??? 摘? 要: 智能交通系統(tǒng)是整個(gè)交通系統(tǒng)的發(fā)展方向,車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)是其重要的組成部分。在分析DGPS、GSM技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng),給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。?

??? 關(guān)鍵詞: 衛(wèi)星定位系統(tǒng)(DGPS)? 數(shù)字移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(GSM)? 車(chē)輛監(jiān)控

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??? 智能交通系統(tǒng)是整個(gè)交通系統(tǒng)的發(fā)展方向,它綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)控制、通信和安全系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)來(lái)建立人、路、車(chē)輛的優(yōu)化實(shí)體,實(shí)現(xiàn)提高效率、保障安全、節(jié)約能源和改善環(huán)境等目的。隨著智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transportation System)在全球的實(shí)施和研發(fā),其相應(yīng)的基礎(chǔ)技術(shù)也得到推動(dòng)和發(fā)展。而車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)是ITS領(lǐng)域應(yīng)用得最早、發(fā)展得最成熟、從事的研究人員最多的技術(shù);它是ITS中的基本技術(shù),如果沒(méi)有車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng),ITS系統(tǒng)中的許多其它先進(jìn)功能如車(chē)輛調(diào)度、物流管理等是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的或者說(shuō)是不完整的^[1][2]?；谏鲜隹紤],從改進(jìn)系統(tǒng)的定位精度、監(jiān)控定位結(jié)果的可視化、通信手段的大眾化和可實(shí)施性等方面考慮,綜合衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)(GPS/DGPS)、數(shù)字移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(GSM)短消息通訊技術(shù)(SMS),構(gòu)成通信與定位相結(jié)合的新型車(chē)輛定位監(jiān)控系統(tǒng)。本文將對(duì)其中的主要技術(shù)和系統(tǒng)的構(gòu)成及初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以介紹。?

1 技術(shù)簡(jiǎn)介?

1.1 GSM短消息(SMS)?

??? 短消息業(yè)務(wù)與話(huà)音傳輸及傳真一樣同為GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù),它通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制信道進(jìn)行傳輸,經(jīng)短消息業(yè)務(wù)中心完成存儲(chǔ)和前轉(zhuǎn)功能,每個(gè)短消息的信息量限制為140個(gè)八位組(7比特編碼,160個(gè)字符)。?

??? 傳送短消息業(yè)務(wù)的控制信道為專(zhuān)用控制信道(DCCH)。DCCH為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向控制信道,包括獨(dú)立專(zhuān)用控制信道(SDCCH)、快速隨路控制信道(FACCH)和慢速隨路控制信道(SACCH)。短消息業(yè)務(wù)的傳送在獨(dú)立專(zhuān)用控制信道(SDCCH)或慢速隨路控制信道(SACCH)進(jìn)行,具體是在SDCCH還是SACCH上傳,這取決于業(yè)務(wù)信道(TCH)的使用：?

??? (1)當(dāng)TCH未分配時(shí),短消息在SDCCH上傳;?

??? (2)如果短消息在SDCCH上處理是分配了TCH,短消息傳遞將停止并繼續(xù)在TCH隨路的SACCH上進(jìn)行;?

??? (3)如果當(dāng)短消息到達(dá)時(shí),TCH已分配,則短消息在隨路SACCH上傳遞;?

??? (4)當(dāng)采用TCH的實(shí)體結(jié)束其處理時(shí),無(wú)線(xiàn)資源管理(RR)子層可選擇在SACCH繼續(xù)進(jìn)行短消息傳遞或?qū)⑺D(zhuǎn)至SDCCH。?

??? 通過(guò)以上SMS的工作原理可以看出,SMS作為GSN網(wǎng)絡(luò)的一種主要電信業(yè)務(wù),它的傳遞是可靠的,為基于它的各類(lèi)新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。?

1.2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)?

??? 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是美國(guó)繼阿波羅登月計(jì)劃、航天飛機(jī)之后的第三大航天工程。歷經(jīng)二十余年發(fā)展,是一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng),可提供實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和高精度的時(shí)間信息。由于GPS定位技術(shù)具有精度高、速度快、成本低的顯著優(yōu)點(diǎn),因而已成為目前世界上應(yīng)用范圍最廣、實(shí)用性最強(qiáng)的全球精密授時(shí)、測(cè)距、導(dǎo)航、定位系統(tǒng)。在我國(guó),GPS技術(shù)在車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)、移動(dòng)目標(biāo)的定位、監(jiān)控、指揮、調(diào)度系統(tǒng)方面的應(yīng)用,具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?

??? GPS定位存在三部分誤差。一部分是對(duì)每一個(gè)用戶(hù)接收機(jī)所共有的,例如衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差等;第二部分為不能由用戶(hù)測(cè)量而由校正模型來(lái)計(jì)算的傳播延遲誤差;第三部分為各用戶(hù)接收機(jī)所固有的誤差,例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，主要取決于基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶(hù)接收機(jī)的距離，第三部分誤差則無(wú)法消除。?

??? 根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式,可將差分GPS定位分為4類(lèi),即:位置差分、偽距差分、相位平滑偽距差分、載波相位差分。這4類(lèi)差分方式的工作原理是相同的,即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù),由用戶(hù)站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正,以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是,發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣,其差分定位精度也不同。而偽距差分是用得最多、也是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)和很實(shí)用的技術(shù),本系統(tǒng)即采用此技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)差分。?

2 方案選擇?

??? GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)是利用GPS接收機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信、地理信息技術(shù)對(duì)移動(dòng)用戶(hù)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度、指揮的新型車(chē)輛管理系統(tǒng)。按照子功能劃分,車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成:定位部分、通信部分、顯示部分。其中,比較常用的通信方式為電臺(tái)方式、數(shù)字/模擬移動(dòng)電話(huà)語(yǔ)音調(diào)制方式、GSM短信息業(yè)務(wù)三種。下面分別予以比較和說(shuō)明:?

??? (1)電臺(tái)方式:采用電臺(tái)方式,需要配備車(chē)載電臺(tái)。GPS車(chē)載臺(tái)的定位數(shù)據(jù)經(jīng)車(chē)載電臺(tái)調(diào)制,并由車(chē)載天線(xiàn)發(fā)射給基站,基站把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心,監(jiān)控中心也以電臺(tái)的方式向車(chē)輛傳送控制命令和DGPS改正信息。電臺(tái)方式對(duì)車(chē)輛的巡檢速度比較慢,容量小(一般只能滿(mǎn)足幾部到幾十部車(chē)輛的服務(wù)),系統(tǒng)覆蓋的范圍較小(一般只在市區(qū)的部分地區(qū)),且建設(shè)和維護(hù)電臺(tái)基站系統(tǒng)的成本很高,不是一般用戶(hù)所能承受的。?

??? (2)數(shù)字/模擬移動(dòng)電話(huà)語(yǔ)音調(diào)制方式:采用語(yǔ)音調(diào)制方式。GPS車(chē)載臺(tái)的定位數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制利用手機(jī)的語(yǔ)音信道傳到監(jiān)控中心,監(jiān)控中心可以以手機(jī)或普通電話(huà)向車(chē)輛發(fā)送控制命令和DGPS改正信息。手機(jī)語(yǔ)音調(diào)制方式,省卻了電臺(tái)方式搭建基站系統(tǒng)的龐大費(fèi)用,直接利用蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),覆蓋范圍大。但由于采用的是語(yǔ)音信道,系統(tǒng)每傳遞一條信息都要按電信話(huà)音通話(huà)的費(fèi)率來(lái)計(jì)費(fèi),顯然系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用將十分高昂。?

??? (3)GSM短信息方式:采用GSM短信息方式。GPS車(chē)載臺(tái)的定位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換利用GSM手機(jī)的短信息信道傳到監(jiān)控中心,監(jiān)控中心亦通過(guò)GSM短信息信道向車(chē)輛發(fā)送控制命令和DGPS改正信息。GSM短信息方式,具備GSM語(yǔ)音調(diào)制方式覆蓋范圍大、容量大的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)短信息業(yè)務(wù)具備傳輸速度快、不影響語(yǔ)音通話(huà)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。?

??? GSM系統(tǒng)是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通信體制中最成熟、最完善、應(yīng)用最廣的一種系統(tǒng)。我國(guó)目前已建成了覆蓋全國(guó)的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng),是我國(guó)公眾陸地移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式。它提供多種業(yè)務(wù),主要有話(huà)音業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。選擇那一種業(yè)務(wù)傳送GPS車(chē)輛定位數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有很大的關(guān)系。?

??? GSM的短消息業(yè)務(wù)利用信令信道傳輸,是GSM通信網(wǎng)所特有的。它不用撥號(hào)建立連接,直接把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短消息服務(wù)中心。由短消息服務(wù)中心再發(fā)送給最終的信宿,短消息每次限制在140個(gè)字節(jié)以?xún)?nèi),這對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)來(lái)講足夠了。短消息業(yè)務(wù)用于GPS車(chē)輛監(jiān)控最大的優(yōu)點(diǎn)在于其無(wú)需建立連接,服務(wù)費(fèi)用低(以北京電信目前的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),短消息每月收費(fèi)15元),這適于把差分?jǐn)?shù)據(jù)從監(jiān)控中心傳到移動(dòng)站,或者定位數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。?

??? 綜上所述,筆者選用GSM的短消息業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS車(chē)輛監(jiān)控中的數(shù)據(jù)傳輸。?

3 GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成?

??? 車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)基本由如下兩大部分構(gòu)成:監(jiān)控中心和移動(dòng)站。監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。?

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3.1 基準(zhǔn)站?

??? 基準(zhǔn)站是監(jiān)控中心的一部分,由GPS天線(xiàn)、NovAtel接收板、DGPS工作站、DGPS信息發(fā)布通信控制器、GSM模塊組成,如圖1。其中DGPS工作站和DGPS信息發(fā)布通信控制器各由一臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成,也可以共由一臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成?；鶞?zhǔn)站的主要作用是用GPS天線(xiàn)接收衛(wèi)星定位電文,解出定位信息并與已知的自身精確地心坐標(biāo)比較,求出誤差改正數(shù),用GSM模塊發(fā)送出去。?

3.2 監(jiān)控中心?

??? 監(jiān)控中心主要包括GPS/GIS服務(wù)器、WEB-GIS應(yīng)用服務(wù)器及相應(yīng)的工作站等構(gòu)成的局域網(wǎng)和相關(guān)的應(yīng)用軟件。其應(yīng)用軟件的功能可根據(jù)具體的系統(tǒng)要求進(jìn)行定制。圖2是一簡(jiǎn)單的監(jiān)控系統(tǒng)的用戶(hù)界面示意。?

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3.3 移動(dòng)站?

??? 視具體的應(yīng)用場(chǎng)合和要求,可有多種形式的移動(dòng)站:基于單片機(jī)的基本系統(tǒng)、基于PC/104的具有數(shù)據(jù)記錄和回放功能的擴(kuò)展系統(tǒng)及基于便攜式計(jì)算機(jī)的高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)。但均有與GSM模塊和GPS接收機(jī)的接口。移動(dòng)站組成框圖如圖3所示。?

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??? 移動(dòng)終端提供話(huà)音、短消息業(yè)務(wù),控制單元可以向移動(dòng)終端發(fā)送撥號(hào)等控制命令以溝通話(huà)音、收發(fā)短消息。車(chē)上控制單元把接收到的GPS定位數(shù)據(jù)通過(guò)GSM短消息業(yè)務(wù)發(fā)送到中心站。GSM短消息可與通話(huà)同時(shí)進(jìn)行而互不影響。對(duì)一些需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的特殊車(chē)輛,可以用GSM的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),GSM提供高達(dá)9600bps的數(shù)據(jù)傳輸速率,但費(fèi)用比短消息要高。本系統(tǒng)采用短消息業(yè)務(wù)進(jìn)行定位數(shù)據(jù)傳送,同時(shí)還可以通話(huà)。?

3.4 GSM短消息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?

??? 本系統(tǒng)采用德國(guó)FALCOM公司的A2D GSM模塊工作于PDU(Protocol Description Unit) 模式,主要實(shí)現(xiàn):?

??? (1)監(jiān)控中心到移動(dòng)站的下行差分改正信息(RTCM SC-104格式)的傳輸;?

??? (2)移動(dòng)站到監(jiān)控中心的上行時(shí)間、位置、速度信息(NMEA 0183格式)的傳輸。?

??? 若出租汽車(chē)管理局建立了這樣的車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng),就可以根據(jù)電子地圖上動(dòng)態(tài)顯示的出租車(chē)的位置,準(zhǔn)確地指揮、調(diào)度,以響應(yīng)用戶(hù)的服務(wù)。同樣,此系統(tǒng)也非常適用于公安部門(mén)110指揮中心、銀行押款車(chē)等。?

4 試驗(yàn)結(jié)果?

??? (1)靜態(tài)結(jié)果:本次試驗(yàn)所采用的差分基站接收機(jī)的精度為3～5米,其差分后精度在這一范圍是合理的;所采用的天線(xiàn)是普通的導(dǎo)航型天線(xiàn),信噪比不高、多路徑的干擾等對(duì)系統(tǒng)的精度有一定的影響。相信通過(guò)改進(jìn)天饋系統(tǒng)和基站接收機(jī)的精度,其產(chǎn)生的差分改正數(shù)的精度將更高。圖4是接收機(jī)無(wú)差分和有差分的結(jié)果比較。?

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??? (2) 動(dòng)態(tài)結(jié)果?

??? 試驗(yàn)器材及設(shè)備:?

??? ·GPS定位設(shè)備:Rockwell公司的Jupiter型接收機(jī)?

??? ·電源:采用車(chē)用點(diǎn)煙器12V電源?

??? ·天線(xiàn):Rockwell公司原裝配用天線(xiàn)?

??? 本次試驗(yàn)路線(xiàn)由北方交通大學(xué)出發(fā),主要是北京市內(nèi)范圍路段,由監(jiān)控軟件所得路線(xiàn)圖如圖5。?

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??? 局部路段放大示于圖6所示。?

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??? 最終此結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)行駛路線(xiàn)配準(zhǔn)比較如圖7所示。?

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??? 基于已進(jìn)行的跑車(chē)實(shí)驗(yàn),可以得出結(jié)論:GSM作為公用陸地移動(dòng)通信網(wǎng),具有其他通信方式所不可比擬的優(yōu)越性。它通信范圍廣、容量大、提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),短消息業(yè)務(wù)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,是車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)比較好的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。但它的調(diào)度管理功能比較弱,可以通過(guò)監(jiān)控中心站的管理軟件來(lái)加強(qiáng)。?

參考文獻(xiàn)?

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5 陸 峰.車(chē)輛導(dǎo)航與監(jiān)控中GPS/GIS實(shí)時(shí)定位配準(zhǔn)誤差分析.遙感學(xué)報(bào)，1999,3(4)