a ti sa p p l i e d t h e ya l et h eg l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) ，t h eg 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 ) ，t h eg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) t e c h n o l o g y , t h es i n g l ec h i pa n dt h ew a t c h i n gc e n t e ro fb cm o d e t h es y s t e mc o n t a i n st w oi m p o r t a n tp a r t s ：t h ec e n t r a l i z e dw a t c h i n gc e n t e ra n dt h em o b i l e t e r m i n a l s ，a n dt h e yw e r ed e s c r i b e df r o mt h ee l e m e n to fh a r d w a r ea n dt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r e t h e nt h i ss y s t e mh a si t so w ns p e c i a ls i g n a ld e t e c t i o nt os a t i s f y t h es p e c i f i e dr e q u i r e m e n t s w h e nt h el i do fo i lt a n ki so p e n e d ，t h ev a ni sd i s c h a r g i n ga n d s u r v e y sd i s c h a r g eq u a n t i t y t h e s ei n f o r m a t i o n sa r ed e t e c t e df r o ms e n s o r st h a tw e r ei n s t a l l e d i nd i f f e r e n tp o s i t i o n t h i ss y s t e mi se x p l o i t e di nv i e wo ft h ea c t u a lr e q u i r e m e n t , w h i c hr e a l i z et h ec o m p l e t e m o n i t o r i n g ，c o n t r o lf u n c t i o nf o rp h y s i c a ld i s t r i b u t i o nf l e e t a tt h es a m et i m e ，i th a sa l o wc o s t f o rd e v e l o p e r k e yw o r d s ：o n b o a r dm o n i t o r ；s e n s o r ；g p s ；g s m 长安大学硕士学位论文 1 1 设计背景 第一章绪论 现代社会的物流运输业已经随着计算机、通信、交通、汽车等多个行业的飞速发展 而日益凸显其重要性，特别是随着新型商务模式b 2 c 、b 2 b 等的出现，亦使得物流的发 展已经在现代快捷生产、生活方式中的无可取代；而与此同时物流业中的运营安全、对 重大突发事故以及不可抗拒的自然灾害的及时有效处理，对于现代物流公司来说至关重 要，因此拥有与之相适应的，能减少车辆、财务及人员损伤的车辆监控系统是物流公司 所不可或缺的。 本论文所设计的物流车载监控系统是智能交通系统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 n s y s t e m ) 的一个重要组成部分。智能交通系统是建立在较完善的道路设施基础之上，并将 先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建 立的一种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。起步于6 0 7 0 年代的交通管理计算机化就是智能交通系统的萌芽状态，然而随着社会的发展与技术的 进步，交通管理和交通工程逐步的发展成为智能交通系统，但是此时的智能交通系统与 原来意义上的交通管理和交通工程有着本质的区别：智能交通系统强调的是系统性、信 息交流的交互性以及服务的广泛性，其核心技术是电子技术、信息技术、通信技术、交 通工程和系统工程。 交通系统通过充分发挥现有交通基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全， 缓解交通拥挤等的有力措施，来更好的维护社会的生活秩序，方便人们的生活。道路交 通一直以来也都是作为发展社会和提高人民生活水平的基本条件，俗语说“要致富先修 路”，经济的发展离不开道路交通的支持，也势必会带来出行量的增加，从而反过来对 道路交通产生压力。两者相辅相成。此时正处于我国汽车工业的起步阶段，因此限制车 辆的增加并不是解决问题的好办法；而采取增加交通供给，即大量修筑道路基础设施的 办法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天也将受到限制。面对越来越拥挤的交通、有 限的资源和财力以及环境的压力，这就需要依靠一些除限制需求和提供道路设施之外的 其它方法来满足日益增长的道路交通需求，现代智能交通系统的出现，成为能够来解决 这一矛盾的途径之一。 社会经济迅猛发展的当今，道路运输已经成为超越铁路运输的最重要的地面运输方 第一章绪论 式，在带动了汽车市场蓬勃发展的同时，亦在国民经济和社会发展中起着举足轻重的作 用，从而也加速了交通系统的不断壮大，交通紧张的情况也是与日俱增的加剧，交通拥 挤、堵塞、事故多发也成为了现代社会的热点问题之一。基于上述原因的同时，物流公 司的物流运输车辆在调度中，由于不明确车队中空闲车辆的数量、所在位置，以及需要 运输货物的运输路线远近等问题，以至于造成了调度频繁，从而造成的人力、物力资源 浪费的现象日见不鲜。因此有效的提高运输车辆运载效率，加大对车辆运输路线的管理 和集中调度指挥，既能提高车辆的利用率，又能节省物流运输的成本，整个物流车载监 控系统的应用使得上述问题迎刃而解。 1 2 国内外发展近况 从七十年代之初到现在历经了多年，由美国研发的第二代卫星导航系统全球定 位系统在耗费了超过1 0 0 亿美元之后，已经从军用进入到了商用阶段。整个系统是空间 技术、电子技术、通讯技术等应用技术的融合，定位精度高，可以实现全天候工作，而 且定位设备的体积小，重量轻，性价比高。因此在应用中发展速度很快。国外的g p s 起步比较早，较为突出的是美国的g p s 和俄罗斯的g l o n a s s 卫星定位导航系统，这 两套系统均在世界范围内得到认可。美国的g p s 技术通过取消使用限制政策，提高改 进g p s 系统的使用性能，扩大使用范围，鼓励民用公司投资使用，使得美国的g p s 导 航定位系统在美国和世界都实现了高速推广和发展，这一政策也让美国的g p s 领先与 俄罗斯的g l o n a s s 技术，形成了一种垄断式的发展。根据业内协会的推测，美国的 g p s 销售产业额从1 9 9 5 年的1 2 7 亿美元突增至2 0 0 0 年的8 5 亿美元，也让全世界看到 了一个新的商业奇迹。面对巨大的商业利润，世界各国也纷纷加入自主研发全球定位系 统的行列之中，欧盟在2 0 0 1 年4 月的欧盟交通部长会上就通过了筹措多年的欧洲伽利 略全球导航定位卫星计划。在日本，几乎所有的汽车生产厂家都加入了这场拥有广阔前 景和巨大经济效益的高科技角逐。目前市面上美国、欧洲和日本的车载导航已经逐渐走 向成熟，形成了具有一定规模化产销系列。其他发达国家也不甘落后，力图在市场上占 有自己的一席之地。各个国家的纷纷加入让市场竞争进入了新的阶段。专家预测导航系 统的发展趋势应该是向着以下方向发展：美国继续其垄断地位，高精度多频测量等先进 技术存在于少数的g p s 厂家中；一般的o e m 板和单频接收技术将随着生产厂家的发展 散布到世界各地，低档的g p s 产品凭借着用途广、市场大、技术要求低将在市场上拥 有一定的占有率。 ， 2 长安大学硕上学位论文 我国在卫星导航定位应用方面主要是以美国的g p s 技术为主。随着g p s 技术的深 入发展，历经十多年我国在应用与理论方面都得到了很大的发展。引进的g p s 接收机 主要应用于测绘、资源勘探等静态定位，成倍地提高了作业效率，为国家节约了大量经 费，并在过去人迹罕至的高原、沙漠、海洋也获得了大量的定位成果，在国家制图、城 乡建设开发、资源勘察等方面有了技术保障。尤其是2 0 0 0 年5 月美国总统宣布取消“s a 政策后，在广大的普通用户中受益最大，可靠性和精度都得到了提高。 近几年来我国在应用g p s 技术土所取得了一定的成绩： 1 、国家测绘局已完成了国家高精度g p s 空间定位a 、b 级网，总参测绘局完成了 全国一、二级g p s 网，形成了我国具有厘米级精度的三维地心框架基础及我国大板块 间的速度场模型；建立了我国g p s 永久性跟踪站及数据处理中心，自1 9 9 7 年起就可发 布我国g p s 精密星历。 2 、中国地震局、总参测绘局和国家测绘局共同完成了高精度地壳运动监测网的建 设，为监测板块运动和区域地壳形变奠定了基础。 3 、交通部门在我国沿海建立l o 个g p s 导航差分台站，实现了近海精密g p s 导航， 更新了船舶导航技术。g p s 技术也被城市规划、设计部门广泛的应用在市政规划测量、 建设勘察、工程测量以及道路交通设计施工等方向上。地质部f o n 将g p s 技术应用于 石油、矿产、地质勘探以及地质灾害监测上。这些部门均通过g p s 技术的应用取得了 较好的社会、经济效益。 “ 4 、g p s 动态监测系统被科研院所、大专院校在道路、桥梁、高层建筑和大坝变形 等监测范围里成功使用；并且解决了包括通讯链路接口、数据处理软件、服务信息库管 理等多种技术难点在全国完成了分布式广域差分科学实验，同时建立了多服务模式的 g p s 差分示范站，这些都成为有效的前期工作为g p s 技术应用的推广做好准备。 5 、日益拥挤的城市交通发展需要大量应用g p s 技术与通信技术相结合，加上国内 外众多的厂商纷纷加入g p s 开发的行业，国内市场上的g p s 导航、监控产品日益增多， 便携式采集设备和国产定位测量系统和广域差分终端的出现，让g p s 的应用技术日新 月异，其中最著名的有国产g p s r t k 。一些大城市的交通管理开始着手建立基于g p s 应用技术的交通管理调度中心，除了针对最初的特种车辆( 急救车、押钞车、消防车、 警用车等) 逐步扩展到长途货运车、公交车、城际客车以及出租车等大量需要集中指挥 调度的车辆部门。这些都是g p s 从军用到民用领域的飞速发展的表现，从最初的单纯 引进发展到消化吸收的阶段。这些都和g p s 的全球性、全天候、高精度、实时监控的 3 第一章绪论 特性分不开。 6 、随着我国经济发展，中国的家庭也开始拥有了私家车，在几十年的发展之后， 中国家庭也引导着g p s 导航定位系统的发展开始慢慢走入一般家庭。据统计2 0 0 5 年底 我国大约有1 0 万辆汽车配备了g p s 导航设备，但是g p s 导航设备安装率远远低于国外 的安装平均水平，仅有不到2 的安装率。但是这也从另外一个方向说明了我国的g p s 导航系统拥有很大的市场可挖掘力。而到2 0 0 7 年，我国安有g p s 导航系统的汽车增加 了5 倍，约有2 0 0 亿人民币的产业总价值。 但是就现在而言我国g p s 车载市场还是处在初级的阶段。首先车载g p s 系统的产 品质量和成熟度都是远不如国外同时代产品，系统定位的技术和精确度也有所欠缺，电 子地图的更新和价格都不尽人意。且国内的g p s 车载系统基本是以后装市场为主，虽 然汽车生产厂家一汽、二汽、上海大众、通用等都有在豪华轿车或普通轿车上将g p s 导航系统作为标准配置的打算，但是国内的实际情况使得厂商做出这个决定要冒很大的 风险，所以现在还是采用后装形式是厂商为使用者提供的可选择的配置首选，也不失为 一个灵活的策略。 就汽车的导航终端来说，g p s 车载导航系统前装系统可以与车内系统完美的结合统 一，经过出厂前的严格测试之后才进入市场，这样的设备不论是稳定性还是安全保障都 远远高于后装设备，这样发展的趋势就将是后装g p s 导航系统的市场逐渐被前装系统 所代替，g p s 车载导航系统将称为汽车出厂标配，为汽车使用者提供更好的服务和更多 的便利。 如此拥有巨大潜力的g p s 车载系统市场并没有像人们预计的那样一下子就发展起 来，国内的整个g p s 车载系统市场仍处于初级小发展阶段。究其原因，目前主要制约 了其发展的四个因素是： 1 市场的消费需求一般。在g p s 导航产品市场上，我国与发达的国家还是有着很 大的不同，如在美国、澳洲等地日常开车出行，人们的行程基本都在数百公里左右，中 国日常出行，多数车辆的行程半径为国外的1 1 0 里程甚至不到，而且这样的行程大多数 都是在熟悉的道路上，或是往返于工作和居住地的固定路线，因而国内车主对于导航设 备没有很强烈的需求。 2 行业标准化缺乏。g p s 车辆导航系统产业化的核心问题是标准化。由于目前国 内的不同公司的g p s 产品或是监控、运营系统不能通用、兼容、联网，使用者只能在 固定的公司中选择，无法在市场中自由挑选最新产品，或者是将产品技术进行升级。加 4 长安大学硕士学位论文 之国内市场上涉足g p s 领域的企业很多，各个公司技术实力、开发环境和信誉参差不 齐，产品质量、售后服务均有待完善，但是行业里缺少相对完整的行业标准来规范和制 约它们。 3 产品性价比不高。g p s 导航产品的价格对于国内市场来说相对昂贵，市场中主 流的g p s 导航系统就需要8 0 0 0 元不等，中端产品的市场也在5 0 0 0 元左右，低端的单 体接收机大约需要2 0 0 0 元，简单的车载系统平均价格都在2 0 0 0 - 4 0 0 0 元不等，这样就 使得一部分潜在的消费者很难有主动购买的意识。随着厂商的增多，目前市场的g p s 导航产品有了竞争力，价格也逐渐下降，但是距离大多数人可以接受的价位还需要一定 的时间。 4 电子地图更新慢。电子地图是g p s 导航系统中最重要的。在国内由于国家出于 安全的考虑，地图数据由政府进行严格控制，而且由于国内各个省市都在对基础设施和 道路桥梁进行大规模的升级改造，高等级公路的新建，这些都使得地图的更新频繁，这 样就造成了电子地图的更新与制作成本高居不下，市场运作成本太高，无法满足消费者 的需要。 虽然有着这些制约因素，但是国内车载g p s 市场前景还是很值得展望的。 2 0 0 2 年交通部下发了关于继续进行道路危险货物运输专项整治的通知，要求对 于从事运输“三危( 剧毒、放射性及易燃易爆化学危险货物) 的运输车辆应安装g p s 卫星定位系统或行车记录仪和通信设备，并逐步在其他危险品运输车辆中推广。g p s 车 载系统由于相关法规的推出有了新的广阔的发展空间。目前车载g p s 被广泛应用在运 钞车、急救车、危险品及贵重物品运输车等特种车辆领域。 随着我国私人汽车保有量的增长及用途的转变，g p s 车载系统市场容量不断增长。 中国加入w t o 后，由于汽车进口关税下降，轿车售价随之降低，市场需求更加旺盛。 同时，随着私人汽车用途的转移及交通设施的改进，有车族进行中短途的商业旅行和 假日旅游已经司空见惯，车载导航系统可以为私人汽车车主提供丰富的增值服务。据 统计，目前我国私人汽车市场保有量已超过1 0 0 0 万量，如果按照1 0 的配置比例，则 有约1 0 0 万台的市场容量。未来当g p s 性价比进一步提高时，g p s 车载系统将有着较 为广阔的应用前景。 根据最新研究报告( 2 0 0 5 2 0 0 6 年中国汽车电子市场发展趋势研究报告研究表明， 计世资讯( c c wr e s e a r c h ) 预计中国汽车g p s 导航系统市场在2 0 0 6 - - 2 0 0 9 年期间年增 5 第一章绪论 长率将超过5 0 ，而由于g p s 系统的应用环境和车载导航商业化以及g p s 导航行业标 准的逐渐成熟，到2 0 1 0 年时g p s 车载导航系统将在市场上广泛推广，消费者越来越多， 价格也会随着市场规模的扩大而逐步下降，中国汽车在2 0 0 9 年对于g p s 导航系统终端 的销售额将接近1 0 0 亿元。 按照地区来划分，中国东部地区汽车保有量占全国汽车保有量的4 9 1 ，中部和 西部地区分别占2 9 5 和2 1 4 。东部地区汽车保有量比上年增长1 7 3 ，中部和西部 分别为1 3 1 和8 4 。按照经济区来划分，汽车市场较为活跃的地区是珠三角经济区、 长三角经济区、京津塘经济区。这三个经济区同时也是中国最有可能形成城市群的地 区，对于汽车这种中短途交通工具来说，车载导航系统的市场需求也是非常明显的。 因此这些地区将是车载导航系统市场拓展的首要地区。 此外，国内很多做中长途运输的载货车对于车载导航系统也有着明确的需求。车 主希望该系统既能满足交通导航的需要，也能为司机在长距离运输过程中提供娱乐和 信息沟通便利。时下车主与货运公司的松散合作关系决定了车主在购买系统时有充分 的采购权和动机。据悉，全国物流业的运输车辆将会陆续安装g p s 导航及安全系统， 近两年之内将有1 0 万辆，三到四年内将有1 0 0 万辆运输车安装g p s 安全监控系统。 这一项预算费用约在1 9 1 8 亿元人民币左右。 就北京地区而言奥运会的召开为g p s 系列产品提供了一个巨大的市场。计划在2 0 0 8 年之前北京市将全市的公共汽车上都安装g p s 系统。整个北京的公交汽车共计约有7 0 0 多条线路，车辆数可达万台，约1 9 2 亿元人民币的预计装置费用，同样的2 0 0 8 年之前 北京出租车也将于完成g p s 系统的安装，这里的预算约为人民币6 8 亿元用于安装监控 系统。同时对于奥运期间的物流量估计为3 亿吨左右，成为北京经济发展和筹备奥运的 重大举措就是要建立物流控制与管理系统，这些都为g p s 系统在城市的发展提供了广 阔的市场空间。 1 3 设计背景和意义 本次设计的系统是为某公司的混凝土运输车队设计的车载物流监控系统，利用g p s 卫星导航定位技术、无线移动通信网络技术以及计算机服务器应用技术等，整合现代信 息网络的应用，实现了对整个运输车队的运输车辆工作状态情况进行即时监控，设计的 侧重点在对于需要监控的指定信号通过加装外部传感器测得，然后采集再通过主控芯片 6 长安大学硕士学位论文 将此信号以及g p s 定位模块对车辆进行的即时定位信息，用短信打包的方式发送至监 控中心。整个系统依靠无线移动通信网络和计算机技术的结合使用来提高运送、管理的 效率性和安全性。 设计的针对性明显，因此在设计的时候既要有一般监控系统的功能同时还要兼顾性 能更佳、价格适宜、控制方便等多方面因素，并且需要针对具体的监控指标对设计进行 侧重：即车载端的功能除了能实现基本的g p s 导航、定位及通信功能，还需要实现的 特定功能是在当车辆停止，油箱打开时，发送信号“木幸号车油箱开启 监控中心；车 辆停车卸货开始时，发送号车开始卸货”信号至监控中心；车辆停车卸货完毕时， “发送号车卸货量为宰 至监控中心。监控中心需要实现的是对运行中车辆进行实时 监控，包括车辆及时位置的查询，车辆状态的查看，语音通讯功能，数据交换功能、远 程控制功能等。 本论文的设计充分的体现现代物流公司对于提高运营效率、减少空载运营、增强运 营安全性以及提高公司物流运输保障度等实际运营方面的需要，设计了基于g p s 导航 系统和移动通信网等多种现代信息技术的物流车载监控系统。使得面对日益增长的物流 运营成本，日渐拥挤的城市道路交通，与日俱增的公路交通系统的复杂程度时，公司能 有效应对，这套系统对物流公司来说是有着不可或缺的重要意义。系统具有投资少、低 功耗、多功能、覆盖面广等特点，亦使得物流公司对其下物流车队的车辆运营监控实现 新发展。 7 第二章g p s 定位系统理论 2 1g p s 定位原理 第二章g p s 定位系统理论 g p s 是美国陆海空三军在国防部的允许下于1 9 7 3 年的1 2 月，共同研发出一套利用 卫星来实现导航的系统，全称是g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，它给使用者提供了时间、速 度和三维坐标，整个系统是建立在卫星无线电基础之上的导航定位系统，系统的功能有 全天候、全球性、实时和连续性以及包括了陆海空和航天的全能性。近些年以来美国的 g p s 系统和俄罗斯的g l o n a s s 系统已经发展成为第二代卫星导航定位系统；欧盟的 g a l i l e o 系统和中国的北斗二号卫星导航系统等正在积极筹备；在不久的将来它们将 共同组成全球导航卫星系统g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 将大大提高全球 统一定位精度和定位速度。 2 2g p s 定位系统构成 g p s 系统主要包括了三大部分： 1 空间部分g p s 卫星星座 图2 - 1g p s 星座图 由2 4 颗卫星做成的g p s 卫星星座包括2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星称为 ( 2 1 + 3 ) g p s 星座：它是由2 4 颗均匀分布的卫星组成的，这些卫星在轨道倾斜角均为 5 5 。的6 个轨道平面内平均分布着；在同一个轨道平面中的卫星之间的升交角距其中每 受 长安大学硕士学位论文 个卫星都要比位于它相邻的西边轨道平面上的卫星超前了3 0 。不同的轨道平面之间都 是相差了6 0 。，也就是说每个轨道平面之间的升交点赤经差为6 0 。如图2 - 1 所示为 g p s 星座构成图。 g p s 卫星的运行高度大约2 0 2 0 0 k m ，卫星每1 2 恒星时能绕地球一圈，而在地球上 的人们每天见到同一颗卫星的时候都比头一天提早了4 m i n ，这是因为相对与卫星来说， 地球自转一圈的时间，相当于它们绕地球转两圈。平时能观察到的地平线之上的卫星会 有4 1 1 颗，这个随着时间地点的不同而异。在定位的时候要通过对4 颗定位卫星观测 来解算观测站的三维坐标，且在观测中由于4 颗卫星的位置分布会对精度产生影响，这 个就是常说的定位星座。在一个短暂的时间点，不能精确测量到它的点位坐标，在专业 上称之为“间隙段 ，但是这个间隔由于非常的短，对于大多数的定位测量来说，是没 有什么影响的。 和其他的工具一样，g p s 定位卫星也是有自己的编号的，一般来说有以下几个方法 来给卫星编号：1 国际编号：发射年代，发射年中发送的卫星序号，发射的有效负荷使 用字母“a 表示；2 按发送的卫星使用的伪随机噪声码的不同来编号( p r n ) ，这种编 号方法在定位导航中经常被使用；3 通过轨道位置顺利来进行编号；4 以卫星发射的次 序不同来进行编号；5 美国航空航天局编号( n a s a ) 等。 原予钟、微处理器、还有双频的收发机以及电文的存储器，这些都是g p s 定位卫 星中的重要组成部件。通常情况下为了防止稳定g p s 定位卫星的定位精度出现元件偏 差，给每颗卫星都配备有铷原子钟和铯原子钟各两台，一台工作其余三台均处在备用状 态。而在未来可能使用氢原子钟来代替它们，因为氢原子钟的频率稳定度优于1 0 d 4 s ， 一般原子钟的误差达到1 0 母s 就会导致3 0 c m 的站星定位偏差。频率为1 0 2 3 g h z 的信号 是基准信号，发送的不同频率的信号均要以它为基准。一般用户设备接收到的是地面站 检验过之后的再注入的卫星钟，信号中的钟差、钟速及其他信息都是将要被地面站所检 验的对象。 2 地面部分一地面监控系统 地面监控系统是g p s 在地面的8 个控制站点，它们包括了主控站、注入站和监测 站。主控站和监测站的全部资料都是通过主控站来实现收集和处理，现设在美国卡罗拉 多的主控站还兼有对卫星轨道偏离的纠正和检测所有地面站点工作系统的职责。而注入 站每天3 次将导航电文注入相对应的卫星储存器中，这些由主控站发来的导航电文每次 通过注入站注入了1 4 天的星历，而三个注入站卡瓦加兰岛( 位于太平洋) 、阿森松岛( 位 9 第二章g p s 定位系统理论 于大西洋) 和地戈加西亚岛( 位于印度洋) 对主控站还有主动上报自身工作状态的智能， 报告频率是每分钟报告一次。提供观测数据的监测站包括以上的主控站、注入站，还有 一个位于夏威夷岛。对于各站点气象要素进行采集，并对范围内的可见卫星，每6 分钟 使用g p s 接收机进行积分多谱勒观测和伪距测量；另外每1 5 分钟平滑一次自动采集到 的定轨数据，对数据进行修正，并且将经过推算后的观测数据以2 分钟为间隔往主控站 发送。 3 用户部分刈p s 信号接收机 作为用户设备的g p s 信号接收机，它有静态和动态两种定位方式，这里所谓的静 态和动态，区别主要是在相对于地球来说的接收机自身或是被测物体而言。 在静态定位时，整个跟踪、捕获的过程里接收机的位置都是相对固定的，由不改变 位置来测量g p s 信号传播时间，然后通过已知的g p s 卫星在轨位置来推算接收机的三 维位置坐标。 在动态定位时，整个跟踪、捕获都是为了测定正处在运动状态的物体，g p s 接收机 一般都安装在被测量的运动物体上，与物体一起处在运动状态中，g p s 接收机使用天线 来跟踪与地球相对运动的g p s 定位卫星，然后方能测出运动状态中的接收机载体的瞬 间位置( 三维坐标) 、速度以及其他瞬间状态参数。 从上边可以看出来，在一定的卫星高度截至角范围内选择卫星，利用g p s 接收机 去跟踪、捕获定位卫星的信号和运行，然后对接收的信号进行一系列的变换处理，并通 过测量g p s 信号传播时间( 接收机天线和待测卫星之间) ，就可以把g p s 定位卫星的导 航电文以位置( 三维坐标) 、速度和时间的形式解译出来。 另外美国军方为了安全需要，对g p s 信号进行了人为加入干扰，因此虽然g p s 本身 定位精度可以达到厘米，但一般的民用g p s 接收机只能达到米级甚至1 0 米级。但通过 r t k 等精密定位手段，可把精度提高到厘米甚至毫米级别。 g p s 全球定位系统以其定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、可提供三维坐 标、操作简便、全天候作业、功能多、应用广等特点著称。利用导航卫星对车辆进行定 位，发送定位信息，可实现全天候、可移动、即时定位和导航，同时也向监控中心提供 即时定位信息，以便查询。 2 3g p s 编码与解码 n me a - 0 1 8 3 的每条语句的格式如下表2 - 1 所示： 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 - 1n me a - 0 1 8 3 语句格式 符号a s c i i定义 h e xd e x 说明 $起始位2 43 6 语句起始位 勰c c c地址域前两位为识别符，后三位为语句名 域分隔符 2 c4 4 域分隔符 d 1 d 1 2 数据块 发送数据内容 “ 校验和符号 2 a4 2 后面的两位数是校验和 h h 校验和 校验和 c l t 终止符 0 d ，o a1 3 ，1 0 回车，换行 现行市面上的g p s o e m 板基本都是采用行业通用的n me a 0 1 8 3 通信标准格式， n me a - 0 1 8 3 的通信标准格式定义为： 比特率4 8 0 0 b i t s ；数据位8 b i t ；奇偶校验无；开始位l b i t ；停止位l b i t 。 n m e a 协议是为了在不同的g p s 导航设备中建立统一的b t c m ( 海事无线电技术 委员会) 标准，由美国国家海洋电子协会( n m e a t h en a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 制定的一套通讯协议。n m e a 0 1 8 3 是美国国家海洋电子协会( n a t i o n a l m a r i n ee l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 为统一海洋导航规范而制定的标准，该格式标准已经成 为国际通用的一种格式，协议的内容在兼容n m e a 0 1 8 0 和n m e a 0 1 8 2 的基础上，增 加了g p s 、测深仪、罗经方位系统等多种设备接口和通讯协议的定义，同时还允许一些 特定厂商对其设备通信自定协议( 例如g a r m i ng p s ，d e s o2 0 等) 。n m e a 0 18 3 协议是 g p s 接收机应当遵守的标准协议，也是目前g p s 接收机上使用最广泛的协议，大多数 常见的g p s 接收机、g p s 数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。 输入输出语句均按照串行通信协议，数据结构为8 个数据位、个起始位、一个 停止位、无奇偶校验位、输出数据格式初始化为n m e a 0 1 8 3 格式，输出波特率为4 8 0 0 b i t 。 用户通过输入语句对g p so e m 板进行初始化，设置数据格式、通信波特率、要求输出 的种类等；输出语句则输出g p s 的各种数据信息。 g p s 语句如： $ g p g g a ，( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) ，( 4 ) ，( 5 ) ，( 6 ) ，( 7 ) ，( 8 ) ，( 9 ) ，m ，( 1 0 ) ，m ，( 1 1 ) ， ( 1 2 ) + l l l l ( c r ) ( l f 此语句的解释如下： ( 1 ) u t c 时间，h h m m s s ( 时分秒) 格式 第二章g p s 定位系统理论 ( 2 ) 纬度d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) ( 3 ) 纬度半球n ( 北半球) 或者s ( 南半球) ( 4 ) 经度d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) ( 5 ) 经度半球e ( 东半球) 或者w ( 西半球) ( 6 ) g p s 状态： o = 未定位，1 = 非差分g p s 定位，2 = 差分g p s 定位，6 = 正在估算 ( 7 ) 正在使用解算位置的卫星数量( 0 0 1 2 ) ( 前面的0 也将被传输) ( 8 ) h d o p 水平离散精度因子( 0 5 - 4 ) 9 9 ) ( 9 ) 天线的海拔高度( - 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 ) ( 1 0 ) 海拔高度( - 9 9 9 9 9 - 9 9 9 9 9 9 ) ( 1 1 ) 差分时间 ( 从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分g p s 定位将为空) ( 1 2 ) 差分站i d 号 0 0 0 0 1 0 2 3 ( 前面的0 也将被传输，如果不是差分g p s 定位将为空) 2 4 本章小结 本章对g p s 定位系统进行了介绍，依次介绍了g p s 定位原理，g p s 定位系统的构 成，和g p s 语句编码和解码的规律，使得大家能够详细了解g p s 定位系统及定位原理 和规律。 1 2 长安大学硕士学位论文 3 1g s m 系统构成 第三章g s m 通信系统 g s m 系统即泛欧数字蜂窝移动通信系统的简称，原意是“移动通信特别小组( g r o u p s p e c i a lm o b i l e ) ”是欧洲邮电行政大会( c e p t ) 为开发数字蜂窝移动通信系统而在1 9 8 2 年成立的机构，随着移动通信设备的研制与开发及数字蜂窝移动通信网的建立，g s m 就逐步成了欧洲数字蜂窝移动通信系统的代名词。欧洲的专家们将g s m 重新命名为 “g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o r s ”，从而使其变成了“全球移动通信系统”的简 称。 g s m 系统包括g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 两个工作频段的并行系统，这两个系统功能相 同，只是工作频段不同，g s m 9 0 0 工作在9 0 0 m h z ，d c s l8 0 0 工作在l8 0 0 m h z ；两个系 统均采用t d m a 接入方式。 g s m 作为当今主流移动通信系统，主要特点有：频谱效率高；容量效率比t a c s ( 全入网通信系统) 高3 5 倍；话音质量在接收端的载干比高于门限值时，与无线传输 质量无关；提供开放的接口；通过鉴权、加密和t m s i 码的使用加强了安全性；能与i s d n 、 p s t n 等互连；能在s i m 卡基础上实现漫游。 一套完整的蜂窝移动通信系统主要是由移动用户台m s 、网络子系统n s s 、无线子 系统b s s 以及网络操作管理子系统m s 等网络单元组成，其系统结构如图3 1 所示。 网络子系统n s s 主要进行用户数据管理、安全管理、呼叫管理和计费管理等功能， 同时提供与外部其他网络和系统之间的连接。无线子系统b s s 主要提供无线资源管理和 基站设备管理等功能，它通过无线接口与移动用户连接。网络管理子系统o s s 提供网 络性能管理、故障管理和报警管理。移动用户m s 使用s i m 卡负责完成呼叫功能。 n s s 部分包括移动交换中心m s c 、访问用户位置寄存器v l r 、归属用户位置寄存 器h l r 、移动设备标识存储器e i r 、鉴权中心a u c 等网络单元。其中，m s c 负责完成 呼叫和交换控制功能，h l r 进行用户静态和动态数据管理，e i r 进行设备号i m e i 的管 理，a u c 负责进行用户鉴权。通常m s c 和v l r 之间的数据交换量交大，所以二者功 能合一。h l r 也可以与m s c 合设，但是为了便于实现多厂家设备之间的互联，h l r 通 常独立存在。而e i r 则根据需要进行配置。a u c 通常作为h l r 的一部分存在。b s s 部 分包括基站控制器b s c 和基站收发信机b t s 两部分。b s c 负责无线资源管理，b t s 负 第三章g s m 通信系统 责进行空中信息的收发和信道编、解码等功能。一个b s c 可以控制多个b t s 。 图3 - 1g s m 网络单元 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 ) 的覆盖范围可大可小，大 的小区半径达3 5 k i n ，小的半径1 k m 左右。g s m 工作在9 0 0 m h z 附近的射频频带，上 行频率8 9 0 - - - 9 1 5 m h z ，下行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健控调制，每载频使用时分多址 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，全速率的业务信道速率为2 2 8 k b i t s ，半速率业务信道速率为 1 1 4 k b i t s ，每一个小区基站含有若干个预先分配的频率时间信道。 无线子系统的物理信道支撑着逻辑信道，逻辑信道可分为业务信道( t r a f f i cc h a n n e l ) 和控制信道( c o n t r o lc h a n n e l ) 两大类，后者也称信令信道( s i g n a l i n gc h a n n e l ) 。 业务信道( t c h ) 载有编码的话音和用户数据，对于全速率话音编码，话音帧长2 0 m s ， 每帧用2 6 0 b i t 表示，净速率为1 3 k b i t s 。对数据业务信道，在全速率或半速率信道上， 通过不同的速率适配、信道编码和交织，支撑着3 0 0 b i t s 9 6 k b i t s 的透明和不透明数据 业务。 数据业务信道还支撑具有净速率为1 2 k b i t s 的非限制的数字承载业务和仅用于信令 和短消息传输的额外一类信道( t c h 8 ) 。 1