智能交通系统05_通信与导航.ppt

智能交通系统中的通信 智能交通系统的重要部分是先进的交通信息系统ATISAdvancedTravellersInformationSystems交通系统的通信包括3种方式 1 区域内的通信 LocalAreaCommunication 2 路车之间的通信 RoadVehicleCommunication 3 车车之间的通信 InterVehicleCommunication 区域内的通信 交通管理监控系统和收费系统的内部的通信 区域内的通信又可分为管理机关内部通信和管辖领域内的通信 管理机关内部通信以公用电话网及局域网为主 管辖领域内的通信以有线数据通信为主 管辖领域内的通信主要采用 1 同步数字体通信网 SDH 2 异步传递方式 ATM 技术 路车之间的通信 RVC 交通控制中心与车辆间的通信 实现方式有 1 蜂窝网无线电话 2 FM调频广播 发送有关道路交通信息 3 专用集群无线通信 车车之间的通信 IVC 车车之间的通信 协调车辆的行驶 以保证安全和高效 蜂窝网无线电话 专用集群无线通信 区域内交通信息网络 应用领域 收费管理数据传输 公路管理业务传输 应急话音传输 公路运营视频监视信息传输 交通信息多业务网络解决方案分别采用专用通信线路完成不同信息的传输 效率低 将话音 数据和视频监视系统集成为多业务广域网交换网络通信平台 各种接入的服务质量高 扩展性和可靠性好 效率高 实例 京沪高速公路 共13个通信站 8个收费站 4个服务区站 1个通信中心 全路铺设20芯光缆 采用同步光纤数字传输系统 SDHSTM 1 光纤接入网与程控交换一起组成综合业务通信系统 中心配备光线路终端 12个无人站采用光纤综合业务接入网设备 传输速率为STM 1 155 5Mbps 并通过4根光纤构成自愈环 监控数据包括 监控中心数据 监控外场设备数据 通信系统在各站综合业务接入网中提供足够的接口 监控数据以模拟方式传输 由MODEM进行转换 收费数据包括 收费中心数据 收费站数据及车道数据 收费站与收费中心之间的数据传输通过数据通道传输 收费站和收费中心通过路由器与通信系统连接 在全省收费联网时 路由器应有2个口 一接收费中心 一接省拆帐中心 收费图象传输 收费站设置摄象机 摄象机图象和控制信号传到相应的收费站及收费 监控中心 视频信号和控制信号经复用光端机复用后 进入光纤 路车之间与车车之间的通信 利用各种无线方式进行通信无线通信 专网与公网 专网 集群系统无线集群实际上就是多信道中继 转发 系统 自动共享信道 并在此基础上集小群 组 为大群 组 具有故障处理等功能 集群通信系统具有信道利用率高 服务质量好 通话阻塞率低 通话具有私密性 系统智能化程度高 具有交换功能 可与PSTN互连等优点 几种数字集群系统 目前国际电信联盟推荐的最具代表性的数字集群通信系统 欧洲的TETRAPOL欧洲电信标准协会的TETRA 美国MOTOROLA公司的iDEN 北美的AProject25 25 无线数据通信系统及其应用 公用网 中国移动GSM GPRS 短信等中国联通CDMA 车辆管理与监控 车辆定位与导航 车辆管理与监控信息系统 车辆识别 车辆管理与监控的必要性当人均 达到800美元时 汽车工业将有突变增长 家庭逐渐形成汽车购买力 当人均 达到1000美元时 汽车的千人拥有量将达到20辆 汽车生产进入高速增长期 2000年我国人均 超过830美元 按照发达国家的发展规律 十五 期间正是汽车大量进入家庭的时期 如果有1 的家庭买车 全国大约需要300 104辆 此时千人汽车保有量约25辆 需要充分利用ITS发挥道路的作用 交通治安案件和交通事故剧增 特别是盗 抢机动车的案件 据公安部门反映 93年以来 全国汽车被盗 被抢案件每年以26 的发案率递增 应用高科技技术实现对车辆的监控 可以有效的加强对车辆的调度管理及防盗防劫 车辆管理与监控的功能 1 车辆定位跟踪 出行路线的规划导航 实时定位跟踪车辆 对确定的起 终点 给出最佳行驶路线 2 信息查询 为用户提供旅游景点 宾馆 医院等地物的查询 3 调度指挥 监测车辆运行状况 进行管理 调度指挥 与移动目标通话 4 紧急援助 对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助 车辆定位导航的主要技术 1 全球定位系统GPS 是当前车辆定位导航的主流 2 惯性导航系统INS InertialNavigationSystem 由加速度计和陀螺仪组成 速率高 精度高 但有误差积累效应 3 航迹推算 自律 DR DeadReckoning 利用罗盘仪 速率仪 里程仪 转速计 测出车辆的距离 速度和方位 同样有累积误差 4 地图匹配MM MapMatching 用数字地图 DM 辅助导航 提供精确的定位信息 5 地面无线电传呼TRF TerrainRadioFrequency 使用运行区域内的信号标杆接收无线电频率信号 确定车辆的具体位置平 6 信号杆SP SignalPole 利用道路上的红外线 微波 RF仪器 接收车辆信号 从而确定车辆位置 定位导航在高速行驶的动态环境中定位 注意对多普勒频移的估算方法 应选用12通道的多通道接收机 接收的卫星数目增加1倍 定位噪声就会降低3 从而提高定位精度 天线应选用有前置低放大器和变频级的有源天线 以提高增益 惯性导航采用陀螺仪 加速度传感器等设备 以陀螺仪确定检测基准平面 以加速度积分求得速度 再积分求得位移 从而定位 优点 不依赖地面设备 又有基准参考平面 可以确定加速度 速度 位移 方向等多种参数 缺点 陀螺仪价格昂贵 多次积分运算误差大 累计误差更大 航迹推算 自律导航 在隧道 高层楼群等地段行驶时 汽车与卫星失去联系 可用传感器检测出车速 通过运算直接求出行驶的距离 汽车在高速行驶时轮胎会变形 用转速求出的距离有误差 应进行修正 为确定汽车的位置 还须用陀螺测量汽车的运动方向和角速度 由于使用了多种传感器 在系统中对各种传感器的数据进行融合 融合成综合的表达式 进行计算 这就是推算定位法 当 信号质量较好时 可以 信号和推算定位信息的差值 送至卡尔曼滤波器中 估算出推算定位的误差 加以修正 当 信号被遮挡后 系统会自动进入推算 GPS INS DR DM合定位导航基于GPS INS DR DM的车辆定位导航技术 是一种集GPS跟踪定位 地图匹配 显示和自主导航 INS或DR 于一体的信息融合技术 该系统能够有效地实现车辆监控和调度 还可用于安全报警等 汽车定位导航系统 监控中心 监控服务器 通信模块 Agent 1 与短消息网关 或GPRS通讯网关 进行数据交换 2 从短消息中提取车台发来的信息 将监控终端下发的命令格式转换成短消息格式 3 采用TCP IP协议 完成与PE之间的数据交换 PE解释程序模块 车载终端与监控服务系统之间协议及数据格式的转换 监控终端接口功能模块完成车载终端与监控终端的交互 监控终端 接收和处理监控服务器返回的定位信息 并在GIS电子地图上实时显示车辆的当前位置 状态等信息 实现车辆的定位监控 实现车辆的指挥调度 救援 各项数据的查询 统计等 GIS功能模块 1 地图操作 2 地图量算 3 地图选择等 安全监控模块 对车辆进行监控 如报警信息等 以保障车辆的安全 1 监控管理 车辆的呼叫 点名 轮询 重点监控 2 区域设防 车辆矩形报警区域的设置 电子栅栏的设置 3 偏航设防 车辆偏航报警路线的设置 车台 车载台 设置及控制模块对车台参数进行系统的设置和对车辆的控制 它包含两个子模块 1 车台设置 包括通话设置 预置短消息 设置密码 号码设置 2 车辆控制 包括断油 断电 监听 车载导航系统 车载台 车载终端 GPS模块GM X205 GeneralL1frequency C Acode 12 channelUpdateRate1HzAccuracyPosition 25mwithoutS AVelocity 0 1 secwithoutS AAcquisitionColdstart 90secWarmstart 40secHotstart 15secReacquisition 100msecVelocity 500m secOperationTemperature 20 to 75 OperatingHumidity5 to95 PrimaryPower 3 8V 8VDCPowerConsumption105mAPCInterfaceRS232ProtocolNMEA0183WGS 84GGA GLL GSA GSV RMC andVTGAntennaBuilt inpatchWeight115g GPS模块GM X205 续 GSM模块 西门子TC35 TC35的基本性能参数TC35的主要特性与技术指标包括以下几点 具体见表1 1 频带 双频EGSM900和GSM1800 GSMPhone2 2 支持数据 语音 短消息和传真 3 高集成度 5415mm 36mm 6185mm 4 重量 18g 5 电源电压 单一电压313 515V 6 波特率 可选300bps 115kbps 自动418 115kbps 7 电流消耗 空闲小于315mA 语音300mA 8 温度范围 正常操作 20 55 存放 30 85 9 SIM电压 3V 118V TC35的数据格式短消息的控制模式 Block 基于AT命令的PDU 基于AT命令的Text AT命令参数命令行以 AT 开始 以回车结束 命令集形式 AT命令格式测试命令AT CXXX 读命令AT CXXX 写命令AT CXXX 执行命令AT CXXX SMS有关的GSMAT指令AT指令功能AT CMGC发出一条短消息命令AT CMGD删除SIM卡内存的短消息AT CMGF选择短消息信息格式 0 PDU 1 文本AT CMGL列出SIM卡中的短消息AT CMGR读短消息AT CMGS发送短消息AT CMGW向SIM内存中写入待发的短消息AT CMSS从SIN M内存中发送短消息AT CNMI显示新收到的短消息AT CPMS选择短消息内存AT CSCA短消息中心地址AT CSCB选择蜂窝广播消息AT CSMP设置短消息文本模式参数AT CSMS选择短消息服务 车载导航系统软件框图 坐标变换与地图匹配GPS定位数据采用美国国防部研制的WGS 84坐标系 国内地图绘制一般为54北京坐标系或1980西安坐标系的高斯平面投影 因此 要准确的在电子地图上显示GPS定位点 就必须进行坐标投影变换 常用坐标系在GPS的测量与应用中 通常采用的坐标系统有两大类 地球坐标系和天球坐标系 常用坐标系地球坐标系 随同地球自转 可看作固定在地球上的坐标系 天球坐标系 以天体为参考 与地球自转无关 方便描述卫星的运行 地球坐标系又分为 地心坐标系参心坐标系地心坐标系 又有两种表示法 地心空间直角坐标系地心大地坐标系 地心坐标系以地球质心为原点 1 地心空间直角坐标系原点与地球质心重合 Z轴指向北极 X轴指向格林维治子午面与地球赤道的交点E Y轴按右手螺旋法则垂直于XOZ平面 是一个与地球表明无关的坐标系 2 地心大地坐标系地球椭球中心与地球质心相重合 椭球短轴与地球自转轴相重合 大地纬度B为过空间点P的椭球面法线与椭球赤道面XOY的夹角 大地经度L为过地面的椭球子午面ZOP与格林尼治子午面ZOX之间的夹角 大地高度H为过P点的椭球面法线上自椭球面至P点的距离 以远离椭球面中心的方向为正 参心坐标系大地测量常选取一参考椭球作为基本参考面 但参考椭球的中心一般与地球质心不重合 这种参考椭球原点位于地球质心附近的坐标系 通常称为地球参心坐标系或简称参心坐标系 它也分为参心空间直角坐标系和参心大地坐标系 分别与地心空间直角坐标系 地心大地坐标系相类似 WGS 84坐标系WGS 84是地心大地坐标系 其坐标系定义和采用的椭球参数为 坐标系的原点在地球质心 Z轴指向BIH1984 0 国际时间局 1984年 定义的CTP 协议地球极 方向 X轴指向BIH1984 0的零度子午面与CTP赤道的交点 Y轴与ZX轴构成右手坐标系 其主要参数如下 1 长半轴 2 地球 含大气层 引力常数 3 正常二阶带谐系数 4 地球自转角速度 可计算出WGS 84椭球的扁率为 我国大地坐标系我国常用的1954年北京坐标系和1980年西安坐标系均为参心坐标系 1 1954年北京坐标系BJ 54采用了原苏联的克拉索夫斯基椭球体 BJ 54坐标系的椭球参数是 长半轴为6378245 扁率为1 298 3 依据BJ 54坐标系进行测绘 存在一些问题 1 参考椭球仅有两个参数 且长轴误差较大 2 椭球的基准轴定向不明确 3 椭球面与我国大地水准面不吻合 东部高程异常达 65 4 点位坐标的精度不高 且不均匀 因此 重新建立一个更科学 先进的新坐标系是十分必要的 1980年西安坐标系原点位于陕西泾阳县永乐镇 椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会推荐值 椭球长半轴 重力场二阶带谐系数 地心引力常数 地球自转角速度 这个坐标系与原北京54坐标系仅仅是椭球几何参数相同 而定位和定向均与1980西安坐标系相同 因此 新1954北京坐标系的精度和1980年坐标系精度相同 而坐标值与旧1954年北京坐标系的坐标接近 投影变换上述各种地理坐标是一种球面坐标 为建立各种比例尺的地图 需要将椭球面上各点按照一定的规律投影到平面上 建立地球表面和平面上点的函数关系 常采用的是高斯 克吕格投影 高斯投影的基本原理是 用一个椭圆柱横套在地球椭球外面 并与某一个子午线相切 此子午线称为中央子午线 椭圆柱中心轴通过地球椭球中心 将中央子午线两侧一定经差 例如3 或1 5 等 范围内的椭球面正形投影到椭圆柱面上 然后将椭圆柱面沿着通过南极和北极的母线展开 即成高斯投影平面 在此平面上 以中央子午线的投影为纵坐标轴轴 赤道的投影为横坐标轴轴 它们的交点为原点 于是构成高斯 克吕格平面直角坐标系 我国所属投影带范围分别是 6 带 n 13至 n 23 3 带 n 24至n 45 地图匹配算法将GPS定位测得的位置 与电子地图数据相比较 匹配 计算出在地图上的位置 两个前提 第一 用于匹配的数字地图精度较高 主要是电子地图的道路网的地理位置要准确 第二 假设车辆行驶在道路上 电子地图数据库电子地图数据库是定位与导航的参照标准 矢量地图存于光盘中 便于计算机检索 同时将属性数据 道路类型 街道名称 路口 联通性 各种标志等 用数字形式编译成文件 一张 光盘可以存4000万个街道 电子地图还可由平面图到鸟瞰图的转换 可实现汽车周围360 的了望功能 司机在一张地图上可以看到6000 以上的道路地全貌 对于路径引导 需要先进行路径规划 将车辆位置作为时间的函数 不断与路径规划提供的最佳路线作比较 向司机发出信息 应和交通信息通信系统联网 获得交通道路堵塞信息 选择最佳行驶路线 最短距离 最少时间 最少收费路口等 进行最优化设计和动态实时更新信息 从而解决交通拥堵问题 设备举例车载终端设备由GPS接收机及天线 GSM通讯机及天线和报警开关 液晶显示屏 车载控制显示单元 通话手柄 输入 输出接口等组成 设备功能 接收GPS卫星定位数据 并通过GSM网络的SMS将数据发送到监控中心 液晶屏显示相关信息 全中文显示 接收 显示中文短信息 并储存中文短信息 可预置一到三个监控中心号码 将定位数据分别发送至指定的监控中心 在报警情况下 向监控中心发送报警信息 车辆管理监控信息系统 移动单元 MU 中央控制单元 CCU 含监控平台 在中央控制单元的控制下 移动单元把信息编码发往监控中心 中央控制单元负责控制整个无线通讯网的运行 接收移动单元传来的信息 并把信息送进监控平台 监控平台则是主要以电子地图为基础数据库的监视和控制操作平台 监控中心监控中心主要由中心电台 中央数传控制器 监控操作台等组成 中心电台通过高增益的中心站天线与移动单元进行通讯 所收到的数据通过调制解调器送到数传中央处理机 数传中央处理机把信息解码后送到监视操作台 中心GPS接收机实现差分GPS DGPS 利用已知的精密坐标计算出基准站到卫星的伪距改正数 然后把伪距改正数送到监视操作台 监视操作台利用这些数据对移动单元的定位信息进行差分计算 最后求出移动单元的精密位置 在基准站的地心坐标精度为0 1米的情况下 移动单元的定位精度校准到10米 监控操作台设计监控软件平台为WindowsNT GIS系统是专门针对GPS交通车辆监控的特性开发的 以满足GPS数据的处理速度 使用矢量化的电子地图 电子地图背景配置操作方便 移动单元实时显示在地图背景上 采用分布式结构 以便并行处理突发事件 同时多操作台的环境可以分别显示各个不同的画面 可以看到多个细节画面 福建省公众GPS车辆定位服务系统将GSM全球数字蜂窝移动通信技术 GPS导航星全球定位技