GPS预警系统的设计与实现

GPS预警系统的设计与实现

1概述

随着我国私人汽车保有量的增长及用途的转变，人们越来越注重对自身利益的保护。中

国加入WTO后，由于汽车进口关税下降，轿车售价随之降低，市场需求更加旺盛。据统计，

目前我国私人汽车市场保有量已超过1000万量。同时，随着私人汽车用途的转移及交通设

施的改进，有车族进行中短途的商业旅行和假日旅游日渐增多，交通安全这个课题越来越受

到人们的关注。

由于目前大城市的主要大街上电子眼密布，特别是一些道路设计得不太合理，稍有不慎

就会收到罚单。高速公路上，一不留神就容易遭遇“超速”罚单。对于小心谨慎、遵守交通

规则的车主，在情况不明的道路上，一下子速度没有控制下来，就很有可能会超速违章，这

种诚惶诚恐的心理，反而容易影响司机注意力，不利于交通安全。而有的地方最低和最高限

速标识也不太清楚，如果不仔细注意，就极易遭遇罚单。

车载预警系统可以为私人汽车车主提供丰富的增值服务，在行驶中及时提醒司机前方路

况信息，同时也让驾驶者强化了安全行车的意识，减少了人们乱超速、乱行车道的习惯。根

据计世资讯(CCWResearch)最新研究报告表明，2006-2009年中国汽车GPS市场年增长率将

超过50%，预计到2009年，由于导航卫星、车载导航设备商业化应用环境以及卫星导航应

用标准的成熟，GPS车载系统将被消费者更加广泛地接受，产品价格也会逐步下降，市场

规模将不断扩大，2009年中国汽车GPS车载终端的销售额将接近100亿元，具有极为广阔

的发展前景[1]。

2基于GPS的定位

GPS即全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国从20世纪70年代开始研制，

历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维

导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经我国测绘等部门的使用表明，GPS以全

天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于

大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、

资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

2.1定位原理

GPS系统的定位原理和过程可以简述如下：在一个立体直角坐标系中，任何一个点的

位置都可以通过三个坐标数据X、Y、Z来得到确定。如果能测得某未知点与其他三点（A、

B、C）的距离，并确知A、B、C三点的坐标，就可以建立起一个三元方程组，解出该未知

点的坐标数据，从而得到该点的确切位置。GPS就是根据这一原理，在太空中建立了一个

由24颗卫星所组成的卫星网络，通过对卫星轨道分布的合理化设计，用户在地球的任何一

个位置都可以观测到至少三颗卫星，只要测得与它们的距离，就可以解算出自身的坐标。

GPS是在卫星和用户机上各安装一个时钟，并在卫星发送的测距信号中包含发送时的

时间信息。这样，用户机在接收到测距信号后，只要与自身时钟的时间对比，就可以获得发

送时间与接收时间的时差，再乘以光速，就可以得到与卫星的距离了。但在实际应用中，这

个做法仍有缺陷。由于用户机受空间和能源的限制，只能采用精度较差的石英钟，因此，不

可能做到与卫星时钟的完全同步，这样测量出来的时间差和由此所计算得出的距离必然会有

较大的误差。为消除这一误差，GPS测距时同时接收4颗卫星的信号，从而把时钟差也作

为一个未知数，与坐标共同组成一个四元方程组，与坐标一齐解算出来，从而保证了相当高

的定位精度。

由定位原理和过程可见，在GPS系统中，卫星只起到广播测距信号的作用，用户机根

据接收到的测距信号自主解算坐标。该系统是一个开放系统，可容纳的用户机数量不受限制。

同时由于用户机只接收信号，不需要发射信号，因此，它的定位保密性强。这两点对于在军

事上的应用尤其有价值[2]。

2.2GPS典型应用

GPS定位中的静态定位主要应用领域是建筑物施工中的位置及高程监测以及测绘、测

量等，可达到提高精度、加快进度、减少工作量的目的。动态定位主要用于拟监测的移动目

标上，功能上分为调度指挥，安全防盗等系统。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网

络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理的许多功能。GPS预

警系统可以实现交通信号灯，加油站等交通安全警示等等。

3嵌入式车载设备

嵌入式车载导航仪(EmbeddedNavigationDevice)，是一种利用全球定位系统GPS技术和

现代微处理器技术构成的辅助汽车定位、导航、预警的智能设备[3]。

3.1GPS一体机构成

嵌入式车载预警系统从软、硬件角度来看一般可以划分成四个部分，即预警应用系统、

嵌入式图形界面、嵌入式操作系统和嵌入式硬件平台(详细请参见原理框架图3-1)。预警系

统位干嵌入式车载导航系统软件部分的最高层，是人机交互的主要窗口，主要负责预警信息

的处理、GPS定位信息的处理、实时预警功能的实现等。

3.2预警系统机制

嵌入式车载导航仪的工作流程是:首先由GPS接收模块、获得自身所处的地理位置信息

(例如当前的经度、纬度、高度和速度等)，然后通过对内置Flash存储体的控制(读取大量的

预存地图)，准确计算出地理位置信息，并通过通信接口，如典型的通用异步通信接口(UART)

向处理器模块提供定位信息，由预警系统分析处理定位信息并且比对当前的预警数据，再由

TFT彩色液晶屏上显示出来。

4GPS预警系统设计

图4-1说明了本系统的体系结构，本系统分为三层：显示层、领域层和持久层。其中显

示层分别于实际用户和第三方进行交互，领域层分为五个模块：实现时间显示、方向导航、

探测点预警、时速显示、第三方探测点数据管理。其中第三方探测点数据管理功能是只提供

给第三方地图厂商的功能，持久层用于实现数据的管理和维护。

图3-1预警系统原理框架图

图4-1预警系统体系结构图

4.1流程设计

中国(Nation)按经纬度平均分成四乘以六二十四块国家大区域(NationArea)，每个大区域

还有不同直辖市、省会城市及各省的地级市(City)，每个城市按经纬度平均分成十六乘以十

六二百五十六块城市辖区(CityDistrict)，每个城市辖区按三乘以三分成九块辖区领域

(DistrictZone)。流程如下：

1.GPS启动初始化，自动搜寻当前城市辖区，把城市辖区探测点的信息读入到内存。每

个城市辖区的九个辖区地域各有一个动态数组的对象，所存的信息为该地域探测点的信

息，包括探测点的限速、角度、名字等相关信息。

2.每两秒钟记录当前的点，计算实时的角度、速度或离探测点距离信息进行页面刷新。由

于当前GPS实时角度和速度信息存在着不稳定性，本系统采用的是取之前三个卫星数

据取平均数的方式来确定当前的速度和角度。

警区域的前方禁止右转的交通标示。

3.每六秒钟检查前方探测点信息，记录下一个该预警的探测点。

4.每一分钟检查运动轨迹，划分车辆前后区域。

5.每当用户开到边界临界区域，进行城市辖区的切换工作。

4.2算法设计

算法主要分为以下两个部分：

1.城市辖区算法

开机启动读出城市辖区的信息，当车辆开到城市辖区切换的临界区域时进行区域切换的

工作。由于从文件中读出城市辖区探测点数据的时间花费将近一分钟，所以临界区域为限速

速度乘以时间间隔

临界距离=120/3.6*60=2000(m)（1）

图4-2预警系统流程示意图

本系统采用的是数据形式为ddd.ddddd，在北京，纬度最后一位小数增1，实际走了大

约1.1M；经度最后一位小数增1，实际走了大约0.85M。

临界经纬度=2000/0.85=2352.xxxx（2）

当前的经纬度距离城市辖区的边界相差约为0.025的时候，进行切换的操作，下个城市

辖区的确定根据汽车的运动趋势确定。城市辖区的切换也由从边缘小区开始一直替换到当前

的所在城市辖区。

2.辖区领域算法

根据一分钟之内的运动轨迹的变化（如转弯等），进行前方（如图4-2红色区域）、后

方（如图4-2绿色区域）预警范围的划分。由于行驶车辆无需预警检查车后的点，所以前后

方区域的划分有利于提高预警的效率。如果一分钟之内的角度变化大于四十五度，即车辆之

前已经转弯，系统读入当前辖区领域所有的探测点进行重新分析。

4.3软件设计

本系统采用的Façade的设计模式，将页面显示和预警子系统隔离开来。设计模式的结

构图如4-3所示，系统通过AutoNavigation类来维护页面显示情况，通过FileOperation类操

作数据。Façade不仅可以用来封装系统，也可以减少GUI需要调用处理的对象个数。

预警系统的软件系统用例图如下所示，预警系统主要实现三个功能模块：探测点预警模

块、时速预警模块、以及方向导航模块。

图4-4用例图

图4-3设计模式结构图

探测点预警模块主要根据当前车辆的经纬度信息，查询当前区域该预警的探测点。探测

点预警每六秒钟促发，定位当前经纬度信息所在城市、城市区域以及区域辖区。在辖区

内的探测点进行查询比对，得到当前该预警的探测点信息。

时速预警每两秒钟促发，根据当前车辆的行驶速度进行分析预警的模块，显示当前的速

度并进行高速预警，提醒司机注意行车安全。

方向导航每两秒钟促发，更新显示当前行车的角度，可以帮组司机辨认方向正确驾驶，

下图为方向导航的UML序列图。

图4-5方向导航序列图

4.4测试

我们采集了北京交通信号灯703个点进行数据的分析，其中测试所位于的区域如下表所

示。测试流程从北京北三环由西（39.966334，116.341）往东开（39.966334，116.4286），

角度90，速度80公里/小时，如图4-3所示，测试程序模拟目标车辆从图中轿车标示开到图

中民警标示处，图中的黄色图钉代表着实际的预警点。

4-5Googleearth测试环境示意图

4.4.1测试版本说明

表4-1测试版本

版本版本概述

Demo1.0城市按照4*4进行分区。

Demo1.1城市按照4*4进行分区，当前城市ID优先判断。

Demo1.2城市按照16*16进行分区，当前城市ID优先判断。

Demo1.3城市按照16*16进行分区，当前城市ID优先判断，当前城市辖区ID优先

判断，文件I/O纬度优先，多任务处理模式。

分区是把城市按行政版图等分成若干个城市辖区，当前城市ID优先判断指的是记录当

前城市的ID，对当前城市进行优先判断。在汽车出现在该城市的范围内，不用再为其进行

城市定位。由于大部分时间汽车会在一个城市行驶，当前城市ID进行优先判断能提高查询

的效率。当前城市辖区ID优先判断同上，文件I/O纬度优先是把当前城市的探测点信息在

存储的xml文件中进行纬度优先的排序，在探测点的查询匹配中进行折半查询的方法提高查

询效率。多任务处理模式为按任务的模式进行两秒钟更新页面、六秒钟查询下个探测点、六

十秒钟进行车前车后探测点划分多任务多线程模式执行程序。

4.4.2测试环境

本测试所搭建的测试平台如下

表4-2测试GPS一体机参数

型号发现者GPS(GP-190)

CPUAtlasII300MHz

操作系统MicrosoftWinCE.NET5.0CoreVersion

GPS天线嵌入式高灵敏度GPS接收器；双重天线

设计，带有外接天线插口；32bitRISC

CPUSIGECHIPSET

处理器类型Centrality,ARM926

内存46036KBRAM

表4-3功能测试结果

4.4.3功能测试

功能测试结果如表4-3所示，在开发过程四个版本中已成功实现预警，但早期的版本的

版本城市区

域ID

城市区域

探测点数

目

辖区领域

ID

辖区领域探

测点数目

是否

预警

需预警

个数

实际预

警个数

Demo1.07698无无是92

Demo1.17698无无是93

Demo1.289,90315,344无无是96

Demo1.389,90315,3448,6,7,8237,134,106,

101

是99

实际预警效果不是很好，原因是由于算法和数据结构没有得到充分的优化，各版本之间的差

异和运行的效果在性能测试中得到应有的体现。

4.4.4性能测试

性能测试如表4-4所示，性能测试主要涉及到初始化时间和查询时间。初始化时间是系

统进行搜寻卫星以及根据当前卫星信号定位车辆的时间，查询时间是在定位之后对所在区域

探测点信息查询预警时所花的时间。从表里可以清楚地看到，系统版本在更新中效率和实用

性得到不断地提升，Demo1.4已经可以达到实时快速预警的要求。

表4-4性能测试结果

版本初始化时间(s)查询时间(s)查询效率提高

（较上个版本）

实时信息显示

（速度、角度）

Demo1.06044-60无否

Demo1.16012-16267%-275%否

Demo1.22710-1220%-33%否

Demo1.3301-2500%-900%是

5.总结

本文设计实现了GPS预警系统，详细说明了系统的体系结构和各模块组成，并且比较

了GPS预警的几种算法的效率情况。试验表明：本系统可以完全满足GPS实时预警的要求，

具有良好的准确性、拓展性和实时性，适合各种车载终端。在后期的工作中将继续研究预警

的算法优化以及GPS串口的共享，实现与导航软件的并行使用。

参考文献

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[2]张雪冬，刘颖.基于卫星的定位过程方法研究.鞍山科技大学学报，2007，（8）：30-4.

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[4]锁珊珊.GUI在嵌入式车载导航仪中的应用.开发研究与设计技术，文章编号：1009-3044（2007）

14-30466-02

GPSearlywarningsystemdesignanddevelopment

MoJiajun1,SongMaoqiang