（车辆工程专业论文）基于gps与mapx控件的车辆监控系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济和城市交通的发展，汽车逐渐成为人们出行的主要交通工具。 但是汽车保有量的增加，使得城市的交通阻塞越来越严重。为了解决城市交通拥 堵的问题必须利用先进的科技手段对车辆进行合理的调度和分配。本文以m a p x 组件为地理信息系统平台，提出了一种基于m a p x 和g p s 的车辆监控系统，并 结合电子地图完成对车辆的监控、调度、指挥和管理，以提高车辆的使用效率和 管理效率，并能实现车辆报警、通信等功能。 本文首先介绍了选题背景和意义以及国内外相关行业发展和现状，简明的介 绍了本课题所涉及的相关技术和实现方法。 然后介绍了g p s 定位技术和g i s 系统的组成原理、m a p x 组件技术以及无线 电通信技术等相关技术。接着介绍了车辆监控系统的总体设计和基于m a p x 和 g p s 车辆监控系统的实现方法。 本文重点讨论的是车辆监控系统的实现方法和电子地图的制作，主要包括： 电子地图的制作、监控中心系统主界面的设计、鹰眼地图的制作、车辆的更新显 示和历史轨迹的回放以及g s m 和s m s 通信方式的选择等。其中系统的软件设 计采用v b 编写代码，利用v b 的控件进行制作；在本系统中监控中心和g p s 之间的通信是通过g s m 网络来实现的。本文还进行了车辆信息数据库的设计， 数据库主要是用来存储车辆的轨迹数据和车辆基本信息以及司机信息的，本文利 用m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 进行数据库的开发。 最后在以上理论的基础上完成基于g p s 和m a p x 控件车辆监控系统的总体 设计。并进行了实车实验，并对实验结果进行了分析。 关键词：车辆监控， g p s ，g s m ，m a p x ，g i s 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n du r b a nt r a f f i c ，a u t o m o b i l eh a s g r a d u a l l yb e c o m et h em a i nm e a n s o ft r a v e l i n g h o w e v e rt h ei n c r e a s i n g a m o u n th a sm a d et h et r a f f i cc o n g e s t i o nb e c o m em o t a n dm o r es e r i o u s i t i se s s e n t i a lt om a k eu s eo fa d v a n c e dt e c h n o l o g yf o rr e s c h e d u l i n ga n d a l l o c a t i o no f v e h i c l e st oa d d r e s su r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o n i ti sp r o p o s e dt h a tav e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nm a p xa n d g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) c o m b i n gw i t he l e c t r o n i cm a p c a n a c c o m p l i s hv e h i c l em o n i t o r i n g ，s c h e d u l i n g ，c o m m a n d ，a n dm a n a g e m e n t t oi m p r o v ev e h i c l ea p p l i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dm a n a g e m e n t e f f i c i e n c yo n t h ep l a t f o r mo fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mo fm a p x c o m p o n e n t ，a n d c a na l s oc o m p l e t ev e h i c l ea l a r m ，c o m m u n i c a t i o n sa n do t h e rf u n c t i o n s f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e st h et o p i cb a c k g r o u n d ，r e s e a r c h i n gs i g n i f i c a n c ea n d c u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i ca n da b r o a d ，a n a l y z et h et e c h n o l o g ya n d i m p l e m e n tm e t h o d s e c o n d l y ，i tp r e s e n t sl o c a t i o nf i n d i n gt e c h n i q u e o f g p s ，t h et h e o r yo fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，m a p x c o m p o n e n t s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n do t h e rc o n c e r n i n gt e c h n o l o g y a n dt h e ni ti l l u m i n a t e st h eg e n e r a ld e s i g n i n ga n dc o m p l e t i n gm e t h o d so f v e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e m t h er e s e a r c h i n gf o c a lp o i n t sa r et h ec o m p l e t i n gm e t h o do f v e h i c l e m o n i t o r i n gs y s t e ma n dp r o d u c t i o no fe l e c t r i cm a p ，m a i n l yi n c l u d i n g 江苏大学硕士学位论文 p r o d u c t i o no fe l e c t r i cm a p ，m a i n i n t e r f a c eo fm o n i t o r i n gc e n t e rs y s t e m ， e a g l ee y em a pm a k i n g ，u p d a t i n gd i s p l a yo fv e h i c l e s ，p l a y b a c ko fp r e v i o u s o r b i t sa n dt h ec h o i c eo fg s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) a n ds m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) c o m m u n i c a t i o n a n ds y s t e ms o f t w a r e a d o p t sv bl a n g u a g et oa c h i e v e ，m a k i n gu s eo fv b c o n t r o lt o a c c o m p l i s h t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm o n i t o r i n gc e n t e ra n dg p si s f u l f i l l e dt h r o u g hg s mw e b i ta l s od e s i g n st h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n d a t a b a s et h a ti sm a i n l yu s e dt os t o r eb a s a li n f o r m a t i o n ，p r e v i o u so r b i t s a n dd r i v e rd a t ab a s e do nm i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 f i n a l l y ，i tc o m p l e t e sar e a lv e h i c l ee x p e r i m e n tb a s e do nt h eo v e r a l l d e s i g no fv e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e mc o n c e r n i n gg p sa n dm a p xa n d a n a l y z e se x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：v e h i c l em o n i t o r i n g ，g p s ，g s m ，m a p x ，g i s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 不保密团 学位论文作者签名：毕彬匆 2 0 1 0 6 月日 指导教师签名：甲冬炙马 2 0 i o 年善月7j 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蛘步匆 日期：2 0 1 0 年月1 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论帚一早瑁y 匕 随着改革开放和国内经济的发展，公安、消防、交通、银行、物流等行业迫 切要求对地域广泛、移动性好、数量众多的车辆目标实施有效地监控、紧急救援、 和各种信息服务。这种服务既是公安、物流、交通行业所需也是现代社会的迫切 需要，而全球定位系统( g p s ) 从军用转为民用以后，g p s 技术应用给车辆、轮 船等众多的交通工具的监控、紧急救援和提供报警服务受理、信息查询和在线语 音导航等要求，在客运、公安、物流、银行等行业表现的更突出。车辆监控系统 集无线移动通信技术、全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 于一体， 实现车辆的动态监控、移动定位、信息导航、防盗报警、调度指挥，为交通部门、 企事业单位和个人提供了强大的技术支持【。 因此，本文利用全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、通信技术 和计算机技术，提出了基于m a p i n f o m a p x 控件的车辆监控导航系统，此系统主 要由监控中心、车载g p s 定位终端、通信网络三部分组成。 车辆监控系统是智能交通系统( r r s ) 的重要组成部分。大部分的车辆监控 系统都是以g p s 和g i s 地图技术为载体，g p s 定位技术可以精确定位到1 5 米的 误差范围，使车辆的实时监控成为可能。g i s 条件下的电子地图数据库为车辆监 控系统提供了一个存放了管理监控信息的一个平台。通信技术实现g p s 与g i s 的通信，使远程监控成为可能。这样车辆监控系统可以进行实时地理位置、路线 监控、调度，从而实现对车辆科学、合理的调度管理。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 自美国国防部将g p s 向美国国防部外免费开放以来，国外数家科研机构和 公司在使用g p s 、g i s 、和移动通信技术，实现对车辆的定位导航和跟踪监控方 面取得了一定的成果。其中欧、美、日等西方国家在车辆跟踪和车辆导航方面做 了大量的试验，取得了丰硕的成果。 江苏大学硕士学位论文 1 9 9 0 年，t r i m b l e 公司开发了第一套g p s 车辆监控系统v 仃a c k t 2 1 ，1 9 9 4 年， 最早从事这方面开发工作的公司美国的n a b s y s 公司将g p s 与蜂窝通信相结合， 设计了t i d g e t x 系统，在该系统监控范围下的车辆可以通过发送位置信息来请 求监控中心的援助，是当今车辆救助系统的雏形。m o t o r o l a 也是将g p s 通信的通 信单元结合起来，并应用于多种领域。近几年，国外这样的系统还有f o r d 的 r e s c u 系统、r o c l c w d l 的a d t , a t x ，o n g a r d 系统等。他们设计的g p s 车辆监 控系统一般都是和蜂窝通信联系起来，具有较高的实用性。现在越来越多的这种 系统走向市场功能也越来越强大f 3 】。 美国非常重视i t s 将形成的巨大市场，对i t s 的服务领域进行了广泛而深远 的研究。根据1 9 9 1 年综合地面运输效率法案o s t e a ) ，1 9 9 5 年3 月，美国运输 部正式出版了“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了i t s 的7 大领域( 即 基本系统) 和2 9 个用户服务功能( 即子系统) 。当然这些系统是分开实现的，分为 近期、中期、远期，逐步开发应用。7 大基本系统是： 先进的交通管理系统( a t m s ) 利用计算机技术定时进行道路旅行时间计算、交通控制、事故检测等。该系 统可对车辆进行有效控制和事故处理，减少交通阻塞和延误，从而最大限度地发 挥路网的通过能力。 先进的出行信息系统( a t i s ) 利用车载导航设备与a t m s 相配合，使驾驶员得到所需的各种交通信息， 包括道路条件、交通状况、气象数据等。另外，可以通过公用通信网实现预先得 到最佳路线的交通状况，使路网交通流得到平衡分配，提高运输效率。 商用车运营管理( c v o s ) 该系统管理对象主要是大型货车、出租车和其他商业运营车辆，目的是使商 业运营实现高效、高速、安全。 先进的公共交通系统( a p t s ) 该系统管理对象是公共汽车、地铁、高乘载车辆( f 1 0h o v ，指乘两人或两人 以上的车辆) 。利用自动车辆定位( a v l ) t 【ig p s 系统以及通信系统使驾驶员与管 理部门直接联接，进行实时调度和路线调整。 电子收费系统( e t c s ) 2 江苏大学硕士学位论文 通过i c 卡或者电子标签( ，r a p ) 实现自动收费，其发展方向是不停车收费系统。 先进的车辆控制系统( a v c s ) 利用车载计算机、传感器和通信设备，配合路侧的辅助设备提供各种形式的 避撞和安全保障，其最终目的是实现自动驾驶。 先进的地方交通管理系统( a r t s ) 主要是在城市以外的公路上实施，以实现事故检测、事故定位和安全服务。 日本i t s 研究的特点：政府、民间、学术机构密切合作，保证了在技术发展 过程中没有遗漏。日本政府在i t s 领域进行了大量的资金、政策等方面的投入， 以期形成i t s 产业推动日本经济发展。 日本的i t s 应用主要是提供交通信息：电子收费、公共交通、商业车辆管理 及紧急车辆优先等方面。在过去的5 6 年的时间里，已有近4 0 0 万套车内导航系 统在市场上应用。日本还将开发自动公路系统( a u t o m a t e dh i g h w a y ss y s t e m ) 。 日本政府的直接支持，极大地推动了日本i t s 领域的发展，在全世界范围处 于领先地位，占据全球1 t s 6 3 ，而欧洲仅占2 2 ，美国只有1 5 。 1 9 9 3 年7 月，日本成立“车辆、道路与交通智能协会一，从而在与i t s 有 关的5 个省：建设省、通产省、邮政省、运输省、警事厅之间建立了加强合作的 机制。1 9 9 5 年8 月，在详细分析i t s 用户服务范围的基础上，上述5 个部门提 出了日本公路交通车辆领域的信息化实施方针，目的是统一规划i t s 并 推进其工作。根据此方针，日本的i t s 由9 个开发领域和2 0 个用户服务功能构 成： 高级的导驶系统：依托实体主要是v x c s ( 道路交通情报通信系统) ，该系 统可实时采集和提供道路交通信息。 电子自动收费系统：目前主要开发的是不停车收费系统。 安全驾驶辅助系统：通过各种车载传感器、车载计算机为驾驶员提供安全 驾驶的辅助信息，最终目的是实现自动驾驶。 最优交通管理系统：通过改进交通信号为公共交通提供优化的路线引导。 高效道路管理系统：主要为道路养护、维修服务，包括许可证管理、施工 路线批准、交通管制措施等。 3 江苏大学硕士学位论文 公共交通支援系统：是公共交通的管理系统，随时掌握各种公共交通运行 的状况，及时确定公共交通调度计划。 商用车辆管理系统：收集货运的信息，为货运公司提供货源、货主、配送 等信息，组织连续运输。 行人辅助支持系统：为残疾人提供出行帮助，在灾害发生时，为行人提供 路线诱导、避难等帮助。 紧急事务车辆控制系统：在灾害发生时，为救援车辆的调用提供信息帮助。 欧洲i t s 的进展介于日本和美国之间。欧洲的i t s 研究开发是由官方f 主要 是欧盟) 与民间并行进行的，官方局限在i t s 基础建设方面投入。同时由于欧洲 的国家大部分很小，因此，i t s 的开发和应用是与欧盟的交通运输一体化建设进 程紧密联系在一起的。但是由于欧洲各国政府的分散投资和各国的i t s 需求不一 致，在整个欧洲建立统一的交通信息服务系统困难重重。事实也证明，在欧洲企 业直接从事道路信息服务的t r a f f i cm a s t e r 项目8 年后才见利润，而法国 m e d i a m o b i l e 运作的v i s i o n a u t e 到目前为止还远没有达到其最终商业目标。 自1 9 8 6 年以来，西欧国家主要是在“欧洲高效安全交通系统计划 4 1 ”和“保 障车辆安全的欧洲道路基础设施计划( d r i v e ) ”两大计划指导下开展交通运输信 息化领域的研究、开发与应用。欧洲的i t s 纳入欧盟建设通信与信息化社会的总 任务中，具有以下功能要求： 出行和交通信息服务：可为各种用户( 包括公共交通和货运用户) 在家中、 办公室、驾车途中提供各种交通信息，以便在计算机辅助下作出各种相应的选择。 市内交通管理：提供交通管理、交通信息、应急救援、停车和环境保护等 方面的服务。 城市间交通管理：在公路上提供交通管理、事故检测、驾驶信息等服务。 辅助驾驶：开发和利用车内导驶系统、人机接口、车间通信等，为交通安 全驾驶提供辅助服务。 货运及车队管理：开发货运和后勤管理系统，组织多运输方式的联合运输。 公共交通管理：为用户和乘客提供时刻表、交通信息等方面的服务。 从研究结果来看，欧洲的研究领域和系统功能与美、日大致相同，但它不是 以一整套统一的用户服务为起点和依据，而是在不同系统结构的研究项目成果基 4 江苏大学硕士学位论文 础上进行分类和集成的。这种自下而上的建立结构方式与美国和日本相比有所不 同，其效果和质量也将有所不同，在国际标准化的过程中，它们之间将发生竞争 并相互影响。 1 2 2 国内研究现状 目前，国内加快了i t s 的发展，我国于1 9 9 9 年成立了国家智能交通系统工 程技术中心，针对智能交通系统发展中存在的重大技术问题，对有市场价值的重 要应用科技成果进行共性技术、关键技术的后继工程化、产业化以及系统集成的 高新技术研发。并建立了国内唯一的综合性智能交通实体实验室。2 0 0 1 年，国 家选择了1 0 个大城市作为i t s 建设的试点城市。这些城市包括：北京、天津、 济南、青岛、上海、杭州、重庆、广州、深圳、中山。“十五 期间，我国的 i t s 试点建设取得了一定的成效。在“十一五”的8 6 3 计划和科技支撑计划中， 分别安排了“综合交通运输系统 和“国家综合智能交通技术集成应用示范 两 个智能交通科技项目。国家中长期科学和技术发展规划纲要己经将“智能交 通管理系统 列为“重点领域及其优先主题”发展【卯。2 0 0 7 年l o 月9 - 1 3 日， 第十四届世界智能交通大会在北京召开。这是世界i t s 大会第一次在我国召开， 展示了我国最近几年来i t s 方面的巨大发展。这足以说明我国的智能交通己经逐 渐地和国际接轨。近年来，我国已经涌现出大批的研究车辆定位导航的公司，也 有相应的产品面市。 g p s 行业到目前为止，仍在艰难的寻找其发展方向，总体来看服务向动态化、 深度和广度三个方向发展，具体发张出现以下趋势： ( 1 ) 开展服务运营合作 运营商可以在设备通讯、地图和软件等资源方面进行合作，共同面对用户， 提供更多的服务内容和更广泛的服务以减低成本。 ( 2 ) 推动技术和服务标准形成 细化和总结监控产品技术和服务方式，提取业务的共同特征，推动行业标准 的形成。有效降低资源的重复投资，使服务标准化、可替代，提升行业的规范性， 实现规模化经营。 ( 3 ) 服务与业务系统进一步衔接 5 江苏大学硕士学位论文 监控服务与业务管理进一步衔接，把服务范围扩大到运输业务本身，可以帮 助企业优化管理模式，取消与车辆运行管理的重复管理部分，降低管理成本。与 业务系统进行数据共享，提高管理效率。监控服务可以扩展到配载规划、线路优 化、车辆维修、日常调度、货物跟踪、运输定量分析等等方面。 ( 4 ) 引入行业外资源，发展增值服务模式 引入运输过程的上下游企业和客户的服务，发展增值业务，增加其运营收益。 目前广告增值业务和车辆保险联购都比较成熟，很多运营商已经开展此业务，取 得了很好的效果。 ( 5 ) 提供数据增值服务 对数据进行收集、分类、统计分析，为特定用户提供数据和信息服务。数据 处理分析有广泛的增值空间，如：车辆性能分析、道路情况分析、道路运行效率 分析、运输线路动态规划、乘客及货运规律分析等等。当前已有服务商涉足道路 动态信息发布业务，为数据增值业务开创了先河。 1 3 本课题的研究内容和意义 1 3 1 本课题的研究内容 本课题研究基于m a p x 控件的车辆监控系统的设计和实现。本文设计了以 m a p x 作为地图显示组件，g s m 为通信系统，采用t c p i p 通信协议进行数据传 输的车辆监控系统。 本课题的具体研究内容有： 1 ) 给出了基于m a p x 车辆监控系统的设计。 2 ) 系统的电子地图制作，电子地图是监控系统的基础，本系统选用的是 m a p x 专用地图m a p i n f o 格式矢量图。在对地图进行操作前，应该首先了解 m a p i n f o 格式地图的基本知识，包括它的文件格式和数据组织、数据索引机制以 及图层和图元的知识等。在生成系统框架前，还应了解m a p x 控件的主要功能及 其相关的调用方法。掌握了上述知识后，就可以生成系统框架并对地图进行操作 了。 6 江苏大学硕士学位论文 3 ) m a p x 控件在车辆监控系统中的应用，实现车辆在监控中心的可视化， 监控中心可以通过电子地图了解车辆的位置和其他状态。车辆图标在地图上的动 态绘制，实现车辆根据定位信息在地图上的实时移动。 4 ) 系统可行性试验。 1 3 2 本课题的意义 车辆监控系统是1 t s 的重要组成部分之一，它将全球定位技术、地理信息技 术( g i s ) 和现代通信技术结合在一起，通过将装有g p s 接收机的移动目标的动态 位置、速度、状态等信息，实时地通过g s m 传送至监控中心，在基于m a p x 控 件的电子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并可以对目标的准确位置、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，为车辆的监控、调度 管理提供可视化依据，提高车辆的运营效率，确保车辆安全。而且本系统具有能 够管理大量的、持久的、可靠的、共享的数据能力，把车载g p s 监控系统与数 据库结合在一起已经成为必然。有了强大的数据库作为后盾，系统的查询功能将 变得更加方便。 7 江苏大学硕士学位论文 2 1g p s 定位技术 第二章车辆监控系统相关技术 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 【6 1 。简单地说，这是一个由 覆盖全球的2 4 颗卫星组成的卫星系统。是2 0 世纪7 0 年代由美国陆海空三 军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。这个系统可以保证在任意时 刻，地球上任意一点都可以同时观测到4 颗卫星，以保证卫星可以采集到 该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术 可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线， 准时到达目的地。 2 1 1g p s 系统的组成 g p s 系统由3 部分组成【7 1 ，即空间部分、地面监控部分和用户设备部分。 2 1 1 1 空间部分 g p s 的空间部分是由2 4 颗工作卫星组成，其中2 1 颗工作卫星，3 颗备用 卫星，它位于距地表2 0 - 2 0 0 k m 的上空，均匀分布在6 个轨道面上( 每个轨道 面4 颗) ，轨道倾角为5 5 。此外，还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的 分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能保持 良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 g p s 卫星产生两组电码，一组称为c a 码( c o a r s e a c q u is i t i o n c o d e l 0 2 3 m h z ) ；一组称为p 码( p r o c i s ec o d e1 0 2 3 m h z ) ，p 码因频率较高， 不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法 解读，主要为美国军方服务。c a 码人为采取措施而刻意降低精度后，主要 开放给民间使用。 g p s 卫星的3 个基本功能： ( 1 ) 执行地面监控站的控制指令，接收和存储由地面监控站发来的导航信息。 ( 2 ) 向g p s 用户播送导航电文，提供导航和定位信息。 ( 3 ) 通过高精度卫星钟( 铯钟和铷钟) 向用户提供精密的时间标准。 8 江苏大学硕士学位论文 g p s 卫星上设有微处理器，可进行必要的数据处理工作，并可根据地面监控 站指令，调整卫星姿态，启动备用卫星。 2 1 1 2 地面监控部分 g p s 的地面控制部分主要用来测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电 文发给卫星，即卫星所提供的广播星历。地面控制部分由一个主控站，5 个 全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连 续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离 层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟 踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3 个地面控制站。 地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入 到卫星。这种注入对每颗g p s 卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围 之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信 息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低| 8 1 。 2 1 1 3 用户设备部分 用户设备部分即g p s 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫 星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟 踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解 调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可 按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、 速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包 构成完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两 部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在 于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关 机后，机内电池为r a m 存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接 收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。 2 1 2g p s 定位原理 g p s 定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。 9 江苏大学硕士学位论文 首先，g p s 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算 数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置【们。如图2 1 所示，假 设t 时刻在地面待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达用户接收机 的时间( i = 1 、2 、3 、4 ) ，再a n 上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可 以确定以下四个方程式： 、( x l x ) 2 + ( y 。一y ) 2 + ( z 一z ) 2 = c ( t 。一t k + t ，) ( 2 1 ) ( x ：一x ) 2 + ( y ：一y ) 2 + ( z ：一z ) 2 = c 【t ：一t k + t ：) ( 2 - 2 ) 、| ( x 3 一x ) 2 + ( y ，一y ) 2 + ( z ，一z ) 2 = c ( t 。一t k + t 。) ( 2 3 ) ( x 。一x ) 2 + ( y 。一y ) 2 + ( z 。一z ) 2 = c ( t 。一t 。+ t 。) ( 2 4 ) 图2 1 g p s 定位基本原理 f i 9 2 1p o s i t i o n i n gp r i n c i p l eo fg p s 其中x ，y ，z 为待测点坐标的空间直角坐标；c 表示光速( 信号传播速度为 光速) ；毛，y ；，z i ( i = 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得；t 。( i = 1 、2 、3 、4 ) 分别为 卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟差，由卫星星历提供。由以上四个方 程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差t 七。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 i 3g p s 输出数据格式 g p s 接收机以n m e a - 0 1 8 3 1 1 0 】标准格式输出定位电文。车载端通过串口接受 来自g p s 的定位信息。n m e a 是美国海洋电子协会制定的国际标准格式。并已 经成为g p s 输出的标准接口。n m e a 协议有0 1 8 0 、0 1 8 2 、0 1 8 3 三种，其中的 n m e a - 0 1 8 3 协议是目前使用最广泛的一种。 n m e a - 0 1 8 3 语句的基本格式为：$ g p ，d a t a , * 。其中“$ ”为 语句标志；“， 为分隔符；“d a t a 为具体的定位信息；“幸 为校验和识别 符，后面两位数为校验码和；“ 为终止符，代表回车、换行。 1 ) g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mf i xd a t a ( g g a ) g p s 定位信息 $ g p g g a ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，m ， ，m ， ， * h h u t c 时间，h h m m s s ( 时分秒) 格式 纬度d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) 纬度半球n ( 北半球) 或s ( 南半球) “ 经度d d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) 经度半球e ( 东经) 或w ( 西经) g p s 状态：0 = 未定位，1 = 非差分定位，2 = 差分定位，6 = 正在估算 正在使用解算位置的卫星数量( 0 0 1 2 ) ( 前面的0 也将被传输) h d o p 水平精度因子( 0 5 。9 9 9 ) 海拔高度( - 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 ) 地球椭球面相对大地水准面的高度 差分时间( 从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定 位将为空) 差分站d 号0 0 0 0 1 0 2 3 ( 前面的0 也将被传输，如果不是差分定位将 为空) 2 ) r e c o m m e n d e dm i n i m u m s p e c i f i cg p s t r a n s i td a t a ( r m c ) 推荐定位信息 $ g p r m c ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 皋h h u t c 时间，h h r n m $ $ ( 时分秒) 格式 定位状态，a = 有效定位，v = 无效定位 纬度d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) 江苏大学硕士学位论文 纬度半球n ( 北半球) 或s ( 南半球) 经度d d d m m m n l m m ( 度分) 格式( 前面的o 也将被传输) 经度半球e ( 东经) 或w ( 西经) 地面速率( 0 0 0 0 9 9 9 9 节，前面的0 也将被传输) 地面航向( 0 0 0 0 。3 5 9 9 度，以真北为参考基准，前面的0 也将被传输) u t c 日期，d d m m y y ( 日月年) 格式 磁偏角( 0 0 0 0 1 8 0 0 度，前面的0 也将被传输) 磁偏角方向，e ( 东) 或w ( 西) 模式指示( 仅n m e a 0 1 8 33 0 0 版本输出，a _ 自主定位，d = 差分，e = 估算，n = 数据无效) 本小节讲述了g p s 定位系统在车载导航系统中的作用，系统基本构成和定 理，g p s 输出数据格式。 2 2 地理信息系统 2 21 地理信息系统简介 地理信息系统( g i s ) 它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在 计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层( 包括大气层) 空间 中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述 的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及 其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用 于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、 决策和管理问题 1 1 1 。现在g i s 已被广泛的应用于智能交通系统( i t s ) ，成 了不可或缺的工具。 2 2 1 1 地理信息系统的特征 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态 性；以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、 多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息： 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专 江苏大学硕士学位论文 门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。 通俗地讲，地理信息系统是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影。 严格地讲，地理信息系统是反映人们赖以生存的现实世界( 资源或环境) 的现实 与变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机软件和硬件的 支持下，以一定的格式输入、存贮、检索、显示和综合分析应用的技术系统。它 是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、贮存、管理、处理分析 和描述整个或部分地球表面( 包括大气层在内) 与空间和地理分布有关的数据的 空间信息系统。 2 2 1 2 地理信息系统的组成 1 ) 计算机硬件 硬件是g i s 所操作的计算机。今天，g i s 软件可以在很多类型的硬件上运行。 从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境等等。 2 ) g i s 软件 g i s 软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件 部件有：输入和处理地理信息的工具；数据库管理系统( d b m s ) ；支持地理查 询、分析和视觉化的工具；容易使用这些工具的图形化界面。 3 ) 地理空间数据 一个g i s 系统中最重要的部件就是数据了。地理数据和相关的表格数据可 以自己采集或者从商业数据提供者处购买。g i s 将把空间数据和其他数据源的数 据集成在一起，而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管 理系统来管理空间数据。 4 ) 系统使用与维护人员 g i s 技术如果没有人来管理系统和制定计划，并将其应用于实际问题，将没 有什么价值。g i s 的客户范围包括从设计和维护系统的技术专家，到那些使用该 系统并完成他们每天工作的人员。 2 2 1 3 地理信息系统的功能与应用 g i s 在车辆监控系统中的应用主要是电子地图。电子地图分为栅格地图和矢 量地图，栅格地图是按照图片的格式存储，矢量地图是按照点、线、面三种数据 江苏大学硕士学位论文 结构来存储。适合车辆监控系统的电子地图格式是矢量地图。电子地图车辆监控 系统中担任着重要的角色。车辆监控、调度的主要工作都是在图上完成的1 1 2 1 。 一般包括以下作用： a 地图显示：这是最基本的功能，显示道路、道路宽度、道路级别、道路 名称、道路节点坐标。 b 车辆位置：实时地在地图上显示车辆的位置，起到监控的作用。 c 车辆操作：通过可视化地图界面选择车辆，对其调度、管理。 2 3 地理信息系统软件m a p l n f o 相关技术 m a p l r f f o 是美国m a p l r f f o 公司在1 9 8 6 年推出的桌面地理信息系统软件，是 一种数据可视化、信息地图化的桌面解决方案。它依据地图及其应用的概念、采 用自动化的操作、集成多种数据库、融合计算机地图方法、使用地理数据库技术、 加入了地理信息系统分析功能，形成了极具实用价值的、可以为各行各业所用的 大众化小型软件系统。m a p x t l 3 1 是m a p l n f o 公司在1 9 9 6 年推出的基于a c t i v e x 技术的可编程控件。 2 3 1m a p l n f o 空间数据的拓扑关系模型 空间数据的拓扑关系模型是地理信息系统的基石。当前商用地理信息系统 中，主要采用p o l y v r t 结构和“空间实体+ 空间索引 两种模型。 m a p l r f f o 采用称作“空间实体+ 空间索引”的拓扑关系模型。8 0 年代中后期 出现的商用地理信息系统，尤其是桌面地理信息系统大多采用这种方式，包括 e s r i 的a r c v i e w 。而采用p o l y v r t 模型的系统主要是以a r c i r f f o 为代表的一 些专业g i s 产品。 “空间实体+ 空间索引 模型的基础是“空间实体”。空间实体是地理实体 的抽象，主要包括点、线、面三种类型。每个空间实体对象都维护着自己的所有 属性，多个空间实体组成一个图层。 “空间实体+ 空间索引模型的空间查询功能是通过“空间索引 技术来实 现的。空间索引的目的是对给定的空间坐标，能够以尽快的速度搜索到坐标范围 内的空间对象。m a p l n f o 采用r t r e e 技术将空间实体的最小外接矩形( m b r ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 存储在索引中，并按从大到小的顺序进行索引搜索。建立了空间索引，就可以快 速地进行空间分析了。 相对于，p o l y v r t 的优点是多个不同的对象可以共用相同的结点，节省存 储空间，但由此产生的问题是其结构更加复杂，数据的编辑和维护比较困难。而 “空间实体+ 空间索引模型虽然会造成公共结点的重复存储，但是其结构化的 实体模型使得对某个对象的更改不会影响到其它对象的定义，从而大大增强了空 间数据的可维护性。 另外，基于p o l y v r t 结构的空间数据组织不能被规范为关系模式，而基 于“空间实体+ 空间索引 模型可以规范为“实体一关系 模型，从而可以与关系 数据库系统结合，在关系数据库内实现对空间数据的查询、分析和处理等操作。 2 3 2 1m a p i n f o 的主要技术特点 ( 1 ) 以表( 呦l e ) 的形式组织信息【1 1 】 每一个表都是一组m a p i n f o 文件，这些文件组成了地图文件和数据库文件。 为使用m a p i n f o ，就需要有组成表的用户数据和地图文件。这些文件可以来自 m a p i n f o 或者由用户创建。用户要想在m a p i n f o 中工作，就必须打开一个或多个 表。 m a p i n f o 通过表的形式将数据与地图有机地结合在一起。当用户在m a p i n f o 中打开数据文件时，m a p i n f o 将创建一个表。这个表至少由两个独立的文件组成， 一个是包含数据结构的文件，另一个是包含原始数据的文件。一个典型的 m a p i n f o 表将主要由木t a b 、木d a t 、奉w k s 、木d b f 、木x l s 、宰m a p 、木i d 、：i = i n d 文件格式组成。 ( 2 ) 图形对象 m a p i n f o 内置的数据库管理系统是一种关系型数据库管理系统，也是用二维 表组织数据。与其它关系型数据库不同的是表结构中除可包含常用类型的