（计算机应用技术专业论文）gpsone技术在出险查勘调度系统中的应用研究.pdf

摘要 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 作为一种为军事服务而开发的卫星无 线导航系统，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点。签于以前现场查勘管 理的混乱状态，本课题将g p s p 定位技术运用到现场查勘监控管理中去。g p s 技术在保 险行业接报案现场查勘系统中的运用，有利于实现高效的指挥调度机制，提高查勘、定 损、理赔的速度和质量；有利于强化对查勘车和查勘员的监督与管理；有利于科学规划 和及时、合理地调整查勘模式。 本文阐述了全球定位系统g p s 和地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 、 相接合的g p s o n e 技术在车辆定位与导航中的应用。从组件对象模型c o m ( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ) 技术出发，介绍了建立在对象链接与嵌入技术基础上的g i s 控件一m a px 。 并在v i s u a lc + + 6 0 环境下，以m a p x 控件为图形平台，以m s c 控件为通信平台，成 功开发出基于电子地图的车辆导航系统软件。 关键字：g p s g l s g p s o n e查勘 空间数据管理 a b s t r a c t g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) a sam i l i t a r ys e r v i c ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e s a t e l l i t er a d i on a v i g a t i o ns y s t e m ，w i t ha l l w e a t h e r ，h i g h p r e c i s i o n ，a u t o m a t i o n ，c o s t e f f e c t i v e ， a n do t h e rs i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nu s e di no u rp o l i c es e r v i c ei nt h es u p e r v i s i o n a n dm a n a g e m e n t g p st e c h n o l o g yi nt h es e r v i c eo ft h ep u b l i co r d e rm a n a g e m e n t ，i s c o n d u c i v et oe f f i c i e n ts c h e d u l i n go fc o m m a n dm e c h a n i s m ，i m p r o v et h et r a n s f e rp o l i c e ，t h e s p e e da n dq u a l i t yo fa l a r m ；w i l lh e l ps t r e n g t h e nt h es u p e r v i s i o no fp o l i c ec a r sa n do f f i c e r sa n d m a n a g e m e n t ；c o n d u c i v et os c i e n t i f i cp l a n n i n ga n di nat i m e l ym a n n e ra n dr e a s o n a b l ea d j u s t t h em o d eo fs e r v i c e i nt h i s p a p e r ，g p sa n dg i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ) i nt h ev e h i c l e n a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n ga p p l i c a t i o n f r o mc o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) t e c h n o l o g y ， i n t r o d u c e db a s e do no l e t e c h n o l o g yb a s e do ng i sc o n t r o l m a px a n dv i s u a lc + + 6 0 e n v i r o n m e n t ，i no r d e rt oc o n t r o lm a pxf o rg r a p h i c s p l a t f o r mi no r d e rt oc o n t r o lm s c p l a t f o r m f o rc o m m u n i c a t i o n s ，h a sd e v e l o p e db a s e do nt h ee l e c t r o n i cm a po ft h ev e h i c l e n a v i g a t i o ns y s t e ms o f t w a r e k e yw o r d s ：g p sg l sg p s o n er e a i t i m em o n i t o r i n gs p a t i a id a t am a n a g e m e n t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，g p s o n e 技术在出险查勘调度系统中的 应用研究是本人在指导教师的指导下，独立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，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签 年五月翌日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论 文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名年月立日 指导导师签名蔓基擎4 年月立日 4 7 第一蠢绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着我国信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展，无论是电子政 务、电子商务，还是数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化，都需要采集 多种实时地理空间数据，因此，中国发展“连续运行参考站”系统的紧迫性和必要性 越来越突出。几年来，国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的卫星定位连续运行 网络，其中著名的有中国地震局牵头建设的中国地壳运动监测网络，交通部建的沿海 差分站网系统，信息产业部建立的电离层监测网络，国家测绘局建立的连续运行参考 框架网络，部队建设的连续跟踪站网络等。目前，为满足国民经济建设信息化的需要， 一大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的连续运行网络系统，特别是具有多种功 能的综合服务系统。我国g p s 综合服务系统的建设现已进人快速发展时期。嘲 g p s 的技术革命和巨大的应用潜力，使它在我国的许多相关学科和行业中受到普遍 的重视和关注。当前我国“数字中国”、“数字省区 、“数字工程”等数字化工程 建设事业发展迅猛进。基于嵌入式g p s 定位系统的产品大多从国外进口，它们被广泛 应用在城市规划、气象信息、公安、交通、海洋测绘、地质考察及野外旅游考察等方 面，而嵌入式g p s 定位系统的国内产品相对较少，且技术可靠性不高，因此开发设计 集成化程度高、术可靠性好的嵌入式g p s 定位系统具有十分重要的意义。 目前在车辆的定位与导航系统中，智能车载终端系统通常采用g s m g p s 定位方案。 该方案由于借助了g s m 公网，不需专用设备建立专网，因此实施起来方便、经济。另 外，通过短消息方式传送定位信息也具有无需占用业务信道、具有接续快、时延小等 特点，并且可动态分配信道、保证话音、数据通信同时进行而互不影响，扩容也很方 便，适合大容量用户。口3 1 1 2 定位系统国内外研究现状 由于现代科学技术的发展，导致大地测量学出现重大的技术突破，其具体表现在 以全球定位系统( g p s ) 、卫星激光测距( s l r ) 和甚长基线干涉( v l b i ) 为代表的空 间大地测量技术手段的出现。在大地测量学的这些新技术手段中，又因g p s 能高精度、 自动化、全天候和高效益运作而成为其中代表。g p s 是2 0 世纪7 0 年代由美国国防部研 制的新一代卫星导航定位系统，该系统可向人类提供高精度的导航、定位和授时服务。 五十年代末，原苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其的跟踪研 究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星导航定位系统t r a n s i t 的建成，在军事和民用方面取得了极大的成功，是导航定位吏上的一次飞跃。我国也 曾引进了多台多普勒接收机，应用于海岛联测、地球勘探等领域。但由于多普勒卫星 轨道高幢低、信号载波频率低、轨道精度难以提高，使得定位精度较低，难以满足大 地测鼍! 戈工程测量的要求，更不日丁能用于天文地球动力学研究。为了提高卫星定位的 精度，荚国从1 9 7 3 年开始筹建全球定位系统g p s 。在经过了方案论证、系统试验阶段 后，于1 9 8 9 年开始发射正式工作卫星，并于1 9 9 4 年全部建成，投入使用。g p s 系统的 空间部分由2 l 颗卫星组成，均匀分布在6 个轨道面上j 地面高度为2 0 0 0 0 余公里，轨 道倾角为5 5 度。周期约为1 2 小时，卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号 频率分别为1 5 7 5 4 4 2 兆赫兹，卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性， 在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的c h 码和p 码，以及其它系统 信息，能在全球范围内，向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的二 维测速、二维定位和授时服务。 g p s 系统的控制部分由设在美国本土的5 个监控站组成，这些站不问断地对g p s 卫星进行观测，并将计算和预报的信息由注入站对卫星信息更新。 g p s 系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号， 因此用户的数量也不受限制。虽然g p s 系统一开始是为军事目的而建立的，但很快在 民用方面得到了极大的发展，各类g p s 接收机和处理软件纷纷涌现出来。目前在中国 市场上出现的接收机主要有n o v a t e l ，a s h t e c h ，t r i m b l e ，c m c 等。能对两个频率进行 观测的接收机称为双频接收机，只能对一个频率进行观测的接收机成为单频接收机， 他们在精度和价格上均有较大区别。 现在，移动定位业务在国外已经蓬勃发展，各类技术、各类定位服务公司相继出 现，美国f c c 公布强制性法令，推出9 1 1 无线服务( e 9 1 1 ) 要求2 0 0 1 2 0 0 5 年内，每 年按2 0 的速度，在手机内全部加上g p s ，它能够定位呼叫者以提供用户及时救援，这 实际上就是位置服务的开始。此后日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各 具特色的商用位置服务。 美国权威机构预测：2 0 0 4 年“移动定位业务 的产值在美国为4 0 亿美元，而全世 界为3 0 0 亿美元。欧洲研究报告指出：2 0 0 5 年定位业务产值为4 3 8 亿欧元。英国剑 桥分析与研究报告预测：移动定位业务产值2 0 0 2 年为2 0 亿美元，到2 0 0 6 年为1 8 5 亿 美元。按照日本n t td o c o m o 无线增值应用的发展曲线，数据业务的5 与定位业务有关。 q u a l c 0 删推出的定位平台是c d m a 与g p s 相结合的平台g p so n e ，近期内c d m a 带有g p s 的手机在一年左右时间内将超过1 0 0 万台。目前，美国、日本、韩国正在布置这种系 统。我国，在移动互联网中的移动增值业务中定位业务将成为主要业务。未来几年中， 我国移动定位业务规模很快会达到1 0 亿元以上的规模，而且会加速度的持续增长。n 町 从现在的技术能力以及无线运营商的已有的手机用户群体来看，建设一个移动位 置信息服务平台是水到渠成，顺理成章。就无线定位服务而言，传统第二代无线通讯 网络g s m 上发展位置服务有它自身网络系统的先天性的不足：一方面是定位精度不高， 精度在2 0 0 米2 公里。完全依赖蜂窝基站的密度，并且基站自身的位置并不精确；另 一方面，各种g s m 网络设备的定位方式不一致，导致在其上开发位置服务的业务难度 较大，存在异构网络、异构终端等问题。 中国联通从2 0 0 0 年开始铺设基于美国( j u a l c o m m 公司的c d m a 工程网络，到2 0 0 2 年用户数已经达到a 0 0 余万用户，并开始升级为c d m a2 0 0 0l x 网络。美国q u a l c o m m 公司为c d m a 网络提供了从网络设备到终端一整套的位置服务解决方案一一g p s o n e 技 术。g p s o n e 技术定位精度在5 1 0 米，并且由于网络设备与终端采用统一的q u a l c o m m 技术，不存在异构网络与终端的问题。在这套技术下，中国联通为了开拓地理信息服 务的增值服务市场，逐步开始实施位置服务平台的建设，并在2 0 0 3 年的第一季度完成 了c d m a 位置信息服务系统一期工程( 主要是定位信息的获取) ，并投入对外运营。n 7 3 1 3 论文结构 1 论文主要研究内容 1 ) 从g i s 入手，深入分析了g p s 导航系统中如何定位的问题。 2 ) 客户端和监控中心的通信问题、后台服务器和基站的通信问题、以及动态访问 数据库问题等。 3 ) 对于目标的定位，还给出如何通过i n t e r n e t 获取目标的准确无误的位置问题 和图片生成问题。 2 论文章节安排 第一章主要阐述了课题研究工作的背景和意义，同时也介绍了g p s 定位技术在实 际中的应用现状； 第二章论述了传统g p s 定位的工作原理，进而给出了传统定位技术的不足以及对 其改进： 第三章g p s o n e 的智能监控系统设计，包括系统的整体结构设计、各模块设计、终 端模块设计等； 第四章系统对移动目标的监控设计与实现，本章详细说明了基于g p s o n e 技术的 智能监控系统的设计过程和设计方案； 第五章数据的获取、管理及存储，介绍了动态访问数据的方法和管理； 第六章系统方案的设计，及应用于出险现场查勘调度管理的简介； 第七章论文总结，对全文的工作做了总结，并对以后的相关工作做了展望。 第二章传统g p s 定位原理及其改进 全球定位系统( g p s ) 是2 0 世纪空间技术上的最重大的成就之一。g p s 能为用户 提供连续实时、高精度的三维位置、三维速度和时问基准。g p s 具有性能好、精度高、 应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着技术的不断发展和成熟，g p s 在全 球范围内的军事和民用事业领域得到了广泛应用，其应用价值和发展潜力已引起人们 的高度重视。近年来，g p s 导航定位技术在应用基础的研究、新应用领域的拓展、软 件和硬件的开发等方面都取得了迅速的发展，使导航和定位技术进入了一个崭新的时 代。 2 1 传统g p s 概述 全球定位系统( g p s ) 主要有三大组成部分：空间星座部分、地面监控部分、用户设 备部分。 1 空间星座部分： g p s 的空间卫星星座由2 4 颗卫星组成，其中3 颗备用卫星。卫星分布在6 个轨道 平面内，每个轨道面有4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为5 5 度，各个轨 道平面升交点赤经相差6 0 度，在相邻轨道上，卫星的升交角距相差3 0 度。轨道平均 高度为2 0 2 0 0 k i n ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分，这样的布局使得同一观测站上每天 出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4 m i n 。同时位于地平线上的卫星数最少4 颗，最多可达1 1 颗，保证了在地球上和近地空间任一点、任何时候均至少可以同时观 测到4 颗g p s 卫星。 g p s 卫星的主要功能是：( 1 ) 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执 行监控站的指令。( 2 ) - p _ j 墨i - _ 设有微处理机，可以进行部分必要的数据处理工作。( 3 ) 通 过星载高精度艳钟和铆钟提供精密的时间基准。( 4 ) 向用户发送导航和定位信息。( 5 ) 在 地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。 2 地面监控部分： g p s 的地面监控部分主要由分布在全球的5 个地面站组成，包括5 个卫星监测站、 1 个主控站和3 个信息注入站。其主要的作用是跟踪观测g p s 卫星，准确计算卫星的 轨道参数和钟差，调整偏离轨道的卫星；提供g p s 时间基准，计算并编制卫星星历， 定期向卫星注入星历和控制指令等。 3 用户设备部分： 用户设备部分主要包括接收机和处理控制解算的显示设备，其核心是g p s 接收机。 g p s 的空间部分和地面监控部分是该系统导航和定位的基础，用户只有通过g p s 接收 4 机才能实王见导航和定位的目的。接收机是由主机、天线、电源和数据处理软件等组成。 接收天线接收卫星信号，信号经接收机解扩，解调处理，控制设备进行信号和信息处 理，从中提取卫星星历、距离及距离变化率，时钟校正、大气校正参量等，获取定位 和导航信息，完成导航和定位工作。g p s 用户设备的简化如图2 1 所示。 图2 16 p s 用户设备的简化框图 2 2 传统g p s 工作原理 1 g p s 原理 g p s 定位的基本观测量，是观测站( 用户接收机) 至g p s 卫星( 信号发射天线) 的距离 ( 或称信号传播路径) ，主要采用两种观测方法：一是测量g p s 卫星发射的测距码信号 c a 码或p 码到达用户接收机的传播时间( 时间延迟) ；一是测量接收机接收到的具有多 普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。因此存在伪距测量 和载波相位测量两种方法。载波相位测量是目前最精确的观测方法，但是由于存在整 周不确定、周跳等现象，其处理数据比较复杂。 g p s 伪距导航定位，实质是通过测量卫星发射信号的延时得到伪距离的。因而， 一切定位解算都是基于一定的时间一空间坐标体系。分析g p s 卫星导航参考坐标系， 是讨论导航定位的基础。 g p s 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个 月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度 为几米至几十米( 各个卫星不同，随时变化) ；以及g p s 系统信息，如卫星状况等。 g p s 接收机通过对码的量测可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟 的误差及大气传播误差，故称为伪距。对o a 码测得的伪距称为u a 码伪距，精度约 为2 0 米左右，对p 码测得的伪距称为p 码伪距，精度约为2 米左右。 按定位方式，g p s 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。单点定位就是根据一 台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船 等的概略导航定位。相对定位( 差分定位) 是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测 点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或 工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 在g p s 观测量中包含厂卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差， 舀：定位计算时还要受到卫星) “播星历误差的影响，在进行才只对定位时大部分公共误差 被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵 消大气中电离层误差的主要部分，往精度要求高，接收机间距离较远时( 大气有明显差 别) ，应选月双频接收机。 在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等 概略导航定位的精度为3 0 一1 0 0 米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级 精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级的相位差分定位( r t k ) ，实时差分定 位需要数据链将两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。在定位观测时，若接 收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种 方式由几台接收机同时观测，它能最大限度地发挥g p s 的定位精度，专用于这种目的 的接收机被称为大地型接收机。 2 g p s 的定位基本原理 g p s 定位基本原理是利用测距交会确定点位，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2 2 所示，一颗卫星信号传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机的距 离，但并不能确定接收机相对于卫星的方向，在三维空间中，g p s 接收机的可能位置 构成一个球面；当测到两颗卫星的距离时， 构成的圆上；当得到第三颗卫星的距离后， 接收机的可能位置被确定于两个球面相交 球面与圆相交得到两个可能的点；g p s 接 收器在仅接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定一维坐标即经度和纬度，只有 收到四颗或四颗以上的有效g p s 卫星信号时，才能完成包含高度的3 d 定位。因此， 如果接收机能够得到四颗g p s 卫星的信号，就可以进行定位；当接收到信号的卫星数 目多于四个时，可以优先选四颗卫星计算位置。 图2 2 测距交会定位示意图 6 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 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 , - x ) 2 + ( y t y ) 2 + ( z t z ) 2 + c 2 术( t t o - ) = d 1 2 ( x z x ) 2 + ( y z y ) 2 + ( z z z ) 2 + c 2 术( t t 。：) - - d z 2 ( xi - x ) 2 + ( y 。一y ) 2 + ( z 。- z ) 2 + c 2 术( t t 0 3 ) = d 3 2 ( x 4 - x ) 2 + ( y 4 一y ) 2 + ( z 一一z ) 2 + c 2 8 ( t t 0 0 = g 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 3 传统g p s 定位的缺陷及其改进 1 传统g p s 定位系统的缺陷 传统g p s 定位方案存在很多的缺陷： 1 ) 在密集的市区高楼之间、在建筑物内以及在信号遮挡区域( 如地下停车场) ，由 于信号受到遮挡，标准的g p s 接收机定位精度很低； 2 ) g p s 系统可能要求多至几分钟的时间来提供冷定位，这在需要紧急救援的情况 下是非常不利的； 3 ) 车辆的位置信息需要不断的上报，虽然采用短消息传送方式，但由于发送频率 较高，所以通信费用仍较高，一般用户难以接受，影响系统的普及和推广。 另外，基于蜂窝网络的无线定位方案【2 3 】对移动目标的定位是通过检测移动目标和 多个固定位置收发信机之间传播信号的特征参数f 如电波场强，传播时间或时间差，入 射角等) 来估计出目标的几何位置。但是，对于这种基于网络的定位方案来说，网络方 面知道车辆的估计位置，但车辆自身并不知道。此传统的定位技术无论在定位精度、 灵敏度、速度，还是在可扩性方面都存在着一定缺憾，极大地限制了定位服务的高质 量和广泛的使用。所以传统的定位系统方案并不令人满意。 2 对传统g p s 定位系统的改进 要想克服两种传统方案的弱点，最好的想法莫过于合两家之长，优势互补，而本 文提出的g p s o n e 技术是利用地面无线网络和a g p s 以及传统g p s 的一种混合式定位 方法，它将无线网络辅助g p s 定位及c d m a 三角定位运算定位功能嵌入到c d m a 终 端芯片之中，将上述两种技术进行了有机的结合，形成了独步移动定位市场的g p s o n e 混合定位技术。摒弃了传统定位终端所采g s m + g p s 或c d m a + g p s 的模式。具有盲 区少，适应面宽，成本低的特点。克服了g p s 在室内、地下停车场、隧道、城市高楼 林立等环境下，无法定位或定位不准的弊端，提高了定位精度和定位成功率。与传统 的g s m 电路拨号交换相比，g p s o n e 在资源利用效率、交换容量和性能上都有一个质 7 的飞跃。g p s o n e 抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交艳技术，每个用户可 同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资 源，带宽最高可达1 5 3 6 k b s 。目前中国移动的g p s o n e 覆盖范围在中心城市几乎达到 了1 0 0 ，在边远地区也达到了8 0 以上，实际应用带宽大约在8 0 。1 0 0 k b s ，特别适合 像金融交易、远程监测等行业各种中、低速率的突发通信需求，完全取代过去传统的 有线m o d e m 、传电台、短信等通信方式。g p s o n e 采用t c p i p 协议，非常容易和 现有i n t e r n e t 技术及应用平台整合，将使各种i p 技术与服务同移动通信技术相结合， 为客户提供各种高速高质的移动车载数据通信业务。综上所述，无线网络辅助g p s 在 定位精度、定位灵敏度、终端耗电及启动速度方面比传统g p s 均有显著提高。实际上， 无线网络辅助g p s 己成为当今全球主流移动定位技术。这种技术已经广泛地应用于商 业领域，人们通过该技术可享受丰富多彩的位置服务，如查询地点、单位、城市信息、 地图显示、路线规划、导航、电子导游及行业应用等。利用位置服务商的g i s 服务， 还可以实现车辆、财产和设备的监控、定位跟踪等系列化的个性应用。 8 第三章基于g p s o n e 智能监控系统的结构设计 3 1g p s o n e 整体结构设计 基于g p s o n e 技术在保险业出险查勘车辆智能监控系统由g p s 定位系统、 g p s o n e 车载终端、中国联通c d m a 无线数据传输公网、车辆监控调度智能管理中心、 远程监控、网络信息服务平台六大部分组成。 1 ) g p s o n e 车载终端通过g p s o n e 模块接收g p s 卫星定位系统发送的车辆经纬 度等数据信息，并通过g p s o n e 模块和中国联通的c d m a 无线数据传输公网与监控 中心建立双向数据通道，执行发送数据、接收数据、处理数据、存储数据等指令，包 括经纬度计算、超速越界等信号检测、本地数据处理、接受远程参数设置等功能，以 实现对车辆的监控及调度管理。 2 ) 车辆监控及调度智能管理中一t l , 的l i n u x 服务器自动驱动底层网络端1 3 ，实现 与g p s o n e 车载终端之间进行双向数据传送及数据处理。由于底层网络通信的数据格 式大都为二进制或十六进制，而且包含很多特殊字符和命令符，l i n u x 实时监控服务 器自动把这些数据转换为用户熟悉的格式，方便用户的使用。 3 ) 车辆监控调度智能管理中心数据库服务器通过局域网与l i n u x 监控服务器建 立连接，执行系统数据存储工作。 4 ) 本地客户端通过局域网与l i n u x 监控服务器建立连接，执行电子地图操作、 参数远程设置、与g p s o n e 车载终端进行文字、图片等信息交互、车辆管理、自动监 控区域设置、信息统计等功能。 5 ) 远程监控终端通过i n t e r n e t 网络与监控中- t l , l i n u x 服务器建立连接，实现 对车辆的远程监控。 6 ) 利用w e b 技术构建网络信息服务平台实现车辆定位、跟踪、监控、道路实况、 天气预报等信息发布功能。 具体各个模块的关系如图3 1 所示。 该信息服务系统采用中国联通星图业务平台提供的电子地图。在此电子地图平台 上公司进行了二次软件开发，完善了如下系统功能：移动车辆的实时跟踪定位、车辆 出勤状态监视、相关地图信息查询、分析统计，以及相应的终端配置和用户管理等， 为移动目标管理监控决策提供先进、直接有效的现代化管理手段。 应用方只要提供具有宽带接入的计算机一台，就能实现本方需求目标的安全监控。 并可通过专网模式组建监控中心。 9 图3 1g p s o n e 匿络结构图 3 2 各模块的设计和功能 由于g p s o n e 是传统g p s 定位技术与c d m a 网络技术巧妙结合的混合型定位技 术，即g p s o n e = a g p s + a f l t ( c d m a 技术) + c e l l i d 。所以定位成功率也得到很 大提高。 在前式中： 1 、无线网络辅助g p s ( a g p s ) ：提高g p s 定位精度、灵敏度和冷启动速度、降低 终端耗电。传统g p s 技术由于过于依赖终端性能，即将卫星扫描、捕获、伪距信号接 收及定位运算等工作集于终端一身，从而造成定位灵敏度及终端耗电等方面的缺陷。 a g p s 的设计思想就是尽量将终端的工作简化，由网络侧的定位服务器与终端相互配 合( 通过i s 一8 0 1 定位信息流程) 完成定位工作。具体讲，就是将卫星扫描及定位运算 等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络- n 的定位服务器完成。 典型的无线网络辅助g p s 网络为： ( 1 ) 由广域g p s 卫星参考网络解决g p s 终端需连续扫描g p s 卫星问题：广域 g p s 卫星参考网络由多个高灵敏度g p s 接收机组成，每个g p s 接收机覆盖半径为5 0 0 - - , 8 0 0 公里，负责全天候监测覆盖区域上空所有g p s 卫星的星历数据、多普勒频移等定 位所需信息，动态刷新存储于定位平台中的g p s 卫星数据库( 卫星数据与地理位置对 应关系) 。终端只有在需要定位时才通过无线网络向定位平台通报大概位置( 属于哪 个基站) ，然后通过定位平台获得g p s 卫星信息，从而大大缩短卫星捕获时间，大幅 度降低耗电。 ( 2 ) 由定位平台的强大运算能力提高定位精度和灵敏度：借助定位服务器强大的 运算能力，可以采用复杂的定位算法以降低诸如多径反射、接收信号弱等不利因素的 影响从而提高定位精度和灵敏度。定位平台将经纬度信息送到应用服务平台，或者通 过无线网络送回终端。a g p s 在定位精度、定位灵敏度、终端耗电及启动速度方面比 1 0 传统g p s 均有显著提高。实际上，a g p s 己成为当今全球主流移动定位技术。当然， a g p s 技术亦有不足之处：在g p s 信号接收环境极为恶劣的环境f ( 如地下停车场) 无法进行定位，或定位误差较大( 这也是传统g p s 的弱点) 。 2 、c d m a 三角运算定位解决室内定位问题。c d m a 三角运算定位是蜂窝电话网 络自身定位技术的一种，它是利用c d m a 手机接收到不同基站发出的信号到达该手机 的时间差，通过算法软件计算经纬度。其他蜂窝电话网络如g s m g p r s 也有类似的自 定位技术，但由于c d m a 是惟一全网同步( 通过g p s ) 网络，因此定位精度最高。根 据其工作原理，在能够收到多个来自不同方位基站的信号时定位精度较高；在基站覆 盖稀疏地区( 如郊区、覆盖较差的室内) 等或基站间夹角太小的位置定位效果较差。 3 、g p s o n e 改善室内定位效果。通过其定位平台技术及终端芯片集成技术( 将 a g p s 定位及c d m a 三角运算定位功能嵌入到c d m a 终端芯片之中) 将上述两种定 位技术进行了有机的融合，形成了独特的g p s o n e 混合定位技术。其工作原理是首选 a g p s 定位，在g p s 卫星视线被全部部分阻挡的情况下全部辅助采用c d m a 三角定 位技术进行辅助定位。这种无线网络辅助g p s 与c d m a 三角运算的有机结合使两种 定位技术在不同的定位环境中优劣势得到互补：在农村或郊外c d m a 三角定位因无线 基站稀少精度较差，而a g p s 定位在这些环境中正好充分发挥优势；反之，在地下停 车场，高架桥下及高楼大厦林立等区域，a o g p s 定位较为困难，而在这些区域由于 c d m a 基站往往分布较密，因此c d m a 三角定位技术的优势得以充分发挥。 另外，为了进一步确保定位成功率，g p s o n e 在导频信号不足，c d m a 三角定位 失败的情况下将使用混合c e l l - i d 进行定位，以保证系统正常工作。 车辆定位上利用g p s o n e 技术将g p s o n e 、g s m 、s m s 和i n t e r n e t 等结合在一起， 基于中国联通的c d m a 网络和i n t e m e t 网络，主要用于汽车的定位、跟踪和防盗反劫 服务以及现代物流监管等。应用系统由无线网络定位和g p s o n e 网络智能数传终端、 数字化智能车控器、文字通讯调度台、车载语音电话手柄组成。对外可以提供多种标 准化的通信接口，能兼容多种独立外设，如各类p d a ，手提电脑，掌上电脑，商务通 等设备。 3 36 p s o n e 系统智能设备终端模块设计 在车载嵌入式设备终端中，继电器开关为多触点，分别在电路和油路中，车主发 出紧急求救信号后，输出一编码信号给c p u 的p 2 0 端，并提出请求，c p u 从紧急按钮 输出端读入相应编码信号后，将事先设备好的电话号码经c p u 的p 1 8 端传给通讯模 块拨号输入电路，进行拨号，服务中心接到电话后，便知道哪辆车出现紧急情况，并 确定车辆的具体位置，采取相应的救援措施。同时用任何话机拨通该车的通讯模块， 在话机上按动相应的键，通讯模块的听筒输出电路输出相应的编码信息给c p u 的 p 1 2 1 3 端，c p u 根据编码信息经p 2 1 2 2 端控制机电器儿动作，切断汽车的油路k 1 1 、 电路k 1 2 ，迫使汽车停 = 运行。如图3 2 所示。 1 在硬件的选择上e 要有以下几项： l 、控制器的选取 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是t i 公司生产的一种f l a s h 型超低功耗1 6 位单片机，具有处理能力 强、运行速度快、可靠性高等特点，能适应工业运行环境，特别适合于电池应用的场 合或手持设备。在控制器的资源方面，m s p 4 3 0 f 1 4 9 带有两个u a r t 口。其中u a r t 0 供g p s 和手柄进行复用，同时扩展的r s - - 2 3 2 接口也用这个串口，u a r t l 用于g s m 模块；m s p 4 3 0 f 1 4 9 还带有1 2 位a d 通道，方便模拟信号接口的设计。综上，我们选 择m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为系统的主控制器。 图3 2 智能设备终端设计原理图 2 1g p s 模块 本车载终端采用的g p s 模块是h o l u xg r 8 5 ，支持n m e a 0 8 1 3v 2 2 版本数据协议 即输出数据为a s c i i 码。具体含义可参考其应用手册。数据输出格式采用推荐定位语 句：r m c 语句。该定位语句数据包涵时间、经纬度、速度、方向以及定位数据是否有 效等参数，定位数据的刷新频率是1 h z 。 3 1g p r s 模块 终端采用s i e m e n s 公司的m c 3 9 i 工业g p r s 模块，该模块提供2 0 p i nr s 2 3 2 标准 串口。其接口电路主要包括电源和启动电路、r s 2 3 2 接口、s i m 卡连接口、语音接口 等几个部分。另外模块带有一个5 0q 的天线连接器。 终端设计上采用双c p u 设计，g p s 终端工作在车载条件下，电源取自车辆蓄电池， 在点火、熄火等情况时常常受到较大的冲击，为了隐蔽防盗还常常将终端塞进车辆前 控制台内部，或放入后备箱深处，受到车辆电路的电磁干扰非常严重，且环境温度也 1 2 较高。在如此恶劣的环境下，要想保证系统不会死机，必须采取一定的措施。本系统 采用了双c p u 设计，由一块从c p u 芯片对m s p 4 3 0 f 1 4 9 进行管理，其作用是：( 1 ) 充 当硬件看门狗，在一个设定的时长之内不能同主c p u 握上手，则重启系统；( 2 ) 管理整 个系统的电源，应从c p u 可以切断或接通系统其它部分的电源；( 3 ) 系统长时间运行时， 在检测到系统空闲条件下定时给系统断电重启，以保持系统长期运行的稳定性。【2 5 】 2 车载终端实现对各个模块的控制： 1 1c p u 对g p r s 的控制 主要是通过串行口u a r t o 发送a t 命令实现。同时，在该系统设计中，c p u 还可 以通过控制i o 口电平输出状态，对g p r s 进行硬件复位，以防止意外情况下的不可 恢复性死机( 值得注意的是，通常情况下，g p r s 模块都有软件复位命令，为实现对 g p r s 模块的保护，最好在软件复位命令无效时，才选择硬件复位) 2 1c p u 对g p s 的控制 主要是通过串行口u a r t l 发送控制命令实现( g p s 采样周期的设置、g p s 输出 数据选择、通讯波特率设置等) ，同时也是通过串行口u a r t l 接收g p s 定位信息， 由于g p s 输出数据采用n m e a 0 1 8 3 ( v e r 2 0 ) 格式，输出数据为多组，在本系统中，仅 选择了取其中的一组数据：g p r m c ( 推荐最小数据量的g p s 具体内容传输数据) ，其中， 当且仅当g p s 输出数据为有效定位数据时，对应的u t c 时间才为当前准确时间。 3 ) c p u 对其它外围接口的控制 主要通过通用i 0 口实现开关( 电平) 输入输出，同时通过外部中断的方式实现 了与车用防盗报警器、紧急报警( s o s ) 、故障服务、点火信号等的接口。 4 ) c p u 对系统的整体控制 首先，c p u 完成对g p r s 、g p s 及外围接口的初始化工作；其次，c p u 通过串行 口u a r t l 对g p r s 进行操作，完成从拨号到p p p 协商( 创建p p p 链路、用户验证、 p p p 回叫控制、协商和调用网络层协议) ，并与服务器建立起t c p 连接；然后，在保 证与服务器之间的t c p 连接正常的前提下，实现与服务器之间的数据交互与控制；最 后，c p u 还必须要周期性地对系统终端的当前状态做出测试及判断，并对各种实际情 况做出相应的处理，以保证系统能正常而稳定地工作。结构图如图3 2 所示。 在此过程中，系统会首先判断，当前系统是否允许终端将g p s 数据进行上传，并 进行相应操作；同时，会检测是否收到控制命令( 包括通过网络发出的控制命令，或 通过短信方式发出来的命令，或是通过遥控器发出的控制命令) ，倘若收到了控制命 令，则对命令的合法性做出判断，并进行相应的处理。 同时，系统会定时对网络质量进行测试，倘若网络测试正常，则返回到继续判断 控制命令及对系统当前状态进行处理；倘若网络测试不正常，则进行有限次尝试，倘 若有限次尝试均以失败告终，则主动断开网络连结，并对g p r s 做出复位及再次初始 化操作，之后，再重复主程序的拨号、p p p 协商、t c p 联结及网络数据交互工作。【2 8 】 1 4 第四章移动目标实时监控模块的设计与实现 4 1 利用g ls 获取地图信息 地理信息系统( g i s ) 是一种利用计算机对有关地理、空间位置的数据信息进行存储、 处理、查询和显示的计算机支持系统。它以一定地区的地图资料信息存储于大容量存 储设备中，根据需要将指定部分自动调出显示，而且还对图形进行放大、缩小、平移、 查询等操作。 “ 地理信息系统按一种新的方式去组织和管理地理信息，以便更有效地分析和产生 新的地理信息；同时，地理信息系统的应用也改变了地理信息分发和交换的方式。g i s 空间信息的表示和空间分析能力，为应用和科学研究提供了有效的方法和技术。 1 系统设计需求 用户需求是电子地图设计的目的i 是检验设计结果好坏的尺度。在设计用于车辆 定位导航的电子地图的过程中，首先要了解用户对该系统的性能及用户的详细要求， 然后进行系统总体设计，用户对电子地图的要求是： 1 1 能在电子地图上按指定位置清晰地标绘用户需要参考的地物标志； 2 ) 能够同时显示多辆汽车在图上的运行状况； 3 ) 能快速调用己存储的车辆运行数据。 2 系统设计 电子地图系统由硬件和软件两大部分组成，如图4 1 所示 图4 1 电子地图系统组成图 地图数据源为系统提供信息，它主要包括市区交通地图和相关地图数据文件。 地图输入设备负责从地图数据源中采集各种数据，采集的数据经编辑、格式转换 等处理后存储到地图数据库( m d b ) q b 。输入设备主要是扫描仪和数字化仪。 地图输出设备主要用于显示地图，常用的是计算机显示器等。 地图数据库是本系统的核心，它是按一定结构存在磁盘上的地图数据集，是系统 分析处理的重要对象。 控制软件是系统的主体，负责控制调整整个系统的运行。 3 系统软件组成 软件是电子地图系统的主体，它控制系统的运行，决定系统完成的功能。它由两 部分软件组成：应用软件和系统软件，应用软件可根据系统的工作过程和工作性质分 为地图数据采集软件、数据处理软件、数据分析与操作、地