（计算机系统结构专业论文）基于gps和gprs的车辆远程监控系统.pdf

摘要 基于g p s 的车辆监控系统在我国开始应用是在2 0 世纪9 0 年代初，在2 0 0 0 年后才 出现了较成熟的产品，这主要得益于短消息( s m s ) 的推广。目前的产品也多是利 用s m s 作为通讯方式，构建系统。但这种系统有其固有的缺点：短消息按条收费使 得通讯费用较高，短消息还容易出现延迟、丢失的现象，降低了系统的实时性和 可靠性。本论文据此，提出了一种利用g p r s 通讯的g p s 车辆监控系统，以解决原 来车辆监控系统所无法克服的障碍。 本论文在分析了g p s 技术、g p r s 技术以及相关t c p i p 技术的基础上，从系统总 体设计的角度阐述了基于g p r s 网络g p s 监控系统的设计，实现了车辆终端的软硬件 设计、监控中心的软件设计、定位数据的传输等。 本系统利用了g p r s 网络作为通讯手段，具有技术新、效果好、可平滑技术升 级等特点，而且其价格l l s m s ( 短消息) 等要低得多，同时g p r s 网络支持t c p i p 协议， 也使无线数据的传输变得更加轻松，更容易扩展功能。 由于时间有限，本次研究实现的软件功能有限，但已经具备了一个网络g p s 监 控系统的基本功能。相信随着研究的继续深入，功能的进一步完善，此监控系统 的使用将大大提高车辆的营运效益，增强运输业的竞争能力，会产生显著的经济 效益。 关键字： g p sg p r s 车辆监控 a b s t r a c t s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m o fv e h i c l eb a s e do ng p sh a db e e n a p p l i e d i nc h i n af r o m1 9 9 0 s ，b u tw o r k a b l e p r o d u c t i o na p p e a r e d i n2 0 0 0 t h e s e p r o d u c t i o n sc o m m u n i c a t e db ys m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) b u tt h i ss y s t e m h a s d i s a d v a n t a g ei n h e r e d ：c o m m u n i c a t i o nf e ei sh i g h e rb e c a u s eo fp a y i n gs m s o n eb y o n e ，a n ds m s a l s ow a s d e l a y e da n dd r o p p e d t h i sr e d u c e st h es y s t e mr e a l - t i m e a n d r e l i a b i l i t y i no r d e r t or e s o l v ed i s a d v a n t a g eo ft h eo l ds y s t e mw em a d e an e w s y s t e m t h a tc o m m u n i c a t e d b y g p r s b a s e do nr e s e a r c ho fg p s ，g p r sa n dr e l a t e dt c p f i p ，w e g a v ead e s i g no f n e w s y s t e m a sa w h o l e ，a n d t h ei m p l e m e n to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no f t e r m i n a lo nc a r , a n ds o f t w a r ei m p l e m e n to f s u p e r v i s i n g a n d c o n t r o l l i n gc e n t e r ，a n d t r a n s m i s s i o nw a yo f p o s i t i o nd a t a t h en e w s y s t e mu s e sg p r s n e t w o r kf o rc o m m u n i c a t i o n ，b e c a u s eg p r si sa n e w t e c h n o l o g ya n d h a sa ne f f e c t i ti sm o r e i m p o r t t h a tg p r s s u p p o r t s t c p i p p r o t o c o l ，s od a t a t r a n s m i s s i o nb e c o m e sm u c he a s i e ra n d c h e a p e r t h a ni ti sd o n e b y s m s ，a n d t h ef u n c t i o no f s y s t e m i se a s i l ye x p a n d e d b e c a u s eo ft i m et h ef u n c t i o nt h a t p a p e rg a v e i sl i m i t e d ，b u ti ti st h eb a s i cs k i l l o fa s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f v e h i c l eb a s e do ng p s w i t ht h er e s e a r c h g o i n go n ，t h ef u n c t i o nm a y b em o r e p e r f e c t e d a n dt h i ss y s t e mm a yg r e a t l y i m p r o v e b e n e f i to ft h ev e h i c l e sa n de n h a n c et h ec a p a b i l i t yo f c a r r y i n g t r a d e i tw i l l b e n e f i tu sg r e a t l y k e y w o r d ：g p s g p r sv e h i c l em o n i t o r i n g 独创性声明 y 6 9 5 3 9 1 本人声明所呈交的论文是我个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，议文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若不实之处 本人签名：垒i 盗 本人承担一切相关责任。 日期2 亟：止 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可阻公布论文中的全 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论文。( 保密的论文 在解密后遵守 本人签名 导师签名 日期燮! ! 皇 日期劾煎。厶堕 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 由于社会的飞速发展，汽车愈来愈成为人们不可缺少的交通工具。据统计， 仅几个发达国家，汽车的保有量己达数亿辆之多。目前我国城市的机动车保有量 正以1 5 的高速率增长，目前己达几千万辆。然而在我国城市道路的增长率则仅 为3 左右，交通拥挤状况依然严重。低效率利用道路及管理技术落后并存的现 象又加剧了因交通设施短缺所造成的困难，我国大中城市普遍存在着人车混行、 运输效能低下的现象。同时，盗、抢机动车案件犯罪的发案总数正呈明显的上升， 汽车的防盗、防抢问题也变得越来越重要。因此，发展智能交通系统的意义非常 重大。 智能交通系统 1 1 ( 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 ns y s t e m ) 是利用现代高新技术对 已有的交通设施进行改进，辅之以车辆自动识别系统、电子收费系统、车辆管理 系统、交通控制系统等，形成人员( 包括驾驶员和管理者) 、公路和车辆三位一体 的新型公路交通系统的总称。i t s 能够利用现有的道路设施，减少交通拥挤，加 强对车辆的集中管理和调度，为驾驶员提供足够的交通、公安、娱乐等信息，实 现人、车、路的密切结合和谐统一。这将极大地提高交通运输效率，保障交通安 全，增强行车的舒适性，改善环保质量和提高能源的利用率。车辆监控系统是i t s 一个重要的组成部分，而g p s 定位技术更是i t s 的核心技术口 。因此，研究车辆 监控系统的意义重大。 g p s 是在2 0 世纪8 0 年代才开始应用于汽车交通领域的。但它的应用对减少 交通阻塞、提高汽车运行效率、节约能源、提高安全性有着非常重要意义。将其 与地理信息技术( g i s ) 、现代通讯方式融为一体就构成了现代的车辆监控系统。 车辆监控系统的应用可以实对地获得车辆的位置、速度、方向、状态等，也可以 对车辆进行控制和调度，实现对车辆的监控。 1 2 国内外车辆监控系统的发展概况 二十世纪八十年代后期，西欧、北美和日本等发达国家竞相发展的智能交通 系统( i t s ) ，其主要技术就是利用g p s 定位技术来减少交通阻塞，并且现在已经 趋于成熟，引领了本领域研究和应用的发展方向吼 我国g p s 车辆监控系统的应用是从2 0 世纪9 0 年代初期开始的。在1 9 9 4 年 1 9 9 5 年期间，就有上百家公司研究g p s 车辆监控系统，但由于技术途径尚不完 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 善，大多数产品并没有被推广使用。1 9 9 6 1 9 9 7 年期间，在对原有的不良系统进 行改造的同时，新的系统相继出现，并有多个具有一定水平的集群系统出现。 1 9 9 8 2 0 0 0 年，技术又有了较大的提高与发展，通信网络开始采用g s m 公众网 的短信息服务，但还不成熟。从2 0 0 0 年开始，g p s 车辆监控系统市场的热潮到 来，较成熟的产品不断被推出。目前，己有近百家的国内专业生产商推出了汽车 用g p s 产品。北京、上海、广州等城市己经开始了g p s 车辆自导航产品的试验 和推广。据中国g p s 应用协会的预测，在未来的2 到3 年内，国内每年应用g p s 技术的年装车数量能达到5 一1 0 万辆，每年的相关产值可达到7 8 亿。 而从系统的通讯方式来划分，最早的系统大都采用专用网，实现系统及系统 的营运费用都比较高，对g p s 定位的盲区也要采用专门的软硬件方案来解决。 随着短信平台的推广应用，利用短信息在车载终端和监控中心之间进行通讯 的方式迅速被采用和推广。所以目前国内的相关产品，其通讯方式大多均采用短 消息平台，这种短消息服务( s m s ) 使信息传输更加方便快捷，使g p s 系统的组建 费用大幅度降低，营运费用也有了较大幅度的下降。但这种营运模式也存在着固 有的缺陷：短消息按条收费，由于系统为了通讯需要频繁的使车载终端与监控中 心保持联系，即使在有优惠措施的情况下也需要用户付出高昂的通信费用，短消 息还容易出现延迟、丢失的现象，降低了系统的实时性和可靠性。 因此，对现有系统进行改进，尤其是对其采用的通讯技术提出改进，使系统 在实际应用中进一步提高可靠性、稳定性，使系统的营运费用进一步降低，这会 对系统的应用推广具有重要的实际意义和广阔的商业前景。 1 3 本论文研究的内容 鉴于现有系统通讯方式的不足，本论文提出一种新的通讯方式的车辆监控系 统，即采用通用分组无线业务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i e e l 。运用这项 较新的数据业务，充分发挥g p r s 网络永久在线和网络传递信息的实时性以及通 讯费用是按流量而非按时间计费的特点，来有效解决一些长期困扰g p s 车辆监 控系统在应用中遇到的一些问题。运用这套全新的车辆监控系统，系统能大幅度 的提高稳定性、可靠性、实时性，同时也能大幅度降低系统的运营费用。 在采用新的系统后，由于改变了系统的通讯方式，运用了成熟的无线数据网 络，有利于系统进一步扩展其功能，让系统实现无线传输图像等功能。论文将按 下面的内容安排： 第一章，绪论。主要介绍论文的背景及来源、国内外车辆监控系统的发展历 史和动态、并在现有系统的基础上，提出更好的方案。 第二章，系统概述。总体介绍系统的结构、功能、优势、特点等。 第一章绪论 第三章，介绍系统中的g p s 全球定位系统的特点、原理、信号格式以及g p s 接收机。 第四章，车载终端的设计。针对系统中重要的组成部分车载终端，进行 软硬件的规划设计。 第五章，介绍了g p r s 数据网络和系统的通讯方式。主要有g p r s 网络的原 理、采用的通讯协议、自定义的数据格式等内容。 第六章，介绍了监控中心的组成、各个模块的设计以及g i s 的基本原理。 最后是对系统的总结。 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 2 1 1 系统的组成 第二章系统概述 2 1 系统的总体架构 系统由车载终端、通信链路和监控中心组成。车载终端主要用来接收g p s 信 号、回应监控中一i i , 命令和向监控中心发送相关信息。g p r s 通信链路完成信息的 交互；监控中心完成与车载终端连接及数据存储、对车辆的监控和轨迹回放等工 作。系统的总体结构如图2 1 所示。 g p s 卫星 | | c p s t 耔 | l 鬟魏飞 苇载搀靖弋，、一 lg p r s 夕 钿。妒 2 1 2 系统的工作原理 监控中心 图2 1 系统总体结构图 车载终端安装在各个移动车辆上，其上的g p s 接收机接收定位卫星的定位数 据，单片机负责提取出有用的信息( 包括自身所在的地理位置坐标、速度、时间 等) ，并组织成自定义的通信协议格式，进一步打包成数据包，并通过车载终端的 通信模块，利用g p r s 网络，将此数据包发送到监控中心。 第二章系统概述 监控中心的通讯服务器通过g p r s 网络与车载终端进行连接，实时接收车载 终端发来的数据，对数据进行检验过滤，并把过滤后的有效信息传送给监控终端。 监控终端负责把收到的移动目标的信息经处理后，与其上的电子地图匹配， 在地图上动态显示移动目标的正确位置，使监控中心能清楚和直观实时地掌握移 动目标的动态位置信息，同时把需要记录的有用信息存储在数据库中以备查询。 监控终端也可打开用户数据库，查询所需的各种信息。例如：车辆信息、车 主信息、g i s 地图以及存入的各种信息。 监控终端还可以发出一定的指令，如：重传车辆的信息、被盗时关闭车门和 油门等，对车辆进行控制。 2 2 系统的主要功能 2 2 1 车载终端的主要功能 车辆终端的主要功能如下： ( 1 ) 定位功能：接收g p s 信号，对自身进行定位。 ( 2 ) 处理数据：对有用信息采集、打包，组成可以在g p r s 网络上传输的格 式。 ( 3 ) 定位信息输出：g p s 接收机实时定位，并将定位信息通过g p r s 网络发 向监控中心。 ( 4 ) 接收监控中心的指令：控制中心向车载单元发送命令，车载单元按指定 时间间隔及次数进行报位：或是接收监控中心发来的调度指挥命令，在显示单元 上显示或发出语音。 ( 5 ) 紧急报警：当车辆遇到抢劫、交通事故、急需修理等紧急情况时同机可 以通过触发报警装置，自动向监控中心报警及发送位置信息等。 ( 6 ) 防盗处理：车载终端通过f o 控制车门的开关、油门的锁死等，来控制 被盗车辆不被盗走。 2 2 2 监控中心的主要功能 监控中心由一个通信服务器、一个数据库和多个监控终端组成。 2 2 2 1 通讯服务器的主要功能 通讯服务器的主要功能如下： ( 1 ) 转发信息：接收来自车载终端通过g p r s 网络传送的信息，将它传输给 相应的监控终端；也可以将监控终端的指令发送个特定的车辆终端。 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 ( 2 ) 过滤信息：对接收到的信息进行检验，剔出已经损坏的信息。或对外来 攻击进行屏蔽，承担防火墙的功能。 2 2 2 2 监控终端及数据库的主要功能 监控终端及数据库的主要功能如下： ( 1 ) 车辆实时监控跟踪：监控中心根据需要可随时了解系统内所有车辆的实 时位置，并能在中心的电子地图上准确地显示车辆当时的状态( 如速度、运行方 向等信息) ，也可以定点定车行程跟踪等。 ( 2 ) 电子地图服务：实时将得到的车辆信息显示在相应的g i s 地图上，并可 以进行缩放、移动和查询所需的g i s 地图等。 ( 3 ) 报警功能：监控中心收到车载终端发来的报警信号( 如非法破坏报警、 非法移动报警) ，系统进行自动分类处理，以声、光方式进行提示，报警的车辆 在地图上以醒目方式显示报警状态和报警地点，同时自动记录轨迹、自动跟踪等。 监控中心再用指令方式进行警情处理，如：报警分发、遥控熄火等。 ( 4 ) 车辆管理：车辆档案管理、司机档案管理、车辆事故管理、车辆维修管 理、车辆业务统计和日志等。 ( 5 ) 实时调度功能：监控中心可随时采取有效措施，对系统内车辆进行合理 调度。 ( 6 ) 遥控功能：监控中心可远程对车辆实施开闭车门，设定撤消防盗监听和 报警状态，切断汽车油路或电路等操作。 ( 7 ) 数据库管理：系统可对地理信息、车辆信息、用户档案信息等多种数 据进行有效的管理和维护，并能对车辆在运行过程中存储的信息进行管理，以备 查用。 ( 8 ) 信息查询：包括信息查询和属性查询。信息查询指查找车辆运行过程中 记录的有用信息；属性查询指原始车辆信息、司机信息、g i s 地图等的查询； ( 9 ) 轨迹存储回放功能：系统可存储监控目标的轨迹等多项参数，并可回放。 2 2 3g p r s 网络的功能 g p r s 网络的功能是实现车载终端和监控中心之间的通讯，还实现图像无线传 送等。 第二章系统概述 2 3 1 实时性 2 3 系统的特点 由于本系统采用g p r s 网络进行通讯，所以能实时地、全天候地进行监控是本 系统的最大特点如对车辆运行状态实时监控，及时准确的分析车辆的运行状态， 及时处理报警车辆及突发事件等。 2 3 2 实用性 系统具有实时性监控、通讯费用低廉、设各价格合理、功能实际等特点，使 整个系统有很强的实用性。 2 3 3 易操作性 图形化、语音化、让信息大多可自动生成，便于操作。 2 3 4 安全性 系统具有较完善的安全防范措施。 2 3 5 可扩充性 本系统的可扩充性表现在两个方面：一个是由于g p r s 网络本身的特性，系统 可扩充图像采集传输、连入i n t e r n e t 等功能；另一个是由于系统是采用分布式系 统，可以在一定数量范围内，添加车载终端和监控终端。 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 第三章g p s 全球定位系统 g p s 4 l 系统是由美国国防部的陆海空三军在7 0 年代联合研制的新型卫星导航 系统，它的英文名称是“n a v i g a t i o ns a t e l l i t e t i m i n ga n d r a n g i n g g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m ”，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称g p s 系统。它是一种 为海上、陆上、空中的用户提供全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定 位系统，并以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于航空 航天、军事、交通运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中【”，被作为一 项非常重要的技术手段和方法。 随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地 开拓，目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。 3 1 g p s 系统的特点 g p s 定位系统是利用卫星作为导航台的无线电定位系统。它具有如下几个特 点： 3 1 1 全球及全天候工作 g p s 导航卫星距离地面高度约为2 0 1 8 3 k r n ，且处于近似圆的轨道上，其覆盖 区域之大是任何地面导航台所不可及的。其卫星数目较多且分布合理，所以地球 上任何地点都可连续同步地观测到至少4 颗卫星，从而构成全球定位系统。另外 工作波段为l 波段，电波传播受电离层、对流层的影响很少，气象因素及昼夜的 影响也不大，因此保障了全天候连续的实时导航与定位。 3 1 2 定位精度高 一个导航定位系统的重要性能指标是定位精度。g p s 系统采用卫星定位，可 以有效地修正因传播带来的误差。另外，空间技术、信息处理、信号的最佳接收、 精密时钟等各种先进技术都为卫星定位精度提供了保障条件。目前g p s 系统单点 实时定位精度可达5 1 0 m ，静态相对定位精度可达l o 1 p p m ，测速精度为 0 1 m s ，而测时精度约为数十纳秒。随着g p s 测量技术和数据处理技术的发展， 其定位、测速和测时的精度将进一步提高。 第三章g p s 全球定位系统 3 1 3 功能多，应用广 g p s 可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息， 可以利用卫星通信和卫星广播技术，构成一种具有通信、导航定位、识别及授时 的多功能系统。除用于军事目的外，还可民用。随着人们对g p s 认识的加深， g p s 不仅在测量、导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域 不断扩大。 3 1 4 实时定位速度快 利用全球定位系统，在一秒至数秒钟内便可完成次定位和测速工作 ( t r a n s i t 约需8 1 0 m m ) ，这对高动态用户来说非常重要。 3 1 5 抗干扰性能好，保密性强 由于g p s 采用了数字通信特殊编码技术，即伪随机噪声码技术，因而g p s 卫星所发送的信号，具有良好的抗干扰性和保密性7 1 。 3 2 18 p $ 系统的组成 3 2 1 1g p s 系统的组成 不： 3 2g p s 原理 g p s 的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成【”。如图3 1 所 图31g p s 系统结构示意图 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 3 2 i 2 空间部分 g p s 的空间部分是出2 4 颗g p s 工作卫星所组成，这些g p s 工作卫星共同组 成了g p s 卫星星座，其中2 1 颗为可用于导航的卫星，3 颗为活动的备用卫星。 这2 4 颗卫星均匀分布在距离地面大约2 0 1 8 3 k m 的6 个轨道平面内，每条轨道与赤 道面的交角为5 5 0 ，各个轨道平面之间相距6 0 。( 即轨道的升交点赤经各相差6 0 。) ， 每条轨道上有4 颗卫星。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 。，同一 轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 。位于地平线以上 的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可以见到1 1 颗。运行周期为1 1 小时5 8 分。 每颗g p s 工作卫星都发出用于导航定位的信号。 3 2 1 3 地面控制系统 g p s 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成， 根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。 主控站有一个，位于美国克罗拉多( c o l o r a d o ) 的法尔孔( f a l c o n ) 空军基地， 它的作用是根据各监控站对g p s 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正 参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制， 向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星 工作；另外，主控站也具有监控站的功能。 监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷( h a w a i i ) 、阿松 森群岛( a s c e n s i o n ) 、迭哥伽西亚( d i e g og a r c i a ) 、卡瓦加兰( k w a j a l e i n ) ， 监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。 注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛( a s c e n s i o n ) 、迭哥伽西亚( d i e g o g a r c i a ) 、卡瓦加兰( k w a j a l e i n ) ，注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历 和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。 3 2 1 4 用户设备部分 g p s 的用户部分g p s 接收机、数据处理软件及相应的用户设备所组成。它 的作用是接收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。 g p s 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 第三章g p s 全球定位系统 3 2 2g p s 定位原理 g p s 定位的基本原理【9 1 是卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用 户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度 和时间信息。 如图3 2 所示，每一颗卫星连续不断地向g p s 接收机发送可跟踪的唯一编码 序列，g p s 接收机可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和 准确时间。 卫星2卫皇3 图3 2 g p s 定位原理图 g p s 系统实时导舷定位的基本方法是伪距法。应用数学公式表示为： p = p + c ( d t d d + c l l o 。+ 4 w 式( 3 - 1 ) 式中p 一接收机到卫星间的测量距离； 广接收机到卫星间的几何距离； c 一光速； d r 卫星时钟与g p s 标准时间偏差； d 卜一接收机时钟与g p s 标准时间偏差； 如。电离层时延而产生的距离偏差； 厂对流层时延而产生的距离偏差。 因此，测出每颗可视g p s 卫星的导航信号从卫星到用户接收设备天线的传播 时间，乘上电磁波传播速度，即可计算出卫星到用户天线之间的距离。测量传播 时间要用到两个不同时钟。第一个时钟在卫星上，记录信号接收时间；第二个时 钟在接收机上，记录信号接收时间。这两个时钟彼此不同步，因而在时间的测量 上存在着偏差，假定卫星都与g p s 标准时间同步，则时间偏差只决定于接收时钟。 g p s 接收机就是根据这些信息去计算它与上空卫星的距离。 一般情况下，g p s 接收机接收到一颗卫星的信号，便能确定出时间；若接收 到了三颗卫星的信号，便能确定出准确的二维信息( 经度和纬度) ；而接收到四颗 g p s 卫星的信号，便可实现三维定位( 经度、纬度和高度) 。 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 假设t 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 的时间a t ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程 式： ( ( x 1 一x ) 2 + ( y 1 一y ) 2 + ( z l z ) 2 1 2 + c ( v t ，一v t o ) = d 1 式( 3 - 2 ) ( x 2 一x ) 2 + ( y 2 一y ) 2 + ( z 2 一z ) 2 1 ，2 + c ( v t 2 一v t o ) = d 2 式( 3 3 ) ( x 3 一x ) 2 + ( y 3 一y ) 2 + ( z 3 一z ) 2 】1 彪+ c ( v t 3 一v t o ) = d 3 式( 3 - 4 ) ( x 4 一x ) 2 + ( y 4 y ) 2 + ( z 4 z ) 2 】1 2 + c ( v t 4 一v t o ) = d 4 式( 3 - 5 ) 上述四个方程式中待测点坐标x 、y 、z 和为未知参数，其中d i = c i ( i = l 、 2 、3 、4 、。 d ，f 浮1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机之间 的距离。 ( i - 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星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 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 四个方程式中各个参数意义如下： x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标； x 、y i 、z i ( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星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 = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星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 如为接收机的时钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的时钟差v f 。 3 2 3g p s 信号 3 2 3 1g p s 信号的产生 g p s 卫星信号是g p s 卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含 有：载波、测距码和数据码。时钟基本频率为1 0 2 3 m h z 。g p s 信号的产生 1 2 如 图3 3 所示。 g p s 卫星发射两种l 波段的载波信号，它们都是用基本频率矗= 1 0 2 3 m h z 调制产生的，即： 上l 载波，其频率为= 1 5 4 x 知= 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长为1 9 0 3 c m ； 如载波，频率正= 1 2 0 x 矗= 1 2 2 7 6 0 m h s ，波长为2 4 4 2 e m 。 第三章g p s 全球定位系统 基本频率f o i o 2 3 m h z 1 0 l l ic i a 码1p 码 1 5 7 5 4 2 m h z if 0 2 3 m h zj1 0 2 3 m h 2 l 2 1 2 2 7 6 m h z p 码 1 0 2 3 m h z 5 0 b p s 敷据码( 导航电文，或d 码) 图3 3 g p s 信号的产生 g p s 卫星的测距码和数据码采用调相技术调制到载波上。 3 2 3 2 测距码信号 主要有： 1 c a 码 c a 码又被称为粗捕获码，它被调制在l 1 载波上，是i m h z 的伪随机嗓声码 ( p r n 码) ，其码长为1 0 2 3 位( 周期为l m s ) 。由于每颗卫星的c a 码都不一样， 因此我们经常用它们的p r n 号来区分它们。c ，a 码是普通用户用以测定测站到卫星 间的距离的一种主要的信号 ”1 。 2 p 码 p 码，又被称为精码，它被调制在l l 和l 2 载波上，是1 0 m h z 的伪随机噪声码， 其周期为七天( 码长为2 3 5 4 5 9 5 9 2 7 6 50 0 0 b i t ) 。在实施a s 时，p 码与w 码进行模二 相加，生成保密的y 码，此时一般用户无法利用p 码来进行导航定位。 3 y 码 如p 码中所述。 3 2 3 3 数据码 g p s 卫星的数据码即g p s 卫星的导航电文它是用户用来定位和导航的数据基 础。导航信息被调制在l 1 载波上，其信号频率为5 0 h z ，包含有g p s 卫星的轨道参 数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某 一时刻g p s 卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 卫星广播的导航信号采用不归零二进制编码，每帧含5 个子帧，每个子帧为 3 0 0 b i t 。在组成一个主帧的5 个子帧中，子帧1 、子帧2 、子帧3 的导航信息一般相同， 而且这3 个帧是每3 0 秒重复一次，子帧4 和子帧5 的分别包含2 5 个不同的页。卫星播 发的导航电文的过程中，子帧1 、子帧2 、子帧3 这3 个帧每小时更新次数据，而 且子帧4 和子帧5 的数据仅在给卫星注入新的导航数据后才进行更新。参见图3 4 。 图3 4 导航信息的帧结构 数据块d a t ai 的内容为卫星时钟校正参量及其数据龄期、星期的周数编号和 大气校正参量及卫星工作状态等。 数据块d a t a i i 的内容为星历，包含在2 、3 两个子帧里，提供了用户利用g p s 实时导航和定位的基本数据。 数据块d a t a i i i 的内容为系统内所有卫星的粗略星历、粗略时钟校正量、卫星 识别及卫星工作正常与否的字符。用户可以根据卫星历书和自己所在的位置，计 算出该时刻能观测到的卫星及其方位角，从而选择最佳星座，设置观测卫星，以 快速捕获和定位。每颗卫星的数据需要占用个子帧。 子帧中的t l m ( t e l e m e t r yw o r d ) 为遥测字符，它作为捕获导航电文的前导，其 中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步的起点，使用户便于解译电文数据。 h o w ( h a n do v e r w o r d ) 是转换字符，它的内容为子帧计数、子帧识别、同 步指示和奇偶校验。 子帧计数的含义是计时，第一个子帧的起始时刻代表星历的基准时间，第一 个子帧的起始时刻规定为每星期六的午夜0 点，每边6 s 计数一次，一个星期计满为 1 0 0 8 0 0 次( 日p 7 x 2 4 x 3 6 0 0 6 = 1 0 0 8 0 。 卫星识别符的内容将告诉用户该颗卫星采用的p n 码型，卫星工作正常符则告 诉用户该颗卫星是否可用。 第三章g p s 全球定位系统 3 2 4g p s 接收机 g p s 接收机是用户设备的核心部分，主要包括天线、g p s 接收机和电源三部 分。其主要功能f 1 4 1 是接收g p s 卫星发射的信号，并对所接收到的g p s 信号进行 变换、放大和处理，以获取导航电文及必要的观测量，实时地计算出载体( g p s 信号接收机所位于的运动物体叫做载体) 所在的三维位置、速度和时间。 3 2 4 1g p s 接收机的组成 图3 5 为g p s 接收机的框图，主要包括： ( 1 ) 天线( 带前置放大器) ； ( 2 ) 信号处理器，用于信号识别和处理； ( 3 ) 精密振荡器，用于产生标准频率； ( 4 ) 微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算； ( 5 ) 用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存储器； ( 6 ) 电源。 图3 5g p s 接收机结构示意图 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完整的g p s 用 户设备。机内软件是与接收机融为一体的控制接收机信号，对卫星信号进行测量， 以及自动操作的程序等；g p s 数据的后处理的软件系统又称为机外软件。 g p s 接收机一般用蓄电池做电源。但也可以同时采用机内机外两种直流电源。 设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测：在用机外电池的过程中， 机内电池自动充电。关机后，机内电池为r a m 存储器供电，以防止丢失数据。 目前，各种类型的g p s 接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。 3 2 。4 2g p s 接收机输出的数据格式 g p s 接收机的软件接口协议采用美国国家海洋电子协会( n a t i o n a l m a r i n e e l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o m 制定的n m e a 0 1 8 3a s c i i 码协议【1 5 1 ，该协议为n m e a0 1 8 3 2 0 版( 此协议是为了在不同g p s 导航设备中建立统一的r t c m 标准) 。 一处 一 一鬻一一号墨，上演一 网。刚占 6 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 所有的n m e a 语句格式都是以a s c i i 码“$ ”开始，以“ ”( 回车 换行符) 结束，语句中的数据字段以逗号分隔；每条语句末端都有校验符( 1 1 1 1 ) ，该校 验符是“$ ”后的所有字节的8 个比特“按位异或”生成的，用户可以通过校验符 验证得到的结果。 在g p s 数据接收过程中，最有用的定位语句是“g p r m c ”语句，其格式和 各字段的含义如下： $ g p 砌v i c ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，4 h h ， 定位点的u t c 时间，格式为：h h m m s s ( 1 1 1 l ：小时，m m ：分钟，s s ：秒1 状态，a = 无效位置，v = n a v 接收器告警 纬度，格式为d d m m m m m l t l ( d d ：度，r 嘲n f f n l t l l y l ：分1 纬度半球，n ：北半球，s ：南半球 经度，格式为：d d m m m l y l i n l n ( d d ：度，m r l l r f l m l l l n l ：分1 经度半球，e ：东半球，w ：西半球 地面速度，o 0 9 9 9 9 海里4 , 时 地面航向，0 0 0 0 3 5 9 9 0 u t c 标准日期，格式为：d d m m y y ( d d ：天，i t i i n 月份，y y ：年) 磁偏角，0 0 0 ，0 1 8 0 o o 磁偏角方向，e ：东，w ：西 3 2 5s a 和a s 政策 美国为了防止未经许可的用户把g p s 用于军事目的( 进行高精度实时动态定 位) ，于1 9 8 9 年1 1 月开始至1 9 9 0 年9 月，进行“s a ”和“a s ”技术的实验，并 于1 9 9 1 年7 月开始实施s a 技术1 1 6 】。 s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 技术即有选择可用性技术，它人为地将误差引入卫 星时钟和卫星数据中，对标准定位服务( s p s ) 采用了e 技术和6 技术，故意降低 g p s 定位精度，使c a 码在9 5 的时间内，水平定位的精度为l o o m ，高程定位 的精度为1 4 0 m ，定时的精度为3 4 0 n s 。 a s ( a n t i s p o o f i n g ) 技术即反电子欺骗技术，其目的是防止敌方使用p 码进行 精密导航定位。当实施a s 技术时，非特许用户将不能接收到p 码。这项技术仅 在特殊情况下使用。 但鉴于g p s 巨大的实用价值，美国总统克林顿颁布法令，将g p s 向民用领 域免费开放，同时在2 0 0 0 年5 月1 日午夜起停止s a 政策。 s a 政策取消后，卫星钟和轨道的人为误差消除，标准定位服务提供的定位 精度回到3 0 m 左右的水平。s a 政策的取消，大大提高了单机定位的精度，测量 第三章g p s 全球定位系统 导航不必采用差分的方式，一般的城市和乡村的车辆完全可以采用单机模式进行 导航。s a 政策的取消必将进一步推动g p s 的应用，相信过不了多久，g p s 车辆 导航产品将真正走入我们的生活。 基于g p s 和g p r s 的车辆远程监控系统 第四章车载终端的设计 车载终端是本系统中关键的一环，车辆的所有信息都必须通过车载终端得到， 而且车载终端还必须具备一定的处理能力，能够对搜集到的信息进行必要的处理， 能够接收并处理监控中心发出的命令。基于对车载信息终端必须具备的功能，系 统设计如下： 1 ) 对车辆位置信息进行采集，采集的方法是使用g p s 接收设备。g p s 接收 机对接收天线的放置有较高的要求，当它处于无遮挡物的空旷区域内，才能得到 较高精度的位置信息。 2 ) 对位置信息数据进行必要的处理。车载终端要具备较强的处理能力，能够 对得到的信息作必要的处理，以适应通讯需要。 3 ) 可靠的通信能力。车载终端的应用环境决定了它采用无线通信方式是最好 的选择。可供选择的无线通信方式有很多种，例如无线集群系统、无线电台、g s m 短消息、g p r s 、c d m a 等。但是，考虑到通信范围( 要能够适应全国范围的数据 通信) ，初期投资费用，通信的实时性，可靠性等因素，我们认为g p r s 是最佳的 通信方式。 4 1 系统的简易性、方便性、资源丰富性，而且从经济角度考虑，还必须适应 低成本的要求。处理数据就选用单片机，以适应低成本的要求。 4 1 车载终端的结构 车载终端安装在被监控的车辆上，它由g p s 接收模块、单片机或工控机、 g p r s 通讯模块组成，可以采用车辆的电瓶供电。其结构如图4 1 所示。 图4 1 车载终端结构图 g p s 接收模块主要用于接收g p s 卫星的定位信息，它在本系统中就是g p s 接收机，单片机或工控机负责定时从接收到的g p s 定位信息中分解出所需信息， 将其组织成p p p 、u d p 或是t c p 协议包，并控制g p r s 模块发送信息。本系统 采用以单片机为核心的硬件电路，这是由于单片机具有体积小、重量轻、电源单 一、功耗低等优点；且它全部集中在一块芯片上，步线短、合理；数据大都在单 第四章车载终端的设计 片机内传送，运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高；同时由于车载部分的流动 性，要求系统运行的功耗小，对硬件电路要求低功耗设计。 g p r s 通讯模块是联系监控中心及车载终端的必备器件，车载终端通过此模 块将车辆的定位信息发送至监控中心，车载终端也需通过它接收监控中心发来的 指令。 4 2 车载终端的软件设计 本系统中采用c 语言进行软件开发。c 语言是一种编译型的程序设计语言， 它兼顾了多种高级语言的特点，同时具备汇编语言的功能。c 语言有丰富的库函 数、运算速度快、编译效率高、有