（通信与信息系统专业论文）基于gprs的车辆监控系统的设计与实现.pdf

摘要 随着经济的发展和交通问题的日趋严峻，智能交通系统受到普遍重视并得到 了极大发展。本文研究了当前智能交通系统研究中的车辆监控系统，提出了一种 车辆监控系统的设计方案，重点研究和实现了车载终端设备。 本文首先介绍了车辆监控系统的整体设计方案，然后阐述了其中的g p r s 、 g p s 、嵌入式a r m 等关键技术的原理和应用，并从硬件和软件实现两个方面给 出了车载终端设备的设计和实现过程，最后介绍了车载终端设备样机的调试和测 试方法。 本监控系统由车载终端设备、监控中心和基于通用分组无线业务( g p r s ) 网 络的通信子系统组成。车载终端设备在硬件上基于a r m 7 嵌入式平台，在软件 上基于l ac o s i i 实时操作系统。该设备利用全球定位系统( g p s ) 技术获得车辆的 位置、车速以及日期和时间的精确数值；利用轻量级t c p i p ( l w i p ) 协议栈支持 车辆与监控中心之间的基于i p 的g p r s 数据传输；利用脉冲检测技术获取车辆 的行驶状态；利用液晶屏的图形显示和语音提示技术为驾驶人员提供直观的车辆 行驶状态信息并基于这些信息来保障驾驶人员安全驾驶；利用射频读写技术实现 了对驾驶人员和车辆的有效管理。 本研究完成了车辆监控系统的演示系统搭建。研究成果表明了车载终端设备 具有良好的性能，车辆监控系统合理、有效。 关键词：g p r s ；a r m ；i _ t c o s i i ；g p s ；嵌入式；l w l p a bs t l 认c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h e i n t e l l i g e n t t r a f f i cs y s t e mw a sg e n e r a l l y d e v e m p m e m i nt h i sp a p e r , t h ev e h i c u l a r i n c r e a s i n g l ys e v e r et r a f f i cp r o b l e m s ，t h e a t t a c h e di m p o r t a n c et oa n dh a sg r e a t m o n i t o r i n gs y s t e m , w h i c hi s o n eo ft h e i s s u e so ft h ec u r r e n tr e s e a r c hi ni 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 , w i l lb et h es u b j e c t a n dad e s i g ns c h e m eo fv e h i c u l a rm o n i t o r i n gs y s t e mw i l l b eb r o u g h tf o 邢a r d ， f o c u s i n go nt h ed e s i g ns c h e m ea n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fv e h i c l e 。m o u n t e d t e r m i n a le q u i p m e n t ( v r e ) a tf i r s t aw r h 0 1 ed e s i g ns c h e m eo f v e h i c u l a rm o n i t o r i n gs y s t e mw i l lb es h o w nm t h i sp a p e r t h ek e yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sg p r s ，g p sa n de m b e d d e da r m ，w i l lb e i l l u s t r a t e df r o mp r i n c i p l e st oa p p l i c a t i o n s a n dt h e nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n p r o c e s so fv t e w i l lb ee x p a t i a t e di na s p e c t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i n a l l y , t h e d e b u g g i l l ga n dt e s t i n gm e t h o d so f t h ep r o t o t y p et e r m i n a le q u i p m e mw i l lb ep r e 5 e n t e d t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p o s e do fc o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m s b a s e do n g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) n e t w o r k ，v t e ，a n dm o n i t o r i n gc e m r e - v t e s h a r d w a r ed e s i g ni sb a s e do na r m 7e m b e d d e dp l a t f o r m , a n di t ss o f t w a r ed e s i g n 1 s b a s e do n c o s i ir e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m - i tu s e sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) t e c h n i ct oa c c e s sv e h i c l e sa c c u r a t ev a l u eo fl o c a t i o n , s p e e d ，d a t ea n dt i m e i tu s e s l i g h t w e i 曲tt c p f l p ( l w l p ) p r o t o c o l s t a c kt os u p p o r td a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g hg p r s ， b a s e do ni p , b e t w e e nv e h i c l ea n dm o n i t o r i n gc e n t r e i te s t i m a t e sv e h i c l e s s t a t eb y d u l s ed e t e c t i o nt e c h n i c ，a n dp r o v i d e sd r i v i n gt i p st od r i v e r sb yl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s c r e e n sv i s u a li n f o r m a t i o na n de l e c t r o n i cv o i c e ，w h i c h w i l lp r e v e md r i v e r sf r o m d a n g e r o u sd r i v i n gb e h a v i o r s i tm a k e st h em a n a g e m e n t o fd r i v e r sa n dv e h l c l e s e f f e c t i v e l yb yt e c h n i co f l cc a r d sr e a da n dw r i t e b a s e do nr a d i of r e q u e n c y t h ed e m o n s t r a t i o no fv e h i c l a rm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nd o n e t h er e s u l t s s h o wt h a tv t eh a sg o o dp e r f o r m a n c e sa n dt h ev e h i c l a rm o n i t o r i n gs y s t e m sd e s i g n s c h e m ei sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：g p r s ，a r m ，i t c o s - i i ，g p s ，e m b e d d e d ，l w l p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 一躲呷翰一期：澎年多月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储躲叩妈鸦 签字日期：撕彰年月岁f 1 导师签名： 钥唾桐 签字同期：芦鄱年多月5 同 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 当今社会，汽车已经成为人们日常工作生活及生产活动的重要工具。随着我 国经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，交通运输行业作为基础产业得 到了快速高效的发展。高等级公路网络逐渐遍布全国，许多城市建成了或者正在 建设方便快捷的公共交通体系，在保证社会经济体系及日常生活的正常运转上起 着重要作用。与此同时，我国的国民汽车持有量在未来很长一段时间内将持续上 涨，城市的车辆、驾驶人员以及交通流量将大幅度增长，但是道路和其他交通设 施的发展远远低于交通工具的增长，因此随之引发了交通拥挤、环境污染、道路 交通事故逐年增加等一系列交通问题，给国家和人民生命财产带来了巨大损失， 这对交通公安管理部门和交通运输部门提出了更新、更高的要求。 如果依靠限制交通工具的增长来解决这些问题，则会阻碍交通事业的发展； 但如果依靠增加道路面积、提高路网总体容积来解决这些问题，则成本高昂、破 坏环境；而且这两种方法的效果都十分有限【1 。为此人们在3 0 年前就提出了智 能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m , i t s ) 的概念，并且于上世纪8 0 年代开始研 究。国内外的早期研究和应用表明，i t s 的实施能有效缓解交通阻塞、提高道路 设施的使用效率、缓解交通服务压力、切实地减少交通事故、减少经济损失和能 源消耗、降低环境污染，因此受到极大重视【2 。 i t s 是集信息技术、传感技术、数据通信技术、自动控制技术、运筹学、图 像分析技术、计算机网络以及人工智能技术于一体，各学科交叉渗透的交通管理 系统 2 】【3 1 。本文在上述背景下，本文在i t s 这个庞大的系统中选择了车辆监控系 统作为研究对象。车辆监控系统是i t s 研究热点之一，可广泛应用于城市公共交 通、物流运输、个人交通以及其他特种车辆的实时定位、监控和运营调度上，能 极大地提高车辆运输管理的效率和安全【2 】。 由于各国对i t s 的理解、研究和应用程度不同，对车辆监控系统的概念和功 能要求也不一致。本课题通过研究国内外车辆监控系统的发展现况，借鉴国内外 市场上出现的相关方案和产品，参考功能、价格和实现难易程度等因素，提出了 一种无线车辆监控系统的设计方案，并实现了车辆监控系统中的车载终端设备。 本课题的设计遵循全面性、可操作性和典型性的原则，具有定的实用性和新颖 性。课题研究成果可以作为解决上述提出的车辆定位、管理和调度问题的个有 第一章绪论 效方案，对于我国的交通运输事业的进步和国民经济建设有一定地推动作用。 1 2 国内外研究状况 智能交通系统是以缓和道路堵塞和减少交通事故，提高交通利用者的方便、 舒适为目的，利用交通信息系统、通讯网络、定位系统、地理信息系统和智能化 分析与选线系统为城市交通建立一个大范围、全方位、准确、实时高效、智能的 信息化交通管理系统【2 】【3 1 。 国外对于智能交通系统的认识较早，美国、日本和西欧等国对于i t s 的研究 已经开展了三、四十年，为此投入了大量的资金、人力和物力，并取得了很多有 价值的成果，已经成为世界智能交通系统研究的三大基地。在i t s 项目研究过 程中，这些国家还成立了许多机构，以制订并实施i t s 开发计划。如美国的智 能交通协会、欧洲道路交通通信技术实用化协作组织、日本的智能交通协会以及 国际标准化机构i t s 技术委员会等。 美国的i t s 研究起步于6 0 年代末。据相关媒体报道，目前i t s 在美国的应 用普及率已达8 0 以上，而且相关的产品也比较先进，i t s 的相关技术已经产生 了显著的效益。日本早在1 9 7 3 年就开始对i t s 作为国家级项目进行研究，并将 i t s 视为2 1 世纪前半期最大的产业。目前在日本已经有超过18 0 0 万人的汽车导 航系统用户，i t s 主要应用在交通信息提供、电子收费、公共交通、商业车辆管 理以及紧急车辆优先等方面。欧洲在i t s 应用方面的进展介于日本和美国之间。 目前欧盟正在进行汽车信息系统( t e l e m a t i c s ) i 均全面应用开发工作，计划在全欧洲 建立专门的交通无线数据通信网，以道路交通无线数据通信网为主。另外一些国 家和地区对i t s 的研究也有相当大的规模，如澳大利亚、韩国、新加坡、马来西 亚和中东一些国家等【1 】【2 】。可以说，目前全球正在形成一个新的i t s 产业，发展 规模和速度都十分惊人。 我国智能交通系统的发展起步较晚，在二十世纪9 0 年代才启动i t s 的研究 工作，目前还处于发展的初级阶段，且与道路网的建设同步进行。二十世纪九十 年代之前，主要是在一些大城市进行城市交通控制系统的研究。不过近年来，许 多大学和研究机构纷纷组建i t s 研究中心，开始i t s 的理论研究和产品研发。国 家科技部于1 9 9 9 年1 1 月批准成立了国家智能交通系统工程研究中心，于2 0 0 0 年牵头成立了全国智能交通系统协调指导小组及办公室，2 0 0 2 年6 月正式批准 了1 0 个首批全国i t s 应用示范工程试点城市，同年9 月国家启动了智能交通系 统发展战略的研究工作【2 】【4 1 。可以说我国的i t s 发展时机己逐渐成熟，在未来 第章绪论 的1 0 到2 0 年内，我国的智能交通系统建设将进入黄金阶段。但是我国从九十年 代以后才开始逐步将全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n 啦s y s t e m , g p s ) 应用于车辆监 控调度系统。目前，我国g p s 车辆监控系统尚处于市场培育阶段，整体规模较 小，还需要政府和社会各界的共同努力。 1 3 课题研究内容和主要研究工作 根据车辆监控系统的基本要求，本课题的主要研究内容包括以下几部分： 车辆监控系统的整体设计方案； 通用无线分组业务( g e n e r a lp a c k e rr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 技术和g p s 定位技 术的原理和在车辆监控系统中的应用； 车载终端设备的整体设计，包括硬件设计和软件框架； 车载终端设备的实现过程，包括硬件选型和软件设计流程图等。 本文的主要工作是进行车辆监控系统的设计方案研究和车载终端设备的设 计与实现。其中车辆监控系统设计研究的主要工作包括： 国内外车辆监控系统已有方案的设计与研究； 国内车辆监控系统的发展现状和相关政策法规研究； 根据我国国情，结合g p r s 技术，提出一种车辆监控系统设计方案。 车载终端设备是车辆监控系统的前端部分，具有基本的汽车行驶记录仪功 能，它的设计与实现需要完成的工作包括： 研究和分析国内外相关产品的现状，研究汽车行驶记录仪的功能要求； 针对本文设计的车辆监控系统，给出其车载终端设备的设计方案； 车载终端设备的硬件实现，包括处理器、g p s 接收模块、g p r s 数据传输 模块的选型和连接设计，以及外围硬件器件的选用； 车载终端设备的软件框架设计； g p s 接收模块输出的数据帧格式分析，如何实现定位数据的提取； g p r s 数据传输模块的应用，如何通过g p r s 网络将数据传输到监控端； 嵌入式操作系统的选用、移植和应用； 网络协议栈的选用、移植和应用； 文件系统、图形用户界面等程序模块的选用、移植和应用； 车载终端设备样机的测试和性能分析。 第一章绪论 1 4 功能要求和实现方案 本文的车辆监控系统需要具备以下基本功能： 车辆的行驶状态信息能够实时、无差错地在监控中心呈现： 监控中心能够对车辆进行实时调度，能够与地方监控中心进行数据共享； 能够保证驾驶人员的驾驶安全。 车载终端设备作为车辆监控系统的前端设备，它具备汽车行驶记录仪中除了 键盘操作和数据打印输出功能之外的所有功能，同时添加了其他功能。本文设计 的车载终端设备主要保证功能上的正确和可靠，而在参数设置和数据传输格式上 则尽量遵循国家标准i s 的要求。车载终端设备的功能要求如下： 自检功能 在终端开机过程中自动检测设备状态是否正常，并通过液晶显示和语音发音 进行提示。 实时时间、日期及驾驶时间的采集功能 本终端设备的g p s 模块能够提供g p s 系统时间，通过解算可以得到协调世 界时( u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e ，u t c ) ，而我国时区位于东八区( u t c + 8 ) ，因此可以 得到当前的准确日期和时间。 数据记录、存储备份功能 将车辆行驶状态数据：驾驶人员信息、车辆信息、车辆所处位置、当前速度、 当前日期和时间、累计行驶里程和累计行驶时间等定时自动存储在外部存储介质 中，同时这些信息将传输到监控中心，并备份在监控中心的数据库中。 车辆行驶状态、速度和里程的测量功能 车辆的行驶状态可通过车轮转速传感器装置输出的脉冲信号进行判断。车辆 的行驶速度可通过g p s 模块的输出帧取出，行驶里程可通过速度计算得到。 g p s 定位功能 车载终端设备通过g p s 接收模块接收的定位信息解析而得到车辆当前的位 置信息，实现对车辆的追踪或者作为以后扩展导航功能的基础。 驾驶人员身份记录和鉴权功能 驾驶人员的信息，可以通过数据下载功能存储到终端设备的数据库中。鉴权 时，通过读取驾驶人员所持射频卡中的信息，并与终端设备中存储的信息进行匹 配，从而识别持卡人员身份。 数据显示和实时语言提示功能 在液晶屏上显示车辆行驶信息，并根据实际情况给出提示。为了保障驾驶安 全，在车辆行驶中根据情况向驾驶人员发出语言提示信息。 4 第一章绪论 数据通信功能 终端的数据通信包括g p r s 数据传输和r s 2 3 2 c 接口串行通信。g p r s 将车 辆当前信息实时传送回监控中心，并接收监控中心发送的指令；r s 2 3 2 c 接口是 按照国家标准5 1 的要求配置的数据下传接口；国家标准5 1 中规定的配置通用串行 总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 接口实现的数据上载功能在本设计中用压缩闪存 ( c o m p a c tf l a s h ，c f ) 存储卡代替了。 1 5 论文的组织结构 本文在内容安排上共分为六章，具体安排如下： 第一章：绪论，介绍了本课题的研究背景和意义以及在国内外的研究状况， 然后概述了本文的研究内容和主要研究工作，并列举了本课题设计的功能要求和 实现方案。 第二章：车辆监控系统总体设计，概述了车辆监控系统的需求，并给出了方 案选择过程，最后确定整体设计框架。 第三章：关键技术介绍，概述了系统总体设计中用到的关键技术，并着重介 绍了这些关键技术在本课题设计中的应用。 第四章：车载终端设备硬件设计与实现，简述各电路模块的硬件设计原理和 实现方法，最后介绍了设备外壳的封装。 第五章：车载终端设备软件设计与实现，阐述了软件总体设计框架，并对各 软件模块的功能和程序流程以及终端样机的调试与测试进行分析。 第六章：总结与展望，对本课题设计进行了总结，并提出了需要改进的方面， 并展望其应用前景。 第二章车辆监控系统总体设计 第二章车辆监控系统总体设计 2 1 车辆监控系统概述 车辆监控系统是综合使用卫星定位系统、地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m , g i s ) 、无线通信系统等现代科技手段，实现对车辆进行监控、 管理，为客户提供车辆信息管理、车辆导航、路线稽查、安全报警和遥控功能， 提高车辆的使用效率并降低事故发生的电讯系统。 车辆监控系统一般由车载终端设备( v e h i c l e m o u n t e dt e r m i n a le q u i p m e n t ， v t e ) 、通信子系统和监控中，t = - , - - 部分组成 2 】。v t e 是车辆监控系统的前端，负 责获取车辆行驶状态信息，如位置坐标、时间、速度和行驶状态等，并将这些信 息数据通过通信子系统传送至监控中心，同时v t e 还接收来自监控中心的指令。 通信子系统负责v t e 和监控中心之间数据的可靠和高效传输。监控中心是车辆 监控系统的后台，一般具有强大的数据查询和分析能力、精确的地理信息系统和 稳定的调度系统；它负责在电子地图中显示车辆的位置，存储、查询和分析车辆 行驶信息，遥控车辆，根据所得数据进行统计分析并绘制分析曲线等功能，包括 计算机硬件部分和软件部分【6 】【7 】。 2 2 通信子系统设计 通信子系统是v t e 与监控中心进行信息交换的枢纽，目前大体采用两种方 案：一是定位系统与常规通信系统或者集群通信系统组合；另一种是定位系统与 移动通信网组合。前者属于专网或共网方式，一般只能实现语音通信，即使采用 数字集群通信系统可以实现数据传输，但是专网或共网的建网和维护的投资成本 高、网络容量和覆盖范围d , t 引。后者属于公网，是近几年普遍采用的方式。目前 我国能提供无线数据服务的运营网络主要有移动通信网络和卫星通信网络。由于 卫星通信延时较长、投资成本较高，不符合本设计要求。 在车辆监控系统中应用移动通信网进行数据传输一般采用短信方式或者分 组交换方式。由于短信数据传输率低、延迟较大且可能丢失，不适合本设计要求， 所以采用分组交换方式。目前，国内可用的基于分组交换的移动通信网络有g p r s 6 第二章车辆监控系统总体设计 网络、码分多址( c o d ed i v i s o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) i x 网络和蜂窝数字分组数据 ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ，c d p d ) 系统。由于c d p d 是建立在高级移动电话系统 ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，a m p s ) 之上的，而我国没有a m p s 基础网络，所 以c d p d 的投资略显高昂，且其终端设备价格也较高，在我国的推广和应用都 有限，本文不考虑1 2 儿川。 g p r s 是全球移动通讯系统( 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 。g s m ) 的移动分组数据业务的关键技术，为用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接，传 输速率最高可达到1 7 1 2 k b p s ，实际应用中也可提升至5 6 k b p s 甚至11 4 k b p s ，特 别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据 量传输。它具有接入范围广、数据传输率高、快速登录、永远在线、按流量计费 以及不影响语音通信等优点【9 【1 0 】1 1 1 】 1 2 】【1 3 】。 c d m a1 x 技术是指c d m a2 0 0 0 的第一阶段( 速率高于i s 9 5 标准，低于 2 m b p s ) ，提供高达3 0 7 2 k b p s 的数据传输业务，网络部份引入分组交换，可支 持移动i p 业务，具有系统容量大、接通率高、保密性好、发射功耗小等优点【1 4 】【1 5 】。 这两个网络在技术特点上各有优势，可以根据地域区别和客户要求选择。考 虑到两个网络的本地运营商提供的服务质量和价格，以及用户的实际使用感受等 因素，本设计最终选择采用g p r s 网络作为车辆监控系统的通信子系统。当然为 了保证通信子系统的健壮性，可以同时使用两个移动网络，互为备份。 2 3 监控中心设计 监控中心是整个车辆监控系统的核心，一般采用客户, i l l 务器( c l i e n t s e r v e r , c s ) 模式。显然v t e 是作为客户端，主动向监控中心发送数据，监控中心作为 服务器接收数据、对数据进行各种处理并管理v t e 。监控中心一般包括地图显 示、车辆定位追踪、车辆调度、信息查询、遇险报警等功能【2 j 。由于监控中心功 能的强大性和复杂性，一台计算机不足以支撑，一般采用局域网组成一个监控管 理网络，将各种功能分工给位于该网络上的服务器。 监控中心可通过数字数据网络( d i g i t a ld a t an e t ，d d n ) 专线接入g p r s 网络， 也可以通过互联网接入g p r s 网络。d d n 专线接入需要向当地移动运营商申请， 且费用较高；后者是一种比较方便且廉价的方案，本文采用后者。监控中心通过 i n t e r n e t 接入g p r s 网络就存在i p 地址的问题，可以采用静态i p 地址或者动态 i p 地址，这对于监控系统的性能没有影响。由于监控中心是作为服务器端的， 所以本文采用静态i p 地址以方便v t e 软件的编纠3 】【7 】。 第二章车辆监控系统总体设计 由于车辆往往需要跨地域行驶，各地域的交通管理部门都需要监控其辖区下 的车辆，所以可以设置主监控中心和地方监控中心。当车辆离开归属地时，主监 控中心将v t e 发送来的数据共享给地方监控中心，实现主监控中心和地方监控 中心的共同监控。这些监控中心通过互联网连接在一起：并组成虚拟私有网络 ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k , v p n ) 以共享数据。 2 4v t e 设计 由于v t e 一般安装在各类车辆上，会受到车辆的启动脉冲、运行时噪声以 及其他车辆设备的电磁辐射的影响。为了在这样的环境下可靠运行，v t e 一般 采用嵌入式系统架构。因此，v t e 在硬件上一般由嵌入式微控制器、定位模块、 通信模块、显示模块、报警模块和预留标准接口等组成，在软件上则采用嵌入式 操作系统以保证运行的可靠、高效 7 】。 由于通信子系统采用g p r s 网络，所以v t e 的通信模块选用g p r s m o d e m 。 在卫星定位模块上，目前全球卫星定位系统主要有：美国的g p s 、俄罗斯的全球 卫星导航系统、欧盟的伽利略卫星定位系统、中国的北斗卫星导航系统。其中 g p s 的成熟度、民用市场占有率和定位精度都比较高，所以本文采用g p s 接收 模块作为v t e 的卫星定位模块【i 。 v t e 的典型设计模型如图2 1 所示。 图2 1v t e 典型设计模型 第二章车辆监控系统总体设计 2 5 车辆监控系统设计框架 通过上文阐述，车辆监控系统各部分的功能和设计方案已经确定。图2 2 将 各部分整合，给出了整个车辆监控系统的设计架构图。 图2 2 车辆监控系统设计框图 9 第三章关键技术介绍 3 1g p s 定位技术 第三章关键技术介绍 g p s 是授时与测距导航系统全球定位系统( n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n d r a g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m , n a v s t a r g p s ) 的英文简写。它是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，向全球范围内的用户全天候提 供高精度的导航、定位和授时服务，可以用来实现连续的实时三维导航。g p s 全球定位系统具有以下优势【l6 】【l 。7 ：( 1 ) 、全天候作业；( 2 ) 、全球覆盖；( 3 ) 、三维 高精度定速定时；( 4 ) 、快速高效；( 5 ) 、操作简便，应用广泛。 g p s 提供两种服务 16 】 1 7 ：标准定位服务( s t a n d a r dp o s i t i o n i n gs e r v e r , s p s ) 和精 密定位服务( p r e c i s i o np o s i t i o n i n gs e r v e r ，p p s ) 。s p s 是指定为民用的，而p p s 是指 定为美国核准的军方用户和选定的政府部门用户使用的，通过加密干扰而受控 的。本文选用的接收机使用s p s 。 3 1 1g p s 构成 用户设备部分： 接收并观测卫星信号； 记录和处理数据； 提供导航定位信息。 地面监控部分： 中一心控制系统； 实现时间同步； 跟跞卫星井进行定轨。 图3 一g p s 系统结构图 1 0 第三章关键技术介绍 g p s 全球卫星定位系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分 等三大部分组成，如图3 1 所示【l 】【1 6 】【1 7 】： 1 、空间部分 空间部分主要由2 4 颗g p s 卫星组成，均匀分布在6 个近圆形轨道面上( 每 个轨道面4 颗) 。这样可以保证地球上的任意一点在任意时刻都可以同时观测到 至少4 颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、 定位、授时等功能。此外，还有4 颗有源备份卫星在轨运行。主要提供星历和时 间信息，向用户发送伪距和载波信号以及提供其他辅助信息。 g p s 卫星在两个频率上用码分多址的技术广播测距码和导航数据，这两个 频率为：l i ( 1 5 7 5 4 2 m h z ) 和l 2 ( 1 2 2 7 6 m h z ) 。每颗g p s 卫星广播两种类型的伪 随机噪声( p s e u d o r a n d o mn o i s e ，p r n ) n 距码：短的粗捕获( c a ) 码，长的精密( p ) 码。目前，对p 码进行了加密，加密后的p 码叫做y 码，y 码只能为p p s 用户 所使用。 2 、地面监控部分 地面控制部分由一个主控站，5 个卫星监测站和3 个信息注入站组成。 主控站设在美国的科罗拉多的斯普林斯，负责协调和管理所有地面监控系 统，同时计算各卫星的星历、卫星时钟误差和大气层的修正参数并传送到注入站。 监测站是在主控站的直接控制下的数据自动采集中心，对g p s 卫星进行连续观 测。注入站的主要任务是将星历、钟差、导航电文和其他指令注入到相应卫星的 存储系统，并监测注入卫星的准确性。这种注入对每颗g p s 卫星每天一次，并 在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么 在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。 3 、用户设备部分 用户设备部分就是用户进行导航定位的终端设备，由g p s 接收机硬件、数 据处理软件和微处理机等构成。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选 择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即 可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数 据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算， 计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。g p s 接收机根据 其用途可分为导航型、大地型和授时型；根据接收的卫星信号频率，又可分为单 频( l 1 ) 和双频( l 1 、l 2 ) 接收机等。在精密定位测量工作中，一般均采用大地型双 频接收机或单频接收机。 第三章关键技术介绍 3 1 2g p s 系统的定位原理 g p s 定位方法有很多，根据定位所采用的观测值可分为：伪距定位、载波 相位定位、伪距测量加多普勒定位、干涉定位等。载波相位定位的精度比伪距定 位要高，不过成本要高很多且数据处理负责。在动态定位中主要有两种方式：单 点定位和差分定位【l 】【1 6 】。但是不论使用何种观测方法和定位方式，其定位原理是 一致的，下面仅以伪距单点定位为例，说明g p s 定位的基本原理。 g p s 定位的原理实质上就是测量学的空间测距定位，通过测量卫星信号到达 用户位置的时间( t i m eo f a r r i v a t , t o a ) 狈j j 距以确定用户位置。这种原理需要测量信 号从已知的辐射源发出至到达用户所经历的时间。将这个信号传播时间乘以信号 的速度，就得到从发射源到接收机的距离。接收机通过测量从多个位置已知的辐 射源所广播的信号的传播时间，便能确定自己的位置。 为了获得三维空间中物体的坐标，至少需要4 个定位基准点。由于地球是自 转的，待定位的物体经常是运动的，而且作为定位基准点的卫星也处于运动状态， 卫星信号的传播速度很快( 光速) ，这样便增加了g p s 系统定位的难度。因为即 使很小的时钟偏差也会导致较大的距离误差，而且作为定位基准点的卫星的瞬间 位置也很难准确知道。在伪距定位中，得到的物体到卫星的距离与其真实距离是 有偏差的，所以把测得的距离称为伪距。 为了建立卫星导航的数学公式，必须选定参考坐标系，以便表示卫星和接收 机的状态。在建立公式时，典型使用笛卡儿坐标系。在该坐标系中，用测量的位 置与速度矢量去描述卫星和接收机的状态。g p s 系统使用的笛卡儿坐标系有：地 ，1 1 , 惯性( e a r t h c e n t e r e di n e r t i a ，e c i ) 坐标系、地j 1 1 , 地球固连( e a r t h ，c e n t e r e de a r t h f i x e d ， e c e f ) 坐标系和世界大地坐标系( w o r l dg e o d e t i cs y s t e m , w g s 8 4 ) 。目前，g p s 测 量中所使用的协议地球坐标系统为w g s 8 4 【l7 1 。 图3 2 伪距单点定位 第三章关键技术介绍 如图3 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& ，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： r1 l x l 一石) 2 + 。一y ) 2 + ( z l z ) 2 f + c ( v ，l v t 0 ) = d 。 ( 3 1 ) 【( x ：一石) 2 + ( y ：一y ) 2 + 0 ：一z ) 2 f + c ( 1 ，：一1 ，。) = d ： ( 3 2 ) k 3 一石) 2 + ( y 3 一y ) 2 + ( z ，一z ) 2 f + c ( v t ，一v t o ) = d 3 ( 3 3 ) 【( x 。一z ) 2 + 。一y ) 2 + ( z 。一z ) 2 f + c ( v ，。一v t o ) = d 4 ( 3 - 4 ) 其中x 、y 、z 和v 加表示待测点坐标，为未知参数，d ，2 c a t j ( 滓1 、2 、3 、 4 ) 为卫星i 到接收机之间的距离。& ，( i _ 1 、2 、3 、4 ) 为卫星i 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； 工，、y ，、z ，( i = l 、2 、3 、4 ) 为卫星i 在t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电 文求得；，。( i = l 、2 、3 、4 ) 为卫星i 的卫星钟的钟差，由卫星星历提供；v ，。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x 、y 、z 和接收机的 钟差v m 。 3 1 3n m e a0 1 8 3 协议 n m e a 是国际海洋电子协会( n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 的缩写， 同时也是一个数据传输标准工业协会。g p s 接收机的定位信息输出格式通常采用 n m e a 0 1 8 3 【l 。n m e a 0 1 8 3 是一套定义接收机输出的标准信息，有几种不同的 格式，每种都是独立相关的a s c i i 格式，用逗点分割数据域，数据流长度从3 0 - - 1 0 0 字符不等，通常以每秒间隔选择输出。最常用的格式有g g a 、g s a 、g s v 、 r m c 等。本课题设计采用r m c ( 推荐定位信息) 解析数据，其具体格式如表 3 1 所示： 表3 1r m c 信息格式 $ g p r m c ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， * h h u t c 时间，h h m m s s ( 时分秒) 格式： 定位状态，a = 有效定位，v = 无效定位； 纬度d d m m m m m m ( 度分) 格式； “ 纬度半球n ( 北半球) 或s ( 南半球) ； 经度d d d m m m m m m ( 度分) 格式； 经度半球e ( 东经) 或w ( 西经) ； 地回速率( 0 0 0 0 - 9 9 9 9 节) ： 地面航向( 0 0 0 0 3 5 9 9 度，以真北为参考基准，前面的0 也将被传输) ； u t c 日期，d d m m y y ( 日月年) 格式： 第三章关键技术介绍 磁偏角( 0 0 0 0 1 8 0 0 度) ； 磁偏角方向，e ( 东) 或w ( 西) ； 模式指示( 仅3 0 0 版本输出，a = 自主定位，d = 差分，e = 估算，n = 数据无效) 。 3 2g p r s 技术 3 2 1g p r s 系统概述 g p r s 是g s m 的移动分组数据业务的关键技术，是第二代移动通信技术向 第三代移动通信过渡的重要技术，由英国b tc e l l n e t 公司在1 9 9 3 年提出，是g s m p h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，为用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接。 g p r s 采用与g s m 系统相同的无线调制技术、相同的频带和突发结构以及 相同的时分复用( t i m ed i v i s o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 帧结构，因此它只需在现有 g s m 网络的基础上叠加一个新的网络，同时在网络设备上增加一些硬件设备， 并对原软件进行升级，就可以形成一个新的网络逻辑实体。它的传输速率最高可 达到1 7 1 2 k b p s ，实际应用中也可提升至5 6 k b p s 甚至11 4 k b p s 。 g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于 偶尔的大数据量传输，它不仅能提供点对点( p o i n tt op o 缸，p t p ) 和点对多点( p o i n t t om u l t i p o i n t ，p t m ) 的数据业务，还能支持补充业务和短消息业务。g p r s 的收费 方式和传统的g s m 也有很大不同，使用者所负担的费用是以其传输资料单位计 算，理论上较为便宜。此外它还具有以下优点：接入范围广、数据传输率高、接 入时间快、永远在线以及不影响语音通信阿1 0 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】。 3 2 2g p r s 网络结构 g p r s 系统通过在原有的g s m 系统中引入分组数据单元提供无线系统上的 数据业务。作为承载网络，g p r s 系统本身采用i p 网络结构，并对用户分配独 立地址( 如i p 或x 2 5 地址) ，将用户作为独立的数据用户，从而实现了从网络 到移动用户的端到端的数据应用。为了实现数据承载，g p r s 系统引入了几种新 的网络单元，如网关g p r s 支持节点( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d ，g g s n ) 和服务 g p r s 支持节点( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d ，s g s n ) 。g p r s 系统共用了g s m 系统 的基站，只需对基站进行软件升级；控制中心需要增加新的移动性管理程序、新 的移动应用部分( m o b i l ea p p l i c a t i o np a r t ，m a p ) 信令和g p r s 信令等；g p r s 骨干 1 4 第三章关键技术介绍 网间通过路由器互连，移动终端采用新的g p r s 移动台。g p r s 网络参考模型如 图3 3 所示【9 】【1 0