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智能g p s 车辆监控、管理和调度系统研究北京邮电大学研究生论文 智能6 p $ 车辆监控、管理和调度系统的研究 摘要 我们研究的课题为智能g p s 车辆监控管理调度系统的研究，目的是在交通 运输管理中，把g p s 导航系统与g i s 电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管 理信息系统相结合，实现车辆准实时( 实时) 监控和交通调度、管理等许多功能。 本论文对系统要采用的各种技术的发展状况进行了研究，综合比较各种系统的优势 和不足之处，并根据我们的实际条件和客户需求有创新的提出了自己的一套系统设 计方案。能有效地解决智能交通与运输中地“线”管理问题。整个系统的最终实现 涵盖了技术理论研究，市场研究，需求分析，设计思想，开发方法，实现手段等诸 多方面。 系统采用b s 和c s 相结合的设计方案，在车辆数据管理、专业应用中采用c s 结构，管理部门的领导和其他办公部门以及普通用户采用b s 结构( 即浏览器方式) ， 两种结构共享同一数据库中的数据。定位系统采用了目前性价比最高的g p s 接收车 载设备，它的主要功能就是就实现定位等基本信息的采集。具有全天候连续导航定 位，精度高，动态性能好等特点。 信息的传递采用g s m 的短信息业务实现。由于我国g s m 网已遍及全国大部分 地区，且g s m 网本身具备漫游功能，因此受控车辆在全国绝大部分区域内可实现 漫游，因而有效地提高了对车载移动单元定位数据的处理范围。而且利用g s m 网 络本身的安全机制为我们应用系统的信息安全提供保证。同时利用s m s c 提供的转 发、缓存、再发等多项技术，保证了定位、跟踪信号、指挥命令不受盲区、跨区和 通信中断的影响，无损地在监控中心与运行的车载之间传送。 车辆信息管理数据库采用o r a c l e 8 i 进行开发。系统的g i s 平台采用e s r i 公司 系列g i s 产品来完成，如a r c i n f o 、m a p o b j e c t s 等。目前基于c s 结构的系统已经 实现，并可以进入实用化阶段。 关键字：g p s 、g i s 、g s m 、o r a c l e 、地图匹配、车辆监控 i i i 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统研究北京邮电大学研究生论文 i n t e l l i g e n tg p sv e h i c l el o c a t i o n m ( ) n i t o i u n g & h 嗄a n a g 呵gs y s t e m a b s i r a c t t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tk e y si n s o c i a l p r o d u c t i o n i t i n c l u d e sm a n a g e m e n t so ft r a n s p o r t a t i o n e f f i c i e n c y , d i s p a t c h i n g ，v e h i c l em o n i t o r i n g a n d p e r s o n n e l f o r m e r l y , d u e t ot h e l i m i t a t i o no f t e c h n o l o g y , t r a n s p o r t a t i o ne n t e r p r i s eo n l yr e c e i v e st h ed a t ao n p o i n t i n p r o d u c t i o n t h e s e d a t aa r e l a g g e d t h e ys e r i o u s l y r e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ，d r o pt h er u n n i n gb e n e f i t sa n dt h es e r v i c e q u a l i t y , a n dr a i s ep r o d u c t i o nc o s t s b a s e do nt h er e a l i t ya n dd e v e l o p m e n t r e q u i r e m e n to f t r a n s p o r t a t o n ，t h st h e s i si n c o r p o r a t e st h ea p p l i c a t i o no f g p s v e h i c l e m o n i t o r i n gs y s t e m ，t r a c e s t h e d e v e l o p i n gt e n d e n c y o fm o d e r n i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m a k e su s eo fn e ww a y sa n dt e c h n o l o g i e so f g p s ， g s m , g i s a n dc o m p u t e rn e t w o r k , t h e nw o r k so u tas c h e m ef o rm o n i t o t i n g a n d d i s p a t c h i n g m o b i l et e r m i n a l sc a r r i e d b yv e h i c l e s ，a f t e rh a r d w a r e s e l e c t i o na n ds o f t w a r e d e v e l o p i n g ，t h es y s t e m h a sr e a l i z e d b a s i c l yt h e f u n c t i o no fb i l a t e r a l m o n i t e r i n ga n dd i s p a t c h i n gw i t hg o o dm o d u l a r i t yi n f a v o ro ff u t u r ef u n c t i o ne x p a n s i o na n d u p g r a d e c o m b i n i n g w i t ht h ev e c t o rd i g i tm a p ，t h i ss y s t e mm a k e su s eo fg s m s h o r t m e s s a g e s e r v i c e p l a t f o 咖t o s e n dt h e m e s s a g e s o fv e h i c l eg p s l o c a t i o na n ds t a t u s e s ( e g s t o l e ns t a t u s ，r o b b e ds t a t u s ) t ot h el o c a lm o n i t o r c e n t e rd e a l i n gw i t ht h em e s s a g e ，a l s ot h em o n i t o rc e n t e rc a l lt r a n s m i tc o n t r o l m e s s a g e s 伯g e n g i n e e r , c l o s i n g t h ed o o r , m o n i t o r ) t oc o n t r o lt h ev e h i c l e s i t a d a p t st ot h el a r g e ，m e d i u m ，s m a l ls c a l eo f v e h i c l et e a m s ，s u c ha st a x e s ， b u s e s ，p o l i c ev e h i c l e s ，c a s h c a r r i e rv e h i c l e s ，a m b u l a n c e s ，f i r ee n g i n e sa n d t r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e s k e y w o r d s ：g p s 、g i s 、g s m 、o r a c l e 、m a pm a t c h i n g 、 眦c l e m o n i t o r i n g p c 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统研究北京邮电大学研究生论文 刖茜 随着我国国民经济的快速发展，综合国力不断加强，公路交通设施大为改善， 尤其是以高速公路为主骨架的覆盖全国范围的高等级公路网正在逐步行成，从而缓 解了交通在经济建设中的瓶颈制约。但随着经济的持续快速增长，交通问题依然十 分突出。实践经验证明单纯依靠不断修路的办法是不能有效的解决交通拥挤问题。 必须改变传统的思路，智能交通运输系统应运而生，这是国际交通发展的大趋势。 智能交通运输系统( 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 ) 简称i t s ，是将现 代信息技术集成应用于交通运输领域，以加强人、车、路三者之问的联系，从而行 成一种实时、准确、高效的综合运输系统。研究开发i t s 的目的在于挖掘道路潜力， 缓解交通堵塞，提高人们出行的安全性，节约车辆能耗，减轻大气污染和噪声污染， 创造更加快捷、舒适、和谐的交通环境，以使交通运输系统更好的服务于国民经济 的发展。 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 即全球卫星定位系统是i t s 的一个重要的信 息来源，是i t s 的基石。这篇论文研究的“智能g p s 车辆监控、管理和调度系统” 是i t s 的一个前沿分支，论文从理论、方法以及应用等方面对g p s 车辆监控管理调 度系统进行了较全面、系统的论述和总结。而且根据实验室的条件和潜在客户的市 场需求，设计开发了一个基于c l i e n t s e r v e r 结构的演示系统。通过设计、开发和 调试实际的系统，对目前我国6 p s 的应用和发展有了一个更深刻全面地认识。理论 分析结合实际开发的经验，论文提出了g p s 车辆监控系统研究的些方向和目前需 要解决的问题，针对这些问题论文在最后还提出了完善演示系统的一些建议。 论文共分为七章，内容包括：智能交通系统概述、智能g p s 车辆监控管理调度 系统组成和原理、g p s 定位原理和应用、无线数据传输方法、g i s 原理和应用、智 能g p s 车辆监控管理调度系统设计和实现、智能g p s 车辆监控管理调度系统的演示 和展望。 g p s 车辆监控、管理和调度系统研究正处于蓬勃发展时期，涉及的学科门类多， 是一门综合性前沿研究课题。故演示系统只是实现了g p s 车辆监控的一些基本功能， 而且这些基本功能的实现和整个系统的设计都在项目组的核心成员丁穗宁和郭卫 香的全力配合支持下完成的，她们做了大量的细致的工作，在这里先表示感谢。 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统研究 x 5 8 8 5 8 9 北京邮电大学研究生论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：身舀铬d 已l 日期： 二熟盟纠一一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论 本人签名： 导师签名： 文不属于保密范围，适 握整 用本授权书。 日期：2 塑竺：星12 日期：2 兰竺! 壁。互! z 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统的研究北京邮电大学研究生论文 第一章g p s 车辆信息系统是lt s 的基石 1 1 i t s 简介 八十年代以来，各发达国家虽然已经基本建成了四通八达的现代化国家道路网， 但随着社会经济的发展，路网通过能力日益满足不了交通量增长的需要，交通拥挤、 阻塞现象日趋严重，交通污染与事故越来越引起社会普遍的关注。经过长期和广泛的 研究，这些国家已从主要依靠修建更多的道路，扩大路网规模来解决日益增长的交通 需求，转移到用高新技术来改造现有道路运输系统及其管理体系，从而达到大幅度提 高路网通行能力和服务质量的目的。日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同所面 临的交通问题，竞相投入大量资金和人力，开始大规模地进行道路交通运输智能化的 研究试验。起初，称为“智能车辆道路系统( i s ) ”，进行道路功能和车辆智能化 的研究。随着研究的不断深入，系统功能扩展到道路交通运输的全过程及其有关服务 部门，发展成为带动整个道路交通运输现代化的“智能交通运输系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m - - i t s ) ”。 从国际上智能运输系统的发展历史来看，各国普遍认为起步于6 0 一7 0 年代的交 透管理计算机化就是智能运输系统的萌芽。随着社会的发展和技术的进步，交通管理 和交通工程逐步发展成智能运输系统，但是智能运输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，智能运输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、通信技术和系统工程。智能运输系 统是当前世界上交通运输科技的前沿，美国、日本和欧洲都投入了大量的资金和人员 加紧研究，希望在未来的市场上占据有利的地位。国际上公认的智能运输系统的服务 领域为：先进的交通管理系统、出行信息服务系统、商用车辆运营系统、电子收费系 统、公共交通运营系统、应急管理系统、先进的车辆控制系统。它是在较完善的道路 设施基础上，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 地面运输的实际需求，建立起全方位、实时准确、高效的地面运输系统。“智能运输 系统”实质上就是利用高新技术对传统的运输系统进行改造而形成的一种信息化、智 能化、社会化的新型运输系统。它使交通基础设施能发挥出最大的效能，提高服务质 量，使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会经济效益。主要表 现在：提高交通的安全水平；减少阻塞，增加交通的机动性：降低汽车运输对环境的 影响；提高道路网的通行能力和提高汽车运输生产率和经济效益。 1 2 t s 发展的动力和背景 据统计，在我国1 2 0 多万公里的公路上跑动着的1 2 0 0 多万辆民用车辆中，居然 有将近一半是空车，全国货运空驶率平均为4 9 ；数以万计的运输公司，在混乱的竞 争中，不断陷入困境。刚刚兴起的国内物流行业尚处于t f ，j 、多、散、弱”和服务功能 单一的状态，社会化、专业化程度低，物流效益差，物流成本费用高，物流费用占商 品总成本的比重高达4 0 ；由于物流过程中人为和技术因素的影响，每年直接损失 达5 0 0 亿以上：运输行业中无序的运作，仅由于运力不足和运力浪费这种矛盾现象 造成的直接损失将近1 0 0 亿。而西方发达国家的物流费用一般占商品总成本的1 0 左右；美国有代表性的运输公司车辆空驶率在1 0 以内。如果我们能把空驶率降低 十个百分点，每年就可以节省2 0 0 亿元的投资。 为什么国外的空载率能够达到那么低? 国内专家通过对美国和欧洲一些发达国 家考察发现；在差不多十几年前，美国公路的空驶率在2 0 左右，后来降到了1 0 以下，其中的奥秘就在于他们应用了i t s 管理技术，通过卫星定位系统对车辆进行了 有效的调度，g p s 在此充分展现了它的魅力。 工业化国家在市场经济的指导下，大都经历了经济的发展促进汽车的发展，而汽 车产业的发展又刺激经济发展的过程，从而这些国家尽早实现了汽车化的时代。汽车 化社会带来的诸如交通阻塞、交通事故、能源消费和环境污染等社会问题日趋恶化， 交通阻塞造成的经济损失巨大，使道路设施十分发达的美国、日本等也不得不从以往 只靠供给来满足需求的思维模式转向采取供需两方面共同管理的技术和方法来改善 日益尖锐的交通问题，这些建立在汽车轮子上的工业国家在探索既维护汽车化社会， 又要缓解交通拥挤问题的办法中，旨在借助现代化科技改善交通状况。达到保障安全， 提高效率、改善环境、节约能源”的目的。 工业化国家在工业化、城市化发展的进程中面临着日益严重的资源短缺与环境恶 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统的研究北京邮电大学研究生论文 化问题，这问题在发展中国家同样存在，2 0 世纪5 0 年代以来，生存与发展问题成 为人类社会面临的最紧追的任务，1 9 7 2 年联合国人类环境会议上通过了人类环境 宣言。 城市化生产力发展的一个必然结果，按世界经济发展的规律，城市化水平达到 3 0 以上，将出现经济的飞速发展阶段，美国、日本、英国等发达国家，在1 9 9 0 年 城市化水平达到了7 5 、7 7 、8 9 ，这些国家针对交通发展对资源和环境的影响， 逐步调整交通运输体系与结构。这些国家都经历了为满足车辆发展的需求而大力开 发建设交通基础设施( 如美国1 9 4 4 年规划的7 万k m 高速公路规划，经过5 0 年一基 本完成，但仍产生拥挤和阻塞) ，在大量土地、燃油等资源占用和消耗的同对，不但 交通需求没有完全满足，而且还造成汽车尾气由于道路拥挤排放量剧增，不仅经济造 成巨大损失，而且给环境带来恶劣影响。6 0 、7 0 年代以来，由于石油危机及环境恶 化，工业化国家开始采取以提高效益和节约能源为目的的交通系统管理( t s m ) 和交 通需求管理( ) m ) 同时大力发展大运量轨道及实施工交优先政策，在社会可持续 化发展的目标下调整运输结构，建立对能源均衡利用和环境保护最优化的交通运输体 系。i t s 作为综合解决交通问题，保护社会经济可持续发展和与环境相协调的新一代 交通运输系统，随着信息技术的迅速发展在发达国家孕育发展，9 0 年代以后，成为 世界范围内的重要发展趋势。 t 3 g p s 信息系统是i 冒s 的基石 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 即全球卫星定位系统是一个卫星导航系统，由美国 国防部( d o d ) 投资建设，并免费向民间用户开放。它是一个真正实现了全球、全 天侯、连续、实时、以空中卫星为基础的高精度无线电导航定位系统。o p s 由地面控 制站、空间设备( s v ) 、g p s 用户接收机和地面通信网部分组成。用户真正直接使 用的是g p s 用户接收机。近几年来电子技术的发展使g p s 接收机的造价大幅度下降， 体积越来越小，快速定位能力和抗遮蔽能力也有提高。另方面，由于嵌入式p c 、 单片机和d s p 技术的发展使车载设备的体积和造价也大幅下降。同时计算机和网络 技术的发展，相关软硬件设备的性价比有大幅度的提高，使我们有可能建立一个低价 格、高性能的g p s 综合服务系统。 由论文开始的描述我们知道i t s 智能交通运输系统是指利用人工智能技术、信息 技术等高新技术，对传统的道路交通运输系统进行变革，营建安全、快速、舒适、高 效、重视环保的交通运输系统。主要表现在：提高交通的安全水平；提高道路网的通行 能力；提高汽车运输生产率和经济效益。有效的通信技术、计算机与网络技术、车辆 定位技术、自动监视检测技术、安全保护技术、电子地图等均是i t s 将可能予以有 效利用的技术手段。 回顾组成i t s 的先进的交通管理系统、出行信息服务系统、商用车辆运营系统、 电子收费系统、公共交通运营系统、应急管理系统、先进的车辆控制系统，可见，不 论是车辆的管理系统、出行信息服务系统、商用车辆运营管理系统、应急管理系统中 的车辆监控调度与安全救援服务、导航服务等都需要g p s 这样有效的工具。在一些 自动收费的场合g p s 也可作为有效的工具。甚至在道路、桥梁的勘测建设规划中g p s 也是一个有效的工具。总之可以说g p s 信息系统是i t s 的基石。 地理信息系统( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代发展起来的 对空间信息进行分析与研究的技术，是测绘学、地图学、地理学、遥感与卫星定位技 术、现代通信技术、专家系统技术等多种学科和技术集成的基础平台，是多种学科交 叉的产物。地理信息系统以地理空间数据库为基础，采用空间模型分析方法，适时地提 供多种空间和动态的有用信息，用于综合开发、区域发展规划、环境保护、灾害预防、 投资环境评价和决策分析等方面。随着计算机技术的发展与革新，商业化的g i s 开发 工具软件成为2 0 世纪9 0 年代发展最快的软件产业之一，目前g i s 在国外己相当成熟， 尤其是在美国和加拿大，据统计已有4 0 0 多种g i s 软件产品。 在交通运输管理中，g p s 导航系统与g i s 电子地图、无线电通信网络及计算机车 辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。例如：( 1 ) 车辆 跟踪：( 2 ) 提供出行路线的规划和导航：规划出行路是汽车导航系统的一项重要辅助功 能，可由驾驶员确定起点和终点，由计算机软件按照要求自动设计最佳行驶路线，包 括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等：( 3 ) 信息查询： 为用户提供旅游景点、宾馆、医院等地物的查询：( 4 ) 话务指挥：监控服务中心可以监 测区域内车辆的运行状况，对被监控车辆进行合理调度，与被跟踪目标通话，实行管 理；( 5 ) 紧急援助：通过g p s 定位和监控服务系统可以对遇到险情或发生事故的车辆 进行紧急援助，警察、消防、抢修、急救等车辆配备g p s 设备则能更好地被检测位 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统的研究北京邮电大学研究生论文 置有利于快速接收派遣服务。g p s 技术在交通管理工程中的研究与应用目前在国外早 已开始井已取得了一定的成果。如，用于道路参数的测量、g i s 中道路数据库的建立 等。 目前i t s 发展较好的国家主要有日本、美国等，这些国家的i t s 应用中，g p s 技 术都得到了广泛的应用。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。在日本国内，2 0 0 0 年底，装有g p s 自主导航设备的车 辆己超过7 0 0 万台。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 与通信资讯系统结台提供实时的关于前方的实时交通障碍信息。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管理、信息、安全等服 务。 g p s 在运输业中是一个有效的工具。在车辆上装备g p s 设备、建立监控中心监 视垄辆的运行位置并进行调度管理，这意味着在没有增加资源盼隋况下工作成绩却得 到了提高，调度的效果同时也得到了提高。由于g p s 电子地图监控中心可引导驾驶 员快速通过不熟悉的区域，从而提高了车辆到达目的地的速度。系统同时还能与业务 应用软件相结合，要求驾驶员在每次工作或运输任务后，利用移动数据终端提供无线 电子化报告，而不用再提供书面的文件，从而减少了文书工作量，使信息反馈统计更 加及时。另外在i t s 中的道路工程方面，g p s 也有很好的应用。如在建立各种道路工 程控制喇及测定航测外控点时是一个有效的工具。高等级公路的迅速发展对勘测技术 提出了更高的要求，由于线路长、已知点少，固此，用常规测量手段不仅布网困难， 而且难以满足高精度的要求。 目前，借鉴国外经验，我国已逐步采用g p s 技术来建立线路首级高精度控制网。 珊沪宁、沪杭高速公路的上海段就是利用c a p s 建立了首级控制网，达到了常规方法 难以实现的精度，同时大大提前了工期。g p s 技术同样应用于特大桥梁、隧道的控制 测量中。速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。 1 46 p $ 信息系统的应用前景 在未来的2 0 到3 0 年内，g p s 车辆导航定位系统将向全球性、全天候、高精度、 连续、实时的全球卫星导航系统方向发展，包括g n s s 及其增强系统。g p s 人为降 低精度的选择可用性( s a 技术) 已经取消，民用码( c a 码) 的定位精度可达2 0 3 0 米；g p s 系统将发展为由多种导航设备组合到一起的组合导航系统，采用数据融 合技术，包括全球卫星导航、惯性导航及其天文导航在内的组合导航系统，成为集通 信、导航、识别等多种功能于一体的综合导航系统。 而目前在我国，交通领域对g p s 的应用还处于比较初级的阶段，仅仅是简单地 利用g p s 的定位系统，通过与别的智能交通系统结合，达到应用目的，生硬的组合 使g p s 在运用过程中吸纳、处理信息的能力受到了限制。所以，从技术上看目前主 要是解决如何将卫星定位系统( g p s ) 、交通地理信息系统( g i s ) 和无线数字通信技术 ( t e l c o m ) - - - 项高新技术融合为一体，优化g p s 应用，使g p s 应用不再是单一性的， 尽量减少硬件设旋的投入。随着g p s 应用技术的发展，g p s 技术将被人们更进一步 避开发，并且在硬件设施、运行环境和运用软件方面能与很多智能化技术结合起来， 出现更多的g p s 实用技术。 也许到了那个时候，公路建设完全可以用智能化系统和g p s 定位系统控制机械 采完成，汽车在路上飞驶，而驾驶室里却没有司机。 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统的研究北京邮电大学研究生论文 第二章智畿g p s 车辆监控管理调度系统组成和原理 随着科学技术的飞速发展，g p s 技术用于地面移动目标的跟踪定位已被广泛应 用。特别是美国取消了s a 限制后，其定位精度和可靠性有了很大的提高。作为g p s 跟踪定位与远程监控的信息传输手段，无线通讯技术是实现其功能的关键。g s m ( 全 球公众数字移动网) 的普及为g p s 技术的广泛应用提供了可靠保障，特别是利用g s m 网络提供的短消息服务( s m s ) 使信息传输更加方便快捷，使g p s 系统的运行费用 大幅度下降。因此可以说g p s 已进入了实用性普及阶段。另一方面随着计算机软件 技术的发展，大量数据处理专用软件的开发，促进了地图矢量化、地理数据建库等地 理信息技术的发展。作为g p s 应用的载体g i s ( 地理信息系统) 技术以其准确而可 靠的数据、多样化的信息输出，开拓出广泛的应用空间。尤其是在智能交通领域，通 过g p s 、无线通信、g i s 技术的有机结合，为车辆监控、交通管理的智能化提供了大 量的解决方案。 2 1 系统构架 图2 1 系统结构示意图 如图2 - 1 所示，本系统利用各种无线通信网做为通信媒介，利用g p s 定位技术及 其计算机技术等手段，结合运用矢量化地理信息电子地图软件平台，实现对车辆的位 置跟踪、报警求助、信息服务、防盗报警、部分遥控操作及车辆工作状态监察的功能。 2 2 系统组成 如上一节系统结构图2 1 所示，系统大体由监控中心、车载设备、无线通信系统 三部分组成。无线通信系统由于是利用各种己建成的无线通信网，不在设计之列。在 此特别对g p s 报警监控中心的结构、功能和工作方式、以及车载设备及其工作方式 进行表述。 1 车载终端 车载终端可以安装在任何需要监控调度的交通运输工具上，它可以动态的接收 g p s 的相关信息，经过处理保存在自带的存储器中，再定期或按指令利用无线通信方 式发送到短信息服务中心。运营商的短信息服务中心再通过d d n 专线或无线短消息 方式发送到监控中心。监控中心根据车辆发送回来的信息对车辆进行管理调度。如果 交通运输工具遇到危险或突发情况，需要帮助时，可以向中心紧急呼救，中心根据收 到的告警信息可以快速的作出反应，实施救援调度工作。 图2 - 2 车载终端结构 车载终端设备如图2 2 包括：处理系统( c p u ) 、显示单元( 可选) 、g p s 接收机、 g p s 天线、g s m 通信卡( 或其他通信模块) 、防盗报警器( 可选) 。主要功能为： 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统的研究北京邮电大学研究生论文 防盗报警功能：当有紧急情况发生时，用户可以触发隐蔽的报警按钮，车载单元 会自动将g p s 接收机中的位置数据通过g s m 手机的短信息功能传送给监控中心。 导航功能：g p s 提供移动目标的准确位置、速度和方向等数据，无差分的定位精 度在1 0 米左右，差分精度为3 - 5 米。系统可以通过调度中心进行导航，也可以在终 端上存储电子地图，显示单元上可以实时显示移动目标在电子地图上的位置。根据目 的地，选择行驶的最佳路线，并可以做到偏航报警。 通话功能：车载终端可进行语音通话。几种通信方式一般都要求数话兼容，可以 根据指挥中心的指令来控制，以达到数话转换的功能。比如，如果采用集群通信，在 车辆报警后，监控中心将批出信道来监听车内的情况。 带上液晶显示屏可以收到监控中心广播的消息，如天气预报，路况通报，系统的 各种会议文件通知等等。 2 无线数据链路 无线数据传输设备作为基站与各移动目标进行信息交换的枢纽，是整个车辆调度 管理系统中的重要组成部分，其选择方案包括以下三种： 公网设备：g s m 、c d m a 、c d p d ( 无线数据公网) ： 集群通信：如公安上用的3 5 0 m 、8 0 0 m 集群系统： 常规电台：采用专用信道和无线m o d e m 。 当然，一些车辆调度管理系统中可以无通信系统，如长途货运公司等不需要实时 监控和调度的应用，这主要根据系统的应用目的所决定。 3 监控中心 监控中心的系统组成如图2 3 所示包括：数据库管理系统、监控终端g i s 终端、 通信接口系统、信息分发中心服务子系统等。其中通信接口子系统可以提供多种通信 设备的软件接口，系统支持多种无线通信方式，包括诸如常规频点、集群通信、g s m 、 c d p d 、c d m a 、s s b 、i 姒r s a t 等通信方式等。 数据库管理系统是对后台数据库管理的一部分，数据库主要用来存储车辆基本信 息、用户信息、日志、车辆轨迹等数据。数据库管理：提供车载终端信息管理、用户 管理、工作站日志管理、车辆轨迹信息管理、计费管理等功能，为系统正常运行提供 保障。 信息分发中心服务子系统是连接通信接口子系统、多个分监控中心和监控终端的 中间层，从通信接口接收的数据经分解、分类、认证、并分发到各多个分监控中心 或监控系统o i s 终端。 工作人员可通过监控系统监控所有入网移动目标的运动。其关键是相应业务内容 的数据库建设、电子地图、以及和业务内容密切相关的应用软件一m i s ，以实现主要功 能： 车辆跟踪、调度功能：监控中心可在电子地图上选定区域，发出广播指令，凡行 驶在该区域内的车辆将自动回传信息给监控中心，工作人员即可通过g s m 电话，根 据需要调度车辆。 监控报警功能：在车辆遇到抢劫情况下，司机可以悄悄按下隐蔽处的报警按钮， 监控中心可以查询出事车辆的位置，并实时监听车内的动静。 信息编辑查询功能：采用用户安全认证制度，设置不同的权限。来对客户端实现 管理。权限许可，操作人员可通过数据库查询任何入网用户的资料，比如：地理信息 数据库：地名、街道、门牌号等；还有移动目标数据库资料：如车辆型号和档案照片、 司机姓名等； 费率设置和查询：对车载终端和监控中心发出的短信息的数量和时间进行备份， 可以根据不通的收费标准进行费率设置，在发生费用纠纷时可以查询输出原始数据进 行核对。 图2 3g p s 监控系统功能图 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统的研究北京邮电大学研究生论文 3 1 g p $ 发展简史 第三章g p $ 定位原理和应用 地球上最古老、最简单的导航方法是星历导航，人类通过观察星座的位置变化来 确定自己的方位。世界上最早的导航仪是中国人发明的指南针，几个世纪以来它经过 不断改进面变得越来越精密，并一直为人类广泛应用；最早的航海表是英国j o h n h a r r i s o n 经过4 7 年的艰苦工作于1 7 6 1 年发明的，在其随后的两个世纪，人类综合利 用星历知识、指南针和航海表来进行导航定位。 进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高，人类逐渐发明发现了许多新 的定位方法。人类的思维从被动地利用宇宙中现存的参照物( 如星体) 扩展到主动地 建立和利用人为的参照物来开发更精密的导航定位系统。由此地基电子导航系统诞生 了，这一系统的问世标志着人类从此进入了电子导航时代。 1 9 5 8 年底，美国霍布金斯大学应用物理实验室研制美国舰船导航业务的卫星系 统。在这一系统中，卫星的轨道通过地极，所以又称为子午仪卫星导航系统( t r a n s i t ) 。 1 9 6 4 年1 月用于北极星核潜艇的导航定位研制成功。1 9 6 7 年7 月，该系统提供民用 远洋船舶导航和海上定位业务。经过不断改进、完善，其应用范围越来越广，如海上 石油勘探、海底电缆铺设、海洋调查与测绘以及大地控制网的建立等，成为全球定位 和导航的一种新手段，显示出卫星定位的巨大潜力。 尽管子午仪卫星导航系统已经得到广泛的应用，并显示巨大的优越性。但是，这 一系统在实际应用方面却存在着十分严重的缺陷。即该系统是由5 6 颗卫星组成的 导航网，卫星运行高度较低( 平均约1 0 0 0 0 l m ) 运行周期长，为1 0 7 分钟。所以不 能为高动态用户( 如飞机、车辆等) 提供实时定位和导航业务。而且由于卫星轨道较 低，受大气影响严重，定位精度的提高受到限制，因而限制了高动态用户和高精度用 户的使用。 鉴于子午仪卫星导航系统对潜艇和水面船舶导航的可靠业务，以及该系统存在的 缺陷，美国于6 0 年代末着手研制新的卫星导航系统，以满足军民用部门对导航越来 越高的要求。自此开始了g p s 的研究和论证工作。 g p s 是英文n a v i g a t i o n s a t e l l i t et i m i n ga n d r a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 的 字头缩写词n a v s t a r ，g p s 的简称。其含义是利用卫星的测时和测距进行导航，以 构成全球卫星定位系统。 在联合计划局的领导下，诞生了g p s 方案。该方案是由2 1 颗工作卫星和3 颗在 轨备用卫星组成的实用系统。这些卫星分布在互成6 0 度的6 个轨道平面上，轨道倾 角为5 5 度。从一个轨道面的卫星到下一个轨道面的卫星之间错动4 0 度，这样的卫星 配置基本上保证了地球任何地点均能同时观测到4 颗卫星。预计粗码定位精度为 l o o m 左右，精码定位精度为1 0 m 左右。 g p s 实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段，从1 9 7 3 年1 9 7 9 年共发射了4 颗试验卫星， 研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行试验。 第二阶段为全面研制和试验阶段，从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，又陆续发射了7 颗试验 卫星，这一阶段称之为b l o c k 。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型 接收机精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到 1 4 m 。 第三阶段为实用组网阶段。1 9 8 9 年2 月4 日第一颗g p s 工作卫星发射成功，宣 告了g p s 系统进入工程建设阶段。这种工作卫星称为b l o c ki i 和b l o c ki ia 卫星。这 两组卫星的差别是b l o c k i i a 卫星增强了军事应用功能，扩大了数据存储容量；b l o c k i i 卫星只能存储供1 4 天用的导航电文( 每天更新三次) ；b l o c k i i a 卫星能存储供1 8 0 天用的导航电文。确保在特殊情况下使用g p s 卫星。实用的g p s 网即( 2 1 + 3 ) g p s 星座至1 9 9 3 年已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 3 2g p g 的组成 g p s 全球卫星定位系统是随着现代航天及无线电通讯科学技术的发展建立起来 的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统，是一个开放 性系统。该系统包括三个子系统，即空间卫星系统各轨道卫星、地面监控系统一 一地面支撑部分、用户接收系统用户接收设备。 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统的研究北京邮电大学研究生论文 全球定位系统的空间部分和地面部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的 基础。用户设备的主要任务是接收g p s 卫星发射的信息，以获得必要的导航和定位信 息及观测量，并经数据处理而输出相应接收机的经、纬度、速度及时间等信息。 3 21 空间卫星系统 空间卫星系统由均匀分布在6 个轨道平面上的2 4 颗高轨道工作卫星构成。各轨 道平面相对于赤道平面的倾角为5 5 0 ，轨道平面间距6 0 。在每一轨道平面内，各卫 星升交角距差9 0 0 ，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前3 0 。事实 上，空间卫星系统的卫星数量要超过2 4 颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障 系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4 颗以上可视卫 星。 空间系统的每颗卫星每1 2 小时( 恒星时) 沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高 精度原子钟( 基频f = - 1 0 2 3 m h z ) 控制无线电发射机在“低噪音窗口”( 无线电窗口中， 2 至8 区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先选用频段) 附 近发射1 l 、1 2 两种载波，向全球的用户接收系统连续地播发g p s 导航信号。g p s 工 作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4 颗以上的卫星进行观测( 最多可达 1 1 颗) ，实现连续、实时地导航和定位。 g p s 卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数据码d ( t ) ，码率 f d = 5 0 h z 。为了节省卫星的电能、增强g p s 信号的抗干扰性、保密性，实现遥远的卫 星通讯，g p s 卫星采用伪噪声码对d 码作二级调制，即先将d 码调制成伪噪声码( p 码和c a 码) ，再将上述两噪声码调制在1 1 、1 2 两载波上，形成向用户发射的g p s 射电信号。因此，g p s 信号包括两种载波( 1 1 、1 2 ) 和两种伪噪声码( p 码、“a 码) 。 这四种g p s 信号的频率皆源于1 0 2 3 m h z ( 星载原子钟的基频) 的基准频率。基准频 率与各信号频率之间存在一定的比例。其中，p 码为精确码，美国为了自身的利益， 只供美国军方、政府机关以及得到美国政府批准的民用用户使用，c ，a 码为粗码，其 定位和时间精度均低于p 码，目前，全世界的民用客户均可不受限制地免费使用。 3 2 2 地面监控系统 地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5 个监测站、一个 主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向 每颗卫星注入更新的导航电文。 地面监控系统各站的主要任务是： 智能g p s 车辆监控、管理和调度系统研究北京邮电大学研究生论文 监测站：用g p s 接收系统测量每颖卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观 测数据传送给主控点。5 个监控站均为无人守值的数据采集中心。 主控站：主控站接收各监测站的g p s 卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测 站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作： 及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站；控制和协调监测站问、注入站间 的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了g p s 用 户系统；诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失 效卫星。 注入站：接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。 用户接收系统：用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的g p s 卫星 接收机和g p s 数据处理软件构成。 3 2 31 1 p 8 接收机 g p s 卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天线单元的主要作用 是：当g p s 卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大g p s 信号。接收 单元的主要作用是：记录g p s 信号并对信号迸行解调和滤波处理，还原出g p s 卫星 发送的导航电文，解出信号在站和卫星之间的传播时间和载波相位差，实时地获得导 航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。 微处理器是g p s 接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理。视 屏监控器是接收机与操作者进行人机交流的部件。 目前，国际上已推出几十种测量用g p s 接收机，各