gps 智能车辆监控系统

中国科技大学硕士论文致谢致谢本文是在我的导师鲍远律教授的精心指导下完成的。从系统的总体设计，到具体的细节诸如硬件电路的细节处理、程序的设计，鲍老师都给予了耐心的指导。鲍老师严谨的治学态度、渊博的知识、开明的工作作风、丰富的实践经验、诲人不倦的精神给我留下了深刻的印象。我有这样一位好老师将使我终生受益。我衷心地感谢我的老师。王跃明同学在单片机系统设计和程序设计方面给予了无私的帮助，在此特别表示感谢。另外，还要感谢班主任奚宏生老师以及徐明松、张淑梅等老师在三年中在各方面给予我的支持。感谢中国科大给予我人生中第二此求学的机会。史久根2000年4月I中国科技大学硕士论文摘要摘要GPS是美国经历20多年研究开发的全球卫星定位系统，它为全球用户提供了连续的、高精度的三维位置、三维速度及定时信息。近几年来，基于GPS技术的车辆导航及监控技术的研究和开发在我国正在深入进行。合肥市GPS智能车辆监控示范系统GPSIVMS，融合了三大关键技术GPS全球定位技术、无线通信网组网技术和地理信息系统GIS。GPSIVMS具有监控、报警以及调度等基本功能，其组成包括监控中心（MC）、若干移动单元（MS）以及连接MS和MC的无线移动通信链路。作者在开发合肥市GPS智能监控示范系统的实践中,为了解决系统对服务范围的局限以及容量和巡检速度的矛盾，提出了多服务区的GPS智能车辆监控系统的设计方案。引入了服务区分区的概念，并根据车辆监控的特点和要求，借鉴OSI开放系统层次模型，设计了GPSIVMS的移动通信协议。最后，在文中还讨论了系统引入扩频通信的设想。关键字全球卫星定位，车辆监控，小区制移动通信，越区切换，通信协议，时分多址。II中国科技大学硕士论文ABSTRACTABSTRACTGPSISTHEGLOBALPOSITIONINGSYSTEMWHICHWASINITIATEDINTHEUNITEDSTATES,ANDHASBEENCARRIEDOUTFOROVER20YEARSITPROVIDESUSERSWITHDYNAMICANDHIGHPRECISEINFORMATIONOFOBJECTSTHREEDIMENSIONPOSITION,THREEDIMENSIONVELOCITYANDTIMEINRECENTYEARS,THEVEHICULARNAVIGATINGANDMONITORINGSYSTEMBASEDONGPSHASBEENSTUDYINGANDDEVELOPINGINCHINATHEGPSINTELLIGENTVEHICLEMONITORINGSYSTEMOFHEFEIHASEMPLOYEDTHREEKEYTECHNOLOGIESGPSGLOBALPOSITIONINGTECHNOLOGY,WIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGYANDGEOGRAPHYINFORMATIONSYSTEMGISWITHTHEBASICFUNCTIONSSUCHASMONITORING,ALARMINGANDDISPATCH,ITISCOMPOSEDOFTHEMOVINGPARTSININDIVIDUALCARS,ANDTHEFIXEDPARTINTHEMONITORANDCONTROLCENTER,ANDTHETWOPARTSARELINKEDWITHASPECIALRADIOCHANNELWHENDEVELOPINGTHEGPSINTELLIGENTVEHICLEMONITORINGSYSTEMOFHEFEI,WRITERFOUNDTHELIMITATIONOFSERVICEZONEANDTHECONTRADICTIONBETWEENTHESYSTEMCAPACITYANDITSMONITORINGSPEEDSOWEDESIGNEDTHESCHEMEOFTHEGPSINTELLIGENTVEHICLEMONITORINGSYSTEMWITHMULTISERVICEZONEUSINGTHEPRINCIPLEOFCELLULARCOMMUNICATIONANDUTILIZINGTHEIDEAOFLEVELMODULEINOSIOPENSYSTEM,WEDESIGNEDOUROWNCOMMUNICATIONPROTOCOLBASEDONTHECHARACTERISTICANDSPECIALREQUESTOFVEHICLEMONITORINGWEALSOFORESEETHEPOSSIBLEAPPLICATIONOFDIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUMCOMMUNICATIONINGPSIVMSKEYWORDSGLOBALPOSITIONINGSYSTEMGPS,VEHICULARMONITORINGSYSTEMVMS,CELLULARMOBILECOMMUNICATION,HANDOFF,COMMUNICATIONPROTOCOL,TIMEDIVISIONMULTIPLEACCESSTDMAIII中国科技大学硕士论文目录目录致谢I摘要II目录IV第1章前言111应用背景1111GPS全球定位系统在各个方面的应用1112国外GPS车控系统发展概述1113国内GPS车控系统的发展情况1114基于GPS技术的车辆监控系统概述及其发展趋势212论文安排及具体工作5第2章GPS全球定位系统10621星座部分622地面监控部分723用户部分7第3章合肥市GPS智能车辆监控示范系统831中心站部分9311监控中心的物理构成9312监控中心的软件构成及其主要功能1032移动单元部分1433无线通信链路部分15331大区制通信系统的构成15332时分多址技术16333通信协议16334通信协议的实现22第4章多服务区的联网车辆监控系统的设计2441问题的提出2442蜂窝无线移动通信网体系2543多服务区GPS联网车辆监控系统的无线通信系统的设计思路28431车辆监控小区制无线通信系统的设计思路28432联网车辆监控系统的小区制通信系统的物理构成30433联网车辆监控系统的小区制通信系统的通信协议的设计3044多服务区GPS联网车辆监控系统的无线通信系统的实现31IV中国科技大学硕士论文目录441实现方法1由移动单元控制切换32442实现方法2（由中心控制站决定切换）35443基站和中心站之间的通信38444车辆监控小区制移动通信系统小结3945多服务区的GPS智能车辆监控系统的构成41第5章在GPS智能车辆监控系统扩频通信技术的应用43结束语46参考文献47V中国科技大学硕士论文前言第1章前言11应用背景111GPS全球定位系统在各个方面的应用GPS是英文NAVIGATIONSATELLITETIMINGANDRANGING/GLOBALPOSITIONINGSYSTEM的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是利用导航卫星进行定时和测距的全球定位系统。从GPS的提出到1993年建成，经历了20年。实践证明，GPS对人类活动影响极大，应用价值极高，所以得到美国政府和军队的重视，不惜投资300亿美圆来建立这一工程。它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大的空间计划。现在，GPS技术已发展成为多领域（如陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、RGPS、LADGPS、WADGPS、WWDGPS）、多用途（如在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、资源调查、海洋开发、交通管制等）、多机型（如测地型、定时型、全站型、手持型、车载式、星载式、船载式、弹载式）的高新技术的国际性产业。它从根本上解决了人类在地球上的导航定位问题，可以满足不同用户的需要。112国外GPS车控系统发展概述从1994年以来，各发达国家的主要生产商都加快了汽车导航系统研制开发的速度。以欧洲为例，德国的奔驰和宝马公司、法国的雷诺公司都宣布将在高档轿车上安装导航系统。除了车辆自定位之外，各国都推出了车辆跟踪调度管理系统，它采用现代信息技术、通信技术、定位技术、控制技术，大大地提高了公路交通的效率和安全性，改善了环境，为现代信息社会提供了准确、迅捷的出行服务。113国内GPS车控系统的发展情况从1986年总参测绘局和国家测绘局分别开始引进测绘专用GPS接收机以来，我国GPS应用已有14年的历史了。但直到近几年来，以军事应用为先导，测绘1中国科技大学硕士论文前言应用为基础，各行业应用为主体，才掀起了我国GPS应用史上第一个小小的高潮。航空导航是用户最少而技术要求最高的一个领域。目前投入资金相对最多，已经涌现出一些达到世界先进水平的科研成果。航运导航是用户较多而且目前使用较普遍的一个领域。无论是航海型接收机还是国产监控系统，均有少量产品可供用户选择。如长城计算机通用集成技术公司研制的“长城海防GPS指挥系统”经过电子部鉴定、用户实践考验认可，已在海南、浙江、福建的海岸警备部队使用。利用GPS技术的汽车导航是市场最大、起点最低、基础研究工作最薄弱的一个领域。目前急需适合国情的车载自导航设备、集中式信息发布和调度指挥系统，其市场突破口应该在占保有量34的32万辆特殊车辆方面。但目前没有一批可供用户选择的经过实践考验的成果。目前使用车载GPS接收机进行自定位的车辆很少，估计只能数以百计，大量公司开发的热点集中在对特种车辆的监控调度系统上。特种车辆是我国车载GPS应用系统的突破点。有关部门强烈要求首先对运钞车、急救车、救火车、巡逻车、迎宾车等专门用途的车辆实现全程监控、引导和指挥，因此这方面最大的用户行业是银行和公安。国内许多公安局（如海南、武汉、沈阳、长春、大连、珠海、北京等）、保险公司（如中国人民保险公司、太平洋保险公司）和银行（如人行、工行、农行、建行、中行）都在动手列项目、做方案，研制GPS监控报警系统。城市交通管理时这几年是热门话题，各地的公交管理部门都在想尽办法利用高科技缓解交通拥挤问题，这使得GPS在车辆监控在城市交通方面的又一用途，如北京市公交总公司建立了以GPS卫星定位技术为基础的智能化调度系统。由此可见，GPS车辆导航是潜力最大、需求最迫切的已成熟市场。其需求分为两个层次，一是自主导航用的车载设备，二是中心式调度监控系统。鉴于GPS民用应用的国际大趋势、国内车辆导航系统的市场热点和薄弱点，科大GPS实验室在近几年中致力于符合国情的GPS车辆监控系统的研制和开发，得到了一些研究成果，达到目前国内先进水平。在GPS定位技术上充分融合先进的无线通讯技术和GIS技术，以无线通讯技术为研究课题，以求设计出具有一定先进性和实用性的GPS车辆监控系统。114基于GPS技术的车辆监控系统概述及其发展趋势GPS移动车辆监控系统由全球定位系统、车载移动单元和监控中心站三大部分组成，融合了三大关键技术GPS全球定位技术、无线通信网组网技术和地理信息系统GIS（包括电子地图自动生成平台和智能化车辆监控软件平台）。它具有监控、报警以及调度等基本功能。监控功能就是对移动车辆的实时状态（包括地理坐标、速度、方向等）进行跟踪，并能有效地控制车辆的一些具体状态，2中国科技大学硕士论文前言如熄火等。报警功能也是本系统的一项关键技术，是为移动车辆发生意外时而设置的。当被控车辆遇意外情况，如遭劫、车祸、车坏、迷路等，可以人控或由系统自动向监控中心发出报警信息。监控中心即锁定求助车辆此时的精确位置，并凭此给予及时的处理。调度功能是指监控中心可以根据系统提供的现场情况及实际需要通知驾驶员调整车辆的运行目的和路线等。如系统中有车辆被劫或需要帮助，即可根据车辆实际分布情况，通知相应车辆进行围堵或提供救助。或有目标地点有任务，可通知就近车辆前去执行。GPS车辆监控及导航系统包括监控中心（MONITORCENTER,MC）、若干车载移动设备MOBILESTATION，MS以及连接MS和MC的通信链路。监控中心面向监控操作人员，包括监控平台PC机、无线通讯卡、电台三部分。车载移动单元MS由车载电台、无线通讯卡、GPS接收机、报警装置等组成。其工作原理是MS通过GPS提供自身的实时信息经度、纬度、高度、速度等，并将这些实时信息数据打包，由数控单元调制后通过电台发送。监控中心接收到MS的信息后，由数控单元解调，分析处理后传至监控平台，显示在矢量化的电子地图上。监控操作人员亦可通过监控平台向MS发出监控命令。监控平台是以电子地图为基础的监视和控制操作平台，具有很方便的信息数据库和强大的电子地图操作功能。另外，当MS的报警装置被触发后，MS立刻向MC发送报警信息。车辆监控系统，其应用范围非常之广，它可应用于许多相关场合，陆地上可用于重要车辆的行驶安全；城市出租车、长途客车的调度、管理；铁路运营系统的调度、安全；公安系统警力调配。海上可用于船只调度与救难等等。衡量一个实际监控系统优劣的标准，首先要看系统的实用性、可靠性以及工程的实际造价等一般特性。对于车辆监控及导航系统，其主要的性能指标有以下几个方面。NULL监控的实时性。系统中所有被监控的车辆的实时定位信息都要及时地传到监控中心以便系统能实时地对系统中所有车辆进行监控。定义平均信息刷新频率FP为单位时间内（每秒内）系统寻检的车辆数，并定义系统平均寻检周期T为系统对每个移动单元遍历所需要的时间（T系统容量/FP）。很明显FP越大或T越短系统的实时性就越好。NULL报警反应的快速性。当车辆报警后，监控中心应该能够及时接收报警信号以便采取必要措施。定义从车载台报警开关触发到监控中心接收到报警信号的时间为报警反应时间TA（EMERGENCYALARMPERIOD）。报警反应时间越短则系统性能越好。NULL较高的系统容量。这有两层意思，其一是要求系统下层通讯网的实时性要好；其二是要上层监控平台的显示和处理速度要快，要能及时反映移动单元MS位置信息的变化。3中国科技大学硕士论文前言NULL在较恶劣的工作环境中系统有低的误码率。这里主要是环境中的电磁污染，如汽车火花塞产生的电磁干扰。NULL监控平台实时显示准确性。显示平台上，利用移动单元传来的实时信息，将被控车辆的轨迹显示在电子地图上。要使车辆的轨迹显示在道路等正确位置上，而非偏离正确的道路（如显示在路旁的河流或房屋上），就涉及到系统的可靠性。一，要求电子地图的可靠性（准确性）；二，车辆位置信息的准确性。NULL车辆实际行驶的轨迹不能在监控平台上正确地显示出来，主要有两方面的原因一个原因是GPS系统的定位误差。当未采用差分定位，且SA（选择性政策）有效时，定位误差可达100米左右；采用差分技术后，定位误差可低于10米。另一个原因就是电子地图的准确性。由于原始地图的误差、扫描仪扫描时的误差、矢量化的误差等，使得最终生成的电子地图与实际情况产生较大的偏差。因此在实际应用前，必须对电子地图进行校正，即用车辆在实际道路上行驶得到的定位数据来修正电子地图的误差。NULL系统对显示误差的实时校正能力。基于上述原因，显示的误差总是存在的。因此，必须对其进行动态地校正。在矢量化地图的基础上，我们研制了智能化的道路偏差自适应修正功能软件模块，根据移动车辆轨迹的历史数据以及道路信息，来实时校正显示误差，可以有效地修正美国政府人为设置的GPS随机定位偏差的影响，使移动单元的位置与电子地图道路之间达到很好的吻合效果。从而使得用户能方便准确地知道各移动目标的真实位置。NULL提供信息的丰富性。从监控平台角度来看，系统中应包含一个庞大的、丰富的、准确的数据库。这便于系统监控人员能够及时查看和了解被控车辆的属性（如车牌号、车型、颜色、驾驶员姓名、性别等）以及城市里的环境因素（如车站、码头、桥梁、渡口、学校、医院、党政机关、企事业单位、河流、公园等）。从而为监控人员提供辅助决策信息，更好地实现监控、调度功能力。目前，我们已经建成了合肥市GPS车辆监控示范系统，它是一个大区制系统，其服务区可以覆盖整个合肥市区。但是，由于大区制通信系统的局限性，要想再扩大服务区的范围，就比较困难。要想扩展服务范围，可以借用公用无线通信网。例如，利用GSM移动通信网，来传送GPS车辆监控信息，这很好地解决了我们现在系统的服务区的限制。但是，也存在一个问题，我们现有的专用无线通信网的快速通信体制不再使用，系统的实时性和可靠性就受到所借用的公用网的通信质量的限制。所以我们采用另一种解决方案，就是改造我们原有的无线通信网，使得服务区覆盖范围进一步扩大。基于这种情况，我们对基于小区制无线通信系统的联网监控系统进行了研发。4中国科技大学硕士论文前言12论文安排及具体工作NULL第1章绪论部分。NULL第2章GPS全球定位系统，简单介绍其构成和定位原理。NULL第3章GPS车辆监控系统，介绍基于大区制通信网的车辆监控系统的构成、实现主要功能和主要技术指标。NULL第4章GPS联网监控系统的设计。这是论文的主要部分。论述借用小区制蜂窝通信网的组网方式，根据GPS车辆监控的特点，自行设计了基于小区制无线通信网络的GPS车辆监控系统的组网方案。介绍了蜂窝式移动通信网的组网原理及其信令系统。我们根据GPS车辆监控的可获得移动单元精确的定位信息的特点，设计了以位置信息为越区切换标准的小区制无线通信网。根据车辆监控对通信网特殊要求，设计了自己的通信协议，实现系统有效的通信。并设计相应的硬、软件，实现通信协议。利用计算机网络实现各控制基站和监控中心之间的连接。NULL第5章在通信系统中利用扩频通信技术的设想5中国科技大学硕士论文GPS全球定位系统第2章GPS全球定位系统10GPSNAVIGATIONSATELLITETIMINGANDRANGING/GLOBALPOSITIONINGSYSTEM的字头缩写词ANVSTAR/GPS的简称是利用导航卫星进行定时和测距的全球定位系统。它是一种全天候的空基导航系统，用于精密定位、测速及提供精密时间。它可以看成是一种卫星从空间已知位置发射信号，用户接收信号测定到达卫星距离的测距系统。用户通过测量到四颗卫星的伪距，解算方程，即可求得用户在空间的三维位置和钟差四个未知数。空间系统（卫星星座）用户定位设备监控站监控站监控站监控站注入站主控站美国加州夏威夷阿拉斯加关岛22002300MHZL1157542MHZL212276MHZ22002300MHZ17501850MHZ图21GPS全球卫星定位系统21星座部分空间星座部分是由24颗卫星组成，均匀分布在6个倾角为55轨道平面上，其中三颗为有源在轨备用卫星。GPS卫星是由收发设备、操作系统和各种辅助设备、太阳能电池等组成。GPS卫星分5种类型，分别是BLOCKI、BLOCKII、BLOCKIIA、BLOCKIIR和BLOCKIIF。其中BLOCKI为实验卫星，BLOCKII、BLOCKIIA为工作卫星，BLOCKIIR为BLOCKII和BLOCKIIA的替补卫星，BLOCKIIF为下世纪初发射的下一代GPS卫星。为了测量卫星到用户接收机的伪距，GPS卫星发射三种伪随机码信号，即C/A码、P码和Y码，它们分别被调制在两个载频上发射。C/A码，初码/捕获码，为民间用户提供标种定位服务SPS；P码，精密码，为美国军方用户和特许的用户提供精密定位服务PPS。C/A码的设计精度为400米，但系统最后实验的定6中国科技大学硕士论文GPS全球定位系统位精度实际达到1540M，测速精度也达到每秒零点几米的数量级。这对于使用C/A码的民用用户来说定位精度太高，影响到美国自身的利益，于是美国政府对GPS应用采取SA政策。实施SA（SELECTIVEAVAILABILITY）政策，即在GPS卫星上采用一种技术，人为将误差引入卫星钟和导航数据，降低GPS精度，不能使一般民用用户利用C/A码获得高精度定位。在采用了SA技术后，定位精度降到在水平方向上100米、竖直方向上156米，测速精度降到03米/秒,定时精度为340NS。P码是保密码，但其编码方式业已公开。所以非特许用户可以利用P码来获得高精度定位。另一方面，敌方可以发射虚假的P码信号，进行电子欺骗，使得另一方用户不能使用P码或者使P码的定位精度下降。为了严格限制非特许用户盗用P码，消除利用P码进行电子欺骗，美国政府对GPS实施另一政策，在GPS卫星上采用AS技术，所谓AS技术就是将P码与高度机密的W码通过模二相加而得Y码，用Y码替代P码。22地面监控部分地面监控部分由一个主控站，五个全球检测站和三个地面控制站组成，它的任务是跟踪所有的卫星，进行卫星轨道参数和卫星钟钟差测定，并将预测轨道修正参数和各个卫星的钟差数据编排成电文注入卫星，它还有控制卫星飞行姿态，控制SA的大小和是否接通AS等功能。主控站拥有大型电子计算机，主要任务是采集数据、编辑导航电文、诊断功能及调整卫星。监控站装有精密的铯原子钟和能连续测量所有可见卫星伪距的接收机，对每一颗卫星进行常年观测。地面控制站的主要组成部分是地面天线。由主控站传来的卫星星历和钟参数经S波段的通信链路上行，分别注入经过观测站上空的各个卫星。23用户部分这是直接面向用户的部分。主要是指GPS接收机，也指与其它设备组合应用的组合设备、传感器。GPS接收机的主要任务是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的定位信息和观测量，并对数据处理、解算以完成定位工作。接收机因应用领域各异而品种繁多，包括军用品和民用品，有航空型、测量型、航海型、手持型、车载型、船载型、机载型、星载型、弹载型等。我们实验室研制的GPS车辆监控和导航系统中所用的导航定位仪就是其中一种。7中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统第3章合肥市GPS智能车辆监控示范系统GPS智能车辆监控系统分三部分组成监控中心站部分、移动单元部分（即车载台）及连接二者的通信链路组成。它融合了三大关键技术GPS全球定位技术、无线通信网组网技术和地理信息系统GIS。该系统硬件上由监控中心计算机阵列与全部移动车台构成；环境上由无线集群通讯网连接监控中心局域网形成；软件上由以向量地图GIS为基础的智能监控软件配以管理集群通讯信令、数传调制解调、传输卫星定位数据的汇编级软件集成。无线通信链路GPS卫星GPS卫星GPS卫星环绕地球的GPS卫星不停地对地面传播定位信息移动单元（MS）移动单元接收GPS定位信息，计算当前位置和状态，并通过数传控制单元由无线方式发给监控中心GPS接收机移动台数控单元电台监控中心（MC）1中央数传控制单元控制整个系统的数据快速传输，接收各个MS传来的信息并传给中央控制软件2中央监控台将MS的信息和GIS结合，提供一个完善的电子地图网络监控环境中央数控单元电台服务器报警平台1管理平台HUB报警平台2图311GPS车辆监控系统的构成利用GPS全球定位技术来获得移动车辆的三维位置、速度及精确时间信息。8中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统利用无线组网技术将移动单元、监控中心通过自行设计的无线通信网有机地联成整体。利用GIS技术来准确地显示移动单元的位置。移动单元数传控制单元将其接收到的GPS定位等信息编码传给基站的中央数传控制单元，中央数传控制单元接收到信息后，对数据做相应的处理后，再通过服务器串行口将其传给主控平台。主控平台将接收到的信息进行必要的处理并显示在GIS电子地图上，并且将用户的监控命令传给各移动单元。31中心站部分311监控中心的物理构成整个系统设一个监控中心。如图311所示，监控中心由多台连网计算机、中央数传控制单元以及电台等组成。其中一台微机作为服务器，通过中央数传控制单元和音频电台连接，接收各移动单元送来的监控数据，其他的微机分别装载管理平台及若干报警平台。这里介绍中央数传控制单元。如图312，在监控中心内，它与一音频电台相连，通过监控中心的高架天线和移动单元进行信息交换。中央数传控制单元采用了先进的同步时基控制协议，不但能同时接纳数百辆的移动单元入网，而且能以三十秒/百辆的高速巡视所有车辆。并在数百辆车同时在网内正常运行的情况下，任何一部车辆在按下报警按钮或报警线被破坏之后三秒钟之内监控中心就可以获得报警信息。MPU调制解调电台接口DCDC变换看门狗I/O模块PSD311监控中心计算机RS232电台图312中央数传控制单元的物理结构9中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统312监控中心的软件构成及其主要功能监控中心是一个多功能信息采集、管理、显示和辅助决策系统屏幕上以GIS向量地图为背景，实时显示、记录、回放移动车辆运行情况；可在服务器屏幕上对监控车辆动态编组，其余屏幕上可对不同区域或特定目标进行锁定式监控；可点放被监视目标及其所处环境的相关信息，允许高级别操作员增添新的资料；系统确保紧急报警信号优先监测、应急调出具有辅助决策功能的警情专用地图并以事故地点为中心放大该区域。下面我们就分别介绍其主要功能。一服务器和管理平台服务器是整个中央网络系统的信息中心。它与中央数传控制单元相连，通过中央数控单元，向移动单元发出各种控制指令。接收各个移动单元的信息并分发给与其相连的各个操作台。如图313所示，管理平台与监视操作台上安装有智能GIS系统，把层次丰富的矢量电子地图与GPS定位信息完美的结合在一起，使用户可以清晰的在地图上准确的找到各个移动单元的位置。当被监控车辆出现报警信息后，在预先设好的操作台上立刻会出现醒目的标志并启动智能判断模块以帮助用户作出相应的应急处理。另外，在管理平台上可以进行整个系统数据库的设置和维护工作。图313监控中心的管理平台10中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统二车辆轨迹的自校正（一）问题的提出美国政府对民用GPS采用SA政策造成民用GPS导航的位置信息存在100米的误差，另外我们所用的电子地图也存在误差，这就给移动单元的实时监控带来了问题。由于这两方面误差的存在，在监控中就不可避免地会出现这样的问题，即“车不在路上。”而造成“有时车在房子上，或者在水上行走。”的尴尬情况。这给监控人员带来了视觉上和心理上的负担。而且，当车行使在街道密集区，车辆所在的真实道路就很难判断。（二）问题的解决GPS提供给移动单元的定位信息有3，即车辆的位置、速度和方向。我们根据车辆轨迹和方向的连续性得出这样的常识性结论当车辆远离交叉路口时，它不可能从一条路“跳到”另一条路，并且连续2次从GPS信号得到的方向绝对差总小于一定量。对于GPS信号的误差存在，当车行使在道路上时，对于偶尔超过一定域值的较大偏离道路误差应该忽略。因此，要想解决上面的问题，就要结合车辆的动态信息和道路信息来综合考虑。按照上述的设计思想，我们通过对位置及车辆的方向进行滤波，并运用相应的的校正算法。通过校正算法的应用，在系统容量不太大的情况下，取得了较好的效果。三弹性编码作为一个车辆监控管理系统，当车辆出现异常时，应当得到处理中心的“重点照顾”；当确知某辆车不再受监控时，应将其剔除出巡检车辆名单中。只有这11图313弹性编码的输入窗口中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统样，系统才具有实用性。本系统中，采用主从结构的网络体系，车辆的巡检次序是通过中心基站主机来控制的。我们将系统中所有车辆根据实际需要分配一个优先级别，根据优先级别来设置最佳巡检次序。当车辆需要“特殊照顾”时，提高它的优先级别，使其与其他车辆相比具有更短的巡检周期；当车辆不再特殊时，恢复优先级原状。这就是我们所谓的“弹性编码”。图313即是弹性编码的输入窗口。从这里很容易看出系统中车辆的轮巡情况。四GIS部分13管理操作台与监视操作台上安装有智能GIS系统，把层次丰富的矢量电子地图与GPS定位信息完美的结合在一起，使用户可以清晰的在地图上准确的找到各个移动单元的位置。GIS部分以矢量电子地图为基础，将从各移动单元传来的移动单元的定位信息转换成矢量信息进行实时地显示，并将其存入矢量数据库。系统可以在需要的时候回放轨迹数据库即录象回放功能。（一）矢量库的输入图314是地图数据库的输入窗口。利用它很容易的进行点标志、路及区域数据库相关数据的输入。图314地图数据库的输入窗口12中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统（二）合肥市电子地图的形成我们现在能得到的合肥市地图，只能是市售的旅游图，它在出版时已经加进了人为的干扰。所以要用这样的地图来生成我们所需的符合我们监控要求的电子地图，需要做一定的工作。（1）从原始地图中提取我们所需要的道路、点及区域信息。将其转换成有一定要求的BMP文件的点阵图。（2）对录入的道路进行细化处理，也就是将录入组成道路的线的宽度通过图象的识别技术变成只有一个象素宽度的“严格的线”，以便进一步的处理。（3）对细化了的地图，进行矢量化处理。并且，加上对象的其他属性。即根据点阵图上的道路的位置信息，生成我们所需要的矢量库。这样就生成了电子地图的初稿。（4）这样生成的电子地图包含两方面的误差。一是所用原始地图所带入的误差；二是，我们进行上述的操作时，不可避免地又引进新的误差。所以我们必须对它进行校正。我们选取比较典型的一些路段，利用GPS数据采集器，记录它们的轨迹。利用这些轨迹数据对生成的电子地图进行有效地校正。利用这种方法，我们也加进了原始地图上所没有的道路。图315就是最后所生成的合肥市电子地图。图315合肥市矢量电子地图13中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统32移动单元部分GPS车辆监控系统的车载部分（移动单元，又称移动台）由移动单元数据传输控制单元、GPS接收机、GPS天线、音频电台和电台天线等组成。所有车载设备以牢靠的方式固定在车辆的隐蔽位置，并采取完全自动的工作方式。正常行驶时，车载数传控制单元（如图321）接收GPS导航定位信息，经过一定的处理并按照监控中心的命令，不停的把自己的位置和状态信息打包送、调制成音频信号通过电台送到监控中心并在地图上显示出来。当遇到紧急情况时，用户只需按下装在车上预定位置的按钮，报警信息就将以最快的方式传送到监控中心。如果报警线被破坏，车载部分亦将立即发出报警信号。MPU调制解调电台接口DCDC变换看门狗I/O模块PSD311GPS接收机RS232电台图331移动单元的数传控制单元14中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统33无线通信链路部分331大区制通信系统的构成无线通信网子系统是整个监控系统的连接纽带。它将系统的各个部分结合成一个整体，协调着各个部分的工作。无线通信网的结构是一个中心站和若干个移动单元组成大区制的移动通信系统如图331。调制解调数传控制单元见31和32节是组成通信网的关键部分。移动单元中心站图331大区制通信网中中心站和服务区内若干移动单元通信数传控制单元要实现系统的时分多址通讯、信息的调制和解调、数据暂存、电平转换、状态参数设置等功能。它的基本任务就是将数据信息调制成音频信号，再将音频信号送给电台进行二次调制并进行功率放大，然后通过天线发射出去。同时，它还要将从电台接收来的音频信号还原成数字信号，并进行相应的处理。这样就可以利用普通的音频电台进行数字信息的无线传输。从大区制移动通信网的构成可以看出，移动通信具有广播和大面积覆盖的特点。大区制移动通信系统由一个中心站和若干个移动单元组成。中心站和许多移动单元同时通信，而每个移动单元只供一个用户使用，是单路的。这样，基站的多路工作和移动单元的单路工作形成了移动通信的一大特点。本系统的移动通信网，使用单工音频电台，只能组成单信道半双工通信系统。但是一个基站同时要和多个移动单元进行通信。这就要利用移动通信中的多址技15中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统术。并且要使系统高效、有序的工作必须设计出适合本通信系统特点的通信协议。332时分多址技术目前移动通信中应用的多址方式有频分多址（FDMA）、时分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）以及它们的混合应用方式。一频分多址方式频分多址方式是将移动单元（移动台）发出的信息调制到移动通信频带内的不同载频位置上，这些载频在频率轴上分别排开，互不重叠。基站可以根据载波频率的不同来识别发射地址，从而完成多址连接。在频分多址方式中，N个波道在频率轴上严格分割，但在时间和空间上是重叠的，即满足IFJIDFFXFX01JJI（I，J1，2，N）331式中，和代表第I个和第J个波道的发射信号，接收端可以利用不同频率的滤波器选择出所需波道的信号。IXJX二时分多址方式在时分多址方式中，分配给各移动单元的不是一个特定的载波频率，而是一个特定的时隙。各移动单元只是在规定时隙内向基站发射信号（突发信号），基站接收这些顺序发来的突发信号。移动单元向基站周期地发射突发信号，在分配的时隙内到达基站，而不致互相干扰。基站正是利用这些信号在时间上的正交性ITJIDTTXTX01JJI（I，J1，2，N）332式中，为时隙长度，X和为第I个移动单元和第J个移动单元的突发信号。ITTITXJ本系统的无线通信网就是利用时分多址技术，将一个物理信道，分成多个逻辑信道。这些逻辑信道在时间域上是严格正交的。系统按照实际情况将这些逻辑信道分配给不同的单元，以完成系统内的相互通信。333通信协议在通信网络中，各个实体间进行数据交换。一般说来，实体是能发送和接收信息的任何实体。两个实体要想实现通信，它们必须具有相同的语言，交流什么、怎样交流及何时交流都必须遵从一定的规则。这些规则的集合就是协议（PROTOCOL）。由于不同系统中各实体的任务和实体间通信十分复杂，相互不可能16中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统作为一个整体来处理。一般采用结构化的设计和实现技术，即采用分层或层次结构的协议集合来实现。国际标准化组织ISO（INTERNATIONALSTANDARDORGANIZATION）在1977年提出了开放系统互联OSI（OPENSYSTEMINTERCONNECTION）参考模型，它是一个定义异种计算机连接标准的框架结构。OSI为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础。所谓“开放”是指任何两个系统只要遵守参考模型和有关标准，都能够进行互联。OSI采用了层次化结构的构造技术。协议的任务就是定义一组层次和每一层所完成的功能和服务；层次的划分应当从逻辑上将功能分组，层次应该足够的多，应使每一层小到易于管理的程度，但也不能太多，否则汇集各层的处理开销太大。OSI参考模型共有如图332所示的七层。应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层物理互联技术协议图332ISO/OSI参考模型OSI参考模型具有以下特点NULL它是一种将异构系统互联的分层结构；NULL提供了控制互联系统交互规则的标准框架；NULL定义了一种抽象结构，而并非具体实现的描述；NULL不同系统上的相同层的实体称为同等实体；NULL同等层实体之间的通信由该层的协议管理；NULL相邻层间的接口定义了原语操作和低层向高层提供服务；NULL所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务；NULL直接的数据传输仅仅在最低层实现；NULL每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其它层。OSI参考模型各层的功能简述如下21物理层PHYSICALLAYER17中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统NULL提供为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性；NULL提供在物理链路上传输非结构的位流以及故障检测指示。2数据链路层DATALINKLAYERNULL在网络层实体间提供传输数据的功能和过程；NULL提供数据链路的流控；NULL检测和校正物理链路产生的差错。3网络层NETWORKLAYERNULL控制分组传送系统的操作,即路由选择、拥挤控制、网络互联等功能，它的特性对高层是透明的；NULL根据传输层的要求来选择服务质量；NULL向传输层报告未恢复的差错。4传输层TRANSPORTLAYERNULL提供建立、维护和撤除传送连接的功能；NULL选择网络层提供的最合适的服务；NULL在系统之间提供可能的透明的数据传送，提供端到端的差错恢复和流控制。5会话层SESSIONLAYERNULL提供两个进程之间建立、维护和结束会话连接的功能；NULL提供交叉会话的功能，有三种数据流方向的控制模式，即一路交叉、两路交叉和两路同时会话模式。6表示层PRESENTATIONLAYERNULL代表应用进程协商数据表示；NULL完成数据转换、格式化和文本压缩。7应用层APPLICATIONLAYERNULL应用层提供OSI用户服务，例如事务处理程序、文件传送程序和网络管理程序等。ISO/OSI参考模型为研究、设计与实现网络通信系统提供了功能上和概念上的框架结构，但它本身并非是一个国际标准。但是，在制定有关、网络协议和标准时都要把ISO/OSI参考模型作为“参考基准”。我们正是参考了ISO/OSI的七层结构模型，建立自己的通信协议。结合系统对通信的要求和网络的规模，我们建立四层模型协议物理层、数据链路层、网络层及高级应用层。如图333所示。一物理层物理层管理协调所有的物理电路，使其协调的工作，是通信网中基站和各移18中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统高级应用层网络层数据链路层物理层高级应用层网络层数据链路层物理层通信线路图333四层模型协议动台之间的物理通信接口，为数据通信提供了传输媒体及互连设备，具体包括基站和车载台的无线通信设备，各自的无线数传控制卡和无线信道。物理层协议规定了系统的机械特性、电气特性、功能特性和过程特性等。这里主要是数传控制单元和电台之间的接口。我们使用的是半双工电台（KEYWOOD或MOTOROLAGM300），它用到的接口有信号输出、信号输入、PTT（PUSHTOTALK）和地。其中PTT是控制电台发射和接收状态的。当PTT与地之间是高阻时，电台为发射状态；当PTT与地之间是低阻时，则电台为接收状态。因为电台的型号不同，信号输出和信号输入的阻抗和电平幅度必须具体调整。对于音频电台来说，信号输入端及信号输出端口均采用音频信号连接，所以在本系统中必须使用调制解调器。调制解调器的功能就是把数字信号和音频信号相互转化，也就是D/A、A/D转换。这样数字信息才能通过音频电台传送。我们使用的是FSK调制方式，它采用两种不同频率的正弦波表示数字信号中的0和1的。如调制解调芯片FX469在1200波特率下是用1200/1800HZ的正弦波表示1/0，而在2400波特率下是用1200/2400HZ的正弦波表示1/0。二数据链路层我们定义的数据链路层（DLL），其功能是保证物理链路的可靠，提供建立和释放链路的方法，将被传送的数据按帧格式化，并进行差错控制和介质访问控制。为了达到高速可靠的传输目的，我们设计了同步通讯协议。就协议类型来说，是在国际标准化协议HDLC（HIGHLEVELDATALINKCONTROL，高级数据链路控制规程）上变化而成的。在HDLC中，不论传送数据还是传送控制或状态信息，都是以帧（FRAME）为基本单位的。HDLC帧格式如图334所示。19中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统208位8位8位N位16位8位标志地址控制信息帧校验标志图434HDLC的帧格式我们借用HDLC的帧格式模型，并且有所改变如图335所示。其各段结构的含义如下（1）预同步头我们采用的是同步协议，在串行链路上传输同步数据时，必须要使接收端和发射端的时钟保持同步。在调制解调器中是通过检测载波、锁相实现的。因此在每传送一帧数据的开始，要加入预同步头以促使解调方尽快地从预同步头中获得时钟信号。一般地，预同步头采用“01001”模式的“1”和“0”不断交替的一串位码，故同步字是“0X55”或“0XAA”。因为在“0”、“1”不断交替的过程中获得时钟信号的概率最大。我们所使用的调制解调芯片FX469，在使用一个字节的预同步头的情况下，获得同步的概率是98，而在2个字节预同步头的情况下，获得同步的概率是995。因此我们选用两个字节的预同步头。2字节0X7ECRCCCITT0X7E预同步头帧同步信息CRC校验帧同步图335本系统所使用的帧格式（2）帧同步帧同步是标志一个帧的开始和结束的标志位。它是由位串“01111110”组成的一个字节（“0X7E”），也就是说连续接收到不间断的6个“1”，即表示这是一个帧的开始，再接收到同样的位串即表示这一帧的结束。这样两个同步字节所夹的即是信息位。这样，信息位中，如果有连续6个“1”，则可能被误判位帧同步，就会造成接收错误。为了不和帧同步字节混淆，信息位采用“零位插入”技术，即在信息位中遇到连续5个“1”，就插入一个“0”。相应地，在接收端，接收信息位时，对其进行检测，凡接收收据中，有连续5个“1”，就将其后面的“0”删除。即所谓“零位删除”技术。通过“零位插入”和“零位删除”技术的处理，就可以使发送端比特流的数据不受任何限制，故称此种传输为透明传输。中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统特别的是，若从接收端位串中检测到连续7个1，即0X7F，则表示这串信息出错。因此，0X7F也叫做“无效标志”。（3）信息信息字段是这一帧要传送的实际内容，其中包含了这帧的类型和含义。帧的长度和含义都随类型不同而不同。我们要传输的信息以某种编码方式包含在信息中。信息按帧的功能分为如下几类（从基站发向车载台方向的称为下行信道，反之称为上行信道）NULL同步帧（下行）发送同步码元，提供系统同步基准时间；同时附含GPS接收卡初始化信息。（SYNCHRONIZER，S）NULL命令帧（下行）中心站的控制信令。（COMMANDER，C）NULL数据帧（上行）车载台的位置信息。（DATA，D）NULL报警帧（上行）车载台的报警信息。（ALARM，A）（3）CRC校验为了检查信息字段是否传送正确，在信息段后设置了CRC校验位，它是信息数据段的函数。我们采用了CCITT推荐的16位循环冗余校验码（CRCCCITT），其生成多项式为GXX16X12X51三网络层为实现信道资源共享，保证通信有序、高效地进行，系统采用时分多址（TDMA）技术。每个时间行由若干时隙组成，这样就将一个物理信道分成若干个（在这里是12个）在时间域上正交的逻辑信道（时隙），每个时隙分配给不同的单元如图336所示。每个时隙加载前述的数据帧，它们分别是一个时间行同步帧同步帧命令帧报警帧数据帧1数据帧2数据帧10图336大区制通信系统逻辑信道的划分1）同步帧下行，基站发给所有移动单元，用来矫正各移动单元时钟，使其和基站时钟同步。同时含有分配数据帧资源的信息。即在这一时间行含有准许发送数据给21中国科技大学硕士论文合肥市GPS智能车辆监控示范系统基站的移动单元的识别号及它们的顺序。这样可灵活控制某个移动单元的信息传送周期。即完成弹性编码的功能。2）命令帧下行，下传基站对移动单元的命令信息。可以是对整体的也可以是对单个的。3）报警帧上行，移动单元发给基站的报警信息，共有。4）数据帧上行，移动单元发给基站的定位信息。私有，由同步帧动态分配。四高级应用层由于GPS移动车辆监控系统的无线通信网是一种专用通信网络，所以OSI七层模型的会话层、表示层和应用层的功能都由第四层即高级应用层来承担，负责各帧数据的发送、接收。这一层中还定义了中心站和车载台具体的通信内容、含义以及工作模式。作为第四层，高级