摘  要: 智能交通系统是整个交通系统的发展方向,车辆监控系统是其重要的组成部分。在分析DGPS、GSM技术特点的基础上,针对车辆监控系统的要求和特点设计并实现了车辆监控系统,给出了实验结果。 

    关键词: 卫星定位系统(DGPS)  数字移动网络(GSM)  车辆监控

    智能交通系统是整个交通系统的发展方向,它综合应用计算机、电子、自动控制、通信和安全系统等先进技术来建立人、路、车辆的优化实体,实现提高效率、保障安全、节约能源和改善环境等目的。随着智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)在全球的实施和研发,其相应的基础技术也得到推动和发展。而车辆监控系统是ITS领域应用得最早、发展得最成熟、从事的研究人员最多的技术;它是ITS中的基本技术,如果没有车辆监控系统,ITS系统中的许多其它先进功能如车辆调度、物流管理等是无法实现的或者说是不完整的^[1][2]。基于上述考虑,从改进系统的定位精度、监控定位结果的可视化、通信手段的大众化和可实施性等方面考虑,综合卫星定位系统技术(GPS/DGPS)、数字移动网络(GSM)短消息通讯技术(SMS),构成通信与定位相结合的新型车辆定位监控系统。本文将对其中的主要技术和系统的构成及初步实验结果予以介绍。 

1 技术简介 

1.1 GSM短消息(SMS) 

    短消息业务与话音传输及传真一样同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务,它通过无线控制信道进行传输,经短消息业务中心完成存储和前转功能,每个短消息的信息量限制为140个八位组(7比特编码,160个字符)。 

    传送短消息业务的控制信道为专用控制信道(DCCH)。DCCH为点对点双向控制信道,包括独立专用控制信道(SDCCH)、快速随路控制信道(FACCH)和慢速随路控制信道(SACCH)。短消息业务的传送在独立专用控制信道(SDCCH)或慢速随路控制信道(SACCH)进行,具体是在SDCCH还是SACCH上传,这取决于业务信道(TCH)的使用： 

    (1)当TCH未分配时,短消息在SDCCH上传; 

    (2)如果短消息在SDCCH上处理是分配了TCH,短消息传递将停止并继续在TCH随路的SACCH上进行; 

    (3)如果当短消息到达时,TCH已分配,则短消息在随路SACCH上传递; 

    (4)当采用TCH的实体结束其处理时,无线资源管理(RR)子层可选择在SACCH继续进行短消息传递或将它转至SDCCH。 

    通过以上SMS的工作原理可以看出,SMS作为GSN网络的一种主要电信业务,它的传递是可靠的,为基于它的各类新业务的开发打下了坚实的基础。 

1.2 全球卫星定位系统(GPS) 

    全球卫星定位系统GPS(Global Positioning System)是美国继阿波罗登月计划、航天飞机之后的第三大航天工程。历经二十余年发展,是一种全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统,可提供实时的三维位置、三维速度和高精度的时间信息。由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点,因而已成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。在我国,GPS技术在车辆导航系统、移动目标的定位、监控、指挥、调度系统方面的应用,具有极大的发展潜力。 

    GPS定位存在三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所共有的,例如卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等;第二部分为不能由用户测量而由校正模型来计算的传播延迟误差;第三部分为各用户接收机所固有的误差,例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消除。 

    根据差分GPS基准站发送的信息方式,可将差分GPS定位分为4类,即:位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分、载波相位差分。这4类差分方式的工作原理是相同的,即都是由基准站发送改正数,由用户站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。所不同的是,发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不同。而伪距差分是用得最多、也是相对容易实现和很实用的技术,本系统即采用此技术来实现差分。 

2 方案选择 

    GPS车辆监控系统是利用GPS接收机、无线通信、地理信息技术对移动用户进行监控、调度、指挥的新型车辆管理系统。按照子功能划分,车辆监控系统由三部分组成:定位部分、通信部分、显示部分。其中,比较常用的通信方式为电台方式、数字/模拟移动电话语音调制方式、GSM短信息业务三种。下面分别予以比较和说明: 

    (1)电台方式:采用电台方式,需要配备车载电台。GPS车载台的定位数据经车载电台调制,并由车载天线发射给基站,基站把数据传送到监控中心,监控中心也以电台的方式向车辆传送控制命令和DGPS改正信息。电台方式对车辆的巡检速度比较慢,容量小(一般只能满足几部到几十部车辆的服务),系统覆盖的范围较小(一般只在市区的部分地区),且建设和维护电台基站系统的成本很高,不是一般用户所能承受的。 

    (2)数字/模拟移动电话语音调制方式:采用语音调制方式。GPS车载台的定位数据经调制利用手机的语音信道传到监控中心,监控中心可以以手机或普通电话向车辆发送控制命令和DGPS改正信息。手机语音调制方式,省却了电台方式搭建基站系统的庞大费用,直接利用蜂窝移动通信系统,覆盖范围大。但由于采用的是语音信道,系统每传递一条信息都要按电信话音通话的费率来计费,显然系统的运行费用将十分高昂。 

    (3)GSM短信息方式:采用GSM短信息方式。GPS车载台的定位数据经过格式转换利用GSM手机的短信息信道传到监控中心,监控中心亦通过GSM短信息信道向车辆发送控制命令和DGPS改正信息。GSM短信息方式,具备GSM语音调制方式覆盖范围大、容量大的优点,同时短信息业务具备传输速度快、不影响语音通话、价格便宜等优点。 

    GSM系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网,是我国公众陆地移动通信网的主要方式。它提供多种业务,主要有话音业务、短消息业务、数据业务等。选择那一种业务传送GPS车辆定位数据对整个系统的性能有很大的关系。 

    GSM的短消息业务利用信令信道传输,是GSM通信网所特有的。它不用拨号建立连接,直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心。由短消息服务中心再发送给最终的信宿,短消息每次限制在140个字节以内,这对GPS定位数据来讲足够了。短消息业务用于GPS车辆监控最大的优点在于其无需建立连接,服务费用低(以北京电信目前的收费标准,短消息每月收费15元),这适于把差分数据从监控中心传到移动站,或者定位数据发送到监控中心。 

    综上所述,笔者选用GSM的短消息业务来实现GPS车辆监控中的数据传输。 

3 GPS车辆监控系统的构成 

    车辆监控系统基本由如下两大部分构成:监控中心和移动站。监控系统的结构如图1所示。 

3.1 基准站 

    基准站是监控中心的一部分,由GPS天线、NovAtel接收板、DGPS工作站、DGPS信息发布通信控制器、GSM模块组成,如图1。其中DGPS工作站和DGPS信息发布通信控制器各由一台PC机构成,也可以共由一台PC机构成。基准站的主要作用是用GPS天线接收卫星定位电文,解出定位信息并与已知的自身精确地心坐标比较,求出误差改正数,用GSM模块发送出去。 

3.2 监控中心 

    监控中心主要包括GPS/GIS服务器、WEB-GIS应用服务器及相应的工作站等构成的局域网和相关的应用软件。其应用软件的功能可根据具体的系统要求进行定制。图2是一简单的监控系统的用户界面示意。 

3.3 移动站 

    视具体的应用场合和要求,可有多种形式的移动站:基于单片机的基本系统、基于PC/104的具有数据记录和回放功能的扩展系统及基于便携式计算机的高级应用系统。但均有与GSM模块和GPS接收机的接口。移动站组成框图如图3所示。 

    移动终端提供话音、短消息业务,控制单元可以向移动终端发送拨号等控制命令以沟通话音、收发短消息。车上控制单元把接收到的GPS定位数据通过GSM短消息业务发送到中心站。GSM短消息可与通话同时进行而互不影响。对一些需要实时监控的特殊车辆,可以用GSM的数据通信业务,GSM提供高达9600bps的数据传输速率,但费用比短消息要高。本系统采用短消息业务进行定位数据传送,同时还可以通话。 

3.4 GSM短消息实现数据传输 

    本系统采用德国FALCOM公司的A2D GSM模块工作于PDU(Protocol Description Unit) 模式,主要实现: 

    (1)监控中心到移动站的下行差分改正信息(RTCM SC-104格式)的传输; 

    (2)移动站到监控中心的上行时间、位置、速度信息(NMEA 0183格式)的传输。 

    若出租汽车管理局建立了这样的车辆监控系统,就可以根据电子地图上动态显示的出租车的位置,准确地指挥、调度,以响应用户的服务。同样,此系统也非常适用于公安部门110指挥中心、银行押款车等。 

4 试验结果 

    (1)静态结果:本次试验所采用的差分基站接收机的精度为3～5米,其差分后精度在这一范围是合理的;所采用的天线是普通的导航型天线,信噪比不高、多路径的干扰等对系统的精度有一定的影响。相信通过改进天馈系统和基站接收机的精度,其产生的差分改正数的精度将更高。图4是接收机无差分和有差分的结果比较。 

    (2) 动态结果 

    试验器材及设备: 

    ·GPS定位设备:Rockwell公司的Jupiter型接收机 

    ·电源:采用车用点烟器12V电源 

    ·天线:Rockwell公司原装配用天线 

    本次试验路线由北方交通大学出发,主要是北京市内范围路段,由监控软件所得路线图如图5。 

    局部路段放大示于图6所示。 

    最终此结果与标准行驶路线配准比较如图7所示。 

    基于已进行的跑车实验,可以得出结论:GSM作为公用陆地移动通信网,具有其他通信方式所不可比拟的优越性。它通信范围广、容量大、提供数据业务,短消息业务经济实惠,是车辆监控系统比较好的一种数据传输方式。但它的调度管理功能比较弱,可以通过监控中心站的管理软件来加强。 

参考文献 

1 蔡伯根. 利用GPS和惯性传感器的融合和集成实现车辆定位. 北方交通大学学报,2000,24(5)：7～14 

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

3 张守信. GPS卫星测量定位理论与应用. 长沙:国防科技大学出版社,1996 

4 王广运，郭秉义，李洪涛. 差分GPS定位技术与应用.北京:电子工业出版社,1996 

5 陆 峰.车辆导航与监控中GPS/GIS实时定位配准误差分析.遥感学报，1999,3(4)