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1、第七届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛作品名称：基于北斗导航的车载终端综合管理系统作品类型：科技论文科技论文基于北斗导航的车载终端综合管理系统【摘要】随着社会科学技术的发展，包括美国在内的世界各国都在大力发展自己的航天科技事业。而我国社会经济的发展，使得国民的汽车拥有量急剧上升，对于车辆的有效监控管理成为公众关注的热点问题之一。车辆综合管理系统集合了计算机技术、卫星导航技术、无线通讯技术，能够很好的满足了人们对于此的需求。随着我国北斗卫星导航系统的全面推广，开发基于北斗卫星导航的车辆监控系统拥有巨大的应用前景。北斗二代亚太地区组网完成，产业发展拐点已经到来。而又随着北斗导航系统“三步走”战略进
2、展顺利，2012 年完成亚太地区组网标志着区域覆盖建设基本完成，北斗导航作为战略新兴产业，将步入“黄金十年”高速增长期，具备持续高成长性。而互联网信息文明和现代商业模式的快速发展，为卫星导航的应用创新提供了各种可能，通过北斗导航系统与当前通用的车载终端的结合，在车辆导航及安全预警方面等方面可以起到极大的作用，而我们所设计的基于北斗导航的车载终端综合管理系统方案是集导航与预警，实时监控，生活服务于一体。本文通过项目研究背景及意义，设计方案，理论设计，工作原理及性能分析和创新点及应用几个方面来对本方案进行阐述。【关键词】北斗导航系统 导航与预警 实时监控 生活服务1 背景及意义 作为二十一世纪最重
3、要的信息技术产业之一，卫星导航技术在促进经济发展、维护国家安全上发挥的作用越来越受到人们的重视。当前，美国和俄罗斯的全球卫星导航系统均已经正式投入使用，欧盟的“伽利略”计划也在逐步幵展，未来在卫星导航领域，世界各国将会展开更加激烈的竞争。我国先后建立了北斗一代和北斗二代卫星导航系统，北斗二代卫星导航系统整套系统包含了颗静止的 地球轨道卫星和颗非静止的轨道卫星，成功地将北斗一代的区域定位导航提升到了全球定位导航北斗二代卫星导航系统的建设完成标志着我国航天科技事业迈入了国际领先的行列，将对我国的政治经济、国防军事的发展提供重要的支持。 近年来，伴随着我国社会经济的飞速发展，人民的生活得到极大的改善
4、，消费水平也有了巨大的飞跃，汽车已经成为了人们常出行必不可少的交通工具。能够对车辆准确定位，行驶时的预警以及相应的生活服务成为了广大车主迫切的要求。同时一些物流公司、运输公司也希望能够对车辆进行有效管理。车辆管理系统是结合了卫星导航技术、技术以及无线通讯技术的综合产物，能够对车辆进行大范围、全天候的实时管理，充分满足了人们对于车辆管理的需求。随着卫星导航技术和国内通信技术的円益成熟，对于车辆管理系统研究、开发和推广越来越受到人们的青睐。 2 设计方案我们所设计的车载终端管理系方案包括导航与预警，实时监控，生活服务三个方面，生活服务方面除了日常的娱乐如音频，视频播放，还有停车位的智能选择方面。所
5、设计的车载终端需要完成的功能如下：北斗定位：通过卫星接收机，接收卫星导航信号，获取车辆的位置、速度、时间等相关信息。数据处理：一方面，对接收到导航信号进行处理，提取出卫星的定位信息。另一方面，解析来自远程监控中心发送的控制命令。远程通信：利用移动数字网络与远程监控中心进行数据交换。车辆控制：根据远程监控中心发送的控制命令，完成对车辆的控制操作。【1】车载终端的功能有：地图显示，能够在客户端载入电子地图，实现地图缩放、漫游等基本功能。实时监控，在电子地图上实时显示车辆行驶状态，如位置、速度、方向等；能够对车辆跟踪监控；可以查询车辆的历史行驶轨迹；能够限制车辆行驶区域。数据管理，能够有效的对车辆信
6、息、监控人员信息、司机信息等进行管理；能够查询车辆在行驶过程中速度变化、违规记录等信息。报警提醒，当车辆行驶过程中出现超速、越界等危险状况时，客户端会在地图上向监控人员进行报警提醒。远程控制，客户端可以向监控车辆下达控制命令，完成对目标车辆的控制操作。 【2】车载终端功能总体示意图如下 【3】嵌入式系统，是车载终端的数据处理和各功能模块的控制、调度中心。控制外围功能模块的正常工作，完成各功能模块采集的信息处理并做出相应的响应，完成远程控制平台发送来的指令的解析并做出响应。定位模块，结合本终端设计的目的和未来导航产品发展的趋势，本文采用的是泰斗公司的 BDS/GPS 双模定位芯片，块主要功能是完
7、成车辆位置信息的采集。此外该芯片还可以采集车辆卫星速度和卫星时间。 GPRS 无线通信模块：建立车载终端与远程监控中心间无线连接，实现车辆的在线监控和数据传输。车辆信息采集模块，该部分主要是实现车载终端的汽车行驶记录仪功能，要完成车辆行驶速度、时间、车身信息（开关量、模拟量）和车辆行驶状态（发动机运行状态参数、车身传感器采集到的信息）信息的采集。LCM 显示模块：提供车辆初始参数配置界面，方便用户操作，其次显示车载终端接收到的各种信息。 RFID 模块：用于车载终端与路边车辆管理服务系统之间的短程通信。例如，车辆自动识别、接收实时路况信息、车辆行驶路径动态诱导、高速路口不停车收费等。多媒体数据
8、设备，包括语音系统、摄像头等，用于实现车载终端的语音、图像、录像等多媒体功能。 【4】3 理论设计卫星导航定位的相关计算(卫星导航定位的基本方法)： 【5】在二维情况下，可以使用三颗卫星测定用户位置，虽然以颗卫星的伪距半径作弧不能相交在同一点上，但可以找到一个固定距离值当三个伪距都减去后，以其值为半径的圆将会相交于一点，该交点即是近似的用户位置，该位置与真实用户位置之差是独立的距离误差函数 【6】 。当存在颗导航卫星时，应用该原理可以完成三维定位。应用伪距测量定位，动态用户导航定位，列出观测方程，最终完成基本的卫星定位。再通过信号的接受，车载系统对一系列数据进行分析，完成各项工作。4 工作原理
9、及性能分析对于车载导航系统，北斗卫星导航系统主要由三部分构成，即空段、控制段和用户段，用户段包含用户设备的多个部分，其中，空地段系统是众多卫星组成的卫星群，主要负责将信号广播给控制段和用户段，该信号包含测距码和导航电文，测距码用以确定卫星到用户的距离，而导航电文包含时间信息和卫星轨道信息。在用户段中，天线把接收到的来自空间段的无线电信号转化成电信号，再发送给接收机进行解调。该接收机采用捕获和跟踪算法确定天线到发射其所收到信号的每一颗卫星的距离，同时也对导航电文进行解码，最后确定其位置、速度和时间。只要知道三颗卫星的位置坐标，同时又测得地面上某一点到这三颗卫星之间的距离，即可完成定位。但是由于北
10、斗卫星是在多公里高空高速运转的物体，要实现精确定位，必须要保证在同一时刻完成这三个距离的测量，即要实现同步测量。因此，从解析几何角度出发，北斗定位包括确定一个点的三维坐标和实现同步四个未知数，因此必须通过测定该点到至少颗卫星的距离才能独立完成定位，知道了卫星在某一时刻的位置坐标和卫星至被定位点之间的距离，即可实现卫星定位。车载监控系统，监控中心是车辆监控系统的核心环节，主要功能是对车辆的行驶状况进行监控管理。监控中心包括监控客户端和远程服务器系统两部分，其中，监控客户端能够可视化显示车辆的当前位置、行驶轨迹，能够对车辆进行远程控制；远程服务器系统由远程服务器和数据库两部分组成，其中，远程服务器
11、是连接车辆和客户端的纽带，主要负责与车辆和客户端进行通信；数据库保存了系统大量的数据信息，包括系统的当前位置信息和历史轨迹信息。车载预警系统，按照汽车安全装置在事故发生的作用时间，可将汽车安全分为主动安全和被动安全。主动安全是在事故将要发生时预防事故发生；被动安全是在事故发生后，对车内乘员及财产的保护，降低事故损失。常见的被动安全装置有：安全玻璃、安全带、安全座椅、安全气囊、车身钢架结构等。根据其功能实现的方式，下面介绍一些系统的工作原理。1，防抱死系统对于汽车的防抱死系统(ABS)而言，ABS 在每次车轮频临锁死点时，通过刹车油与气囊将压力返回，使得车轮避开刹车点，并反复作用，每分钟内 60
12、120次，其作用原理相当于不停地刹车、放松，不让轮胎在同一点与地面接触，增大摩擦力，实现制动功能。需要注意的是，ABS 并没有缩短刹车的距离，只是保证其刹车功能的正常，维持拐弯能力，避开障碍物。在干燥路面、雨天与雪天的情况下，ABS 协助车辆的防滑性能分别能达到80%90%，10%30%，15%20%。2，电子电力分配系统，电子制动力分配系统(EBD)，从功能上来讲，同 ABS系统一样为刹车制动辅助装置，它可提高 ABS 系统的功效，是 ABS 系统的辅助功能。EBD 的作用原理为,在车辆制动时，快速检测各车轮的抓地力情况，计算摩擦力值，调整刹车系统产生的制动力，合理的分配到四个车轮上在车辆制
13、动时，快速检测各车轮的抓地力情况，计算摩擦力值，调整刹车系统产生的制动力，合理的分配到四个车轮上。3，牵引力控制系统(TCS),又称循迹控制系统。汽车在雨天、雪天等摩擦力较小的路面上起步、加速或制动时，可能产生车轮打滑的情况，尤其是驱动轮打滑时，容易造成车辆失控的危险。TCS 利用电子传感器探测从动轮与驱动轮的转数情况，若驱动轮的转数大于从动轮，则判定为车轮打滑。TCS 一旦判定车轮开始打滑，则开始改变点火时间，降低车轮扭矩输出，同时启动 ABS 系统平衡四轮抓地力，制动打滑车轮，制止车轮打滑或空转。在严重打滑情况下，TCS会继续控制引擎供油系统，降低气门开度，减小油门。4，驱动防滑系统 AS
14、R，是汽车防抱死系统 ABS 的的升级版，在 ABS 的基础上加装了可膨胀液压装置、增压泵、液压压力筒和第四个轮速传感器，是一个带有自身控制器的电子控制系统和电子加速系统。ASR 通过降低节气门开度、降低发动机功率、车轮制动来防止车轮打滑，装有 ASR 的车上，需在机械油门的机械连接上安装电控油门传感器。传感器将油门踏板位置和车轮转速信息发送至控制单元，控制单元发出控制电压信号，调整节气门位置或柴油机操纵杆位置，并将此刻节气门或操纵杆的位置信息再次返回至控制单元，控制单元进行实时调整。5，紧急制动辅助系统 EBA，可根据驾驶员对刹车踏板施加的力度判断制动的紧急程度，以此改变即将释放的制动力的速
15、度和力度。一般情况下，驾驶员在制动时先轻踩刹车板，根据车况、路况再调整踩踏刹车板的力度。而紧急情况下，驾驶员则会突然大力踩动刹车板，实现快速制动。EBA 就是利用驾驶员踩踏刹车板的速度和力度来判断刹车的紧急程度。一旦判定为紧急刹车，EBA会在短时间内，以比驾驶员移动刹车板更快的速率，快速释放制动力，来缩短制动距离，避免碰撞、追尾事故，保证车辆的安全。 【7】生活服务方面，应用主要是停车位的智能选择及车位预定方面。北斗高精度地基增强系统即将全面铺开，建成后能实现北斗导航的亚米级服务定位精度从 10 米升至 1 米以下精度。同时基于北斗平台潮汐调度系统，车载智能平台通过接受停车位空缺信息，及时为车
16、主做出最近地点的停车选择。对车载综合管理系统的综合性能分析，它是集导航与预警，实时监控，生活服务三个方面于一体的车载终端综合管理系统，在运行上面可能会出现系统兼容，信息传递不够及时与准确等方面的问题，因此在性能稳定方面会稍有欠缺。5 创新点及应用由于车辆、道路和管理发展不均衡所带来的问题，国家迫切需要发展智能交通系统。智能交通系统是以信息、通信、控制和计算机技术将人、车、路三者紧密协调、和谐统一而建立起的大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输管理系统。而基于北斗导航的车载终端综合管理系统创新性地将导航，预警多方面结合起来，通过北斗系统与车载终端的结合，集导航与预警，实时监控，生活服务包括停车位的选择与预定于一体，在不久的将来会有效地提高交通安全，实现车辆的卫星导航、车位预订、出租、支付管理和停车位查询等功能，这样可以有效调配城市停车资源，真正达到“智慧城市”的效果。参考文献1 马贺兵, 苏登文 , 翟辉琴. 北斗卫星导航定位系统在车辆管理运行中的应用与探讨.2013, 36(9):
