??? 摘? 要: 智能交通系統是整個交通系統的發展方向,車輛監控系統是其重要的組成部分。在分析DGPS、GSM技術特點的基礎上,針對車輛監控系統的要求和特點設計并實現了車輛監控系統,給出了實驗結果。?

??? 關鍵詞: 衛星定位系統(DGPS)? 數字移動網絡(GSM)? 車輛監控

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??? 智能交通系統是整個交通系統的發展方向,它綜合應用計算機、電子、自動控制、通信和安全系統等先進技術來建立人、路、車輛的優化實體,實現提高效率、保障安全、節約能源和改善環境等目的。隨著智能交通系統ITS(Intelligent Transportation System)在全球的實施和研發,其相應的基礎技術也得到推動和發展。而車輛監控系統是ITS領域應用得最早、發展得最成熟、從事的研究人員最多的技術;它是ITS中的基本技術,如果沒有車輛監控系統,ITS系統中的許多其它先進功能如車輛調度、物流管理等是無法實現的或者說是不完整的^[1][2]。基于上述考慮,從改進系統的定位精度、監控定位結果的可視化、通信手段的大眾化和可實施性等方面考慮,綜合衛星定位系統技術(GPS/DGPS)、數字移動網絡(GSM)短消息通訊技術(SMS),構成通信與定位相結合的新型車輛定位監控系統。本文將對其中的主要技術和系統的構成及初步實驗結果予以介紹。?

1 技術簡介?

1.1 GSM短消息(SMS)?

??? 短消息業務與話音傳輸及傳真一樣同為GSM數字蜂窩移動通信網絡提供的主要電信業務,它通過無線控制信道進行傳輸,經短消息業務中心完成存儲和前轉功能,每個短消息的信息量限制為140個八位組(7比特編碼,160個字符)。?

??? 傳送短消息業務的控制信道為專用控制信道(DCCH)。DCCH為點對點雙向控制信道,包括獨立專用控制信道(SDCCH)、快速隨路控制信道(FACCH)和慢速隨路控制信道(SACCH)。短消息業務的傳送在獨立專用控制信道(SDCCH)或慢速隨路控制信道(SACCH)進行,具體是在SDCCH還是SACCH上傳,這取決于業務信道(TCH)的使用：?

??? (1)當TCH未分配時,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在TCH隨路的SACCH上進行;?

??? (3)如果當短消息到達時,TCH已分配,則短消息在隨路SACCH上傳遞;?

??? (4)當采用TCH的實體結束其處理時,無線資源管理(RR)子層可選擇在SACCH繼續進行短消息傳遞或將它轉至SDCCH。?

??? 通過以上SMS的工作原理可以看出,SMS作為GSN網絡的一種主要電信業務,它的傳遞是可靠的,為基于它的各類新業務的開發打下了堅實的基礎。?

1.2 全球衛星定位系統(GPS)?

??? 全球衛星定位系統GPS(Global Positioning System)是美國繼阿波羅登月計劃、航天飛機之后的第三大航天工程。歷經二十余年發展,是一種全球性、全天候、連續的衛星無線電導航系統,可提供實時的三維位置、三維速度和高精度的時間信息。由于GPS定位技術具有精度高、速度快、成本低的顯著優點,因而已成為目前世界上應用范圍最廣、實用性最強的全球精密授時、測距、導航、定位系統。在我國,GPS技術在車輛導航系統、移動目標的定位、監控、指揮、調度系統方面的應用,具有極大的發展潛力。?

??? GPS定位存在三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所共有的,例如衛星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等;第二部分為不能由用戶測量而由校正模型來計算的傳播延遲誤差;第三部分為各用戶接收機所固有的誤差,例如內部噪聲、通道延遲、多徑效應等。利用差分技術，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，主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離，第三部分誤差則無法消除。?

??? 根據差分GPS基準站發送的信息方式,可將差分GPS定位分為4類,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類差分方式的工作原理是相同的,即都是由基準站發送改正數,由用戶站接收并對其測量結果進行改正,以獲得精確的定位結果。所不同的是,發送改正數的具體內容不一樣,其差分定位精度也不同。而偽距差分是用得最多、也是相對容易實現和很實用的技術,本系統即采用此技術來實現差分。?

2 方案選擇?

??? GPS車輛監控系統是利用GPS接收機、無線通信、地理信息技術對移動用戶進行監控、調度、指揮的新型車輛管理系統。按照子功能劃分,車輛監控系統由三部分組成: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方式、數字/模擬移動電話語音調制方式、GSM短信息業務三種。下面分別予以比較和說明:?

??? (1)電臺方式:采用電臺方式,需要配備車載電臺。GPS車載臺的定位數據經車載電臺調制,并由車載天線發射給基站,基站把數據傳送到監控中心,監控中心也以電臺的方式向車輛傳送控制命令和DGPS改正信息。電臺方式對車輛的巡檢速度比較慢,容量小(一般只能滿足幾部到幾十部車輛的服務),系統覆蓋的范圍較小(一般只在市區的部分地區),且建設和維護電臺基站系統的成本很高,不是一般用戶所能承受的。?

??? (2)數字/模擬移動電話語音調制方式:采用語音調制方式。GPS車載臺的定位數據經調制利用手機的語音信道傳到監控中心,監控中心可以以手機或普通電話向車輛發送控制命令和DGPS改正信息。手機語音調制方式,省卻了電臺方式搭建基站系統的龐大費用,直接利用蜂窩移動通信系統,覆蓋范圍大。但由于采用的是語音信道,系統每傳遞一條信息都要按電信話音通話的費率來計費,顯然系統的運行費用將十分高昂。?

??? (3)GSM短信息方式:采用GSM短信息方式。GPS車載臺的定位數據經過格式轉換利用GSM手機的短信息信道傳到監控中心,監控中心亦通過GSM短信息信道向車輛發送控制命令和DGPS改正信息。GSM短信息方式,具備GSM語音調制方式覆蓋范圍大、容量大的優點,同時短信息業務具備傳輸速度快、不影響語音通話、價格便宜等優點。?

??? GSM系統是目前基于時分多址技術的移動通信體制中最成熟、最完善、應用最廣的一種系統。我國目前已建成了覆蓋全國的GSM數字蜂窩移動通信網,是我國公眾陸地移動通信網的主要方式。它提供多種業務,主要有話音業務、短消息業務、數據業務等。選擇那一種業務傳送GPS車輛定位數據對整個系統的性能有很大的關系。?

??? GSM的短消息業務利用信令信道傳輸,是GSM通信網所特有的。它不用撥號建立連接,直接把要發的信息加上目的地址發送到短消息服務中心。由短消息服務中心再發送給最終的信宿,短消息每次限制在140個字節以內,這對GPS定位數據來講足夠了。短消息業務用于GPS車輛監控最大的優點在于其無需建立連接,服務費用低(以北京電信目前的收費標準,短消息每月收費15元),這適于把差分數據從監控中心傳到移動站,或者定位數據發送到監控中心。?

??? 綜上所述,筆者選用GSM的短消息業務來實現GPS車輛監控中的數據傳輸。?

3 GPS車輛監控系統的構成?

??? 車輛監控系統基本由如下兩大部分構成:監控中心和移動站。監控系統的結構如圖1所示。?

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3.1 基準站?

??? 基準站是監控中心的一部分,由GPS天線、NovAtel接收板、DGPS工作站、DGPS信息發布通信控制器、GSM模塊組成,如圖1。其中DGPS工作站和DGPS信息發布通信控制器各由一臺PC機構成,也可以共由一臺PC機構成。基準站的主要作用是用GPS天線接收衛星定位電文,解出定位信息并與已知的自身精確地心坐標比較,求出誤差改正數,用GSM模塊發送出去。?

3.2 監控中心?

??? 監控中心主要包括GPS/GIS服務器、WEB-GIS應用服務器及相應的工作站等構成的局域網和相關的應用軟件。其應用軟件的功能可根據具體的系統要求進行定制。圖2是一簡單的監控系統的用戶界面示意。?

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3.3 移動站?

??? 視具體的應用場合和要求,可有多種形式的移動站:基于單片機的基本系統、基于PC/104的具有數據記錄和回放功能的擴展系統及基于便攜式計算機的高級應用系統。但均有與GSM模塊和GPS接收機的接口。移動站組成框圖如圖3所示。?

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??? 移動終端提供話音、短消息業務,控制單元可以向移動終端發送撥號等控制命令以溝通話音、收發短消息。車上控制單元把接收到的GPS定位數據通過GSM短消息業務發送到中心站。GSM短消息可與通話同時進行而互不影響。對一些需要實時監控的特殊車輛,可以用GSM的數據通信業務,GSM提供高達9600bps的數據傳輸速率,但費用比短消息要高。本系統采用短消息業務進行定位數據傳送,同時還可以通話。?

3.4 GSM短消息實現數據傳輸?

??? 本系統采用德國FALCOM公司的A2D GSM模塊工作于PDU(Protocol Description Unit) 模式,主要實現:?

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

??? (2)移動站到監控中心的上行時間、位置、速度信息(NMEA 0183格式)的傳輸。?

??? 若出租汽車管理局建立了這樣的車輛監控系統,就可以根據電子地圖上動態顯示的出租車的位置,準確地指揮、調度,以響應用戶的服務。同樣,此系統也非常適用于公安部門110指揮中心、銀行押款車等。?

4 試驗結果?

??? (1)靜態結果:本次試驗所采用的差分基站接收機的精度為3～5米,其差分后精度在這一范圍是合理的;所采用的天線是普通的導航型天線,信噪比不高、多路徑的干擾等對系統的精度有一定的影響。相信通過改進天饋系統和基站接收機的精度,其產生的差分改正數的精度將更高。圖4是接收機無差分和有差分的結果比較。?

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??? (2) 動態結果?

??? 試驗器材及設備:?

??? ·GPS定位設備:Rockwell公司的Jupiter型接收機?

??? ·電源:采用車用點煙器12V電源?

??? ·天線:Rockwell公司原裝配用天線?

??? 本次試驗路線由北方交通大學出發,主要是北京市內范圍路段,由監控軟件所得路線圖如圖5。?

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??? 局部路段放大示于圖6所示。?

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??? 最終此結果與標準行駛路線配準比較如圖7所示。?

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??? 基于已進行的跑車實驗,可以得出結論:GSM作為公用陸地移動通信網,具有其他通信方式所不可比擬的優越性。它通信范圍廣、容量大、提供數據業務,短消息業務經濟實惠,是車輛監控系統比較好的一種數據傳輸方式。但它的調度管理功能比較弱,可以通過監控中心站的管理軟件來加強。?

參考文獻?

1 蔡伯根. 利用GPS和慣性傳感器的融合和集成實現車輛定位. 北方交通大學學報,2000,24(5)：7～14?

2 Zhao Yilin.Vehicle Location and Navigation System.Norwood：Artech House， Inc.， 1997?

3 張守信. GPS衛星測量定位理論與應用. 長沙:國防科技大學出版社,1996?

4 王廣運，郭秉義，李洪濤. 差分GPS定位技術與應用.北京:電子工業出版社,1996?

5 陸 峰.車輛導航與監控中GPS/GIS實時定位配準誤差分析.遙感學報，1999,3(4)