（控制理论与控制工程专业论文）基于freescale+aw系列单片机的gps车载终端的设计与研究.pdf

丰两芰 随着计算机技术和定位技术的快速发展，许多厂商都研制并生产出了适用于 个人或者特殊行业的移动定位产品，这为人们的出行提供了极大的便利，尤其是 一些车辆定位及管理系统，大大提高了交通的管理效率。而本课题所研究的车载 定位产品，是面向中小型用户的，具有成本低、功能可靠的优点。本系统包括车 载终端和监控中心两个部分，其中每个部分都是硬件和软件的统一体。设计工作 主要包括如下几个方面：系统整体框架的提出；相关硬件产品的选择；车载终端 设备的g p s 定位模块的外围接口电路板和主控模块电路板的设计、组装及调 试；监控中心数据采集软件的设计与编程实现。 本系统采用了g p s 定位技术，可以提供全天候的定位功能，同时可以提供 精确的速度信息等；车载终端的主控模块部分采用飞思卡尔公司最新推出的 m c 9 s 0 8 a w 6 0 微控制器，这使得中心处理器能够同时响应g p s 定位接收机和 s m s 无线通讯模块的请求；车载终端和监控中心服务器之间的通讯采用s m s 短 信方式。本系统所使用的硬件、技术，都是基于性价比的考虑，使得本系统成本 低、功能可靠，并且通过软件的升级，可以轻松地扩展系统的功能。 关键词：g p s ；g s m ；监控中心；车载终端；单片机 a b s i r a c i w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y , ag r e a t n u m b e ro fm a n u f a c t u r e sd e v e l o pt h e i rp r o d u c t sf o rm o b i l ep o s i t i o n i n g a l lo ft h e s e g i v eu sm o r ec o n v e n i e n c ed u r i n gt r a v e la n di m p r o v et h et r a f f i cm a n a g e m e n t t h i s p a p e rp r o p o s e dam o b i l ep o s i t i o n i n gs y s t e mm a d ef o rl o w m e n du s e r s t h i ss y s t e m f e a t u r e si nl o wc o s ta n d h i g hs t a b i l i t y t h i ss y s t e mc o n s i s t so fm o b i l ep o s i t i o n i n gt e r m i n a la n dm o n i t o rc e n t e ra uo f w h i c hi n c l u d e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n s t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t s t h es y s t e ms t r u c t u r e ；h a r d w a r ep r o d u c t ss e l e c t i o n ；g p sr e c e i v e rp e r i p h e r a l c i r c u i ta n dm a i nc o n t r o l l e rm o d u l ec i r c u i td e s i g n ；d a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h i ss y s t e mi sb a s e do ng p st e c h n i q u e ，w h i c hc a no f f e rr o u n d t h e - - c l o c k p o s i t i o n i n gf u n c t i o n ；m c 9 s 0 8 a w 6 0p r o c e s s o ri su s e di nm a i nc o n t r o l l e rm o d u l e ，s o t h a tt h em a i np r o c e s s o rc a l l r e s p o n dt o t h eg p sm o d u l ea n dg s mm o d u l e s i m u l t a n e o u s l y ；t h ec o m m u n i c a t i o nm a n n e rb e t w e e nm o b i l et e r m i n a la n dm o n i t o r c e n t e ri ss m sm e s s a g e s t h i ss y s t e mi ss u i t a b l ef o r1 0 w - - e n du s e r sb e c a u s et h ec o s tw a sc a r e f u l l y c o n s i d e r e dw h e nw ew e r es e l e c t i n gh a r d w a r ep r o d u c t sa n d t e c h n i q u e a n di t sf u n c t i o n c a nb ee x p a n d e de a s i l yb ys o f t w a r eu p d a t e k e y w o r d s ：g p s ；g s m ；m o n i t o rc e n t e r ；m c u 独创性声明 本人卢明所争交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究t 作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰弓过的研究成果，也 不包含为获得丞洼工业太堂或其他教育机构的学位或证f 5 而使川过的材料。与我一同 作的 同忠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。 学位论文作者签名：硝、蓼终签字日期：珈辟月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使， j 学位论文的规定。特授权丞洼工 些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描筲复制手段保存、汇编以供奄阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适崩本授权说明) 学位论文作者签名：稍、毽签 签字日期：沙d 7 年训形日 导师签名： 必，易 i i i ! - 字i i ! i ：沙夕年b 胪7 日 学位论文的主要创新点 一、将嵌入式技术应用到g p s 车载终端。采用先进的飞思卡尔 公司的m c 9 s 0 8 a w 6 0 微处理器和m c 3 9 i 等构成了g p r s 上网控制器 的硬件部分。软件系统采用了分层结构，具有很强的可扩展性。 二、在嵌入式系统中利用g p r s 网络与因特网主机进行实时数据 通信，对嵌入式系统的研究具有一定的理论价值。能满足各种实时事 件的要求，较好的适应多任务环境的要求。 第一章前言 1 1 课题背景 第一章前言 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，即i t s ) 采用信息技术、计算 机技术、控制技术等手段对传统交通运行系统进行改造，以达到增强系统运行效 率、提高系统可靠性和安全性、减少能源消耗和污染物的排放等目的。i t s 总体 来说包括四部分：交通信息采集部分、车辆调度控制部分、电子收费系统和交 通信息服务。其中的每个部分都需要车载终端的参与：在交通信息采集部分，需 要车载终端提供车辆的准确定位信息和车辆运行情况信息；在车辆调度控制部 分，车载终端作为控制的接收端，负责接收i t s 中心的调度指挥信息；电子收费 系统需要车载终端与收费站自动完成付费交易；车载终端还是交通信息服务的接 收平台，把服务显示给车辆驾驶员和乘客。因此，车载终端是i t s 系统中非常重 要的组成部分。 传统的移动定位系统对各种交通导航的发展起到了巨大的推动作用，但是， 随着科技的发展，不断涌现出新的技术，而且由于经济、社会的发展，交通的工 具、环境发生了巨大的变化，基于这些变化，原来的定位系统逐渐暴露出了不适 应现代需要的缺陷，主要如下比3 ： 采用人工定位方式得到的数据精度和可靠性差，在陌生的环境中，终端操 作人员甚至会因为迷路而无法实现定位，因此，其调度管理和安全性方面的局限 性，都使其应用受到了很大的限制。 无线电导航系统( 比如罗兰c ) 的覆盖范围小，电波的传播受大气影响 较大，抗干扰性差，定位精度不够高。 移动终端和监控中心的通讯方式采用无线电方式，具有覆盖范围小、抗干 扰性差的缺点，使得系统的可靠性大大降低。 系统的自动化程度太低，需要大量的人工操作和干预，造成系统的调度管 理效率低下，同时使调度出错的几率加大。 所以本系统采用了g p s 定位技术和g p r s s m s 无线通讯技术，它们的诸 多特点特别符合本系统的需求。相对于传统的优势都是由于采用了新的技术和设 备带来的，包括硬件和软件方面。概括如下： 更先进的全天候的定位方式，提供精确、可靠的定位数据。 更可靠的通信方式，为监控系统的可靠性提供了保障。 第一章前言 终端和监控中心都引入了计算机程序，大大提高了自动化程度，在提高 调度效率的同时也提高了系统的准确性。 目前全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 的技术已经比较 成熟，使用也非常方便，通过专用的g p s 模块即可方便地获得车载g p s 智能终 端所在的全球定位坐标。其定位精度比较高，一般误差小于1 5 m 。如何把定位信 息发送给i t s 中心一直是比较难解决的问题之一。以往的i t s 系统多采用集群通 信系统实现车载终端与i t s 中心的通讯。但是这种系统具有覆盖区域小、安装维 护费用高、技术复杂等缺点。近两年随着g s m g p r s 网在中国的普及，车载终 端通过g s m g p r s 网与i t s 中心通讯的方式已经成为最受欢迎的方式。这主要 由于以下原因。”：( 1 ) g s m g p r s 网覆盖面广，目前已经遍及我国大部分地区， 包括乡村和边远地区；( 2 ) 无需另外建网、维护；( 3 ) g s m g p r s 网可靠性高、 误码率低；( 4 ) 使用短消息功能或g p r s 进行数据传输，费用比较低；( 5 ) 由于 g s m g p r s 技术使用广泛，提供相应通讯模块的厂商较多，价格也比较合理。i t s 系统就足基于g p s 卫星系统和g s m g p r s 这两大系统的。首先车载g p s 智能终 端通过g p s 卫星定位自己的全球坐标；然后以短消息或g p r s 数据通讯方式把 定位信息发送到i t s 中心，i t s 中心的控制调度命令也是通过g s m g p r s 网络 发送到车载g p s 智能终端中，终端与i t s 中心的通讯符合专用的命令协议；最 后，用户还可以通过d d n 专用网技术或其它安全联网技术连接到i t s 中心，以 控制、查看车载终端的状态。 1 2 课题研究的目的、意义 汽车足现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，据统计，仅几 个发达国家的汽车保有量已有数亿辆。我困民用汽车保有量也有数千万辆。因此 车辆导航将成为未来2 0 年中全球卫星定位系统应用的最大的潜在市场之一。 2 0 0 0 年，全世界用于车辆导航的总投资额约为3 0 亿美元，占全年g p s 应用总投 资额的二分之一。 依据美国i t a 的资料显示，近年来全球g p s 在各分类产品销售额依次为： 汽车卫星导航系统、消费性产品、位置定位、追踪、导航板、航空、航海、军事。 由这个资料可以看出g p s 的应用项目，其中前四大项与一般大众日常生活有关， 占了8 3 4 ，到2 0 0 3 年更高达8 9 1 。由此可见，g p s 的应用与消费大众之关 系日益密切，全民g p s 时代渐渐来临。 由于我国社会治安形势严峻，防范手段比较薄弱，犯罪分子往往把价值不菲 的机动车作为抢劫作案对象，广大车主的生命、财产安全受到极大的威胁，社会 2 第一章前言 影响恶劣。据中国人民保险公司提供的平均数据，1 9 9 8 年广东省被偷盗、抢劫 的车辆8 2 0 辆，理赔率5 3 ，平均赔付3 0 万辆，为1 3 亿元人民币。这样一种 严峻的形势，迫使车主、保险公司和公安部门都在迫切地寻求一种安全、快捷而 有效的反偷盗、抢劫车辆的手段。g p s 车辆监控系统采用卫星定位，可以准确测 定车辆位置，是一种非常适合反偷盗、抢劫车辆的系统。现在有些城市已经强 制要求出租车和运输车辆安装g p s 车载终端，以提高驾驶员和车辆的安全性。 我国入世以后，物流业将同通讯、保险和银行等行业一起，成为受冲击较大 的行业，物流的信息化、网络化和社会化是现代物流的发展趋势。刚刚兴起的国 内物流业尚处于“小、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，成本费用高，其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 亿元以上。据统计，在我 国1 2 0 多万公里的公路上行驶着1 2 0 0 多万辆民用车辆中，大约一半是空车，全 国货运空驶率平均为4 9 。国内专家通过对美国和欧洲一些发达国家考察发现： 美国公路的空驶率低，关键在于应用了信息管理技术，通过卫星定位系统对车辆 进行了有效的调度。因此，专家们呼吁，我国急待加强地理信息系统和卫星定位 系统在现代物流业中的应用，以达到对物流企业优化资源配置、提高市场竞争力。 综上所述，将g p s 技术运用于我国的交通运输行业具有重要的现实意义。 它可以提高交通运输的安全、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。 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国内外汽车定位导航系统发展现状 汽车定位导航系统起始于7 0 年代初，当时采用航位推算地图匹配技术实现 车辆的定位与导航。航位推算系统通常采用罩程表、磁罗盘、速度陀螺及微处理 机组成，由于这种推算系统容易产生误差积累，故定位精度较低。这类系统被称 为第一代车辆定位与导航系统。8 0 年代末，由于g p s 定位技术的广泛应用，使 得g p s 技术很快应用于车辆的定位与导航，称之为第二代车辆定位与导航系统。 汽车定位导航系统在日本已有十多年的发展史，并且拥有相当高的市场占有 率3 ，几乎所有的汽车生产厂家都参加了这一高科技角逐，企业利用g p s 技术的 自主导航产品非常普及，投入市场的产品有3 0 多个，如尼桑、本田、马白达、 三菱以及松下等公司都开发出了自己的汽车导航产品。美国、德国、荷兰也不甘 落后，在欧洲，有飞利浦、西门子开发的汽车导航系统已在雷诺、菲亚特等大众 3 第一章前言 民用车辆上使用。根据美国工业发展研究机构预测，在2 0 1 0 - - 2 0 1 5 年问，约有 5 0 的汽车在出厂时就装备了汽车导航系统，在以后的时问里，该系统的普及率 将会逐渐提高到1 0 0 。 汽车导航在我国的发展主要从9 0 年代初期开始，至今已有十几年的时间。 在这期间汽车导航的发展经历了两次起落，第一次在1 9 9 4 1 9 9 5 年，但由于市 场尚未形成，而且技术上尚未完善，因此在这一阶段g p s 应用产品一直未形成 规模。从1 9 9 9 年开始，随着作为系统瓶颈问题的通讯网络通过采用g s m 公众 网的s m s 的应用而找到了新的出路，无限通讯技术作为g p s 应用实现的主要技 术手段，在近几年得到大大的发展，国内诞生了几百家从事汽车导航相关产品研 发生产的企业，并且推出了许多功能、性能不尽相同的导航产品。 2 0 0 0 年，一汽集团红旗“世纪星轿车率先安装了国产自主导航仪，开创 了我国轿车安装卫星导航仪的先河。 2 0 0 2 年，天津丰田汽车有限公司生产的“威驰 轿车安装了经汉化的日本 导航产品，在中国市场销售。 2 0 0 3 年初，我国家电生产龙头企业海尔集团宣布进军车载卫星导航产业。 同时北京合众思壮科技与美国g a r m i n 公司在国内联合推出语音汽车导航仪 s t p i i i “任我行，先锋推出了配备d v d 的汽车导航系统“r a k u n a v i ”系列新产品。 2 0 0 4 年，城际高科公司在推出了“城际通”系列产品。 2 0 0 7 年1 月，新科电子在国内首家推m 了2 0 0 7 版导航地图，也第一次引领 这一行业跨入了3 d 立体导航技术时代。2 0 0 7 年4 月合众思壮首次推出其全球顶 级配置汽车导航产品“任我游6 1 0 ”车载g p s ，此举标：基着国内g p s 汽车 导航产品正式进入与国际同步的“1 6 ：9 宽屏”时代。预测2 0 0 7 及未来几年， 汽车导航产品仍将不断更新，技术要求也将越来越高。 1 3 2 国内外智能车载终端发展现状 欧盟l5 个成员国早在2 0 世纪8 0 年代开始，就制定了相关的法规，欧盟在 第3 8 2 5 8 5 号法规关于公路运输车辆的记录没备的第二款中规定：“记录设 备应在成员国使用的客货运输车辆上安装和使用。这一立法要求欧盟的各个成 员国在1 0 年内，对在用的9 0 0 多万辆卡车和轿车安装记录设备。日本全国有7 0 0 0 多万辆机动车，由于广泛使用车载终端，每年交通事故死亡人数不超过l 万人。 日前国内已有几个城市率先使用车载终端( 行车记录仪) ，成都市己经将车 载终端安装在长途客运车以及运送危险品的车辆上；广州市第二公共汽车公司在 广州至珠海和龙华这两条线4 台车上进行试验：上海市城市交通管理局为从根本 上杜绝安全隐患，上海市1 8 万辆公交车将装上车载终端；江苏快鹿运输公司、 4 第一章前言 云南高快客运集团丽江分公司等都已使用了车载终端产品。目前，国内有北京丰 创、成都大科星等公司从事车载终端产品的设计和研发。国产设备的性能指标、 科技含量已经达到了国标要求。如配备超大容量存储卡，读取速度快，扩充性强， 可搭配g p s 设备等，结合后台管理软件，可有效达到行车管理计算机自动化。 就国内车载终端技术水平来看，国内有些车载终端厂商的产品还不够成熟，还没 有走过从科技成果到商品的过程转化，再加上我国车辆品种繁杂，各厂商需要在 实际试装中不断改进自己的产品；另外，尽管现在的产品依然是粗放型，不同的 车用大致相同的车载终端，但是可以看到潜在的趋势：车载终端产品必将不断细 化，只有符合行业的需求特点、管理特点的产品才能在将来的市场上脱颖而出。 1 4 本文研究的主要内容 经过对国内外相关信息的广泛调研，在借鉴以往开发的车辆监控的基础上， 采用的是g s m 通讯方式与g p s 定位技术和g i s 信息技术集成，研究基于车载移 动台的车辆定位与监控。 本课题的整体任务是设计基于f r e e s c a l ea w 系列单片机的g p s 车载终 端。在车载终端整个软硬件系统开发的过程中，本人负责车载终端的部分硬件和 相关软件的设计，并与项目组的其他成员共同完成整个系统硬件框架的搭建、各 种器件的选型和系统的后期调试。本课题研究的内容，概括来说主要包括以下几 个方面的内容： ( 1 ) 基于f r e e s c a l ea w 系列单片机的g p s 车载终端的硬件平台与软件 系统，并在此基础上和项目组其他成员一起完成新一代g p s 车载终端硬件平台 的搭建，熟悉车载终端的总体组成，对硬件平台的结构以及各个组成部分实现的 功能进行研究，并对软件系统的流程进行分析。系统最大的特点是功能强大、低 功耗、低成本，并在此基础上易于建立功能更为强大的系统；同时系统在设计的 时候，考虑自我升级能力，留有发展的空问。 ( 2 ) 采用飞思卡尔公司的m c 9 s 0 8 a w 6 0 作为微处理器，实现了通过g s m 网与因特网主机进行无线数据通信的嵌入式系统的硬件部分。 ( 3 ) 采用西门子公司的g p r s 模块m c 3 9 i ，实现监控中心与g s m 网的短 消息中心的连接方式。它利用信令信道传输，不用拨号建立连接，直接把要发的 信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心再发给最终的信 宿。它具有通信系统覆盖范围大、通信成本低、保密性能好、抗干扰能力强、国 际自动漫游等优点。 ( 4 ) 研究无线通信模块与车载终端的通信方式，设计无线通信模块的外围 5 第一章前言 电路，熟悉g s m g p r s 无线通信的流程在此基础上制定出与车载终端进行通信 的协议。 ( 5 ) 将g s m 网升级到g p r s 。g p r s 底层基于t c p i p 协议，可以与因特 网无缝连接，采用分组技术，共享信道，充分利用频谱资源，允许将原来的电路 型数据业务移植到g p r s 上，具有高速传送、永远在线、计费合理等优点。 1 5 论文各章节内容安排 本文共分7 个章节。 第一章绪论部分主要介绍本课题的背景、意义、目的和国内外发展现状， 以及笔者所做的工作。 第二章简要介绍本课题引以为基础的g p s 全球卫星定位系统、g s m g p r s 无线通信、地理信息系统和d d n 通信的原理和技术。 第三章主要介绍车辆监控系统的整体框架。 第四章详细介绍车载终端硬件的设计。先分析系统目标，接着根据系统目 标设计了系统的结构模型，介绍了其工作机理，最后详细分述了系统硬件设计方 案。硬件按功能模块的设计分类描述，每个部分包括主要芯片的功能介绍和使用 规则，主要管脚的说明、线路的连接和对应的原理图。 第五章先详细介绍车载终端软件的具体设计：具体分析每个模块的主要功 能并制定出相应的通信协议，详细阐述了各模块的设计思想和t 作流程。 第六章介绍车辆监控中心系统的整体设汁，系统构成及：i ：作过程。 第七章给出本文的总结和展望。 6 第二章课题相关理论和技术 2 1g p s 系统概述 第二章课题相关理论和技术 2 1 1g p s 系统组成 1 9 7 3 年1 2 月，美国国防部批准其陆海空三军联合研制新的卫星导航系统： n a v s t a i v g p s ( n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n g a n dr a n g i n g g l o b mp o s i t i o n i n g s y s t e m ，卫星测时测距导航全球定位系统) ，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、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的 三维坐标、速度和时间。整个计划分为3 个阶段实施，第一阶段为原理方案可行 性验证阶段，从1 9 7 8 年到1 9 7 9 年，共发射了4 颗试验卫星，建立地面跟踪网。 第二阶段为系统的研制与试验阶段，从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，陆续发射了7 颗试 验卫星，与此同时，研制了各种导航接收机。第三阶段为工程发展和完成阶段。 从1 9 8 9 年2 月到1 9 9 4 年3 月共发射2 8 颗工作卫星。全球定位系统的建成，从 根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航定位问题，从军用到民用，对人类 的活动产生了巨大的影响。随着其不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域i f 在不断地开拓，日前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。 g p s 系统包括三大部分1 ：空间部分g p s 卫星星座；地面控制部分 地面监控系统；用户设备部分旬p s 信号接收机。 2 1 2g p s 定位原理 g p s 定位足利用二点定位原理哺1 ，即知道未知点到已知点的距离，未知点 必然位于以已知点为球心、距离为半径的球上，测出未知点和三个己知点的距离， 则未知点在三个球圆周的相交处( 为两个点时，因有接收方向，故有一个处于接 收背而的点可以舍去) ，从而准确的测出未知点的位置。实质为利用在平均 2 0 2 0 0 k m 高空均匀分布在6 个轨道上的2 4 颗卫星发剁坝0 距信号码和载波，用户 通过g p s 接收机接收这些信号测量卫星至接收机距离。 通过一系列方程演算便可知地而点位置坐标。具体方法如下所述： 根据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据，采用空间距离后方交会 7 第二章课题相关理论和技术 的方法，确定待测点的位置。如图2 1 所示，假设t 时刻在地而待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机的时问么t ，再加上接收机所接收到的卫 星星历等其它已数据可以确定以下四个方程式： 卫星1 卫星3 图2 1g p s 定位原理示意图 ( x l - - x ) 2 + ( y l - - y ) 2 + ( z l - - z )2 1 1 2 _ t _ c x ( v t l - - v t o ) = d 1 【( x 2 - - x ) 2 + ( y 2 - - y ) 2 + ( z 2 - - z )2 l 2 + cx ( v t 2 - - v t o ) = d a 【( x 3 - - x ) 2 + ( y 3 - - y ) 2 + ( z 3 - - z )2 i 2 + c x ( v t 3 一v t o ) = d 3 【( x 4 - - x ) 2 + ( y 4 - - y ) 2 + ( z 4 一z ) 2 i 2 + c x ( v t 4 - - v t o ) = d 4 公式( 2 1 ) 星4 ( x 4 ，y 4 ，z d 上述四个方程式中x ，y ，z 和v t o 为末知参数，其中d = c a t i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 。 x ，y ，z 为待测点空问直角坐标。x i ，y i ，c i ( i - 1 ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 、卫 星2 、卫星3 和卫星4 在t 时刻的空间坐标，可由g p s 卫星导航电文求得。v 。i ( i - l ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 和卫星4 的原子钟的钟差，由 卫星星历提供。v 。o 为接收机的钟差。d i ( i = l ， 2 ，3 ，4 ) 分别为卫星l 、卫 星2 、卫星3 和卫星4 到接收机的距离。1 t i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 、 卫星2 、卫星3 和卫星4 的信号到接收机所经历的时间。c 为信号的传播速度( 即 光速) 。把各项已知数据带入上述方程组，即可求得待测点空间坐标x ，y ，z 和 接收机的钟差v t o o 8 第二章课题相关理论和技术 2 2g s m g p r s 无线通信技术 2 2 1g s m g p r s 含义 g s m 盯1 全名为：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 n s ，中文为全球移动 通讯系统，俗称“全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代 移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准， 让用户使用一部手机就能行遍全球。目前，中国移动、中国联通各拥有一个g s m 网，为世界最大的移动通信网络。g s m 系统包括g s m9 0 0 ：9 0 0 m h z 、g s m l 8 0 0 - 1 8 0 0 m h z 及g s m 一1 9 0 0 ：1 9 0 0 m h z 等几个频段。g p r s 田l 凹ln 叫( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是2 5 代移动通信系统，是g s m 向3 g 的过渡。g p r s 是在g s m 的系统基础上引入新的部件而构成的无线数据 传输系统。它的基本功能是在移动终端、g p r s 网内以及i n t e m e t 网络的路由器 之间传输分组数据。 2 2 2 短消息基本概念 无线短信服务n 妇( s m s ) 于1 9 9 1 年出现在欧洲的无线领域。无线数字的欧 洲标准，就是现在所说的全球移动通信系统( g s m ) ，一开始就包括了短信服务。 s m s 是通过g s m g p r s 网络的信令通道口2 3 进行传输的不多于1 6 0 字节的数据信 息。它可以和语音通讯同时进行，由于s m s 具有使用方便，价格合适，覆盖面 广等特点，目前已经被广大的手机用户所采用，在工业应用上，s m s 也得到了 大量应用。由于s m s 本身的信息结构限制，以及s m s 采用的传输机理，s m s 一般比较适合应用于数据量少，及时性可靠要求不足很高的场合。它通过无线控 制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能。短消息业务与话音传 输及传真一样同为g s m 数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务。 传送短消息业务的控制信道为专用控制信道( d c c h ) 。d c c h 为点对点双 向控制信道，包括独立专用控制信道( s d c c h ) ，快速随路控制信道( f a c c h ) 和慢速随路控制信道( s a c c h ) 。短消息业务的传送是在独立专用控制信道 ( s d c c h ) 或慢速随路控制信道( s a c c h ) 进行，具体是在s d c c h 还是s a c c h 上传，这取决于业务信道( t c h ) 的使用： ( 1 ) 如果t c h 未分配，短消息在s d c c h 上传； ( 2 ) 如果短消息在s d c c h 上处理是分配了t c h ，短消息传递将停止并继 续在t c h 随路的s a c c h 上进行； ( 3 ) 如果当短消息到达时，t c h 已分配，则短消息在随路s a c c h 上传递； 9 第二章课题相关理论和技术 ( 4 ) 当采用t c h 的实体结束其处理时，无线资源管理( r r ) 子层可选择 在s a c c h 继续进行短消息传递或将它转至s d c c h 。 短消息不可到达的情况有三种： 第一种情形是，当被s m s 网关查询时，移动台不在服务区域、未获得服务 授权、或有未成功发送报文正等待告警，h l r 就会立即知道不能发送； 第二种情形是，m s c v l r 已收到报文但不能传送的情况。此时，它先向s m s 网关发送一故障指示，作为m a p hf o r w a r ds h o r tm e s s a g e 报文的应答； 然后，网关一方面会向s m s c 发送否定报告，另一方面向h l r 发送m a p cs e t m e s s a g ew a i t i n gd a t a 报文，在收到报文确认后进行表格更新。该事件会 储存在v l r 和h l r 内的用户记录中； 第三种情况是m s c v l r 向用户发送有效报文后发现不可送达。 短消息有两种格式：t e x t 和p d u 。t e x t 格式只能传送a s c i i 文本，而 p d u 格式既可以传送a s c i i 文本，也可以传送h e x 以及u c s 2 的编码方式的信 息，利用u c s 2 编码就可以实现汉字的输入和输出。设置t e x t 或者p d u 模式 可以通过a t 指令集中的a t + c m g f 语句来设置( a t + c m g f = 0 为p d u 方式， a t + c m g f = 1 为t e x t 方式) 。 在p d um o d e 中，可以采用三种编码方式来对发送的内容进行编码，它们是 7 一b i t 、8 - - b i t 和u c s 2 编码。7 一b i t 编码用于发送普通的a s c i i 字符，它将一 串7 一b i t 的字符( 最高位为0 ) 编码成8 一b i t 的数据，每8 个字符可“压缩”成 7 个；8 一b i t 编码通常用于发送数据消息，比如图片和铃卢等；而u c s 2 编码用 于发送u n i c o d e 字符。p d u 串的用户信息( t p u d ) 段，最大容量足1 4 0 字节， 所以在这三种编码方式下，可以发送的短消息的最大字符数分别足1 6 0 、1 4 0 和 7 0 。这罩，将一个英文字母、一个汉字和一个数据字节都视为一个字符。需要注 意的是，p d u 串的用户信息长度( t p u d l ) ，在各种编码方式下意义有所不同。 7 一b i t 编码时，指原始短消息的字符个数，而不是编码后的字节数。8 一b i t 编码 时，就是字节数。u c s 2 编码时，也足字二常数，等于原始短消息的字符数的两倍。 如果用户信息( t p u d ) 中存在一个头( 基本参数的t p - - u d h i 为1 ) ，在所有 编码方式下，用户信息长度( t p - - u d l ) 都等于头长度与编码后字节数之和。 如果采用g s m0 3 4 2 所建议的压缩算法( t p - - d c s 的高3 位为0 0 1 ) ，则该长度 也是压缩编码后字节数或头长度与压缩编码后字节数之和。 由于本设计中需要发送中文的数据，因此必须使用p d u 的方式发送。对于 短消息而言，需要输入汉字则必须以p d u 方式进行编码，每条s m s 可以容纳 7 0 个汉字，编码方法采用u c s 2 。 l o 第二章课题相关理论和技术 2 3 地理信息系统g i s ( 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 地理信息系统n 砌是融计算机图形和数据库于一体，对空问信息及与之相 关的综合信息进行储存和处理的高新技术。它把地理位置和相关属性有机结合起 来，根据实际需要直观准确、图文并茂地输出给用户，从而满足城市建设、企业 管理、居民生活对空问信息的要求，并借助其独有的空问分析功能和可视化表达， 进行各种辅助决策。数据是g i s 地理信息系统的基础，g i s 的数据分为空间数据 和非空间数据两大类。 空问数据，又称为几何数据，用来表示地理物体的位置、形态、大小和分 布等特征信息。 非空间数据主要包括了专题属性数据、质量描述数据和时间因素等语义信 息，是空问数据的语义描述，反映了空间实体的本质特征。 g i s 的基本功能如下： 1 、图层显示 可根据监控目标、内容、性质、范围等的需要分层显示道路、政府机关、加 油站等信息。地图数据是经过数字化处理的，可任意放大、缩小、移动，并能根 据用户需要进行地图标注。 2 、属性查询 系统支持对道路、地域、标识物等的多种查询方式包括指定任意区域进行查 询，指定图形中实体进行查询，数据库有天数据项的逻辑运算查询等。 3 、图层编辑 系统提供了强大的图形编辑功能。 4 、自动漫游 对移动目标可以进行同屏多窗口监控，并且可以将监控目标锁定在某一窗口 内，当日标移出屏幕时，软件能自动平移地图，实现自动跟踪、实时监控。 地理信息系统在本系统中主要是进行地理空问和属性数据的管理和维护更 新，直观的显示车辆的位置信息，便于为车辆提供服务。 2 4d d n 通信技术 1 、概述 数字数据网d d n ( d i g i t a ld a t a n e t w o r k ) 是将数万、数十万条以光缆为主体 的数字电路，通过数字电路管理设备，构成一个传输速率高、质量好，网络时延 小，全透明、高流量的数据传输基础网络。 第二章课题相犬理论和技术 d d n 网络把数据通信技术、数字通信技术、光纤通信技术、数字交叉连接 技术和计算机技术有机地结合在一起，利用数字信道传输数据信号。它的主要作 用是向用户提供永久性和半永久性连接的数字数据传输信道，既可用于计算机之 间的通信，也可用于传送数字化传真，数字话音，数字图像信号或其它数字化信 号。永久性连接的数字数据传输信道是指用户问建立固定连接，传输速率不变的 独占带宽电路。半永久性连接的数字数据传输信道对用户来说是非交换性的。但 用户可提出申请，由网络管理人员对其提出的传输速率、传输数据的日的地和传 输路由进行修改。网络经营者向广大用户提供了灵活方便的数字电路出租业务， 供各行业构成自己的专用网。 2 、d d n 网络的结构 d d n 网是由数字传输电路和相应的数字交叉复用设备组成。其中，数字传 输主要以光缆传输电路为主，数字交叉连接复用设备对数字电路进行半固定交叉 连接和子速率的复用。按照网络的基本功能d d n 网又可分为核心层、接入层、 用户接口层。 核心层：以2 m 电路构成骨干节点核心，执行网络业务的转接功能，包括 帧中继业务的转接功能。 接入层：为d d n 各类业务提供子速率复用和交叉连接，帧中继业务用户接 入和本地帧中继功能，以及压缩话音g 3 传真用户入网。 用户接口层：为用户入网提供适配和转接功能：如小容量时分复用设备等。 3 、d d n 网特点 ( 1 ) 传输速率高：在d d n 网内的数字交叉连接复用设备能提供2 m b p s 或 n 6 4 k b p s ( 冬2 m ) 速率的数字传输信道； ( 2 ) 传输质量较高：数字中继大量采用光纤传输系统，用户之问专有同定 连接，网络时延小； ( 3 ) 协议简单：采用交叉连接技术和时分复用技术，由智能化程度较高的 用户端设备来完成协议的转换，本身不受任何规程的约束，是全透明网，面向各 类数据用户； ( 4 ) 灵活的连接方式：可以支持数据、语音、图像传输等多种业务，它不 仅可以和用户终端设备进行连接，也可以和用户网络连接，为用户提供灵活的组 网环境； ( 5 ) 电路可靠性高：采用路由辽回和备用方式，使电路安全可靠； ( 6 ) 网络运行管理简便：采用网管对网络业务进行调度监控，能促成业务 的迅速生成。 4 、d d n 网络的发展方向 1 2 第二章课题相关理论和技术 网络设备在不断地更新换代，人们对新技术的应用不仅仅停留在单一网络的 话音或数据传输平台。多媒体通信的应用正在普及。视频点播( i p t v ) 、电子商 务( e - - b u s i n e s s ) 、i p p h o n e 、电子购物等新应用正在推广。这些应用对网络的 带宽、时延、传输质量等提出更高的要求。d d n 独享资源，信道专用将会造成 一部分网络资源的浪费，并且对于这些新技术的应用又会带来带宽太窄等问题。 因此，d d n 网络技术也要不断地向前发展。从建立现代化网的需要来看，现有 d d n 的功能应逐步予以增强。如为用户提供按需分配带宽的能力；为适应多种 业务通信与提高信道利用率，应考虑统计复用；提高网管系统的开放性及用户与 网络的交互作用能力：可以采用提高中继速率的办法，提高目前节点之间2 m b p s 的中继速率；相应的用户接入层速率也可大大提高，以适应新技术在d d n 网络 中的高带宽应用；可以使d d n 网络平台成为一个多业务平台。除了目前已有的 帧中继延伸业务和话音交换、g 3 传真业务外，还要采用最先进的设备和技术不 断改造和完善d d n 网，引入传输与交换、传输与接入等方面的变革，产生出具 有交换型虚电路的d d n 设备。积极地开展增值网服务，如数据库检索、可视图 文等服务。由简单的电路或端口出租型向信息传递服务转变。 2 5 本章小节 本章简要介绍了本课题引以为基础的g p s 全球卫星定位系统、g s m g p r s 无线通信、地理信息系统和d d n 通信的原理和技术。 第二章乍辆监控系统 3 1 车辆监控系统概述 第三章车辆监控系统 车载终端定位监控系统钔是基于g p s 定位技术、g i s 、无线通信技术、以 及计算机软件、网络等先进技术的系统。车载终端负责完成移动目标的动态位置 ( 经度和纬度) 、时间、状态等信息的判定，并负责将这些数据通过无线通信链 路传送至监控中心，同时接收并处理监控中心的下行数据或命令：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，并对日标的准确位置、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。 3 2 车辆监控系统的组成与实现 基于g p s g s m 技术的车载终端监控系统t 要由车辆终端和车辆监控管理中 心两个部分组成n 副h m 3 ，如图3 1 所示。其中车载终端是由g p s 接收机、车载控 制器和g s m 通信模块构成的，g p s 接收机用来接收g p s 卫星发来的信号并计算 出定位数据，车载控制器进行数据提取、格式转换，同时能根据控制输入( 报警、 参数设置等) 做出相应的响应。g s m 通信模块则完成定位信息( 还包括一些其 它信息，如s m s c 地址等) 的发送或与监控中心进行通信。g s m 通信模块将定 位信息传送给监控中心后，监控计算机通过地图匹配技术对数据进行存储和处 理，最终在电子地图上显示运行轨迹。存储连续记录一段时问内多个车辆运行的 轨迹( 定时更新) ，以备相关部门监督、查询。此外，当检测到车载终端处于报 警状态时，电子地图给予突出化显示，以提示监控人员及时做出合理处理。 在车辆监控系统中，车载终端也就足车载记录仪，可以采用g p s ( 全球定位 系统技术) 或其他的定位技术来获取当前车辆的位置。车辆终端采用无线通信模 块进行数据的传送，系统的无线通信链路可以采用集群系统、g s m g p r s 网络 或者其他的无线传输系统完成数据的传送。其中g p r s 通信( t c p i p 传输) 具