基于CAPS/W ebGIS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的研究

劉 建

(1.中國交通通信信息中心，北京100011;2.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

近些年來，隨著汽車保有量的快速增長，造成交通擁堵的狀況不斷加劇。作為一種解決交通問題的全新方式，ITS(智能交通系統(tǒng))在國內(nèi)外迅速發(fā)展。車輛監(jiān)控系統(tǒng)是ITS的重要組成部分，是目前ITS的開發(fā)應(yīng)用熱點之一。

為向用戶提供一個集車輛信息查詢、實時監(jiān)控和車輛管理于一體的多功能應(yīng)用平臺，實現(xiàn)車輛有效調(diào)度和安全監(jiān)控，提高道路的利用率，減小社會流通成本，改善交通環(huán)境，增加社會效益，筆者結(jié)合CAPS(China area positioning system)定位導(dǎo)航技術(shù)和WebGIS，研究和實現(xiàn)了基于CAPS/WebGIS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)。

1 相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 中國區(qū)域定位系統(tǒng)CAPS

1.1.1 CAPS 系統(tǒng)組成

CAPS是中國科學(xué)院國家天文臺和國家授時中心等單位利用現(xiàn)役在軌的通信衛(wèi)星研制的一個有全球?qū)Ш蕉ㄎ话l(fā)展能力的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［1－3］。CAPS方案采用現(xiàn)役在軌通信衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器作為中繼，將地面生成的測距碼和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，實現(xiàn)導(dǎo)航和定位。

CAPS系統(tǒng)由空間段、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設(shè)備3個部分組成:

(1)空間段為導(dǎo)航星座，目前的衛(wèi)星星座由同步衛(wèi)星中衛(wèi)一號(87.5°E)、鑫諾一號(110.5°E)、亞太一號衛(wèi)星(142°E，小傾角同步通信衛(wèi)星)和亞太1A號衛(wèi)星(130°E)(備用)構(gòu)成。

(2)地面監(jiān)控系統(tǒng)主要包括地面衛(wèi)星測控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星高精度測軌定軌系統(tǒng)、導(dǎo)航信號生成與發(fā)送分系統(tǒng)、時頻基準(zhǔn)和監(jiān)測分系統(tǒng)。CAPS的時頻基準(zhǔn)是地面原子鐘，導(dǎo)航電文在地面生成，由地面監(jiān)控站發(fā)送給衛(wèi)星，再由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

(3)用戶設(shè)備為各類CAPS導(dǎo)航接收機。通過采用偽碼擴頻技術(shù)和微波集成技術(shù)，可以實現(xiàn)接收機系統(tǒng)的小型化，滿足各種用途的需求，實現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時和定姿。

1.1.2 CAPS 系統(tǒng)的定位原理

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航是以遠地空間的衛(wèi)星為空間位置和時間的測量基準(zhǔn)，通過測量電波從衛(wèi)星至用戶的時間差，實現(xiàn)距離測量［4］。精確地度量電磁波從衛(wèi)星至用戶的時間差是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的關(guān)鍵。在CAPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航定位信號從地面段發(fā)出，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到用戶，總的傳播時間t∑由幾部分組成:

把式(1)改寫為:式中:τt為發(fā)射機線路時延;tU為地面段發(fā)射天線到第i顆衛(wèi)星接收天線之間的傳播時間;τs為第i顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)引入的延遲時間;tD為第i顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線至用戶天線之間的傳播時間;τr為接收機電路時延;εi為各種因素造成的測量誤差。

從式(2)可以看出，如果用戶接收機能得到τt、tU、τs和 τr的數(shù)值(如通過導(dǎo)航數(shù)據(jù)包從地面段發(fā)送給用戶)，并能測量t∑i，那么就可得到 tD(含有εi誤差)，進而可求出用戶到各顆衛(wèi)星之間的距離，于是可從組成的多組球面方程求解，求出用戶的位置。不同的是，GPS和GLONASS系統(tǒng)是直接測量 tD，而CAPS則是直接測量 t∑i，間接求出tD。

1.1.3 導(dǎo)航通信一體化

CAPS是一個以同步軌道衛(wèi)星為基礎(chǔ)的星基導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為實現(xiàn)導(dǎo)航定位功能，CAPS所使用的都是每顆通信衛(wèi)星的部分轉(zhuǎn)發(fā)器，特別是對已購買的小傾角衛(wèi)星，僅使用其中的一小部分轉(zhuǎn)發(fā)器，造成資源被大量閑置。CAPS項目組提出系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)航通信一體化的概念，利用CAPS系統(tǒng)C波段極其豐富的通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻率資源實現(xiàn)導(dǎo)航和通信雙功能，基于這些不需要額外成本的資源進行設(shè)計，可以圓滿地解決大用戶容量與導(dǎo)航定位應(yīng)用有關(guān)的通信問題。

1.1.4 CAPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)比較

CAPS是區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，與美國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS和俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS相比，在覆蓋范圍、衛(wèi)星種類、數(shù)量和定位原理等方面都有不同之處［5］，如表1所示。

表1 CAPS衛(wèi)星導(dǎo)航與經(jīng)典衛(wèi)星導(dǎo)航的原理比較

1.2 WebGIS

WebGIS 是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物，利用Internet在Web上發(fā)布和出版空間數(shù)據(jù)，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析等功能。筆者研究開發(fā)平臺采用MapInfo公司開發(fā)的具有良好跨平臺特性的MapXtreme for Java，可以將應(yīng)用和數(shù)據(jù)發(fā)布在不同平臺不同計算機上(如Unix，Linux，Windows 平 臺);兼 容 J2EE Web Server和瀏覽器，可擴展性好;基于組件的設(shè)計、可靠性和多線程等為不斷擴展應(yīng)用程序提供了保證;可實現(xiàn)瘦客戶機/服務(wù)器、中等客戶機/服務(wù)器、胖客戶機/服務(wù)器3種 W eb GIS模式［6］。

2 車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

車輛監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載導(dǎo)航通信終端、監(jiān)控中心，以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)3個部分組成。車載終端的主要功能是接收CAPS導(dǎo)航信號，計算當(dāng)前車輛位置坐標(biāo)、車輛狀態(tài)等定位信息，并通過衛(wèi)星鏈路將其發(fā)往地面站，地面站再將該信息發(fā)給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心是以GIS數(shù)字地圖為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫監(jiān)視和操作平臺，可為用戶提供車輛信息數(shù)據(jù)庫查詢和GIS數(shù)字地圖的操作功能?？蛻舳薟eb瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)可訪問監(jiān)控中心主頁，輸入用戶名和密碼進入監(jiān)控中心的車輛監(jiān)控系統(tǒng)管理界面，選擇要監(jiān)控的車輛并在地圖上顯示出來，從而實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān)控管理。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其主要功能如下:

(1)車輛監(jiān)控。車輛導(dǎo)航終端回傳的定位信息包括經(jīng)度、緯度和海拔高度等，可在電子地圖上實時地顯示出來，車輛運行位置和運行狀況能夠在界面上顯示并能方便地查詢車輛運行軌跡。

圖1 系統(tǒng)詳細(xì)功能結(jié)構(gòu)圖

(2)報警與遠程控制。系統(tǒng)能實時顯示在線車輛的報警信息，包括劫警、盜警、SOS求助、車載終端故障報警、超出范圍報警、超出路線報警、超速報警和剪線報警等。當(dāng)車輛遭到搶劫、盜竊等緊急情況時，監(jiān)控中心可通過Web Browser客戶端發(fā)送命令，對監(jiān)控車輛進行鎖門、斷油斷電和熄火等相應(yīng)的急救措施，并聯(lián)系公安部門，及時派人到達事發(fā)現(xiàn)場。

2.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用基于B/S模式3層體系結(jié)構(gòu)，包括客戶端瀏覽器、中間層的Web服務(wù)器、MapX-treme應(yīng)用服務(wù)器和空間地圖數(shù)據(jù)庫，用戶只需用Web瀏覽器通過Internet就可以登錄該系統(tǒng)實現(xiàn)對車輛的監(jiān)控、查詢和管理等操作。MapXtreme for Java的WebGIS應(yīng)用模型如圖2所示?？蛻舳藶g覽器通過互聯(lián)網(wǎng)向Web服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，然后Web服務(wù)器接受客戶端的請求，并進行一系列的業(yè)務(wù)邏輯處理，再向MapXtreme應(yīng)用服務(wù)器提出GIS地圖的渲染和生成請求，MapXtreme應(yīng)用服務(wù)器通過空間地圖數(shù)據(jù)庫和車輛信息數(shù)據(jù)庫獲取生成圖像數(shù)據(jù)，并將生成的圖像通過Web服務(wù)器封裝后發(fā)送到客戶端瀏覽器。在B/S模式下，GIS地圖數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序都放在服務(wù)器端，客戶端只需提出請求，所有的響應(yīng)操作都在服務(wù)器端完成，因此系統(tǒng)維護只需在服務(wù)器端完成，客戶端不需要維護，從而降低系統(tǒng)維護的工作量。

圖2 MapXtreme for Java的WebGIS應(yīng)用模型圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

車輛監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)包括4個部分:

(1)Java Web的實現(xiàn)。采用TOMCAT作為Web服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器，基于 MVC的Struts應(yīng)用框架進行系統(tǒng)的開發(fā)。

(2)數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)。采用SQL Server 2008作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，記錄相關(guān)數(shù)據(jù);對數(shù)據(jù)庫的訪問采用面向Java環(huán)境的對象/關(guān)系數(shù)據(jù)庫映射(object/relationalmapping，ORM)工具的 Hibernate框架，在Java對象與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間起到橋梁的作用，負(fù)責(zé)兩者之間的映射。

(3)Web地圖的實現(xiàn)。筆者采用MapXtreme for Java的瘦客戶模式，即MapJ對象位于服務(wù)器端，不使用 Applet，渲染在服務(wù)器端進行。MapXtreme for Java的4個主要組件(MapXtreme Servlet、MapJ對象、Data Providers數(shù)據(jù)提供方和Renderers渲染器)協(xié)同工作，用于訪問地理數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)并為應(yīng)用程序提供地圖或數(shù)據(jù)。在客戶端使用Javascript響應(yīng)用戶的操作，根據(jù)用戶的請求生成相應(yīng)的地圖。在服務(wù)器端，使用一個名為MapService的Servlet，其作用是處理來自客戶的地圖請求，結(jié)合MapJ對象的狀態(tài)，向地圖引擎Map Xtreme Servlet發(fā)出圖像請求。MapXtreme Servlet根據(jù)請求查詢并生成矢量圖形，渲染出柵格圖像并發(fā)回MapService，再由MapService將生成的圖像發(fā)回客戶端顯示［7－9］。

(4)定位數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。CAPS車載終端得到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)采用基于WGS－84坐標(biāo)系的大地坐標(biāo)，包括經(jīng)度L、緯度B和海拔高度H。實現(xiàn)CAPS定位數(shù)據(jù)在地圖上的顯示需要將經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)(L，B)先投影到平面坐標(biāo)系(X，Y)，然后與MapXtreme地圖中坐標(biāo)進行擬合，再將平面坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換［10］。

3.2 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

(1)測試環(huán)境。在表2所示測試環(huán)境中實現(xiàn)對車輛運行軌跡以及跑車狀態(tài)下通信狀況的測試。

表2 測試環(huán)境

(2)測試結(jié)果分析。在車輛運行軌跡的監(jiān)測測試期間，被測車輛的CAPS車載終端每秒定位一次，每5 min回傳一次定位信息。圖3為車輛監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到的7號終端6月5日運行軌跡的回放，圖3中的圓點表示定位的點，數(shù)字“10”等表示回傳定位數(shù)據(jù)的順序序號。

圖3 7號終端車輛的運行軌跡回放

在跑車狀態(tài)下通信狀況的測試中，多個終端之間進行了雙向短消息通信試驗，兩個終端之間雙向通信時，會把短消息傳給監(jiān)控系統(tǒng)，圖4為車輛監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到的各用戶之間的雙向短消息通信內(nèi)容界面圖。

圖4 CAPS終端數(shù)據(jù)報文通信記錄界面圖

將圖3和圖4與實際數(shù)據(jù)比對分析可知，在試驗過程中監(jiān)控系統(tǒng)能實時地監(jiān)控到車輛運行狀態(tài)和位置，車輛在地圖上的位置與實際位置也一致，車輛軌跡回放與實際運行路線也一致，能監(jiān)控到各個終端間的短消息，軟件各功能模塊運行正常，可以滿足車輛監(jiān)控要求。

4 結(jié)論

首先介紹了CAPS的基本工作原理，通過對車輛監(jiān)控系統(tǒng)功能的描述與分析，提出了基于CAPS/WebGIS的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。最后對實現(xiàn)的系統(tǒng)進行了實地測試，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)利用CAPS進行數(shù)據(jù)傳輸，可以較好地完成終端定位、與監(jiān)控中心通信等功能，從而可以實時地掌握車輛的位置信息，較好地滿足用戶的需要。

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