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GPS/GSM移动车辆定位技术及其应用

发布于:2014-07-21来源:工程部 作者:总经理 点击:
随着汽车工业的发展和交通管理的智能化,车辆GPS导航定位将成为全球卫星定位系统应用的最大潜力市场之一。就我国目前情况看,车辆GPS导航定位在专用车辆调度监控、公交车智能管理、出租车运营管理等领域具有广阔的市场前景。随着移动定位服务的广泛应用,用户数量的不断增多,人们对于位置信息的需求不断扩大,获取移动定位信息的定位技术及其定位系统已经成为当前的研究热点。这些研究主要包括移动定位的基本原理和方法、移动定位的主要技术及移动定位的支撑平台等方面。 

利用移动终端进行地理位置定位是近年来移动通信应用发展的新方向。移动定位服务是利用移动通信特有的定位功能,配合短消息等服务确定移动终端用户所在的地理位置(经纬度坐标数据),从而提供用户所需的位置信息,并可根据用户的位置提供相关地理信息服务。如对当时道路车站、酒店、银行商场等项目的位置进行查询。同时,可根据对所需对象的地点的条件选择,可实现从现有位置到目的地之间的最佳自驾路线及公交换乘方案的选择。这给出门人及时准确把握方位,提高办事效率起到良好的向导作用。因此具有极大的研究价值和应用前景。 

技术手段 

无线通信网络技术和全球卫星定位系统(GPS)技术是移动定位系统关键的两个要素。GPS系统是利用卫星进行测时、测距的定位系统,其定位方式分为绝对定位和相对定位。GPS相对定位用于大地测量,目的是要测量被测量点相对于某一已知点的位置,不是直接测量被测点在WGS-84地心坐标系的绝对位置。而对于运动的目标瞬间位置和运动速度的测量是采用GPS绝对定位方式。无论那一种方式,都是由GPS同时观测四颗以上的卫星,根据每颗卫星的位置和每颗卫星与被测点的伪距数值,建立伪距定位方程组,通过对方程组求解和进行误差校正运算,得到被测点在WGS-84地心坐标系的坐标,然后转换成“新1954年北京坐标系”的坐标[3]。 

目前,移动定位主要有三种方式;基于卫星、专用通信系统和公共无线通信系统[4](PLMTS)。典型的卫星定位有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧洲的EUTELTRACS(计划2006年后投入使用);基于专用通信系统定位应用在有限区域内车辆自动定位,系统沿道路按一定间隔设置检测器,通过专用通信系统把检测车辆的标识、位置信息传送到定位中心实现移动定位;基于PLMTS(如GSM、IS95)定位系统是根据移动终端与基站间传输信号特征(强度、方向、时间、频率)变化值计算终端位置。对于使用专用通信系统,由于要申请使用专用的频率资源,因此,建系统的费用将很大,用户的使用费用将会很高,由此造成普遍使用的困难。由于PLMTS日益普及,无线定位实现相对代价低,使用简便,而且可以克服市区内由于建筑物遮挡可见定位卫星数目少、GPS定位失效的不足;此外,GSM数字蜂窝移动通信网在国内和国际上都已非常普及,市场应用最广泛,覆盖面积最大,在技术上也是最成熟的。所以,利用GSM移动通信网建设移动监控定位系统是当前比较合理的选择。如今GPS接收机已经商品化,其体积可以做得很小,提供串口标准数据输出,数据接口很方便。 

通过GSM移动通信网传输监控定位数据有三种方法;利用话音通道传输;利用短消息业务(SMS)传输;利用改进的GSM高速数据通道传输。 

利用GSM话音通道传输 

利用GSM的话音通道传数据和在普通电话线上几乎一样,在收发两端通过调制解调器进行数据通信,这种方法技术成熟,应用范围广,在GSM网覆盖范围内均可使用,缺点是在数据传输之前需要先拨号,呼叫建立时间较长,一般为l0s左右,而且通信费用与移动电话费相同,比较高。采用这种方法建立的移动监控定位系统如图1所示。

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图1 基于GSM话音通道的移动监控定位系统

在图1中,系统监控中心通过中继线路与GSM网交换中心连接。移动终端的数据由监控中心的调制解调器解调,经数据接口处理后送入相应分系统,如:GPS信息送入地理信息系统(GIS),图像和话音送入多媒体显示分系统,报警信息送入报警处理分系统。监控中心可以通过调度指挥分系统对各个移动终端进行控制。网络管理分系统负责整个网络的运行管理工作。 

移动终端的设备组成如图2所示。其中,GPS接收机可以获取位置、速度信息;摄像头捕获图像信息;传声器传送话音;报警设备提供报警信息。这些信息送入数据接口设备进行格式转换后,再经调制解调器调制,通过手机发向GSM移动网络。

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图2 移动终端设备组成

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图3 基于SMS的移动监控定位系统

利用GSM短信监控中心定位系统消息业务(SMS)传输 

短消息业务是GSM网的一项增值业务,它通过控制信道传输数据,支持点对点消息业务及消息广播业务等多种方式。通过短消息传输数据的移动监控定位系统如图3所示。与图1不同的是,移动终端的数据通过短消息全部发送到短消息业务中心,系统监控中心通过中继线路从短消息业务中心获取数据。通过短消息传输数据具有以下优点;信道建立时间短,数据传输速率快;不占用话音信道,通话时不影响数据传输;通信费用低廉;通过短消息广播业务,可提供点对多点的数据传送;系统扩容方便。缺点是;由于控制信道的传输速率较低,所以短消息数据传输速率不可能很快;受信息长度的限制,点对点信息长度为140bytes,消息广播业务信息长度为82bytes,因此只适用于信息量少而通信频繁的系统应用。 

利用GSM高速数据通道传输 

以上两种数据传送速率都较慢,适合传输诸如GPS数据、报警信息、控制信息等较短的数据,若传输监控图像或用于移动终端下载地理信息就比较困难。为此,需要进一步提高GSM通信网的数据传输速率。提高GSM数据传输速率的技术有通用分组无线服务(GPRS)和增强数据速率(EDGE)等,它们可支持384kbps的数据速率。 

定位系统组成及工作原理 

GPS全球卫星定位系统主要用来接收卫星的定位信号,并根据收到的信号解算出当前的地理位置。本定位系统由移动受控目标(车辆)、传输网络和监控中心(调度中心)三大部分组成。其中车载GPS系统具有车载自行定位,然后结合无线通讯系统(移动通讯GSM网络)将定位信息发给监控中心。监控中心结合GIS信息系统对车载进行调度管理和跟踪,用来调度、控制和监视受控车辆。所有传入控制中心的数据将记录在控制中心的数据库中,便于日后进行查找、显示和分析。无线通信采用GSM移动通信系统的短消息功能,该部分主要用来发送车辆的位置数据和接收来自监控中心的控制信令。系统各模块介绍: 

GPS全球卫星定位系统主要用来接GPS/GSM车载单元模块 

如图4所示:

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图4 移动定位系统车载单元组成

GPS模块完成GPS定位信号和时间同步数据的提取,对天线单元传来的GPS信号进行记录,并对信号进行解调和滤波处理,还原出GPS卫星发送的导航报文,求解信号在接收机和卫星之间的传输时间或载波相位差,实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式获得位置、方向、时间等的数据。GPS模块需要配备专门的GPS天线接收GPS卫星信号。在选用GPS模块时要考虑低耗能、较强的抗干扰性,从而提高定位精度和较强的防遮挡能力,防止因高楼、隧道或立交桥造成的信号阻隔。GPS模块与单片机AT89C51之间通过RS232串行通信口交换数据,通过串行口向主控制器发送定位坐标。 

CPU与控制电路是车载核心部分,控制GSM模块与车辆控制中心的应答响应。控制电路可实现对如安全控制车门、紧急按钮、油门控制器等的控制。车载通过接收GPS定位信号,对车辆状态进行检测,并将车辆的位置信息和状态信息传送到车辆监控管理中心,同时接收车辆监控管理中心发送的控制数据和调度信息,并且实现对车辆的控制。 

GSM网络 

目前,实现通讯方式有GSM数字蜂窝移动通讯、无线集群技术和GPRS通用无线分组业务等,基于GSM网络具有价格便宜、数据传输量大、覆盖范围广的特点,因此选用GSM网络来实现车载单元与控制中心的通讯。 

GSM模块与单片机AT89C51之间采用标准的串行口进行通讯,通讯的最高波特率可以达到115200bps。GSM模块与SIM卡之间主要通过SIMCLK和SIMDATA信号线进行数据通信。为了保证发送短消息与短消息到达之间的时间间隔尽量短,选用的SIM卡最好是同一个电信运营商提供的。GSM模块还支持驱动两路麦克风、两路扬声器和一路蜂鸣器。其中一路麦克风和扬声器可以连到手柄的听筒上,以实现车载电话功能。目前GSM网采用的语音编码方案是13Kbit/sRPF-LTP码。 

由于GPS模块和GSM模块装载在车内之间的间距很近,而GPS模块又很容易受到射频的干扰,所以,要求选用的GSM模块必须具有较低的电磁辐射。 

监控中心

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图5 监控中心控制系统组成

监控中心如图5所示。监控中心是由GPS数据服务器、通信控制计算机和GIS监控终端等通过网络连接组成的一个网络化的结构。运用无线电台接收车载上的无线电台发出的位置信息,同时也发出信息控制车载单元。微机在接到车载的位置信息后进行预处理,按照约定的通讯协议将信息处理后,送到数据工作站。GIS监控中心通过TCP/IP协议和接入通信网关进行通信连接,根据电子地图匹配技术,在地图上显示车辆的位置,并提供空间查询导航功能,使得车辆行驶可以选择最优化的路径,以便实现对车载的监控和调度。 

系统的软件设计 

系统软件设计的关键和难点是GSM模块的短消息接口开发。手机短消息的开发主要包括手机短消息的用户数据区编码和解码,通信模式设定和联机测试。短消息的收发,收发数据的关键命令字的模式匹配等。手机接口的开发主要利用AT指令集的TEXT模式。其格式为AT+命令=参数。例如,读取手机上全部未读过的短消息,最简单的方法是用AT+CMGL=0;而用AT+CMGL=4则可读取手机上的全部SMS消息。 

主程序采用软件查询的方式查询标志变量来改变程序的流程。在串口中断中设置检测接收完成一个新语句的标志位,当有新语句来到时便置标志位,执行完一次后,便清标志位。这类似于PC上的软中断。如果加入按钮等控制键,也采用类似方法来执行命令。 

中断程序不能太长。比如;以9600bps的速度接收数据,接收一个8位字符,加上起始位和停止位,需要1ms左右的时间,AT89C51的机器周期为125ns,在1ms时间内可执行4000个机器周期。其它传输速度可类似计算。 

本系统车载部分的主程序流程如图6所示。

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图6 定位系统车载部分主程序流程图

结语 

装载有GPS/GSM接收机的移动车辆,利用GPS/GSM网络定位技术,能对移动目标的运动轨迹和对其准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询,以确保车辆的安全,方便调度管理,提高运营效率。此外,它还能及时地将车辆上人为产生的状态,如报警信息等送到监控中心。该系统具有建网投入成本低、无须投入日常传输网络设备的大量维护资金、跟踪范围广泛、积木化结构、简单方便、适用性强的优点。 

同时,系统设计也存在一些问题,如;监控软件功能比较落后,动态数据处理能力较差;数据通信格式不统一,不同厂商间的产品不兼容;由于监控数据通过无线传输,多数系统未采取加密措施,监控定位信息很容易被截获等。这些还有待于进一步的完善与改进。 

目前,移动定位技术还在不断的发展,在移动车辆定位系统的定位精度和准确度、移动定位应用等方面还在进行着研究和探索。相信,伴随着移动定位技术的不断完善,移动定位服务将越来越受到人们的青睐,越来越能满足人们的各种要求。(end)
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