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1、（论文）0 引言目前，交通拥堵是世界各国遇到的普遍难题，单纯增加道路基础设施已不能完全解决交通运输紧张的状况，特别是在土地资源更加有限的城市内部。为了解决车和路之间的矛盾，需要将现代电子信息技术引入交通运输系统，因此智能运输系统ITS（Intelligent Transport System)应运而生。ITS是一个复杂的大系统，当前正处于开发试验阶段，目前我国ITS的研究重点是：先进的交通管理系统、先进的交通信息服务系统、先进的公共交通系统和先进的车辆定位监控系统。集卫星定位系统，无线通讯系统为一体的车载移动台是车辆定位监控系统中的一个重要组成部分，它是ITS系统实现实时信息服务的硬件平台。为
2、了减少交通拥挤和提高整个交通运输系统的效率，为驾驶员提供良好的信息服务和安全舒适的驾驶环境，车辆监控系统将全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和微型计算机系统进行有机结合，可以实时提供车辆的空间位置，在线提供车辆及其周边运行环境的语义和非语义信息，综合处理多种来源的时空数据。车辆监控系统不仅可以实现车辆实时定位和导航，而且还可以实现车辆远程指挥、交通安全和事故处理。其中，车载移动台不仅可以使交通管理部门实时了解单个车辆的位置和运营状态，而且结合地理信息系统可以使交通管理部门实时掌握整个区域甚至整个城市的交通畅通状况，从而制定出合理的交通指挥方案。另外，车载移动台可以为出行者提供各种交
3、通信息服务，可以改变现在的“盲目”驾驶情况，使出行者可以了解从车辆当前位置到目的地的全部交通状况和变化趋势，这等于给车辆装上了一个“千里眼”。通过附加服务信息，出行者还可以利用旅行时间进行各种信息交流和商务活动，充分享受信息社会带来的便利条件。1 车辆定位监控系统及车载移动台概述1.1 车辆定位监控系统车辆定位监控系统作为ITS的一部分，其主要功能是对移动车辆进行实时定位跟踪，并实现对车辆的调度指挥。车辆定位监控系统由车载移动单元、通讯网络、指挥调度中心三部分组成。其工作原理为：车载移动单元通过接收到的GPS信息，此信息包括车辆当前的经度、纬度、时间等。然后通过GSM移动通讯传送到指挥调度中心
4、，指挥调度中心在接到车辆上传的信息后，根据车辆的当前状况科学的进行调度和管理，从而提高运营效率。车辆是具有高度机动性的移动目标，而获得车辆当前位置及其它状态信息，并向其发送调度指令是车辆监控的基本要求，因此车辆监控系统的实现必须借助GPS定位技术和移动通信技术。1.1.1 GPS定位技术当今世界上应用较为普通的卫星导航系统有3种，它们分别是美国的GPS、俄罗斯的GLONASS与海事卫星系统，其中以GPS最为成熟，支持厂商最多，是世界上应用最广的定位系统。该系统通过分布在6个轨道上的24颗导航卫星向全世界发送定位信息，地面上的任意一点在能够同时接收到4颗卫星信息的条件，就可以进行自身定位。采用G
5、PS定位具有精度高、全天候、不受地域限制等优点，在定位精度、灵活性、使用成本等诸多方面与目前其他定位技术相比具有较大的优势。1.1.2 移动通信平台选择目前主要的移动通信手段有公用GSM通信平台、模拟集群、数字集群、GPRS、CDMA等。国家公众GSM通信网具有覆盖广、数据通信质量可靠、系统规模大等优点。作为基于国家公用GSM通信平台的车辆监控系统，目前其技术手段最为可靠，也是目前技术手段最先进的监控系统。因此现阶段通常采用GSM作为车辆监控系统的通信手段。1.1.3 GSM短信息工作原理短信息业务属于GSM系统的增值服务，短信息的工作过程大致如下，短信息的发送方将编辑完毕的短信息发送给网络，
6、当网络成功接收后，向发射端下传成功信息；网络从短信息中的目标号码查找接收端信息，然后向接收端发送，当接收端正确接收后，向网络发送成功信号。在接收端末上传成功信号情况下，网络将该端消息进行保存排列，以备后续重新发送。显然短消息的的方式很适于应用在车辆监控系统中，首先车辆监控系统的数据传输量不大，一般情况下只需传输车辆的定位数据及相应的控制调度指令，目前短信息的数据容量足以满足要求；其次，短信息的数据通信质量可以保证，由于采用公用移动网，所以无需额外考虑误码率问题，减少了工作量。1.2 车载移动台车载移动台是车辆监控系统的重要组成部分，它的性能直接决定着监控系统的品质。所以对车载移动单元的设计就显
7、得尤为重要。 图1-2 车载移动单元Fig.1-2 The mobile unit for vehicle positioning车载移动台由GPS-OEM板、单片机数据采集模块、单片数据处理模块及GSM通讯模块组成（如图1-2）其工作原理为：单片机数据采集部分定时从GPS-OEM板提取车辆经度、纬度、时间等数据。同时，单片机数据处理部分读取数据采集部分得来的信息，并将此信息送至GSM通讯模块，最后由GSM通讯模块把信息发送给指挥调度中心。另外，GSM通讯模块也可以接收指挥调度中心的命令，并显示出来。而且在紧急情况下，还可以与调度中心进行语音联系。由此可见，车载移动单元的实现必须借助GPS定位
8、技术、微型计算机技术及GSM移动通信技术。2 GPS定位技术及GPS接收机2.1 全球卫星定位系统GPS介绍GPS系统是由美国国防部的陆海空三军在70年代联合研制的新型卫星导航系统，它的英文名称是“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global PositioningSystem”，其意为 “卫星测时测距导航全球定位系统”，简称GPS系统。它是一种为海上、陆上、空中的用户提供全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统，并以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于航空航天、军事、交通运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，被
9、作为一项非常重要的技术手段和方法。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前己遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。GPS系统由24颗 GPS工作卫星及3颗在轨备用星组成，运行轨道约为29000km，分布在6个轨道面上。GPS采用扩频调制信号，工作在两个L波段频率：1575.42MHz（L1）和1227.60 MHz（L2）上，它提供两种精度水平的导航服务：精密定位服务和标准定位服务。精密定位服务提供较高的精度和反干扰保护，它通过密码技术来控制。L1频率上调制有P码（精密码）和C/A码(粗捕码),L2上只调制P码。每颗卫星都传送L1和L2频率。用
10、户GPS接收机应用卫星传送的数据来解出导航和时间信息。精密定位服务可让用户享有系统的全部精度。标准定位服务在未加SA（选择可用性）扰码时，可获得30m（2DRMS）的精度，加SA扰码时，可获得100m（2DRMS）的精度。2.2 GPS定位技术特点GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其它导航系统相比，主要特点有如下六个方面：1)定位精度高一个导航定位系统的重要性能指标是定位精度。GPS系统采用卫星定位，可以有效地修正因为传播带来的误差。另外，空间技术、信息处理、信号的最佳接收、精密时钟等各种先进技术都为卫星定位精度提供了保障条件。目前GPS系统单点实时定位精度
11、可达510m，静态相对定位精度可达10.1ppm，测速精度为0.1m/s，而测时精度约为数十纳秒。随着GPS测量技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。2)观测时间短随之GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前,20km以内相对静态定位，仅需1520分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需 12分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。3)执行操作方便随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达到“傻瓜化”的程度：接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。4)全球、全天
12、候作业由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位地需要。目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。5)功能多、应用广GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时问信息，可以利用卫星通信和卫星广播技术，构成一种具有通信、导航定位、识别及授时的多功能系统。除用于军事目的外，还可民用。随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量、导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。6)抗干扰性能好、保密性强由于GPS系统采用了数字通信特
13、殊编码技术，即伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。2.3 卫星定位原理2.3.1 卫星定位系统的组成GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。如图2-1所示。1)空间部分GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星均匀分布在距离地面大约20183km的6个轨道平面内，每条轨道与赤道面的交角为55度，各个轨道平面之间相距60度（即轨道的升交点赤经各相差60度），每条轨道上有4颗卫星。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，同一轨道
14、平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前 30度。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。运行周期为11小时58分。每颗GPS作卫星都发出用于导航定位的信号。地面支撑系统GPS系统用户空间系统24颗卫星GPS接收机三个注入站五个监控站一个主控站图2-1 GPS系统结构示意图Fig.2-1 GPS System structure sketch map2)地面控制系统GPS地面控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站即卫星操作控制中心（CSOS）,位于加州Fal
15、con空军基地，主控站内设有工作人员。主控站负责接收、处理来自各监控站跟踪数据，完成卫星星历和原子钟计算，卫星轨道和钟差参数计算，产生向用以空间卫星发送更新的导航数据。这些更新数据送到注入站，利用S频段（17501850MHs）向卫星发射。由于卫星上的原子钟有足够精度，故导航更新数据约在每天才更新一次。主控站本身还是监控站，还可用于完成诊断卫星的工作状态，进行调度等工作。监控站为无人值守站，共有5个。除主控站上的监控站外，还在美国夏威夷、北太平洋上的Kwajalein岛、印度洋上的Diogo Garcia岛、大西洋岛上的Ascension岛上设有监控站。监控站对卫星进行跟踪与测轨，以22002300MHs频率接收卫星的遥测数据，进行轨道预报，并收集当地气象及大气和对流层对信号的时延数据，连同时钟修正、轨道预报参数一起传送给主控站。3个注入站，与三大洋的Kwajalein岛、Diogo Garcia岛、Ascension岛上监控站并置。注入站主要功能为将主控站送来的卫星星历、钟差信息和轨道修正参数，每天一次注入到卫星上的导航电文存贮器中。3)用户设备部分GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译GPS卫星所发送的导航电文，实
