（电力系统及其自动化专业论文）无线通信在智能交通系统中的应用与研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h er e f o r ma n do p e np o l i c y , t h ec i t ye c o n o m yd e v e l o p sw i t ha r a p i ds p e e d ， c i t yp o p u l a t i o ni n c r e a s e ss h a r p l y , c i t yr o a dc o n s t r u c t i o ng e t sr e m a r k a b l ei m p r o v e m e n t b u t ，t h em u n i c i p a lr o a dc o n s t r u c t i o ns p e e df a l l sb e h i n db yf a rt h es p e e dw i t hw h i c ht h e c i t yv e h i c l e si n c r e a s e s ，t h em u n i c i p a lt r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o ng e tw o r s ed a yb yd a y , t h ec i t yp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e sc r o w d e dh e a v i l y h o wt om o n i t o rt h ep u b l i c t r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e su s i n gm o d e r ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yb e c o m e st h ei m p o r t a n t r e s e a r c ht o p i co fm u n i c i p a lt r a n s p o r t a t i o nd e v e l o p m e n t t h i sa r t i c l ep e r f o r m sac o n t r a s ta m o n gd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o nw a y sw h i c he x i s t i np u b l i ct r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e sm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ，i tp r o p o s e dm o d e m c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms o l u t i o nw i t ht h eg p r sn e t w o r ko fc h i n am o b i l e ，t h eg p s p o s i t i o n i n gs y s t e ma n dt h ei n t e r a c ta n ds oo i l ，i th a sr e a l i z e dt h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o n v e h i c l e sm o n i t o d n gm a n a g e m e n ts y s t e mw i t h r e a l - t i m e ，d y n a m i cc h a r a c t e r s ，t h i s s y s t e mw i t hi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tc h a r a c t e r i s t i ce n h a n c e st h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o n v e h i c l e sm o v e m e n te f f i c i e n c y f i r s t ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h ed e s i g np l a no ft h ec i t yi n t e l l i g e n c ep u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns u p e r v i s o r ys y s t e m ，t h e ni tt a k e sh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h es o f t w a r e d e s i g na st h em a i nc o n t e n t t h eg p sm o d u l e ，t h eg p r sm o d u l ea n ds y s t e mp l a t f o r m h a v ec a r r i e do nt h ed e t a i l e dd e s i g n r e g a r d i n gs e v e r a ll o c a l i z a t i o nm o d u l ec h o i c e s ，i t h a ss e l e c t e dt h eg p s 2 5m o d u l ew h i c hc a n s a t i s f yt h ev e h i c l e st op r e a r r a n g et h el a t i t u d e a n dl o n g i t u d ed a t ag a t h e r i n g , t h ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l es e l e c t sa r m p r o c e s s o rc h i p $ 3 c 2 4 1 0o fs u n g s u n gw h i c hi sa p p l i e dw i d e l y , t h es y s t e mm a d ep e r i p h e r i a lf l a s h ， s d r a m ，s e r i a lp o r ta n dp r o n u n c i a t i o ne l e c t r i cc i r c u i te x p a n s i o n ，t h u si fi ts a t i s f i e st h e s y s t e ml a t i t u d ea n dl o n g i t u d el o c a l i z a t i o nd a t ap r o c e s s i n g ，t h eg p r sm o d u l ew i l l b r o a d c a s ts t a t i o ni n f o r m a t i o n t h es o f t w a r ep l a t f o r ms e l e c t se m b e d d e dl i n u x ，t h e n c o n s t r u c t sq t e m b e d d e dg r a p hs t o r e h o u s e ，i tr e a l i z e st h ep u b l i cv e h i c l et ob r o a d c a s t t h es t a t i o ni n f o r m a t i o na u t o m a i c l y , a n di tf a c i l i t a t e st h ed r i v e rc h a n g et ot h em a n u a l m o d e t h ed e s i g nh a sr e a l i z e di n f o r m a t i o ng a t h e r i n go fl a t i t u d ea n di o n # t u d ea n d a b s t r a c t s t a t i o nb r o a d c a s ta u t o m a t i c l yi np u b l i ct r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e s ，a n di tf o r e c a s t sf u r t h e r c o n s u m m a t i o no ft h es y s t e mf u n c t i o na n dt h ep r o s p e c t sf o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t t h u s i t p r o v i d e sal l e w r o a dt o r e a l i z ei n t e l l e c t u a l i z e dm a n a g e m e n to fc i t y p u b l i c t r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e s k e yw o r d ：g p s ，g p r s ，t h ei n t e l l i g e n tv e h i c l et e r m i n a l ，l i n u x ，q t n l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、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。 学位论文作者签名：俄勾弧 2 口p 1 年1 月珥日 同济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、已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，均已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。 签名：域匆淼 2 7 年1 月2 呵日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 智能交通系统中无线通信技术的发展趋势 1 1 1 智能交通系统概念 智能交通系统( i t s ) ( 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 s ) 就是将先进的信息 技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理 论、运筹学、人工智能等有效的综合运用于交通运输、服务控制等领域，并加 强车辆、道路、使用者三者之间的联系，从而形成一种定时、准确、高效的综 合运输系统。 根据国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n do r g a n i z a t i o n ) 的分类，i t s 服 ，务整体上共划分8 个服务领域，总共包括3 2 项大的服务。其中交通信息服务领 域中的公交信息服务，是利用先进的通信、电子、多媒体和计算机网络等技术， 使出行的公共交通乘客可以在路边、站台和公交车辆上通过多种媒体，及时的 获取公交出行服务信息，方便乘客对所乘车辆信息的掌握，从而节省乘客乘车 时间，提高交通车辆运行效率。 1 1 2 智能交通中无线通信技术的发展 。 目前，通信网络提供的业务正在由以话音为主，附带传输数据的传统电信 网络发展成一个以数据传输为基础，附带传送话音的网络，并朝着数字化、宽 带化、综合化、个性化、智能化、网络化和全球化方向发展。 先进的通信技术，数据传输技术在智能交通系统的信息采集、处理、提供 及应用中起到了重要作用。没有先进的通信技术，就不可能有先进的智能交通 系统。同时，由于车辆、行人都是交通系统中的移动体，因此无线移动通信技 术已经成为构建智能交通系统的重要组成部分。在很多国家( 包括我国) ，g p s 、 g p r s 、c d m a 等无线通信技术相互结合，已经丌始应用于智能交通系统领域， 这种融合技术能够实现交通管理中的紧急事件处理及紧急车辆管理功能，出行 第1 章绪论 车辆运行中的道路诱导及导航服务功能，以及运营管理中心的车辆监视、调度 功能。 智能交通系统信息建设主要包括三部分内容： ( 1 ) 面向交通管理者的信息发布。这一部分目的是向监控中心的工作人员 提供直观实时的交通信息，通常的媒介是监控中心的大屏幕和监控点的闭路电 视。同时也向交警以及专业交通运输调度部门发送信息，可通过网络和专用电 台的方式传送。 ( 2 ) 面向道路的使用者的信息。通常的媒介是可变信息板、可变限速板、 路边广播等，向车辆提供前方的交通状况信息等。 ，( 3 ) 面向社会公众的信息平台。主要通过网络、电台、电视台向社会大面 积的发布交通信息，引导出行者选择合适的出行方式和出行路线。而这些信息 系统之间的交互通信必须依靠快速、稳定、高效的通信链路来实现，仅仅依靠 传统的交通寻呼台方式、数字集群通信方式和蜂窝数字分组传输方式显然是不 能够实现的。所以，必须综合利用现有专用短距离无线通信、g s m 、g p r s 、c d m a 等各种方式来加以实现。 而新兴的第三代通信技术是以全i p 网路为基础的网络，融合了广播、蜂窝、 无线局域网、各种短距离无线通信系统的综合网络通信系统，它具有高速率传 输、高移动性、高容量和低比特代价的特点。第三代通信技术逐步成熟的过程 就是智能交通系统走向成熟、稳定和多服务的过程。 1 2 课题研究的背景和意义 机动车辆保有量的迅猛增长，给我国城市道路交通带来了巨大的压力。交 通管理部门看到了智能交通系统的发展是未来交通系统发展方向和出路，但是 这一系统的构建绝非一朝一夕可以完成，欧美和r 本等国尚处于摸索阶段，我 国更是如此，自上世纪九十年代后期车辆定位监控系统的起步到现在的实验车 的初步运行，各种无线通信技术手段得到了不同程度的应用与发展。本课题正 是在分析了现有无线通信技术发展现状的情况下，结合我国现有移动通信网络 的基础，提出了以g p s 、g p r s 、c d m a 等通信技术为基础的城市智能公交管理 系统。 这种先进的公共交通系统a p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 就 2 第1 章绪论 是针对我国中、大型城市公共交通系统中的时延、堵塞等问题设计的。公交运 营与管理部门使用这种公交智能监控系统可以对公交车辆的运营计划进行及时 的调整，从而提高车辆的运营效率、降低运营成本、变人工经验调度为科学动 态调度和自动调度，使公共交通管理部门实现资源最优利用和配置，增强管理 部门对运营突发事故的应变和处理能力。 这种先进的公共交通监控管理系统具有很多优点：一方面，对乘客而言， 由于提高了车辆运行的准时性、可以缩短乘客候车时间，从而增加了大众公交 的吸引力和运行车辆的载客量，对城市经济的整体发展产生不可忽视的社会效 益。另一方面，可以提高公交车的服务水平和公交管理部门的企业形象，实现 公交运营管理和调度的现代化和智能化。从而成为我国数字化的城市智能交通 系统建设中继高速公路电子收费和车辆自动导航系统之后，又一重要领域的探 索和实践，同时为第三代通信技术在交通领域的进一步应用奠定基础。 1 3 课题研究的内容和目标 1 3 1 课题研究的内容 本文对智能交通应用系统中的多种无线通信方式进行总结和分析，通过对 不同通信方式的优缺点对比，提出了以g p r s 通信方式为主的g p s 车辆定位监 控系统的解决方案。并对系统设计的两个主要组成部分g p s 和g p r s 的结构和 原理进行了理论上的分析阐述。接下来对系统设计的硬件电路和软件设计部分 进行了细致的说明和具体的实现。硬件电路部分主要介绍了g p s 模块和g p r s 模块和控制模块之问接口电路的设计。软件设计主要包括定位数据的采集、接 收、处理以及记录数据的发送。 1 3 2 课题研究的目标和章节安排 本文主要是对智能交通中得到广泛应用和未来重点研究的几种无线通信方 式进行总结。利用现在的g p s 定位和g p r s 通信网络实现公交车载端的自动报 站和车辆运行数据记录，并对监控中心的软件进行开发。从而实现公交车辆到 站站点的自动播报、数据记录和监控中心对公车运行车辆的实时监控与动态管 第1 章绪论 理、调度。 从章节安排上看，本文主要由四部分组成： ( 1 ) 理论部分：包括绪论，无线通信技术方式总结，g p s 和g p r s 工作原 理。 ( 2 ) 硬件电路设计部分：对车载系统的硬件电路设计章节。 ( 3 ) 软件设计部分：包括车载终端和监控中心的软件设计部分。 ( 4 ) 总结与展望：对设计进行总结和展望。 1 4 本章小结 本章主要就研究课题的发展状况、背景进行概括总结，并对课题研究的必 要性进行了说明。同时，本章对研究课题的内容和目标进行了概括性的总结。 4 第2 章智能交通系统中的无线通信技术 第2 章智能交通系统中的无线通信技术 无线通信技术在交通管理系统中的应用给智能车载系统的发展带来了新的 活力。这不仅是一种技术上的应用，也是未来交通监控领域发展的重要研究课 题。从交通信息传输的方式和通信范围角度来分，可以将智能交通系统中的无 线通信技术划分为广域无线通信技术和局域无线通信技术两种，下面就它们的 通信原理和特点分别进行介绍。 2 1 广域无线通信技术 广域无线通信技术主要包括副信道调频广播、c d p d 技术、g s m g p r s 艘 术和i m t - 2 0 0 0 技术等，下面分别对它们的组成和通信原理进行介绍。 2 1 1 副信道调频广播 副信道调频广播是指在进行调频单声广播、调频立体声广播的同时，利用 调频带的空余频谱，广播特定的数据。这些数据可以是某种代表信息、数据或 图像信息，统称为副信道信息。 2 1 1 1 副信道调频广播的系统结构 副信道调频广播系统通常是由发射系统和接收系统两部分组成。 ( 1 ) 发射系统 数据信息经过数据广播编码器进行编码( 压缩、打包及误码保护等) 后，先对 副载波进行数字调制( 一次调制) 。然后经调频激励器的附加信道接口送至调频激 励器内部的加法器，与立体声复合信号线性相加后，再对主载波进行频率调制( 二 次调制) 。调频后的立体声复合信号与副信道信息经过多级功率放大后，由天线 发射出去。副信道信息对副载波的调制方式有：2 p s k 、q p s k 、f s k 、c p f s k 、 m s k 和l - m s k 等。 ( 2 ) 接收系统 接收天线接收山立体声复合信号和副信道信息合成的调频信号，经高频放 大、变频、中频放大和鉴频后，输出立体声复合信号和副信道数据信息。带通 5 第2 章智能交通系统中的无线通信技术 滤波器滤出副信道信息并输入到数据解码器，由数据解码器解调出数据信息。 2 1 1 2 副信道调频广播的应用 副信道调频广播是近年来在国际上发展非常迅速的一项业务，是继音频广 播与电视广播后的第三代广播类型。调频广播作为一种新兴的信息产业，有着 很大的应用领域，主要包括以下四个方面： ( 1 ) r d s 和s c a 结合的交通管理系统。 ( 2 ) r d s 定位系统。 ( 3 ) d a r c 系统。 ( 4 ) r d s 和d a r c 技术的应用。 2 1 2c d p d 技术 c d p d ( c e l l u l a rd i i g i t a lp a c k e td a t a ) 是近年来出现的一种新的无线数据传输 技术。按其字面意义可直译为“蜂窝数字分组数据”。它的主要特点是针对处于 移动状态下的数据通信用户或不便使用地面数据传输手段的数据通信用户提供 无线的数据连接。 由于c d p d 采用的是t c w i p 通信协议，因此也可以把它看成是无线i p 网。 c d p d 在整个通信网中的作用与数字数据网( d d n ，d i 。g i t a ld a t an e t w o r k ) 以及 分组交换数据网( p s d n ，p a c k e ts w i t c hd a t an e t w o r k ) 类似，在功能上是它们的 补充和延伸( 提供移动服务，进一步扩展上述两网的覆盖面) ；在网络结构上与 移动的电话网类似( 同是采用以无线基站为基础的蜂窝状覆盖，同频复用与小 区分裂的无线组网方式) 。 推出c d p d 的初衷，是为了充分利用模拟无线电话交换系统( a m p s ) 的传 输信道在话音传输的停顿与间隔来传输数据。从这个意义上说，c d p d 是a m p s 的一个增值网，是一种节省的做法。而我们今天组建的c d p d 无线数据传输网， 则是一个完全独立的数据网，不与a m p s 兼用发射设备和信道。这样做的好处 是，在信道数确定的情况下，可开放更多的用户，有效地提高传输速率。目前， 北京、上海、广州、深圳正在建设公用c d p d 网。 2 1 3g s m g p r s 技术 第2 章智能交通系统中的无线通信技术 本节将对g s m 、g p r s 特点和应用状况进行简单的介绍，第3 章将会对这 两种通信技术进行进一步的阐述。 2 1 3 1g s m 技术 全球移动通信系统g s m ( 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 ) 是欧洲 主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计的数字移动通信系统，也 是我国目前覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通信系统。g s m 除了提供 语音业务之外，还提供电文、图像、传真和消息等的数据业务，传输的速率可 以达到9 6 k b i t s s 。另外g s m 还提供了非传统业务，即短消息业务。下面对g s m 系统的结构和应用情况进行简单介绍一下，详细的通信原理在下章中进行介绍。 1 g s m 系统组成 g s m 系统由网络交换子系统( n s s ) 、基站子系统( b s s ) 和移动台( m s ) - - 部分 组成。 2 g s m 技术的应用 全球移动通信系统( g s m ) 在我国已经得到了普及，并且在多个行业中得到了 应用。将g s m 应用于智能交通系统中，利用数据业务和短消息业务，将交通中 心编制好的交通状况信息和前方事故信息等发送到车载设备上，并且可以同g p s 结合起来，传递车辆的位置信息等，用于车辆定位业务。 2 1 3 2g p r s 技术 1g p r s 技术概述 g p r s 是在g s m 的基础上发展起来的，它是在g s m 网络上新增两个节点 s g s n 和g g s n 而形成。g p r s 采用分组交换的方式，可占用1 8 个时隙，有四 种编码方式，信道速率最高可达1 7 1 2 k b i t s 。其基本功能是在移动终端和计算机 通信网络的路由器之问提供分组传递业务。g p r s 同时支持两种主流的分组数据 网络协议：l p 和x 2 5 协议。 2 g p r s 现状和前景 以g p r s 为基础的无线数据系统有很广泛的应用，g p r s 网络目前主要为用 户提供突发性的数据业务，g p r s 可以分为面向个人用户的横向应用和面向集团 用户的纵向应用。对于横向应用，g p r s 可以提供网上冲浪、e m a i l 、文件传输、 数据库查询、增强型短消息业务等。对于纵向应用，g p r s 可提供下列几类应用： 7 第2 章智能交通系统中的无线通信技术 ( 1 ) 运输业：车辆及智能调度。 ( 2 ) 金融、证券和商业：无线p o s 、无线a t m 、自动售货机、流动银行等。 ( 3 ) p t m 业务：可以完美的支持股市动态、天气预报、交通信息等的实时 发布。 ( 4 ) 遥测、遥感、遥控：如气象、水文系统收集数据、对灾害进行遥测和 报警，远程操作。 ( 5 ) 公共安全业：随时随地接入远程数据库。 2 1 4i m t - 2 0 0 0 技术 i m t - 2 0 0 0 是第三代宽带移动数据通信系统。1 m t - 2 0 0 0 系统提供面向个人服 务的宽带传输平台，兼容不同的通信网络和不同功能的通信终端，可以在任何 时间和任何地点实现用户对用户之问的双向通信。i m ，r 2 0 0 0 在提供语音通信的 基础上还可提供传输多媒体业务的数据通信能力，因此i m t - 2 0 0 0 技术适合在智 能交通中运用。利用i m t - 2 0 0 0 网络可以建立i t s 的专用无线信道，用于发布交 通信息、加强交通管理，提高驾驶安全和降低事故等，包括行车路径诱导、交 通状况和道路状况发布、旅行信息服务等。 i m t - 2 0 0 0 的主频段在2 g h z ，主要由核心网( c n ) 、无线接入网( r a n ) ，移动 台( m n 和用户识别模块( u i m ) 子系统构成，数据速率可达到2 m b i t s ，在移动车 辆环境下能提供达到1 4 4 k b i t s s 的数据传输能力，在步行环境下则可以达到 3 8 4 k b i t s s 。 2 2 局域无线通信技术 局域无线通信技术主要包括d s r c 技术和c a l m 技术。现对这两种技术的 特点和应用进行介绍。 2 2 1d s r c 技术 专用短程通信d s r cf d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) ：是专为适应i t s 领域而丌发的短距离无线通信技术，在智能交通领域内具有广泛的应用前景。 它利用路边设备( r s u ，r o a ds i d eu n i t ) 同车钱单元( 0 b u ，o nb o a r du n i t ) 之问的 第2 章智能交通系统中的无线通信技术 无线数据传输，将道路、车辆联系起来。 2 2 1 1d s c r 应用系统的结构 d s r c 应用系统主要由路边设备、车载单元和专用短程通信协议三个部分组 成，车载设备和路边设备在r f 波段以被动或主动方式进行双向通信，专用通信 协议则是整个d s r c 系统的核心部分。目前国际上已形成了以美国a s t m i e e e 、 欧洲a p i c en t c 2 7 8 和日本i s o t c 2 0 4 为核心的三大d s r c 标准体系。 d s r c 是一种小通信区域的无线通信技术，信号传播的距离只有几十米。欧 洲和日本的标准组织都规定了采用5 8 g h z 的通信频段。欧洲和日本在d s r c 系 统中物理层设置的参数不同，是形成目前多种技术标准共存的主要原因。 2 2 1 2d s r c 技术的应用 夔 d s r c 通信技术可以广泛应用在智能交通系统中的多个领域，包括交通信息 的发布和不停车收费系统( e t c ) 、停车管理等。以日本为例，提供交通信息和旅 游信息的导航系统v i c s 以及全自动收费的e t c 系统中都采用了d s r c 无线通 信技术，以实现车辆和路边设备之问进行双向的数据通信。 2 2 2c a l m 技术 智能交通系统中c a l m 技术是有关中程远程空中接口的通信标准， i s o 厂r c 2 0 4w g l 6 就是关于c a l m 通信技术标准研究的工作组。c a l m 标准定 义了基于第二代、第三代移动通信，5 g h z 、微米波和红外( 关于红外线技术通 信的波长定义在8 0 0 r a n 至9 5 0 r i m ) 等无线技术的通用体系结构、网络协议和空 中接口。 为支持应用业务，c a l m 标准规定了信号发送器要求能够工作在中程和远 程的通信距离，并能够在发送器之间进行一个会话的切换。c a l m 支持在车辆 和服务提供者之间、车辆之间的连续通信与通信时间的延展等。 2 3 无线数据通信方式的选择 2 3 1 无线数据通信技术的应用现状 9 第2 章智能交通系统中的无线通信技术 交通监控系统中，车辆与交通中心之间、车辆之间以及车辆同路边设备之 间的无线数据通信，主要通过移动通信公网或者无线数据通信专网。 目前国内应用无线通信技术解决交通信息传输的方案比较多，例如上海电 台交通频率，便是利用1 0 5 7 m h z 调频广播，开辟专门的频道用于发布城市交通 信息。上海市延安高架道路通过专门的无线数据通信系统，向远端设备的大、 中、小三种类型的接收设备发送实时的交通信息。此外还有研究g s m 网络技术 同g p s 相结合应用于车辆定位业务，研究d s r c 短距离高速通信应用于高速公 路上不停车收费领域，研究利用红外通信技术进行车流量、车速等交通参数的 信息采集。 2 3 2g p r s 技术与其它通信技术的比较 g p r s 属于2 5 代的通信技术，它是由第二代移动通信技术g s m 向第三代 移动通信技术3 g 的过渡过程中发展起来的。g p r s 是在现有g s m 网络数据流 的传输设备上增加了支持分组交换的网络系统设备，它是基于分组交换而不是 基于电路交换的通信系统，它固有的很多特点在很大程度上扩展了g s m 无线数 据业务空闻。而所谓的第三代无线通信系统则是在现有g p r s 的基础上进行更 进一步的技术进步与发展，它能够提供网络的高速、宽带的多媒体数据传输。 联通推出的c d m a 并不等同于完全意义上的第三代移动通信技术，c d m a 是与 g s m 并列发展的移动通信技术，它也有2 代、2 5 代和3 代技术之分，现在推出 的c d m a 属于2 5 代技术。 尽管g p r s 是在g s m 系统基础上发展起来的分组交换数据承载和传输业 务，属于2 5 代的网络产品，但并不意味着g p r s 仅仅是一个过渡性技术，相反 g p r s 是第二代向第三代网络演变的一个非常重要、不可或缺的一个和里程碑。 因为g p r s 较之g s m 在数据的传输上产生了由电路交换到分组交换这样一个质 的飞跃，对于移动互联网和数据业务有了一个很大的促进，在现阶段第三代的 技术成熟还要很长时问。在技术发展与市场需求都不是很成熟的情况下，g p r s 在未来4 5 年将成为移动数据业务的最主要的承载方式。另外所有新技术的网络 产品和服务都是向下兼容的，也就是说，即使第3 代网络已经存在，g p r s 由于 网络成本、市场渐进性的原冈还将与第3 代共存很长一段时问。过渡产品如果 过渡顺利，完全口丁以持续3 5 年，甚至更长的时i 日j ，也完全可以看作是阶段性的 1 0 第2 章智能交通系统中的无线通信技术 主流产品。 目前，中国的第三代网络的发展还不成熟，相信中国的运营商也会根据数 据用户的数量和需求稳步发展第三代。在未来第三代技术的成熟的几年时间里， g p r s 作为移动数据传输业务的承载方式选择的首选。因此，课题设计选取g p r s 作为车载信息通信的主要方式。选取g p r s 的通信方式的优点还有以下几点： ( 1 ) 现在的g p r s 网络既能满足当前通信需要，也具有很好的扩充能力。 g p r s 系统提供的数据业务种类较多，既可以采用短消息发送方式来实现当前位 置记录信息的数据传输，又能够采用t c p 口协议方式接入h l t 啪c t 进行数据传 输。这样，为将来i t s 中更多的视频、音频数据的传输提供保障。并且随着移 动通信业务的发展，g p r s 过渡到3 g 网络时，i t s 通信方式也会同步平稳过渡 而无须更改大量的软硬件设施。 ( 2 ) 采用g p r s 方式是因为它是基于分组交换技术，并且能够连接到 i n t e m o 、x 2 5 等现有有线网络中去。这便于i t s 监控中心在车载终端以及h l t e m e t 上同步发布交通信息。 ( 3 ) 采用g p r s 方式的另一个原因是因为g p r s 技术的相关应用产品比较 成熟。 2 4 本章小结 本章对无线通信技术在智能交通领域的应用现状和发展方向进行概括总 结。从通信范围这一分类角度将无线通信技术分为广域通信技术和局域通信技 术两种方式。针对课题研究的重点，对几种主要通信方式加以对比分析，最终 确定选用g p r s 网络通信方式。 第3 章g p s 、g p r s 技术 第3 章g p s 、g p r s 技术 该设计系统主要用到的模块包括g p s 定位模块和g p r s 通信模块。下面对 定位系统和通信系统的工作组成、原理和特点进行详细阐述。 3 1g p s 组成及其定位原理 3 1 1g p s 组成及其定位原理 g p s ( 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，历时2 0 年， 耗资2 0 0 多亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空全方位实时三维导 航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。近几年，g p s 在导航、道路监控、 远程调度等领域得到了迅速发展，可以预测其在智能车载系统中的应用将会给 智能交通领域的发展带来一场深刻的技术革命。 3 1 1 1g p s 的系统组成 g p s 系统通常由三个独立的部分组成： ( 1 ) 空间部分：2 1 颗工作卫星，3 颗备用卫星。 ( 2 ) 地面支撑系统：1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。 ( 3 ) 用户设备部分：如车载终端。该部分用于接收g p s 卫星发射信号，以 获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。 3 1 1 2g p s 的定位原理 g p s 定位原理解释如下：g p s 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间 位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。 g p s 定位原理如图3 1 所示。 假设时刻在地面待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机 的时i 日j 差为a t ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以用以下四个 方程式： 【( x 1 一x ) 2 + ( y 1 一y ) 2 + ( z 1 一z ) 2 】”+ c ( v t l v t o ) = d 1 【( x 2 一x ) + ( y 2 一y ) + ( z 2 一z ) 2 r + c ( v t 2 v t o ) = d 2 第3 章g p s 、g p r s 技术 卫星1 ( x l ，y l ，z 1 卫星2 卫星3 图3 1g p s 定位原理图 卫星4 ( x 4 ，y 4 ，z 4 ) 【( x 3 x ) 2 + ( ”y ) 2 + ( z 3 z ) 2 】1 2 + c ( v t 3 v t o ) = d 3 【( x 4 x ) 2 + ( y 4 一y ) 2 + 白z ) 2 】”+ c ( v t 4 v t o ) = d 4 上述四个方程式中待测点坐标x ，y , z 和v t o 为未知数，其中 d i = c a t i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) ，其中 d i ( i - - 1 ，2 ，3 ，4 ) ：卫星1 ，卫星2 ，卫星3 ，卫星4 到接收机之间的距离。 t i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) ：卫星1 ，卫星2 ，卫星3 ，卫星4 的信号到达接收机所经历 的时间。 c ：g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 四个方程中各个参数意义如下： x ，y ，z ：待测点坐标的空间直角坐标。 x i ，y i ，z i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) ：卫星1 ，卫星2 ，卫星3 ，卫星4 在t 时刻的空间直角坐 标，可由卫星导航电文求得。 v t i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) ：卫星1 ，卫星2 ，卫星3 ，卫星4 的卫星钟的钟差，由 卫星星历提供。 v t o ：接收机的钟差。 由以上四个方程即可以算出待测点的坐标x y , z 。 3 1 2d g p s 定位原理及分类 第3 章g p s ，g p r s 技术 3 1 2 1d g p s 的定位原理 目前g p s 系统提供的定位精度是优于1 0 米，而为得到更高的定位精度，我 们通常采用差分定位d g p s ( d i f f e r e n t i a lg p s ) 技术。 d g p s 将一台g p s 接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密 坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出 去。用户接收机在进行g p s 观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对 其定位结果进行改正，从而提高定位精度。 3 1 2 2d g p s 的分类 根据差分g p s 基准站发送的信息方式不同可将差分g p s 定位分为三类，即： 位置差分、伪距差分( 包括相对平滑伪距差分) 和载波相位差分。这三类差分 方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其 测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体 内容不一样，其差分定位精度也不同。下面对这几种差分定位系统的工作原理 分别进行介绍。 1 位置差分原理 这是一种最简单的差分方法，任何一种g p s 接收机均可改装和组成这种差 分系统。安装在基准站上的g p s 接收机观测4 颗卫星后便可进行三维定位，解 算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、s a 影响、大气影响、多 径效应以及其它误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不样的，存在误 差。基准站利用数据链将此改正数值发送出去，由用户站接收，并且对其解算 的用户站坐标进行改正。 x = x o x l ；y = y o y 1 ；z = 7 - 0 一z l ；其中： x 1 ，y l ，z 1 ：采用其它方法求得的基准站精确坐标； ) 【o ，y o ，z o ：基准站点g p s 接收机实测的坐标； x ，y ，z ：基准站点的坐标修j 下值。 由该修正值，即可以推算出车辆所在的实际坐标可用下式表示。 x = x 2 + x ；y = y 2 + y ：z - - z 2 + z ；其中 x ，y ，z ：修证之后车辆所在的用户坐标。 x 2 ，y 2 ，z 2 ：车辆g p s 接收机得到的实测啦标。 最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如 1 4 第3 章g p s 、g p r s 技术 卫星轨道误差、s a 影响、大气影响等，从而提高了定位精度。差分技术实现 定位精确的先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分定位 技术适用于在1 0 0 k i n 以内的情形( 用户与基准站间距离) 。 2 伪距差分原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分g p s 接收机均 采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的r t c m s c - 1 0 4 也采用了这种技术。 在基准站上的接收机要求得它到可见卫星的距离，并将次计算得出的距离与含 有误差的测量值加以比较，就要首先利用一个滤波器将此值滤波并求出其偏差。 然后，将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的 伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差， 提高定位精度。图3 2 所示即利用这种差分技术工作站的结构示意图。 图3 2 伪距差分技术工作站结构示意图 3 载波相位差分原理 测地型接收机利用g p s 卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精 度( 1 0 - 6 1 0 8 ) 。但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或 更长时间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运 而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术( e 眦) 使基线观测时间缩短到5 分钟，采用准动态( s t o p a n dg o ) ，往返重复设站( r e - o c c u p a t i o n ) 和动( k i n e m a t i c ) 来提高g p s 作业效率。这些技术的应用对推动精密g p s 测量起了促进作用。但 是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定 成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。差分g p s 的出现， 能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。 位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随 之丽柬的是更加精密的测量技术一载波相位差分技术。 载波棚位差分技术又称为r t k 技术( r e a l t i m e k i n e m a t i c ) ，是建立在实时 第3 章g p s 、g p r s 技术 处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到 厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观 测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收g p s 卫星的载波相位与来自 基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级 的定位结果。 实现载波相位差分g p s 的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差 分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求 解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户设备进行解算坐标。前者为 准r t k 技术，后者为真正的r t k 技术。 3 2 g p r s 技术 3 2 1g p r s 概述 g p r s 是一种基于g s m 网络的新型移动分组数据承载业务，移动电话运营 商可以充分利用现有的g s m 网