基于GPS和GPRS的车辆定位系统应用设计与实现.docx
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基于GPS和GPRS的车辆定位系统应用设计与实现
题目基于GPS和GPRS的车辆定位系统应用设计与实现
学生姓名xxx
学号
专业班级通信工程
指导教师xxx
学院通信学院
答辩日期2012年6月11日
基于GPS和GPRS的车辆定位系统应用设计与实现
TheDesignandImplementationofVehiclesPositioningSystemApplicationBasedonGPSandGPRS
xxxx
摘要
全球卫星定位系统利用导航卫星进行测时和测距，它是一种将卫星及通讯很好的结合在一起的技术。
GPS用在大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、资源勘察等许多学科中都有着不可取代的优点,并且在经济和社会中都取得了很好的效益。
本设计主要介绍了GPS和GPRS在车辆定位中的工作原理,车载终端的硬件和软件设计。
该系统的设计与实现是GPRS、GPS技术相结合，利用GPRS的数据传输功能，把它接收到的信息通过GPRS网络上的无线通信链路传到建立在Internet网上的服务器上。
以及把车载移动终端的GPS定位信息如何传到建立在Internet网上服务器的问题做了相关的设计，以达到实现在线实时对车辆运行状态、安全状态、技术状态等各类信息的监控。
关键词：
GPRS；GPS定位系统；车载终端
Abstract
Globalsatellitepositioningsystemusingnavigationsatellitetimingandranging,itisasatelliteandcommunicationsinaverygoodcombinationtechnology.GPSusedingeodeticsurvey,engineeringsurvey,aerialphotography,vehiclenavigationandcontrol,resourcesurveyandmanyotherdisciplineshasirreplaceableadvantagesineconomyandsociety,andhaveachievedgoodbenefit.
ThispaperintroducesthedesignofGPSandGPRSinvehiclepositioningintheworkingprinciple,hardwareandsoftwaredesignofthevehiclemountedterminal.ThedesignandimplementationofthissystemisGPRS,GPStechnology,usingGPRSdatatransmissionfunction,putittoreceiveinformationthroughtheGPRSnetworkwirelesscommunicationlinktotheonlineserverbasedonInternet.AswellasthevehiclemobileterminalGPSpositioninginformationhowtobuildintheInternetonlineserverproblemintroducedthe,toachievereal-timeoperatingstateofthevehicle,security,technicalconditionandothertypesofinformationmonitoring.
Keywords:
GPRS;GPSpositioningsystem;Vehicleterminal
第1章绪论
1.1课题背景
卫星导航定位是指利用卫星导航定位系统提供的位置、速度及时间等信息来完成对各种目标的定位、导航。
卫星导航技术是全球发展最快的三大信息产业之一，涉及集成电路技术、软件技术、通讯技术、嵌入式系统、地理信息系统等多领域的战略性高新科技，在信息、交通、安全防卫、防灾、救灾、环境监测等方面发展前景十分广阔。
随着社会的不断进步，车辆在人们的生活中起了越来越重要的作用，而车辆带来的问题也日趋明显，交通堵塞、汽车被偷等案例这些问题，因此，完善智能交通系统是十分重要的，也是解决这些问题的有效措施。
车载智能终端是汽车电子化、智能化的一个重要应用。
车载智能终端是集GPS技术，GPRS技术和汽车行驶记录仪于一体的综合车辆管理系统。
监控中心根据GPRS向其发回的汽车全球定位数据，能够在GIS地图上显示受监控车辆的位置。
汽车行驶记录仪能够实时检测汽车行驶过程中的状态数据和事故疑点数据。
1.2车载智能终端的发展
随着电子工业和电子技术的飞速发展，车载智能终端由当初简单的汽车数据记录仪发展到集数据采集、数据存储、全球定位系统、地理信息系统和各种无线通信技术、多媒体技术于一体的高性能智能化汽车数字电子装置。
国外汽车电子技术的发展大致经历了三个阶段：
第一个阶段从上世纪60年代中期到七十年代末期，为局部应用阶段；第二阶段为70年代末期到90年代中期，机电一体化思想和技术运用到汽车设计中；第三阶段从上世纪90年代中期到2010年为全面应用阶段。
欧盟、日本等国家早在20世纪70年代就开始以立法的形式在部分客运车辆及货车上强制安装使用记录仪，经过靠近30年的发展，已经形成了一套体系完善，车辆监控、调度制度健全的全国范围内的车辆行驶监控中心，大大减少了由于汽车行驶安全带来的人员和财产的损失，也因此受到物流运输、汽车租赁、企事业单位、保险公司和交通管理部门的欢迎。
国外在车载智能终端方面的研究受市场需求量的驱动发展迅速，从其稳定性、安全性、易用性、完善性角度比较走在了世界的前列。
我国从20世纪80年代后期开始，在少数地区也曾试用过由国内一些科研机构及企业自主研制的数字式汽车电子装置。
经过20多年的发展，车载终端的研发已经初具规模，向正规化和专业化发展。
但与欧盟等国家相比较，我国汽车电子技术的整体水平比较落后，与国外的主要差距表现在：
自主开发能力差，技术水平低、应用范围小、器件和产品精度差、相关立法滞后、研究与应用脱节等。
1.3车载研发的国内外现状
经过多年的发展，中国车载导航的市场得到了很大的改善，车载导航技术也得到了很大的提升。
中国也发射了北斗导航定位系统卫星，这将为汽车定位导航技术提供更加完善的基础，也为定位导航技术的提高提供了更加广阔的空间，在交通行业可以得到更好的应用。
另外，近年来中国汽车市场的大力发展，道路建设的完善，电子地图技术的提高也推动了车载导航技术的发展的。
随着嵌入式微处理器的不断发展和我国自主研发卫星导航定位技术和卫星导航接收芯片的不断完善，相信我国的车载监控终端会朝着功能越来越完善、性能越来越稳定、设计越来越人性化的方向快速发展。
目前，日本是当今车辆导航定位监控系统发展最为成功的国家之一。
在日本的一些豪华汽车上，电子导航设备已经成为标准配置。
因为车辆导航监控系统不仅可以很方便的使驾驶员得到车辆的具体位置、速度和方向等信息；还可以提供路线查询、路径查询，以使驾驶员可以更快的到达目的地；以及遭遇人身安全问题时，获得紧急求助。
第2章GPS全球卫星定位系统
2.1GRS技术
卫星导航定位是指利用卫星导航定位系统提供的位置、速度及时间等信息来完成对各种目标的定位、导航、监测和管理。
卫星导航定位系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是一种可供海、陆、空军民用户共享的信息资源。
2.2GPS的系统结构
如图2-1所示，在GPS系统的结构中可分为三个部分：
由GPS卫星星座组成的空间段；为整个系统的中枢运行控制系统的地面段；各种类型的GPS接收机组成的GPS用户终端为用户段。
这三部分是GPS系统的重要组成部分，三者缺一不可。
图2.1GPS系统结构
2.2.1GPS空间段
在GPS卫星的卫星星座空间段中，其中有21颗工作卫星，高度一般都达到20200km，在轨道备份中还有3颗备用卫星。
24颗工作卫星分别分布在卫星轨道的6个轨道面内中，每个轨道上分布有4颗卫星。
卫星轨道和地球赤道没有在同一个水平面上，两者间有个相对倾斜角，倾斜角大约在55°左右，各轨道平面升交点的赤经相差60度。
在相距最近的轨道上，卫星的升交距相差30度。
卫星运行周期为11小时58分。
在地平线以上的每颗卫星每天约出现有5个小时，同时位于地平线上的卫星数目，随时间和地点的不同而不同，最多可以有11颗，最少也会有4颗。
另外，如果有卫星出现故障，在空间部分的3颗备用卫星可根据指令代替发生故障的卫星，以GPS空间部分正常的工作，提高空间部分的工作效益。
可以看出这3颗备用卫星也有着极其重要的作用。
目前全球定位系统空间段部分的工作卫星的分布情况如图2-2所示。
图2.2GPS星座图和卫星图
2.2.2GPS地面段
星座系统的控制是GPS整个系统的主要工作，而要完成星座系统的控制主要任务的是地面段，因此地面段成了GPS系统的中枢。
地面段主要任务是：
对所有的卫星进行跟踪以进行轨道和时钟测定、完成卫星时间同步、为卫星加载导航电文和预测修正模型参数。
地面段的结构为：
1个主控站、3个注入站和5个监测站。
下面介绍的是地面段的各组成部分。
首先介绍的是主控站，接收各监测站对GPS卫星的监测数据、卫星在工作状态下的数据、各监测站和注入站工作状态数据是主控站的主要任务，并且主控站还需要根据接收到的各类数据，完成以下几项工作任务：
（1）及时对每颗卫星的导航电文进行编算并传送给注入站。
（2）控制和协调监测站间、注入站间的工作，查看卫星是否将导航电文发给了GPS用户系统以及对发送的卫星导航电文是否正确进行检测。
（3）诊断卫星的工作状态，改变那些偏离轨道卫星的位置及姿态，调整备用的卫星替代失效卫星。
其次介绍的是注入站，注入站有3个，3个注入站分别设在南大西洋，南太平洋，和印度洋上，它们的主要任务是：
接收主控站发送来的导航电文，并用S频段射频链上行将导航电文注入到相应的卫星上，导航电文上行每天工作一次或两次，每次注入14天的星历。
如果由于某个地面站发生故障，那么导航定位的精准度在一段时间内将会慢慢降低，在这段时间内，预存在各卫星中的导航信息还是可以用。
此外，注入站每分钟会报告一次自己的工作状态，并且自动向主控站发射信号。
最后介绍的是监控站，监控站有5个，5个监控站分别设在科罗拉多、夏威夷、大西洋、印度洋、北太平洋马绍尔群岛。
监测站配有伪距测量接收机和精密的铯钟，配置这两个仪器是为了完成为主控站提供卫星测量数据的主要任务。
每隔1.5s在主控站的遥控下，监控站会进行一次伪距测量，利用电离层和气象数据，每15min进行一次数据平滑，然后发送给主控站。
2.2.3GPS用户段
用户端重要由各种类型的GPS接收机组成。
在这些组成用户端的GPS接收机中，我们又可以根据作用的不同分为两大类型：
导航型和测地型。
GPS接收机主要构成部分是接收机主机，其中接收机的构成还有天线单元和电源两部分。
GPS接收机主要构成部分接收机主机的构成有：
信号通道、变频器、微处理器、存贮器，其构成如图2-3所示。
图2.3GPS接收机原理图
（1）GPS接收机天线
天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流放大。
GPS天线就是由接收机天线和前置放大器这两部分组成。
以确保接收机的正常工作，减少信号损失。
（2）接收机主机
接收机主机中包括变频器和中频放大器两个重要组成部分，其中的结构还有：
信号通道；存贮器和微处理器。
GPS信号通道是个很重要的组成部分，它是由硬软件结合的电路而成的，是GPS信号通道接收机的核心部分。
作为核心的信号通道，它的作用是有很多，这里介绍的作用有三点：
第一搜索卫星并跟踪卫星运行轨迹；第二进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量；第三解扩广播电文数据信号，解调出广播电文。
接收机内设有存贮器，存贮器是用来存贮卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移的。
为了便于进行数据处理和数据保存接，在现代的GPS接收机中都备有存贮器，这样收机内存数据就可以传到微机上。
微处理器是GPS接收机的核心部分，微处理器可以通过指令统一调节GPS接收机的工作。
从以上所述中可以看出，GPS接收机的主要任务是：
当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并且能够跟踪这些卫星的运行；有变换、放大和处理接收到的GPS信号的功能，这样对测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间提供了便利，解译出GPS卫星所发送的导航电文，从中计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，还有就是可以实现使用GPS进行导航和定位的目的。
2.3GPS卫星定位原理
全球定位系统（GlobalPositionSystem—GPS）是美国从本世纪70年代由美国国防部批准开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
GPS是利用测距交会原理确定点的位置来进行定位的。
它采用多星高轨测距体制，以接收机到GPS卫星之间的距离作为基本观测量。
当地面用户的GPS接收机同时接收到3颗以上卫星的信号后，通过使用伪距测量或载波相位测量，测算出卫星信号到接收机所需要的时间、距离，再结合各卫星所处的位置信息，将卫星至用户的多个等距离球面相交后，即可确定用户的三维（经度、纬度、高度）坐标位置以及速度、时间等相关参数。
定位原理图如图2-4所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间
，再加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：
（1）
（2）
（3）
（4）
图2.4GPS定位原理
上述四个方程式中待测点坐标X，Y，Z和
为未知参数，其中：
分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
C为GPS信号的传播速度（即光速）。
四个方程式中各个参数意义如下：
X，Y，Z为待测点坐标的空间直角坐标。
、
、
分别为卫星l、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。
分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。
为接收机的钟差。
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
。
2.4GPS的应用
全球定位系统GPS拥有全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速等优点。
在诸多领域中得到越来越广泛的应用，最早应用于军用定位和导航。
随着技术的发展和完善，目前全球卫星定位系统GPS已逐步从军用扩展到民用，主要涉及海、陆、空的导航和定位，使世界交通运输业发生了深刻变革，推动了航天事业的发展。
同时在工业、农业、测绘、气象等领域均已得到广泛应用。
下面就GPS在车辆定位中的应用做一下介绍。
GPS在ITS中主要应用于车辆定位、导航和交通管理，是ITS的重要组成部分。
在任一时刻、任一目标能通过GPS系统得知汽车的经纬度、速度和准确时间，然后把这些信息通过无线通信网络提供给监控中心，监控中心负责在电子地图上显示出车辆运行轨迹；同时，监控中心可根据路况信息，发出调度指令，来完成对车辆的集中监控。
2.5GPS短信方案优点及缺点
与其他无线电台等传统方式比较，采用GSM短信息网络系统具有以下优点：
（1）速度快，实时性好，不掉线。
（2）可以双向通信，及时返回终端信息。
（3）设备体积小，操作简单。
（4）由于控制中心无须专门设置大功率发射电台，将大大降低安装费用。
（5）覆盖面广受地理环境的影响小。
与此同时，现有GPS短信方案又存在着如下所示的缺点：
（1）传送时间不确定：
因为短信采用信道命令时隙来传送，没有专门的数据通道，所以在命令时隙出现繁忙时候就容易出现数据传送延迟或丢失的情况。
（2）信道容量有限：
一条短信最多能传送140个有效字节，不能全面及时地反映车辆的实时信息。
（3）通信费用昂贵：
基本按照收发的总条数来计算。
（4）可扩展性差：
以SMS为主要通信链路，受链路带宽的影响，无法进一步扩展将来的其它数据传输业务。
如车辆运行中的图像监控等。
（5）尽管车载GPS监控系统有利于交通部门实现交通管理智能化，但目前短信方式的综合性能较差从而阻碍了该系统的全面推广。
第3章GPRS移动通信系统
3.1GPRS的定义
GPRS是通用分组无线服务技术（GeneralPacketRadioService）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。
GPRS可说是GSM的延续。
GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）形式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。
GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。
GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。
它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。
GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。
而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。
GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。
数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。
而是在每一个数据包到达时，根据数据包头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。
在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。
由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。
3.2GPRS发展现状及技术分析
GPRS是在现有GSM网络上发展出来的一种新的分组交换数据应用业务，与传统的GSM电路拨号交换相比，GPRS在资源利用效率、交换容量和性能上都有一个质的飞跃。
GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源，带宽最高可达171.2Kb/s。
目前中国移动的GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了100%，在边远地区也达到了80%以上，实际应用带宽大约在20-40Kb/s。
GPRS采用TCP/IP协议，非常容易和现有Internet技术及应用平台整合，使各种IP技术与服务同移动通信技术相结合，为客户提供各种高速高质的移车载动数据通信业务。
3.3GPRS系统工作原理
GPRS是采用分组交换技术的无线数据传输系统，能兼容GSM网络，并且在网络上能更加有效的传输数据和信令，它是在现有的GSM网络中增加了GPRS支持节点和服务支持节点来实现的。
系统的原理如图3-1所示。
SGSN——服务GPRS支持节点；GGSN——网关GPRS支持节点；
PCU——分组控制单元；PDN——公用数据网；
图3.1GPRS系统原理图
3.4GPRS数据传输的优点
利用GPRS进行数据传输具有下面列出的几项优点：
（1）移动通信：
GPRS无线通信打破了过去有线通信的固定位置限制，可根据业务需要随时增减数据传输点，极大地拓展了通信的领域。
（2）费用低廉：
GPRS网络按照客户收发数据包的数据流量来收费。
以GPS监控系统为例，同样的一笔业务，其通信费用约为过去的1/5～1/8，具有较强的成本竞争能力和市场推广性。
（3）永远在线：
客户随时都与网络保持联系，即使没有数据传送时，客户仍然在网上与网络之间还保持一种连接。
（4）快速登录：
连接时间很快。
GPRS无线终端一开机，就可与GPRS网络建立连接，每次登录网络，一般仅需1到3秒。
（5）高速传输：
由于GPRS网络采取了先进的分组交换技术，数据传输最高理论值可达171.2kb/s。
实际使用中一般能达到20～40kb/s。
（6）组网灵活：
中国移动的GPRS网络覆盖面广，可在全国漫游而不增加额外费用，特别适合中小用户以低成本方式在短时间内组建自己的跨区域性数据网络。
（7）信道保障：
GPRS通信链路由中国移动这样的专业运营商维护，在出现通信链路中断的情况下能得到及时抢修，免除通信链路维护的后顾之忧。
（8）防雷击：
GPRS采用小功率短天线，不需要室外架设大天线，克服了有线传输设备和无线电台容易被雷击而损坏和中断通信的情况。
3.5车载定位系统GPRS方案
深入分析现有车载GPS短信系统，我们认为一套组网方便、性价比高、随时在线、稳定的通信方式，可有效解决车载GPS监控系统在通讯传输中庞大费用等问题，也是车载GPS监控系统在运输行业中普遍推广的必要手段。
而现在中国移动的GPRS网络正是满足这一需求的新兴通信方式，同时以原有GSM为备份链路，完全可以保证GPS监控系统数据传输的实时性与可靠性，同时在性能和价格方面均有质的飞跃。
其组网方式如图3-2所示。
图3.2车载GPS系统GPRS方案示意图
车载GPS系统GPRS方案的主要特点，如下所示：
（1）通讯费用低：
车载GPS监控系统的通信特点是：
具有突发性，但数据量小，对采用按流量计费的GPRS非常有优势。
（2）数据传输效率高：
GPRS是一种新型移动数据通信业务，给移动用户提供高速无线IP服务。
GPS设备采集的位置信息经过分析处理后，封装在IP报文中进行传输，其最大数据传输效率>90%。
（3）强有利的安全措施：
GPRS网络采用GSM的多种物理信道加密方式，同时在应用层还提供中心专线接入、专用APN等安全措施，可完全满足运输管理系统对安全的扩展性要求。
（4）可扩展性强：
可根据将来业务的需要在GPRS上增加新的监控内容，如增加图像传送等。
（5）可选短信备份：
在GPRS不通的情况下，可以通过传统的短信备份方式来保证关键信息的传送。
第4章车载终端的工作原理
4.1车载终端系统总体的整体流程
车载终端系统是集成于汽车行驶记录仪和车载卫星定位系统（GPS）以及GPRS技术的智能汽车电子装置。
该终端具有车辆行驶状态监测、车辆定位、信息传输、紧急报警、车载电话、救援通话等多项功能。
其中，车辆行驶状态监测主要是指汽车行驶记录仪在汽车行驶的过程中，不断对汽车行驶速度、行驶里程、疲劳驾驶时间和各种状态量进行检测和存储，为事故分析及处理提供原始和可靠的资料；
车辆定位主要指可将车辆位置信息，包括经度、纬度、方向、速度、时间等，及时传送回监控中心；
信息传输主要指用GPRS将车辆定位等信息向监控中心传送以及将监控中心发回的调度命令回送；
紧急报警是指若车辆一旦出现紧急情况，可通过报警按钮向监控中心发送报警信息，比如车辆行驶在高速公路上，当发生交通事故等
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