（通信与信息系统专业论文）基于gisgprsgps的水上交通信息系统设计与实现.pdf

y 7 7 9 3 3 1 基于g 工s g p r s g p s 的 水上交通信息系统设计与实现 通信与信息系统专业 研究生：李胜指导教师：徐家品 本论文利用正在迅速兴起的g p r s 无线数据业务，结合g i s 地理 信息系统与g p s 全球定位系统，研究开发基于空间信息可视化的现代 承土交通监管信息应用系统。该系统除了具有传统的空间信息显示、 查询分析等功能外，更堂要的是，它一方面是移动系统，能够使用 户随时随地享受基于位置的服务( l b s ) ，另一方面根据现代航务工作 特色，满足航务工作信怠化的需求。 论文首先分析交通运输行业g p s 应用系统的技术背景、研究现状、 特点及典型应用，为基于g i s g p r s g p s 的水上交通信息系统的开发 提供技术基础；其次是在对水上交通行业进行深入透彻业务需求分析 的基础上提出了系统的完整逻辑框架设计、具体功能的实现原理及应 用模式，重点分析船舶监管仪的原理结构、硬件结构、实际开发和系 统中的一些难点与创新。 本论文的研究主要涉及计算机科学领域的t c p u d p i p 程序开发、 网站建设和v p n 应用、单片机系统开发( 合硬件与软件开发) 、工程 学领域的业务需求分析与数据提取、指纹应用、数字视频、无线互联 网络等技术、测绘学中的地理信息系统原理及数据组织方法、数字地 图可视化、g p s 定位与导航、3 s 集成等技术，为在地理信息领域全球 定位技术、移动通信技术的综合运用提供研究开发经验。 美键词：g i s 、g p r s 、g p s 、航务、船舶监管仪 二e ；! 弋i a v i a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n m a j o rc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s t u d e n t l i s h e n g t u t o rx uj i a p i n t h eg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a r l o ns y s t e m s ，e s p e c i a l l yo nd a t a c o m m u n i c a t i o nd o m a i n ，i st h er a p i d l ys p r e a dn e wt r e n dt oi m p l e m e n tn e x t g e n e r a t i o ns y s t e m s c o m b i n e dw i t hg i s ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ) a n dg p s ( g l o b l ep o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，t h ea u t h o ri m p l e m e n ta p r a c t i c a ls y s t e mo na v i a t i o ns y s t e mo nr i v e r s t h em e r i td ft h i ss y s t e mi s l b s ( l o c a t i o n b a s e d s e r v i c e ) a n d a p p l i e d o n b o t h w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n da v i a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m s t h ea u t h o rf i r s ti n t r o d u c et h eg p sa p p l i c a t i o n s o n # m n s p o r t a t i o n d o m a i na n di t st e c h n i c a l b a c k g r o u n d ，r e s e a r c ht r e n d 龃dt y p i c a l a p p l i c a t i o n s w i t ht h i sp r e p a r a t i o nf o rg i s g p r s g p sa p p l , i c 。a t i o n s ，t h e a u t h o rc o n s t r u c tac o m p l e t ef r a m e w o r kb a s e do nt h es e r v i c e 臻q u i r e m e n t s o fw a t e r a v i a t i o na p p l i c a t i o n s t h ee m p h i s i si so nt h eb a s ；c a l p r i n c i p l e ， h a r d w a r ea r e h i t e c h t u r e ，o n s p o ta p p l i c a t i o n ，w i t hm a n yi n n o v a t i o n so n t h e s ep r a c t i c a ls y s t e m s t h ea u t h o rr e s e a r c h e do naw i d er a r i t yo ft e c h n o l o g i c 3 bm a k et h e s y s t e mp r a c t i c a l h ep r o v i d ep r o f o u n ds t u d i e so n 、t c p u d p i p p r o g r a m m i n g ，w e b s i t e c o n s t r u c t i o n ，v p na p p l i c a t i o t l $ i n g l e c h i p c o m p u t e rs y s t e md e v e l o p m e n t ( h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v 甜o p m e n t ) h e a l s oc o m b i n e sd a t ae x t r a c t i o n ，f i n g e r - p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，d i s i t a lv i d e o ， w i r e l e s si n t e r n e t ，g i s s y s t e ma n dg e o g r a p h i cd a t ao r g a n i z a t i o n ，d i g i t a l m a pv i s a l i z a t i o n ，g p sp o s i t i o n i n ga n da v i a t i o n ，3 s i n t e g r a t i o n t h e r e s e a r c hw i l ls e r v e st op r o v i d ep r o f o u n de x p e r i e n c eo no p s ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n so ng e o g r a p h i ci n f c i r m a t i o nd o m a i n k e y w o r d s ：g i s ，g p r s ，g p s ，a v i a t i o n ，a v i a t i o nm a n a g e m e n t 叫川人学硕j ：研究生学位论义 第一章绪论 人类正进入以计算机、网络、卫星通信、移动通信为特征的信息社会。人 员和物资流动的日益频繁使人与物资对空间信息有了更多的依赖，尤其是在界 定范围外和移动过程中，对地理信息的需求更加普遍。人们更加关心“当前我在 哪里? ”、“目的地在哪里”、c c 如何到达? ”等问题【2 0 】。 随着科学技术的飞速发展，g p s 技术用于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【1 9 1 。 作为g p s 跟踪定位与远程监控的信息传输手段，无线通信技术是实现其功能 的关键【4 1 。g s m 的普及和短消息业务的进一步推广为g p s 技术的广泛应用提 供了可靠保障，特别是g p r s 的开通有效地解决了在g p s 监控系统中可能遇 到的一系列问题“”。 1 1g p s 日益普及 过去人们对全球卫星定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 这个名词 的印象，往往只出现在一些非常特殊的领域，比如说民航机、远洋船舶的导航 系统，或者是军事单位的监控等，与一般人的日常生活并没有多大关系，顶多 是一些顶级的轿车配备有汽车卫星导航系统( c a r n a v i g a t i o ns y s t e m ) 而已。 据i t a 资料显示，近年来全球g p s 产品的销售中，汽车卫星导航系统、 消费性产品、位置定位和追踪四项与大众的日常生活结合紧密的占了8 3 4 t 到2 0 0 3 年更高达8 9 1 。由此可见，g p s 的应用与大众消费的关系日益密切， g p s 的全民时代渐渐来临。 1 2 gls 在交通中的应用 近年来，随着地理信息系统的飞速发展，越来越多的应用领域同g i s 技术 建立了紧密的联系。由于交通信息系统具有精度要求高、规则复杂、动态化、 离散化等特点，原有的信息技术已经不能完全满足交通应用的需求，丽借助于 g i s 的强大功能，可以实现交通信息化、智能化的时代要求。交通领域中g i s 的应用也越来越受到研究者和开发者的重视阢1 射。 第1 页共6 1 撕 四川大学硕上研究生学位论文 交通地理信息系统是收集、整理、存储、管理、综合分析和处理空间信息 和交通信息的计算机软硬件系统，是g i s 技术在交通领域的延伸，是g i s 与多 种交通信息采集、分析和处理技术的集成。g i s - - t ( g e o g r a h i ci n f o r m a t i o n s y s t e mf o rt r a n s p o r t a t i o n ) 具有强大的交通信息服务和管理功能，它可以应用在 交通管理的各个环节。在交通工程领域采用g i s 技术和方法研究交通规划、交 通建设和交通管理及其相关的问题，具有其他传统方法无可比拟的优点。但是 随着社会和经济的发展，道路交通系统变得日益复杂，对交通地理信息系统的 要求越来越高，g i s - - t 将面临更多的挑战 1 7 , 18 】。 1 3 研究意义 移动定位与导航随g p s 技术的成熟与广泛应用而变的只益迫切，无线通信 技术的日益成熟与产品的推陈出新成为无线数据产品和因特网( i n t e m e t ) 在人 类生活中的一种弥补和延伸，更重要的是满足了人们“随处定位”的愿望柚“。 本论文的意义在于将移动通信技术应用到传统的空间信息服务中，将革命 性的改变传统的基于位嚣的服务机制，使作为主体的人、作为客体的真实世界 以及经由网络传输的数字世界三者无缝的结合起来，实现不受任何时间和空问 局限的互动，最终目的是根本性地改变人与数字地球、人与现实世界的交互方 式，能够为任何基于空间的作业系统如导航、数字战场、野外采样、物流管理、 智能交通、旅游、资源管理、娱乐等提供全新的作业模式“3 “。 本文成果将为在地理信息领域应用移动通信技术提供开发经验。软件产品 只需稍加改动将能够应用于各种基于位置服务的系统，如智能交通、国土调查 和公共信息服务等领域1 。 1 4 论文研究主题及创新点 本论文主题是将电子地图与g p s 、g p r s 等移动科技产品集成，实现移动 目标的实时定位和随处计算，实现了船舶不论是在固定场所还是在运动过程中， 不论何时、何地都可以获得有关地理信息的服务，即完成船舶信息系统所提出 的业务要求【2 0 l 。本论文来源于实际的研发项目，有很强的实践性和实际应用价 值。 第21 i f 共6 1 i f i ! ! | 川大学硕二i ：研究生学位论文 本论文将移动通信、g p s 定位系统和地理信息系统有机结合，为水上交通 信息系统的进一步发展与应用提供新的途径和方法，进而为今后不同类型的相 关系统在基于位置的广泛服务领域应用提供初步经验l l ”。 本论文是在移动通信技术蓬勃发展的形势下提出的。一方面，由于移动通 信技术的核心是移动通信工具空间位置的改变以及移动通信内容和过程的位置 相关性，因此移动通信技术天然地与地理信息技术具有紧密的内在联系；另一 方面，地理信息技术已经在与全球定位系统、遥感等技术的集成和应用方面走 过了一段成功的路。现在与移动通信技术结合是非常顺理成章的事情“。“。 第3 页共6 lm p q 川大学硕= l 研究生学位论文 第二章一般gls g p r s g p s 信息系统概述 2 1gls 系统概述 2 1 1g is 系统定义 g i s 地理信息系统，美国国家地理信息与分析中心( n e g i a ) 将g i s 定义 为：为了获取、存储检索、分析和显示空间定位数据而建的计算机数据库管理 系统限3 8 1 。它是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、信息科学和应用科学为 一体的新学科。在交通工具定位系统中，g i s 是一种集承载交通工具的地理信 息系统和物标主题信息于一体的面向交通工具助航、导航、跟踪的信息系统【3 8 l 。 2 1 2gis 应用类型 g i s 是一门综合性技术，它已经与其他技术互相融合。g i s 应用需要利用 和集成其他技术；同时，其它信息技术的应用也需要g i s “”。 根据g i s 所应用的领域不同可将其划分为：地籍信息系统( c i s ) 、基于影 象的信息系统( i b i s ) 、土地信息系统( l i s ) 、自然资源管理信息系统( n r m i s ) 、 规划信息系统( p i s ) 、空间信息系统( s i s ) 、空间决策信息系统( s d i s ) 、城 市信息系统( u i s ) 和交通运输地理信息系统( g i s t ) 等“”。 尽管地理信息系统软件很多，但它的应用，归纳概括起来有二种方式。一是 利用g i s 系统来加工和管理用户的数据；二是以它为基础，利用二次开发技术开 发用户专用的系统”1 ”1 5 】。一般有这样一些具体的应用方式： 1 、地理信息系统作为空间数据库管理系统 g i s 目前采用野外数字测图、手工和扫描数字化、遥感与摄影测量等方式 采集空间数据，并有效地对这些数据进行数据库管理、更新、维护、进行快速查 询检索，以多种方式输出决策所需的地理空问信息。 2 、g i s 在综合分析评价与模拟预测中的应用 g i s 可以综合分析现实世界各个侧面的思维评价结果，得到综合分析评价 结果：也可以摸拟自然过程、决策和倾向的发展，对比不同决策方案的效果以 箔4 负共6 l 贸 l ! ! i 川人学硕i ：研究生学位论文 及可能产生的后果，以作出最优决策，避免和预防不良后果的发生。 3 、g t s 在专题地图制图中的应用 地理信息系统的发展是从地图制图开始的，因此g i s 的主要功能之一是用 于制图，建立地图数据库。与传统手工制图方式相比，利用g i s 建立地图数据 库，可以达到一次投入、多次产生的效果。它不仅可以输出全要素地形图，还可 以根据用户需要输出各种专题。 4 、建立专题信息系统和区域信息系统 专题信息系统如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、水土流失信息 系统和城市管网g i s 系统等。区域信息系统主要以区域综合研究和全面的信息 服务为目标，可有不同的规模，其特点是数据种炎多，功能齐全，通常具有较强 的开放性、行业性。 5 、g i s 与遥感图像处理系统相结合的应用 遥感数据是地理信息系统重要的信息源，目前大多数g i s 系统已嵌入图像 处理功能，并把它作为一个子模块。 2 1 3g is 二次开发技术 地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：应用型地理信息系统，以 某专业、领域为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统； 二是工具型地理信息系统，即g i s 工具软件包，如a r c i n f o 等，具有空间 数据输入、存储、处理、分析和输出等基本功能。本系统属第一类系统，如何 针对应用目标，高效地开发出既合乎需要又具有方便、美观、丰富的界面是本 系统非常重要的问题之一。g i s 的开发模式【2 2 5 】有如下三种： l 、独立开发 指不依赖于任g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析 及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言， 在某种操作系统平台上实现。这种方式的好处是不依赖任g i s 工具软件，降低 开发成本；但一方面对于开发者来言，能力、时间、财力方面的限制使其开发 出来的产品很难在功能上与商业化、专业化工具软件相比。 第5 负共6 i 孤 v qj i l 人学硕l ：研究生学位论史 2 、宿主型二次开发 该类型指基于g i s 平台进行应用系统开发。大多数g i s 平台软件都提供了 二次开发的脚本语言，如a r c v i e w 提供了a v e n u e 语言，m a p l n f o 提供了 m a p b a s i c 语言等。用户利用这些脚本语言。以原g i s 软件为平台，开发出针 对不同的应用程序。这种方式省时省心，但脚本语言作为编程语言，功能极 弱，用它们来开发应用程序不尽如人意，并且所开发的系统不能脱离g i s 平台 软件，是解释执行的，效率不高。 3 、基于g i s 组件的二次开发“”“。” 大多数g i s 软件都提供了g i s 组件，如m a p o b j e c t s 、m a p x ( 功能对比见 表1 ) 等，这些组件具备g i s 的基本功能，开发人员可以基于通用软件开发工 具尤其是可视化开发工具，如d e l p h i 、v i s u a lb a s i c 等开发。利用软件厂家提供 的建立在o c x 技术基础上的g i s 控件，在d e l p h i 等编程工具编制的应用程序 中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能。 通过以上三种实现方式的分析与比较，很自然选择基于g i s 组件的二次_ 丌= 发方式。这样既可以充分利用g i s 工具软件对空间数据库的管理、分析功能， 又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等优点，集二者之所长，不 仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具丌发出来的 应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移 植、便于维护。尤其是使用o c x 技术利用g i s 功能组件进行开发，更能表现 出这些优势。 表1g i s 控件比较 功能 m a p o b j e c t sm a p x 地图数据格式 a r c v i e w 的s l i p 、a r c i n f o m a p l n f o 的数据格式 的c o v e r a g e 、s d e 图层 叠加栅格图像有 地图的常用操作放人、缩小、漫游等 图层控制增加、移走、设置当前层 属性数据绑定 有 地图信息查询方式 通过鼠标选取特征通过s q l 裔找特征通过空间擞作 第6 负共6 l 啖 州川人学坝i 村 究生学位论义 选取特征 专题地图 较弱有 g p s 集成 有 j 1 = | 户绘图图层 无有 生成，翁目辑地图对象较弱 地图标注有 地图符号化较弱较强 2 2g p s 概述 2 2 1g p s 系统概述“2 ”1 g p s 是全球卫星导航定位系统的简称。g p s 卫星信号全球覆盖，所以用g p s 进行导航定位具有全球性、全天候、定位速度快、定位精度高等特点，而且具 有高精度的时钟，因此能用于汽车、轮船、飞机等的实时导航定位。g p s 系统 由空间卫星、地面测控系统和用户终端设备等组成”。 空间卫星系统的导航卫星都是在离地面大约2 0 0 0 0k r n 以上的圆形轨道上 运行的地球非同步卫星，卫星轨道面的倾角为5 5 。，共设置6 条长交点、互相间 隔6 0 。的轨道，导航卫星均匀地分布在6 个不同的轨道上，每条轨道均匀分布4 颗卫星，共计2 4 颗卫星，但是从实际应用出发，又增发了3 颗备用卫星，共计2 7 颗卫星，使得地球上任意一个地方都可以同时观测到7 至9 颗卫星。卫星本身是 惯性轮和喷气助推火箭装置，卫星上导航天线的辐射总是朝着地球，对准精度 为1 。左右。 地面测控系统包括1 个主控站、3 个泣入站和5 个监测站。主控站设在美国科 罗拉多。主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每 颗卫星的星历幕f i g p s 时间系统，将预测的卫星星历、时钟差、状态数据以及大 气传播改正编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离， 必要时调度卫星，甚至让备用卫星取代失效的卫星工作。另外还负责监测整个 地面监测系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文 发送给了用户。3 个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛 和太平洋的卡瓦加兰。注入站的任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫 第7 负菸6 l 负 四川人学碰：l 研兜生学位论义 星的存储器。每天注入3 次。每次注入1 4 天的星历。此外，注入站能自动向主控 站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。5 个监测站除了位于主控站和3 个注入站之处的4 个站外，还在夏威夷设立了1 个监测站。监测站的主要任务是 为主控站提供卫星的观测数据。每个监测站均用g p s 信号接收机对每颗可见卫 星每6 分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。依此推 算出每两分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。 用户终端设备接收卫星每秒钟发来的有关卫星本身坐标位簧的数据，用户 接收机可根据至少3 颗卫星发送的数据计算出自己的位置数据，对于移动目 标，则需要第4 颗卫星的数据，以配合计算出移动目标的移动速度与运动方 向。 2 2 2g p s 终端概述 g p s 终端是指能给设备持有者提供导航信息的装鼍，它主要由g p s 接收器 和显示装置组成。g p s 接收器能输出经纬度数据，显示装黄把经纬度显示出来， 或换算成对应的点显示在电子地图上【6 】。 图1g p s 终端原理图 任何g p s 设备中，g p s 接收器是少不了的。接收器通常内置于设备内部， 采用系统供电，卫星信号的获取必须通过g p s 天线。天线内簧了前鬣放大器和 频率变换器，而且必须放在能直视天空的地方，因为g p s 卫星信号为l 频段， 不需要对准，但要求直视。 第8 页共6 l 负 p u 川人学颂l ：础究生学位论文 天线信号送入g p s 接收器后通过一系列的变频、解码、运算，最后以电文 形式输出给显示装置，需要指出的是g p s 接收器初次上电解码、运算需要1 分 种左右的时间，这就是所谓的”冷启动”：与之相对应的”热启动”是指在运行过 程中由于遮挡而丢失卫星后重新找回卫星的过程，”热启动”只需要不到一秒种 的时间。因此g p s 设备在开始启动的一分钟内是定不了位的。 图1 中的”1 1 2 信号通道”，这是购买g p s 接收器时一个非常重要的指标， 每一个通道能接收一颗g p s 卫星。如果有1 2 通道，就说明该接收器能同时接 收1 2 颗g p s 卫星，它是衡量g p s 接收机的重要标准。目前民用的g p s 接收器 输出电文基本都是0 1 8 3 或1 0 0 0 电文格式，其内容典型的为g p g g a ，g p r m c ， g p g s a 三条信息：其中包括了卫星星历、时钟改正、卫星星数、卫星工作状 态、经纬度等信息。 显示终端用来显示经纬度信息或电子地图及终端当前所处的位噩。最简单 的显示终端可以由单片机构成，用8 9 e 5 1 的串行口接收g p s 电文数据，提取出有 效数字后，通过串并转换电路直接驱动点阵式或字符式显示屏显示当前经纬度 等信息。 2 3g s m 系统概述 g s m 系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、 应用最广的一种系统。目前我国已建成了覆盖全国的g s m 网络，它是我国公 众陆地移动通信网的主要方式。接收短消息可用g s m 用户终端，也可以用i s d n 方式连接到短消息服务中心，或者使用p h s 制式的小灵通、固定电话座机等。 这样接收短消息更迅捷。系统容量可以更大。g s m 网络业务以话音为主，同时 提供短消息、数据承载业务等其它增值服务。短消息是以存储转发的方式发送 信息的，由于g s m 通信本身的特性，因此短消息在传输过程中必然会有一定 的延时，具体延时取决于当地网络容量和短消息中心的处理能力。当g s i d 通信 模块需进行小区切换时，所需传输时间就会更长一些m 1 。 短消息是以7 号信令网为承载体，传输文字、数字等信息。信息内容的大 小限制在1 4 0 个字节。短消息主要以移动终端端对端的发送和接收，以及移动 第9 弧共6 l ! i 心川人学颂。l ：研究生学位论文 终端与互联网之间的发送和接收为主。 通信的信道通常分为业务信道和控制信道两大部分，无线移动通信自然也 不例外。短消息虽然与话音传输及传真等业务一样，同为g s m 通信网络提供 的主要电信增值业务，但该业务不占用语音信道。 2 4g p r s 概述 g p r s 是通用无线分组业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的缩写。简单 地说，它是在g s m 网络的无限部分基础上进行了大规模改造，使之能够支持 数据传输，同时，又保留了无线部分的大部分设施，或只做软件升级。这样， g p r s 就在语音网络和数字网络之间找到了一个折衷，既考虑了语音网络的现 状，又向下一代的数据网络迈出了踏实的一步。g p r s 网络是一个承载网。具 体地说是一个二层承载网。从这个意义上讲，g p r s 网络和以太网、帧中继网、 g s m 网络等一样，都可以承载三层的数据包。目前的因特网和内部网主要承载 i p 数据包。也就是说，g p r s 负责i p 包传输路径上的一部分工作，丽对于i p 包来说，在整个路径上，只有两个g p r s 设备是可见的：g p r s 手机和g p r s 网络的缺省路由器。 g p r s 是基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线 i p 连接。g p r s 充分利用共享无线信道，采用i po v e rp p p 实现数据终端的高速、 远程接入“”。 g s m 移动数据业务主要分为电路型数据业务和分组型数据业务。g s m 第 一阶段提供的9 6 k b p s 以下数据业务及p h a s e 2 + 阶段提出的h s c s o 都属于电路 型数据业务；而p h a s e 2 + 阶段提出的g p r s 属于分组型数据业务。后者相对于 前者具有显著的优越性，两者特点对比如表2 所示。 表2 电路型数据业务与分组型数据业务对比 对比内容 电路型数据业务( 9 6 k b p s 以下数据 分组型数据业务( g p r s ) 业务及h s c s d ) 专用，最多4 个时隙捆绑( i 嘲定i 、共享，最多8 个时隙捆绑动 无线信道 用时隙)态时隙分配 链路建立时间呼叫建立时间长短，有“永远在线“之称 传输时延短，适合于实时性强的业务适度的传输时延 第1 0 页共6 l ! l f j l i 大学领l ：q 究生学位论文 传输速率 从小于9 6 k b p s 到5 7 6 k b p s最火1 7 1 2 k b p s 初期投资少，需增加i w f 单元及对费用较火，需增加网络设备， 网络升级费用 b t s b s c 进行软件升级但节省基站投资 提供相同业务 代价 价格昂贵、占用系统资源多价格较便寅、i 蹦系统资源少 g p r s 业务之所以可以获得规模，象g s m 网络一样，蓬勃地发展主要是具 有这样一些优点【8 1 。 第一，速度快 g s m 的数据传输速率是9 6 k b p s ， g p r s 无线传送与g s m 信道一样，但 是附带的冗余信息比g s m 少。冗余信息少带来的好处就是数据速率显著增加， 但同时也有坏处：信息到达目的地之后，自恢复能力，即前向纠错能力，大大 削弱，可靠性只能靠重传机制来保证。根据编码方法( c o d i n gs c h e m e ) 的不同， g p r s 有四种空中接口速率： c s l ，传输速率为9 0 5 k b p s ，净数据与总信息的比例大约是l ：2 c s 2 ，传输速率为1 3 4 k b p s ，净数据与总信息的比例大约是2 ：3 c s 3 ，传输速率为1 5 6 k b p s ，净数据与总信息的比例大约是3 ：4 c s 4 。传输速率为2 1 4 k b p s ，净数据与总信息的比例大约是1 ：1 编码方式级别越高，速率越高，前向纠错能力越小。c s 4 速率最高，但几 乎没有冗余信息，就没有纠错能力。g s m 的时分复用是每个频点支持8 个用 户，而每个用户独自占用一个时间片( t i m es l o t ) ，从逻辑上讲，就是一个信道。 g p r s 采用了信道聚合和信道复用的技术。不仅一个用户可以占用多个时间片， 而且多个用户也可以共享一个时间片。这样，信道资源的分配更加灵活，大大 提高了信道的使用率；而每个用户所能获得的最大速率也有所提高。 第二，费用降低 包交换( p a c k e t s w i t c h ) 是许多用户共享一条线路，数据以包的形式传输， 费用按流量计算。显然，数据传输的重要特点是突发性，比如用十秒钟下载的 文章，需三分钟看完，这投有任何传输的三分钟也耍1 1 5 壤显然不公平。包交换 就很好的解决了这个问题，用户使用弼络的费用自然降低了。 第三，无缝的i n t e m e t i n t r a n e t 连接 现在的网络、应用大多是基于i p 协议。g p r s 是一种二层的承载网络，它 第t 1 哎共6 l 撕 删川火学碗j j 咿f 究生学位论文 所承载的对象正是i p 这种三层协议的数据包。任何i p 之上的应用功能都不需 要知道g p r s 网络的存在，它们与i p 打交道就行了。 除此之外，g p r s 有”永远在线”的能力。手机的移动性管理由网络负责， 网络与手机之间的信令连接是一直存在的。一旦手机有数据传输请求，网络可 以瞬间为手机建立数据通路。对于用户来说，这个建立数据连接的过程是透明 的，因此可以认为手机是一直挂在网络上的。 2 5 交通行业g p s 应用概述 近些年来，国内外研制了多种用于车辆诱导的系统。其中对车辆位置的实 时确定主要依靠惯性测量系统以及车轮传感器“1 。随着技术的发展，g p s 大有取 而代之的趋势。 2 5 1 系统介绍”。5 1 2 5 1 1 系统的组成 系统由移动终端、通信链路、中心服务器及监控终端组成。移动终端完成 移动目标的定位、轨迹的存储及信息发送，g p r s s m s ，c d m a 通信链路完成信 息的交互，中心服务器完成与移动终端及监控终端的连接及数据存储，监控终端 完成对车辆的监控，系统的总体结构如图2 所示o ”。 图2q p r s g p s 监控系统结构图 第1 2 页共6 l 负 州川大学硕i ：研究生学位论文 2 5 1 2 系统的工作原理 目标在移动过程中，移动终端的g p s 接收机接收定位卫星的定位数据，计 算出自身所处地理位置的坐标，移动终端通过数据接口为目标导航终端提供 g p s 数据，供车载导航终端导航。同时坐标数据通过移动终端的通信模块，利用 s m s 将移动目标的位置、状态、报警等综合信息发送到中心服务器，并存入中心 数据库。在目标遇到紧急情况时，可采用自动或手动报警，将自身所在位置、报 警信息等数据发送至中心服务器并存入数据库，同时将相应的报警信息发送到 与之相应的监控单元。监控单元通过i n t e m e t 与中心服务器进行连接，实时接收 中心服务器发来的数据，从而达到对目标的监控。此外，也可对目标的轨迹进行 查询，目标的信息经处理与监控终端上的电子地图匹配，在地图上显示，从而使 监控中心能清楚和直观地掌握目标的动态位置信息。同时可打丌用户数据库， 查询事故用户的原始档案，并报告给相关部门及时处理“”。 2 5 1 3 系统的主要功能 1 、移动终端 移动终端生产厂家很多，所用硬件大多雷同( g s m 模块如m o t o r o l a 的g 1 8 、 s i e m e n s 的m c 3 5 、w a v e c o m 的2 4 0 3 、2 4 0 6 等；g p s 模块如s i r f 的h o l u x g m 8 2 、m o t o r o l a 的m 1 2 ) ，只是使用协议或实现方式不同。自然，系统组成 ( 见图3 所示) ，功能大同小异，一般都具有以下功能p 8 1 6 j 。 圈3 移动终端系统框图 第1 3 撕共6 l 负 | ! ! l 川大学硕士研究生学位论文 定位功能：定位单元按指定时问间隔及次数进行报位。 i g p s 定位信息输出：终端设备通过串口输出标准的g p s 定位数据，可配 合移动终端的导航系统进行自主导航、助航。 报警( 防盗、防拖) ：当移动目标进入设防状态后，移动目标移动时向监 控终端进行报警。 一断电自动报警：当移动终端电源掉电( 或被人为切断) 时，自动转换到移 动目标电源，并定时进行告警信息发送，直到接到停止发送命令或电池耗尽。 超速报警：当移动目标的速度超过设定阀值后，移动终端向监控中心和 监控终端发出超速报警，直到速度恢复到正常范围。 紧急报警：移动目标遇抢劫、交通事故、急需修理等紧急情况时，司机 触动报警按钮至少n 秒钟，移动终端将自动向监控中心报警。 2 、中心服务器 中心服务器是数据收发、处理和管理系统。中心对车辆进行管理并在电子 地图上显示其运动轨迹，所有传入的信息将记录在控制中心的数据库中，以便 同后进行查找、显示和分析。控制中心可以根据车辆的种类、识别号等信息，查 询车辆的位置信息，对其进行及时跟踪。”3 。 3 、监控终端 监控终端主要由g i s 工作站、管理工作站等组成，功能包括： 电子地图模块：地图缩放、漫游、图层控制、查询、路径分析、鹰眼、 测距、图幅自动匹配、多视窗监控等。 目标实时监控跟踪模块；行程跟踪、点名、状态显示、跟踪频率设置、 道路模糊匹配等。 一报警中心模块：报警提示、报警确认、报警取消、遥控熄火、警情日志、 报警记录查询、行驶记录查询、界线设置、限速设置、单向监听、双向通话等。 一历史行程模块；行程轨迹回放、定点行程查询等。 一目标管理模块：目标档案管理、司机档案管理、及其它业务管理等。 第1 4 页共6 l 负 列川人学倾i ：研究生学位论文 第三章系统设计 3 1 课题研制背景 “基于g i s ，g p r s ，g p s 的水上交通信息系统设计与实现”是航务海事机构 根据水上交通工作的特点和水上交通工作信息化的需要而研制的一套系统。系 统的研制从航务机构的管理职责出发、针对目前水上交通工作的现状和存在的 主要问题，以预防水上交通事故和加强航务海事部门的监管能力为目的，把主 要的监管对象：船员、船舶、船舶管理人员、海事人员等纳入系统。该系统面 向基层、着力于现场，使之成为水上交通信息化管理的一个强有力手段。 3 1 1 业务需求 航务机构在各级政府和交通主管部门的领导下，根据法律授权，对水上交 通实施监督管理。主要职责：对港口、船舶、船员和一切与水上交通有关的活 动实施监督管理，维护水上交通秩序，预防事故的发生和进行事故的救助组织 工作，保证人民生命、财产的安全。系统的研制中充分考虑了水上交通安全和 涉及安全的主体：船舶和船员的监管，突出了系统预防事故的最终目标。 3 1 2 水上交通的现状与分析1 3 。1 2 1 水上交通现状 1 、航道等级低 全省航道里程1 1 7 2 5 公里，但等级航道仅占3 4 3 ，其余全是等外级航道。 2 、工作点多面广，设施落后 全省有码头、渡口2 5 0 0 余处，主要分布在乡镇等偏远地区。码头、渡口 几乎都处在天然水域，随河流、湖泊的水情与季节变化明显这都给管理设施 的配备、保养等带来很多问题。 3 、舶型杂，设备陈旧 全省船舶数量大，但乡镇船舶占9 3 ，客渡船舶占5 0 ，而且船舶营运效 第1 5 页共6 1 _ i l f n l l l 火学硕士研究生学位论文 益差，导致船舶更新难、技术改造和安全设备投入不足。 4 、船员素质低，安全意识淡薄 船员队伍以乡镇村民为主，安全意识淡薄。 5 、海事管理人员少，手段不足 水上交通工作管理面大、任务重，而航务人员少，只能采取“点线式”、“抽 查式”的管理方式，不能够实现全面有效的监督管理。 3 1 2 2 水上事故分析 四川省是水上交通事故多发区，特别是重特大事故更是在全国位居时列。 分析近十年来的水上交通事故，得出这样的结论： 1 、事故发生地比较集中，主要集中在泸州、宜宾、内江、广元、广安、南 充、达卅i 和乐山八个地市州。 2 、事故原因：船员不适任、船舶不适航、船舶超载和冒雾航行。 3 2 系统设计思想和原则 该建设项目涉及的船舶面广、人员种类多、投资大，必须采取“先点后面， 分期实施”的方式，充分考虑当前和未来的技术发展。系统设计按照“顶层设 计、系统集成”的指导思想，遵循技术先进、配套合理、性能稳定、质量可靠、 操作灵活方便、自动化程度高和经济实用的原则，坚持商标准、商质量、高可 靠性，力争把该系统建设成为具有国内先进水平的航务信息管理系统。 系统设计严格按国家有关标准进行，采用现有的国i 为# 1 - 先进技术、成果和 设备，加快工程进度。在信息处理方面着重考虑自动化、智能化，并充分考虑 系统扩展、升级余地。 3 3系统分析 一个应用系统的成败很大程度上取决于对系统业务的分析与论证。为保证 该系统的最终效果，对系统的功能、数据流程进行分析是必不可少的。该系统 的分析主要涉及功能、工作流程及有关数据的分析。 第1 6 页共6 l 负 心川大学坝士研究生学位论义 3 3 1 系统功能模块分析 我们所说的每一句话和所做的每一件事情都是育目的，即它所要达到的效 果。同样，任何一个系统也都有它的功能，否则该系统也就是失去了存在的必 要性。根据前面的系统背景介绍，下面分析系统所应该具有的功能。 3 3 i i 系统输入 信息是基本，必须要有来源。所以，系统必须提供这样个接口：船员、 船舶、管理人员等必需数据的输入。鉴于信息化的要求和今后发展的需要，以 及航务系统工作的现状，系统提供了网上办公模块。该模块采用b s 方式，主 要包含以下几个部分：船员、船舶数据的录入、修改、查询；船舶和船员各种 证书的网上办理、打印输出：管理人员的数据维护：邮件系统：公众查询系统 等。该部分实现了对该系统所涉及人员的静态数据的日常管理、维护，能提供 船员、船舶的基本参数( 如船员有效期、船员等级、船舶有限期、航区、载客 人数等) 为系统正常开展工作打下了坚实的第一步。 3 3 1 2 信息传输方式 信息系统必须采用一定的信息传输方式。该系统是一个移动性信息系统， 因此对通信方式的依赖更加严重。船舶流动性强，为达到信息实时传输的要求。 只能采用无线通信方式。通过对比现有的几种无线接入方式：p h s 、c d m a 、 g p r s 和g s m ( 性能对比见表3 ) ，系统采用g p r s 结合s m s 的通信方式来达 到最佳信息传输效果。该通信方式充分利用了g p r s 快速、费用低和s m s 网络 覆盖范围广的优势，增强了系统的实时性能和扩大了系统所能覆盖的地域范围 同时也将系统的运行费用降低到能够接受的程度，便于系统的推广。 表3 无线接入方式比较 p h s 短信 c d m ag p r s g s m 短信 移动性弱强强强 延时大小小人 网络覆j 蔷小小较人大 费用较高 高低较高 第1 7 页共6 l 页 四川大学颂i ：研究生学位论文 3 3 1 3 行业人员管理 船员、海事人员和乡镇船舶管理人员做为系统中功能实现的主体，对他们 的监管是必不可少的。船员做为船舶的驾驶人员，对事故的发生起到首要作用。 结合前面对以往事故的分析，系统中我们必须强化对船员、特别是驾驶人员的 管理：防止无证驾驶、防止越级驾驶、防止替人驾驶、防止超期驾驶等违章行 为的发生；将事故发生的苗头扼杀在起始阶段。海事人员和乡镇船舶管理人员 做为两级监督船舶安全营运的管理人员，对他们工作的有效监督同样必不可少。 系统应该能够记录管理人员现场工作情况的日志记录，并且能在系统告警的第 一时间通知就近的人员和船只赶赴现场，及时制止违章行为或者参加救援工作。 3 3 1 4 船舶管理 船舶作为系统监督的另一个重要主体，对其工作的监督同样必不可少。系 统采用语音、视频等手段不仅能够实时监督船舶的运行情况，还能够随时抽查 船舶以往的运行情况。从前面的事故分析中，我们知道船舶的不适航也是酿成 事故的一大原因。为尽量阻止该类事故的发生，系统不仅能够在船舶启动时， 检查船舶是否适航，将告警第一时间通知管理人员，己及时制止违章的发生； 此外，船舶在运行途中，系统还能自动通知驾驶员；船舶之间行驶距离太近、 船舶驶出预定区域、船舶驶入危险区域等危险情况，以避免最终酿成事故。 3 3 2 系统业务流程分