（计算机应用技术专业论文）基于arm9车载导航系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着计算机技术和卫星导航技术的飞速发展，汽车嵌入式导航系统已经成 为汽车工业发展的焦点。在欧美国家和日本，车辆导航系统在最近几年内得以 广泛的应用，而随着国内汽车工业发展，国内的车辆导航系统的市场需求也越 来越大。随着网络技术的发展和r r s ( 智能交通系统1 的完善，车辆导航定位系 统与无线网络技术的结合将空间信息和网络资源有机联合起来，使得车辆导航 定位系统具有更加广阔的发展空间。 本课题所研发的车载终端应用于集群车辆的监控调度系统中，依托g p r s 网络将车辆的实时方位上传至监控中心，并依据监控中心的指令，执行信息采 样速率控制等操作。本终端在a r m g t d m i s 内核微处理器s j w s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a , g s m g p r s 模块w a v e c o ms i m 3 0 0 ，g p s 模块r e b 3 3 0 0 和实 时多任务内核w i n c e 的软硬件环境下实现。 首先，本文介绍了g p s 的导航的基本原理、定位方法，以及几种组合导 航系统的分析及比较。介绍了g p r s 网络的结构及特点。g p r s 网络是在g s m 网络基础之上，新增两个节点一s g s n 和g g s n 而形成的移动分组数据网络。 它是一种采用分组交换技术传输数据的数据传输方式，克服了电路交换速率 低、资源利用率低等缺点，提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。 其次，绍了系统的总体结构及数据流程，终端软件系统的开发环境，并对 车载终端的功能及终端各个模块进行了详细的分析与设计。 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 导航系统的基本功能。相信随着研究的继续深入，功能的进一步完善， 此导航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。 关键词：a r m ，g p s ，g p r s ，w i n c e n e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mh a sb e c o m eaf a s t - g r o w i n gi n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s i n e u r o p ea n dj a p a n , v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mh a sb e e np u ti nw i d e l ya p p l i c a t i o n i no u rc o u n t r y , b yt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yo fv e h i c l et h em a r k e to ft h ea p p l i c a t i o no fv e h i c l en a v i g a t i o n s y s t e mi sq u i c k l yi n c r e a s e d n ed e v e l o p m e n t so fi n t e r a c ta n di t sa l s oe n h a n c et h et r e n d t h e s m u o fi n t e r a c ta n dt h ei n f o r m a t i o no fs p a c e 啪c o m b i n e di nt h ea p p l i c a t i o no fv e h i c l e n a v i g a t i o ns y s t e m , a n dt h ec o m b i n a t i o nc a l lb r i n gl a r g ev a l u ei nt h ef u t u r e s ot h ev e h i c l e n a v i g a t i o ns y s t e mh a v eaw i d e l yf o r e g r o u n d - 1 鱼ev e h i c l ec a r r i e dt e r m i n a ld e s c r i b e di nt h i sp a p e ri su s e di nv e h i c l es u p e r v i s i n gs y s t e m , r e l y i n go i lg s m g p r sn e t w o r kt u nb yc h i n am o b i l e t h et e r m i n a lc a nu p l o a dg p sd a t at o m o n i t o rc e n t e ra n dr e c e i v et h ed i s p a t c h e do r d e r sf r o mt h ec e n t e r t h ei n t e r v a lo fd a t as a m p l i n g a n dt h eh a l to ft h et e r m i n a l na l s oc o n t r o l l e db yt h ec e n t e r t h et e r m i n a l ( p r e l i m i n a r y v e r s i o n ) h a s b e e nr e a l i z e d s u c c e s s f u l l yb y s n m s u n gs 3 c 2 4 1 0 am i c r o c o n t r o l l e r s ( b a s e do na3 2 1 6b i ta r m 9 t d m l sc e u ) e m b e d d e dw i t hr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m w i n c e w a v e c o ms m 3 0 0g s m 佑p r sm o d u l ea n dr e b 3 3 0 0g p sm o d u l e 。 f l r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg p sn a v i g a t i o ns y s t e ma n dd e s c r i b e st h es t r u c t u r en d c h 制渔c t e r i s d o fg p r sn e t w o r kg p r sn e t w o r ki sam o b i l ep a c k e td a t an e tb yd d i n gt w o n o d e st og s mn e t w o r k , s g s na n dg g s n b yu s i n gp a c k e te x c h a n g i n ge c h n i q u e ，i to v e r c o m e s t h el o w - e f f i c i e n c ya n dl o w - u t i l i z a t i o ni nc i r c u i te x c h a n g i n g t h u si tp r o v i d e sag e n e r a lr a d i o p a c k e ts e r v i c ew i t hh i g h - e f f i c i e n c ya n d l o w - c o s t s e c o n d l y , i ta n a l y z e st h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e d t e r m i n a l ：i t s h o w st h ea n a l y s i sa n dd e s i g nf o rt h ec o m p o n e n to fe m b e d d e d p p l i c a t i o n b e c a u s eo ft i m et h e f u n c t i o nt h a tp a p e rg a v ei sl i m i t e d , b u ti tj st h eb a s i cs k i l lo 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 fv e h i c l eb a s e do r sg p s w i t ht h er e s e a r c hg o i n go n , t h e f u n c t i o nm a yb em o r ep 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 yi m p r o v eb e n e f i to ft h ev e h i c l e s a 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 gt m d c i tw i l lb e n e f i tu sg r e a t l y 。 k e y w o r d s ：a r m ，g p s ，g p r s , w i n c e n e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究现状 第1 章绪论 随着交通运输日益发展，如何利用现代科技提高车辆的使用效率、降低 耗损，建立集监控、指挥、科学管理、协调运营、安全防范为一体的指挥监控 体系，并加强对不可预见之危险的安全防范能力，就成为迫切解决的问题。 g p s 车辆监控系统的研究与开发便具有深远的意义了。 随着g p s 系统的发展，民用领域的g p s 应用显示出强大的生命力。全 天候、全球表面、高精度的定位技术，使得g p s 在航海、航天、测量、运动 载体监控调度等诸多领域得到了广泛的应用。g p s 技术的成熟与发展，为各 类运动载体的精密实时定位提供了美好前景。卫星导航定位系统作为一门新兴 的信息通讯技术，己被广泛应用在飞机船舰的导航、高精度测量、农业监控、 车辆定位等领域，它的发展和应用，拓展了信息科学研究的发展空间，渐渐成 为当今科技进步的一个重要组成部分。目前，中国卫星导航技术应用领域十分 广阔，传统测量应用及军工相关应用的比例在逐年下降，应用已渗透到许多崭 新的行业。通信行业用g p s 做时间同步测控：电力、有线电视、城市地下管道 采用g p s 布设线路；交通、运输部门用g p s 等相关集成技术系统和监控系统： 公安、银行、医疗、消防等用g p s 营建紧急救援或报警系统；汽车、船舶用 g p s 导航；g i s 数据提供商用g p s 采集地理信息相关数据，并提供位置信息相 关服务( 】旧s ) ；广播电视行业用g p s 与罗盘制造卫星电视定向接收天线；电子商 务领域，g p s 甚至应用于c r m 客户管理和物流配送体系中：而电脑制造商、 通讯设备商正在推动通讯、电脑、g p s 一体化的各类移动信息终端应用。现 实的应用己经使卫星导航技术从专业化领域走向了大众化应用的广阔前景，这 也使得卫星导航技术逐渐成为通信、互联网之后的第三个r r 新增长点。 随着3 g 技术的不断发展，在定位领域应用g p s 全球卫星定位系统己经 得到了很大的发展，它可以应用在各个不同的方面：交通监控，物流配送，远 程监控，医疗救助等等。对提高运作效率，降低损耗，增加安全系数等方面起 到了非常重要的作用。特别足在城市交通管理现代化中，基于g p s 的车辆自 动定位导航与管理系统的开发与应用正日益受到国内外各部门的高度评价与 重视，并将显示出重大的技术、经济和社会效益。尤其是在交通运输行业中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 如何对客运车辆实施行之有效的监管和控制，基于g p s 的车辆监控调度系统 则成为了最有效的手段。它是集g p s 技术、g i s 技术、显示技术、计算机技 术、g p r s 移动通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等于一体的高技术 产品，这使交通运输企业可以充分运用自己的权限，对车辆进行监控、调度、 即时定位等多项操作，既实现了车辆实时动态信息的全程管理，又能够省却自 己大部分的经费、时间、人力。它的应用，对减少车辆拥挤、提高运行的安全 性和有效性有着非常重要的意义。 1 1 1 国内基于g p s 的现状 8 0 年代中期，我国引进g p s 接收机，并应用于各个领域。同时着手研 究建立我国自己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国 的g p s 接收机拥有量约在4 万台左右，其中测量类约5 0 0 - - - 7 0 0 台，航空类约 几百台，航海类约3 万多台，车载类数千台。而且以每年两万台的速度增加。 足以说明g p s 技术在我国各行业中应用的广泛性。 在大地测量方面，利用g p s 技术开展国际联测，建立全球性大地控制网， 提供高精度的地心坐标。组织各部门( 1 0 多个单位，3 0 多台g p s 双频接收机) 参加1 9 9 2 年全国g p s 定位大会战。经过数据处理，g p s 网点地心坐标精度优 于0 2 m ，点间位置精度优于1 0 8 m 。在我国建成了平均边长约定1 0 0 k m 的 g p sa 级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在a 级网的基础上， 我国又布设了边长为此3 0 - - 1 0 0 k m 的b 级网，全国约2 5 0 0 个点。 这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的三 维基准。我国已完成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的g p s 联测，使海岛与全 国大地网联成一整体。在工程测量方面，应用g p s 静态相对定位技术，布设 精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建 筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用g p s 实时动 态定位技术( 简称r t k ) 测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。 在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用g p s 技术进行航测作业控 制测量、航摄飞行导航、机载g p s 航测等航测成图的各个阶段。在地球动力 学方面，g p s 技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始 用兵g p s 技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断 裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈g p s 形 变监测网等。g p s 技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。我国的全球定 位系统( g p s ) 测量规范已于己于人1 9 9 2 年1 0 月1 日起实施。此外，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、 土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿 态测定等领域，也都开展了g p s 技术的研究和应用。在静态定位和动态定位 应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了g p s 静态定位和高动 态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养和 造就了一大批技术人才和产业队伍。 近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永 久性的g p s 跟踪站，进行对g p s 卫星的精密定轨，为高精度的g p s 定位测量 提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分g p s ( w a d g p s ) 方案的建立，参与全球导航卫星系统( g n s s ) 和g p s 增强系统( w a a s ) 的 筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统( 双星定位系统) ，能够生 产导航型g p s 接收机。g p s 技术的应用正向更深层次发展。为适应g p s 技 术的应用与发展，1 9 9 5 年成立了中国g p s 协会，协会下设四个专业委员会， 希望通过广泛的交流与合作，发展我国的g p s 应用技术。 1 1 2 国外基于b p s 的现状 二十世纪八十年代后期，西欧、北美和日本等发达国家竟相发展智能交 通系统( i t s ) ，来减少交通阻塞、增加车辆机动性和路面运输效率、增强安全 性、节省能源以及保护环境。其主要途径是利用信息、通信、定位和控制技术 将车辆和公路信息集成到信息网络中，并对整个公路系统的车辆流量进行优化 以增加交通容量，提高车辆的运行安全系数，改变传统的交通运输状况。 在美国，建立有结合救助服务的辅助导航系统，该系统即为一个监控中 心，由较为完善的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 组成，能为装有g p s 设备的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、在线语音导航以及安全防盗服务等。另外，美国为了防 止交通堵塞、提高公路运输能力，利用g p s 、城市交通地理信息和移动通信等， 与交通管理中心联络，为司机提供实时的交通信息，指引车辆选择最佳的行车 路线，避开交通堵塞路段，还可以为司机及时调整车距，避免撞车提供信息。 日本将实行其新的交通管理系统，该系统是由一个具有高性能的综合交通 控制中心和拍个子系统组成，分别是：公交优先系统、交通信息提供系统、综 合智能图像系统、安全驾车辅助系统、行人信息通信系统、紧急车辆优先系统、 紧急状态通报系统、环境保护系统、动态诱导系统、车辆行驶管理系统。控制 中心负责将交通流量、速度、路段的堵塞程度、预计行驶时间、交通事故、道 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 路施工等信息显示在中心的中央显示板上，以便管理人员对城市的交通进行宏 观调控。同时，这些信息还通过交叉口的显示板、广播电台装有信息通信系统 的车辆车载终端、手机等实时向社会发布，大大提高了现有道路的通行能力。 在欧洲，各国正在进行智能车辆交通信息、与通信系统的全面应用开发 工作，计划在全欧洲范围内建立专门的交通无线数据通信网，为有效地进行交 通管理和车辆行驶管理等提供方便。 1 2 车载导航系统简介 车辆的远程监控是一个系统而复杂的课题。使用g p r s 公众网实现车辆 的远程监控和调度在目前看来是最可行有效的方案。现代车辆监控系统是一种 将全球卫星定位技术( g p s ) 地理信息技术( g i s ) 和现代通信技术相结合的高科 技系统。无线网络通信技和全球卫星定位( o v s ) 技术是车辆监控系统的两个关 键要素。如今g p s 接收机已经商品化，其体积可以做得很小，提供串口标准 数据输出，可方便地与微处理器接口。而无线通信网络则多种多样，其建设成 本、系统容量也各不相同，可供选择的通信网络有集群无线网、卫星数据通信 网、移动通信网等等。近几年随着覆盖全国的移动通信网络的建成和短消息业 务的开通，特别是体积小、功耗低的g s m 模块的推出，许多面向民用的监控 导航系统得以开发并顺利走向市场应用，g p s g s m 车辆监控系统就是其中的 一种。 车辆监控系统将移动目标的动态位置( 经度、纬度) 、时间、状态等信息， 实时地通过无线通信链路传送至监控中心站，而后在具有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，并对目标的位置、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， 特别适合公安、银行、保安、机场等单位对某些特种车辆的监控和调度管理。 移动车辆上安装的g p s 接收机用以获取自己当前的位置、时间等信息，然后 通过通信链路向监控中心站发送状态和位置等信息：在监控中心站，无线接收 机接收各子站的位置信息，显示各移动车辆的信息，并可利用无线通信网络对 各移动车辆进行调度指挥，这样就实现了对各移动车辆的监控管理。出租汽车 管理局建立了这样的测量监控系统，就可以根据电子地图上动态显示的出租车 的位置，准确的指挥，调度，以响应用户的服务。同样，此系统也非常适用于 公安部门1 1 0 指挥中心、银行押运车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 车载导航系统设计的目标及主要工作 本论文的研究目标： 在制作$ 3 c 2 4 1 0 最小硬件系统成功的基础上，移植嵌入式实时系统w i n c e ， 开发相关硬件驱动和其它应用程序，以实现对g p s 数据采集，g p r s 通信传输 的控制。 车载导航系统设计中的主要工作： 1 3 1 硬件方面 独立完成a r m 扩展板的设计( l c d 接口设计、v g a 设计、串口设计、 电源设计、u s b 接口设计、i d e 接口设计、s d 卡接口设计) ，g p s 、g p r s 通信板设计( r e b 3 3 0 0 设计、s i m 3 0 0 设计、s i m 卡座设计) 完成扩展硬件模块的设计与调试。 实现硬件的a r m 扩展板以及g p s ，g p r s 通信板的p c b 板设计，独立完 成电路布线设计，元件焊接，硬件板的各接口的调试。 1 3 2 软件方面 在分析w i n c e 操作系统的基础上，开发基于$ 3 c 2 4 1 0 a 硬件和w i n c e 的b s p 软件包。 完成了w i n c e 嵌入式操作系统的定制和移植，驱动程序的开发。 完成了应用程序的开发，主要包括一些在w i n c e 下串口的程序编写， g s m g p r s 模块完成短消息的读取、解析和发送。这部分涉及的主要 技术是如何利用a t 指令序列完成相应的功能，设置了结构体中优先 级成员，简化了通信应答机制。g p s 模块完成g p s 消息的读取、解 析和对g p r m c 消息的提取，并且对提取的数据进行了简化处理，也 对在城市高建筑群中没有g p s 信号的区域进行了模糊位置处理。 1 4 论文内容安排 本硕士论文共分七章，各章的内容安排如下： 第1 章绪论主要介绍了本课题的研究背景、国内外研究状况与发展方向， 并对本文的研究内容做了一个简要的说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章g p s 定位原理与应用，介绍g p s 导航定位系统的基本定位原理， 接收机结构以及定位电文格式等内容。 第3 章无线数据传输，介绍无线数据传输的种类，g p r s 的工作原理g p r s 通信协议，g p r s 数传格式。 第4 章车辆监测控制系统的硬件系统设计，介绍系统的各硬件电路模块。 第5 章w i n c e 嵌入式操作系统的定制和移植，驱动程序的开发 ， 第6 章应用程序的开发，主要包括一些在w i n c e 下串口的程序编写，g p s 数据接收主要流程，g p r s 网络定位主要流程等。 第7 章系统的调试与测试，主要是完成对系统硬件的测试与调试。 第8 章全文总结，介绍毕业设计中的未尽事宜，并介绍未来工作的研究 方向。 1 5 本论文的目的和意义 本文主要目的是设计一个基于w i n c e 和a r m 的导航和传输平台，并拟 用r e b 3 3 0 0 实现位置信息的采集，用s i m 3 0 0 实现信息的传输，从而为以后 系统功能的扩展打下一个良好的基础。 首先在位置信息采集上，迄今，能提供g p s 信息采集的g p s 厂商众多， 台湾有长天、丽台、北辰、鼎天、神达、金宝等，国外有t n r u b l e 、m o t o r o l a 、 r o c k w e t t 、r m i n ( 高敏) 、l e a d t e x 、s i r f 等和最近以及国内自主知识产权的g p s 模板等等。可是受一些错误观念影响，认为国外的g p s 位置采集要比台湾及 国内的好，比如s i r f 公司，其客户包括全球最大的g p s 整机厂g a r m i n ( 高敏) 和台湾最大的g p s 整机制造厂家神达，惠普、摩托罗拉、戴尔等。但我在本系 统中采用的是台湾鼎天国际有限公司的，其主要的优势是拥有1 2 个通道， 3 3 v ，6 5 m a 供电，支持n m e a - 0 1 8 3 协议，体积小，使用方便，而且还提供比 较完善的技术服务。其次在通信传输上，就目前来说，主要有g s m ，g p r s ， c d m a 等，但在设计时，我们要考虑的不但是要实时性强，传输速度快，技 术也要比较成熟，使用范围广，成本也要比较低。基于以上的目的和其指导思 想，本论文拟用较为基本的g p r s 来传输系统信息。 同样，在硬件平台的设计上，我们都知道市场上有许多专为位置信息处理 的芯片和解决方案，r e b 3 3 0 0 是一款主要用于位置信息处理的芯片，本文偿 试用在此平台上用c 语言来实现位置信息的采集，这样使得我们编写应用程 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 序时感到很方便，通用性很强；通过g p r s ( s i m 3 0 0 ) 来传输采集到的位置信息， 实时性强，传输速度也快，能有效地解决位置信息的传输，以及一些控制命令， 另外也可以为系统进一步升级，来传输质量要求不是很高的图像。另一方面， 又由于a r m 在系统控制方面的优势，以a r m 为核心的嵌入式开发平台应用 日益广泛，在信息的传输上，拟采用以内嵌a r m 9 2 0 t 内核的三星$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片。 ， 希望通过以上的学习实践，达到即锻炼了自已的动手能力，同时也加深对 理论的理解。为以后的进一步学习打下一个较为坚实的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章g p s 定位原理与应用 g p s 是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的简称，它是随着现代科 学技术的迅速发展，而建立起来的新一代精密卫星定位系统。该系统是美国国 防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要 求，于本世纪7 0 年代初开始设计、研制建立的。它的主要持点是全球地面连续 覆盖，实时定位，全天候作业，定位精度高，观测时间短，应用广泛，操作简 便。 2 1g p s 系统的组成 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星系统：地面控制部分一地 面监控系统：用户设备部分g p s 信号接收机。 图2 - 1g p s 系统结构 1 g p s 卫星系统 由2 1 颗工作卫星和3 颗轨道备用卫星组成g p s 卫星星座记作2 4 g p s 星座。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 轨道高度为2 0 1 8 3 公里。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，轨道角度为 5 5 度，各个轨道平面之间相距6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角 距相差9 0 度，一个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 度。g p s 卫星绕地球一周的时间为1 2 恒星时。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4 颗，最多可见1 1 颗。在用g p s 信 号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，必须观测四颗g p s 卫星，称为 定位星座。这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影 响。 2 地面监控系统 对于导航定位而言，g p s 卫星是动态己知点，而卫星的位置是依据卫星发 射的星历( 描述卫星运动和轨道的参数) 计算得到的。每一颗g p s 卫星发射的星 历由地面监控系统提供的，同时卫星设备的工作监测以及卫星轨道的控制，都 由地面监控系统完成。g p s 卫星的地面控制站系统包括位于美国科罗拉 多州的主控站以及分布全球的3 个注入站和5 个检测站组成，实现g p s 卫星 运行的监控。 3 g p s 信号接收机 g p s 信号接受机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待 铡卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、 放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接受机天线的传播时间，解译出 g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维、位置，甚至三维 速度和时间。静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定 不变，接受机高精度地测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨道的己 知位置计算出接受机天线所在位置的三维坐标。而动态定位是利用g p s 接受 机测定一个运动物体的运动轨迹。g p s 信号接收机所位于的运动物体叫做载 体( 如航行中的船舰，行走的车辆等) 。载体上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时地测得运动载体的参 数( 瞬间三维坐标和三维速度) 。 2 2 g p s 定位的基本原理 2 2 1 单点绝对定位 g p s 单点绝对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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 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。如图2 2 所 示，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 v 1 z 1 ) ( x 2 v 2 , z 2 ) ( x 3 ，v 3 ，z 3 ) ( x 4 v 4 ，z 4 ) 幽2 - 2g p s 单点定位图 l ( x t - x ) 2 + ( y - y ) 2 + ( z t - z ) 2 j + c 木( t 1 一z x t , ) - - d l l ( x 2 - x ) 2 + ( y2 - y ) 2 + ( z 2 - z ) 2 一2 + c * ( a t2 - - t o ) - - d 2 1 ( x 3 - x ) 2 + ( y 3 - y ) 2 + ( z3 - z ) 2 i + c 幸( t 3 - z x t 。) - - d 3 l ( x 4 - x ) 2 + ( y 一y ) 2 + ( z4 - z ) 2 i + c 拳( t 一t o ) = d 4 上述四个方程式中待测点坐标x ，y ，z 和t 。为未知参数； d ；0 = 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： v t l = a t l a t c ( i = l ，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 j ，y ，z ，( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空 间自角坐标，可由卫星导航电文求得： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a t j ( 1 = 1 ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 ，卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星车中的钟 差，由卫星星历提供： t 。为接收机的钟差。 由以上四个方程即，可解算出待测点的坐标】【，y ，z 和接收机的钟差t 。 2 2 2g p s 差分相对定位 g p s 差分相对定位也称之为g p s 静态测量，也就是说，它测量的位置是相 对于某一已知点的位置，而不是在w g s 8 4 坐标系中的绝对位置，也就是说， 它精确测定出两点这问的坐标分量f v x v yv z ) 和边长b 。这样，如果一点 的绝对坐标己知，则根据这点的己知坐标计算出另一点的精确坐标。 在g p s 相对定位中，至少需要应用两台精密测地型g p s 接收机。两台g p s 接收机分别安置在基线的两端点，同步观测同一组g p s 卫星，以求解出基线 端点的相对位置或基线向量( 图2 3 ) 。 s ls 2s 3s 4 图2 - 2g p s 差分相对定位图 假定在一个站上安置g p s 接收机进行观测，记录下的不是伪距观测值， 而是相对 观测值。设a 为相位观测量，r 为接收机到卫星的真距离，f 为接收机钟差， 口为对流层和电离层的延迟，则观测方程为 ( n + a ) a = r + c f + 盯= 拓i 巧了i i 瓦丁习i 瓦了+ c r + 盯 式中，a 为相位小数，n 为相位整周数，又称相位模糊度：仃为信号通过对流 层和电 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 离层的延迟改正：( x ，y ，z ，) 为卫星的瞬时地心坐标，可由卫星星历电文求出： ，y ，z ，) 为接收机的地心坐标，是未知量。 在利用g p s 进行定位时，会受到各种各样因素的影响。为了能得到更高的 定位精度，实际应用中通常采用差分g p s 技术。差分g p s 分为两大类：伪距差 分和载波相位差分。 ( 1 ) 伪距差分原理 这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知 坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每时刻到基准站的真实距离。再与测得 的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种 差分能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”。 ( 2 ) 载波相位差分原理 载波相位差分技术又称哪【cr e a lt u n ek i n e m a t i c ) 技术，是实时处理两个 测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接受 机，进行求差解算坐标。载波相位差可使定位精度达到厘米级，大量应用于动 态需要高精度位置的领域。 2 3n m e a - 0 1 8 3 标准 n m e a 是n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ( 美国国家海洋电子协会1 的缩写，n m e a - 0 1 8 3 标准是由各g p so e m 厂商共同制定的一个统一的标准， 由一组n m e a - 0 1 8 3 语句组成n m e a - 0 1 8 3 语句按照数据传送的方向可分为输 入语句和输出语句输入语句是指由接口设备发送给g p s 接收机的语句，输出 语句是指由g p s 接收机发送给接口设备的语句。现在除少数g p s 接收机以外， 几乎所有的接收机均采用了这一格式。 2 3 1n m e a - 0 1 8 3 协议分析 为了使g p s 接收机输出特定波特率的定位数据，需要通过串口对g p s 接 收机执行g g a , g s v , r m c 等命令来设定g p s 输出的数据格式定义，包括波 特率选择，秒脉冲输出等。在本系统中，设置g p s 接收机为r m c 输出，波 特率为4 8 0 0 b p s 。 n m e a 一0 1 8 3 协议g p s 电文囊括纬度、经度、高程、速度、时间、航向、卫 星状态等众多信息，包含6 种语句，如表2 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表2 1n m e a 一0 1 8 36 种语句详解 语句类型内容描述 g p g g a卫星时间、位置及定位相关信息 c p g l l仅包含经纬度的地理信息 c p g s a定位偏差信息和卫星状态 c p g s v 导航系统上空的卫星信息 c p r m c 最简化导航信息 c p v t g 对地方位与速度信息 n m e a - 0 1 8 3 的6 种语句都以a s c i i 码输出，都以$ 为语句头，以不可 打印字符 ( a s c i i 码为0 x 0 d ，0 x 0 a ) 为语句结束标志。结束符前是本 条语句所有字符的校验和，使用 与语句正文隔开，其值为本条语句中从 $ 到幸且不包括$ 和木的所有字符的a s c i i 码的十六进制的异或 和的a s c i i 码。每种语句有5 个大写字母组成的信息i d ，此5 位i d 都以g p 开头。 2 3 2g p $ 语句样本分析 g p s 模块将定位信息以异步串行通信方式输出至m c u m p u 的过程中， 有可能误码：g p s 模块也极易因遮挡物屏蔽和电磁干扰，而在某些时空场合 收不到卫星信号，这便是俗称的“丢星”。在发生丢星和模块上电跟踪卫星搜 索信号的时间段，大多数g p s 模块默认输出丢星时刻或上次关机时的方位信 息，因此，即使在串口通信中完全保真的数据包，也未必包含实时有用的定位 信息，这要求终端可依次进行误码和丢星的两步校验。一帧g p r m c 语句在信 号的样本分别如下： $ g p 眦，0 1 2 1 1 1 ，a ，2 3 2 4 2 1 4 1 ，n ，1 1 3 0 9 6 7 8 4 ，e ，0 0 0 4 ，3 3 6 1 ，0 9 0 8 0 3 ，* 1 8 i 、数据头$ 和信息i d ，如$ g p 剐c ； 2 、u t c 时间与北京时间相差8 小时，如0 1 2 1 1 1 ： 3 、g p s 信号有效标志，a 代表本条信息有效，v 代表本条信息无效； 4 、此刻模块所在方位纬度，后缀为南、北纬指示，如：2 3 2 4 2 1 4 1 ，n ； 5 、此刻模块所在方位经度，后缀为东、西经指示，如：1 1 3 0 9 6 7 8 4 ，e ； 6 、对地速度，单位为“节”，本次采样时模块0 0 0 4 ：1 节：1 8 2 5 公里，j 、时 7 、对地方向，单位为“度”，如：3 3 6 1 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 8 、日期。格式为。日日月月年年”，如：0 9 0 8 0 3 1 0 、校验和，其值为本条语句中从$ 到十，比如且不包括$ 和木 的所有字符的a s c i i 码的十六进制异或和的a s c i i 码。比如：在上面有效语句 样本中，$ 和枣之间的字符( 包含标点符号) 的a s c i i 码的异或和为o x l 8 ； 1 1 、语句结束标志，十六进制为o x o d 和o x o a ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章无线数据传输 在监控系统中，车载终端要向监控中心发送车辆的位置和状态信息，监控 中心要给各个监控车辆下发调度和指挥指令，因此车载终端和监控中心之间的 数据传输对整个系统来说起着十分重要的作用。考虑到监控车辆是移动的，因 此车载终端和监控中心之间的数据传输必须采用无线的方式。在选择无线通讯 方式时，有几个重要的指标需要考虑：准确性、速度、抗干扰性、覆盖面的大 小。此外，g p s 车辆监控系统的无线通讯还有自己的特点：一次通讯拨通时间 要求很短，传输的数据量很小，但是拨通次数频繁。 3 i 无线数据传输的常用方式 应用于车辆监控系统的无线通信方式有以下几种： 1 常规通信方式 车辆监控系统可采用的最简单的无线通信方式是常规通信方式，即建立一 个管理中心，多个用户共用一个或多个信道，系统一日设定完毕，各用户仅能 利用自己的信道进行数据传输。但是常规通信方式系统覆盖范围小，系统容量 小，可靠性很低，而且其实现数话兼容难度很大。 2 集群通信方式 集群移动通信系统就是为多个用户共用一组动态分配的无线频道的移动通 信系统。其特点是能够频率共用。它将有限的频率资源动态地、自动地、最优 地分配给系统内的用户，从而使得资源能够得到充分的利用。但集群通信方式， 系统容量有限，通信电台作用的区域小( 仅几十公里) ，因此只能适用于局部地 区的车辆监控调度。 3 专用短程通信方式 专用短程通信d s r c ( d e d i c a t e ds h o r t - r a n g ec o m m u n i c a t i o n ) 是一种专 用于交通领域的短程通信系统，它为车辆与路边设施提供单向或双向交互式通 信。d s r c 系统主要由车辆上的车载单元与固定在路边的信标( b e a c o n ) 组成， 信标与车载单元的通信以主动、被动或半自动方式进行，通信距离一般不超过 7 0 m ，可见，专用短程通信方式，需在路网中设置大量的路边单元，并需建立 路边单元与控制中心的通信网络，因此需要大量的通信基础设施投资，不适宜 发展中国家采用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 4 卫星通信方式 卫星通信方式是利用卫星基站的转发功能，实现远距离覆盖面广的通信， 因此组建大范围的车辆监控系统可以选用卫星通信方式。利用卫星通信作为 车辆定位的数据传输方式适用于需要覆盖全国乃至全球范围的车辆。但是，该 系统的车载终端价格很高，通信费用也比较高，因此对于小范围的车辆监控并 不适用，而且其实时性也不能保证。一般采用主动查询的方式对各移动终端的 定位数据进行采集。 5 蜂窝移动通信方式 蜂窝移动通信方式利用频率复用技术实现频率资源的有效利用，现已从模 拟制式发展到数字制式，网络基本上己经覆盖到全国范围。充分利用己有的蜂 窝网实现无线数据传输业务是一种既有效又经济的手段。 ( 1 ) 基于g s m 的数据传输技术 g s m 除语音业务外，另有基于短消息数据传输业务。短消息限制每次传 送文本字符不超过1 4 0 个，传送给移动台的短消息在用户识别模块( s i m ) 上存 储。与话音的传输建立和释放过程不同，在g s m 系统中，短消息是唯一一种不 需要建立端到端业务通道的业务。由于具备这个特点，即便移动台已经处于电 路通信状态，还能同时实现短信息业务。 ( 2 ) 基于g p r s 的分组数据传输 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 通用分组无线业务，是一种新的 g s 髓数据传输服务，它将数据以数据包的形式在p l m n 内或其他连接到p l m n 的 外部网络闻传输。主要针对突发性数据分组传送的一种新业务，与短消息业务 类似，提供两类业务：点到点业务和点到多点业务。多个g p r s 用户可以