基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能交通系統(tǒng)終端無(wú)線通信研究及定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾聰　鐘建坤　曾文波　吳國(guó)君

【摘 要】針對(duì)民用客車(chē)的安全行駛，采取有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。滿足基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能交通系統(tǒng)產(chǎn)品客戶高品質(zhì)和差異化的市場(chǎng)要求，提高產(chǎn)品的可靠性，節(jié)約生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品性能等方面成為從業(yè)者及客戶關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。文章設(shè)計(jì)了一種基于北斗/GPS雙模車(chē)載終端定位技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了北斗和GPS兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出可選定位導(dǎo)航。利用北斗/GPS定位模塊采集客車(chē)在任何時(shí)間任何位置信息，再通過(guò)3G/4G移動(dòng)通信模塊把采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦W(wǎng)IP服務(wù)器上，并在控制中心的終端顯示器上顯示當(dāng)前車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)及車(chē)輛位置信息。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該雙模定位技術(shù)能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)控。北斗/GPS雙模定位能避免信號(hào)死角，具有定位精度高，定位性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)短信互通的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線通信技術(shù)；北斗/GPS定位

【中圖分類(lèi)號(hào)】U495；U463.67【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）09-0081-04

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物質(zhì)的需求越來(lái)越多，這不得不涉及運(yùn)輸業(yè)。運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展必然使得物流管理和道路管理變得更復(fù)雜多樣，比如：道路交通事故頻繁發(fā)生、駕駛員疲勞駕駛、人為超速超載等。這些問(wèn)題日益突出，而且難以用人力去有效控制。

1 智能交通系統(tǒng)采用3G/4G移動(dòng)通信技術(shù)的必然性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)已達(dá)到2億輛。這個(gè)機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的增加必然會(huì)給城市的交通暢通帶來(lái)壓力，同時(shí)還可能制約城市的發(fā)展。有了這一問(wèn)題的出現(xiàn)，那么必然會(huì)促使解決問(wèn)題的方法誕生，智能交通系統(tǒng)概念應(yīng)運(yùn)而生。所謂的智能交通系統(tǒng)是用先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊及計(jì)算機(jī)的處理技術(shù)，將電子傳感、電子控制等技術(shù)有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。

智能交通系統(tǒng)最主要的對(duì)象是車(chē)輛，那么我們可以通過(guò)3G/4G無(wú)線通信技術(shù)，進(jìn)行汽車(chē)的信息收集與共享，通過(guò)信息處理，實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與人、車(chē)與路、人與人、車(chē)與第三方服務(wù)商的協(xié)調(diào)溝通，達(dá)到道路交通的更有效利用。以下是例舉智能交通系統(tǒng)采用3G/4G移動(dòng)通信技術(shù)的必然選擇。

（1）連接對(duì)象的移動(dòng)性。我們現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，這些都是人與人相互交流，并沒(méi)有涉及物與人之間的聯(lián)系。而智能交通系統(tǒng)是屬于人與車(chē)輛、車(chē)輛與車(chē)輛、車(chē)輛與道路、車(chē)輛與站點(diǎn)之間還有車(chē)輛與綜合信息平臺(tái)的連接服務(wù)。智能交通系統(tǒng)核心都是圍繞這一車(chē)展開(kāi)的，而車(chē)是移動(dòng)的，所以在車(chē)輛高速移動(dòng)過(guò)程當(dāng)中通信鏈路及傳輸速率穩(wěn)定是智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

（2）傳輸?shù)募皶r(shí)性。智能交通系統(tǒng)的連接對(duì)象是在高速移動(dòng)的車(chē)輛或者是低速的鄉(xiāng)間小道，那么車(chē)輛必然涉及交通安全和道路堵塞問(wèn)題。車(chē)與車(chē)之間、車(chē)與行人之間、車(chē)與駕駛者之間、車(chē)與道路之間是否能夠及時(shí)傳輸信息是保證智能交通系統(tǒng)發(fā)揮關(guān)鍵作用的保障。

（3）信息傳輸?shù)目煽啃?。由于智能交通系統(tǒng)當(dāng)中有著數(shù)量龐大的網(wǎng)絡(luò)傳輸通信節(jié)點(diǎn)并且多以集群的形式出現(xiàn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)非常龐大，對(duì)于這海量的數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸可靠性要求就特別高。而目前能滿足這一要求的無(wú)線通信技術(shù)非3G/4G技術(shù)莫屬，這技術(shù)可以提供高清視頻，精確車(chē)輛位置信息。

2 智能交通系統(tǒng)采用北斗/GPS雙模定位

近年來(lái)，GPS的定位導(dǎo)航已經(jīng)普及到很多類(lèi)型車(chē)上，提供全時(shí)空、全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)。目前世界上有四大導(dǎo)航系統(tǒng)，分別是美國(guó)的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)（Galileo）、俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng)（GLONASS）與中國(guó)的北斗定位系統(tǒng)（BD）。GPS是世界上四大導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛也是應(yīng)用最久的，其對(duì)車(chē)輛定位的研究較為深入。2012年底，我國(guó)宣布北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，同時(shí)公布了北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（Inerface control document，ICD）正式版，北斗民用才開(kāi)始進(jìn)入研發(fā)和應(yīng)用階段。那么加快研究我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)的實(shí)際應(yīng)用就變得有重要意義。

目前市面上的車(chē)載終端主要基于美國(guó)的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并未結(jié)合我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。同時(shí)，現(xiàn)有的車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)多為非開(kāi)放式。而且GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和BD衛(wèi)星定位系統(tǒng)有著各自的優(yōu)點(diǎn)，GPS的主要特點(diǎn)如下：？譹？訛?zāi)軌蛉?、全天候工作。能夠覆蓋全球98%的面積。？譺？訛定位精度高。單機(jī)定位精度優(yōu)于10 m，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。？譻？訛操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛。只需要1臺(tái)GPS接收機(jī)即可準(zhǔn)確定位用戶所在的位置。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事工程、道路工程、車(chē)輛、船舶導(dǎo)航等多種應(yīng)用中。與GPS相比，北斗定位系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：？譹？訛北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供導(dǎo)航定位服務(wù)，其精度可以達(dá)到重點(diǎn)地區(qū)水平10 m，高程10 m，其他大部分地區(qū)水平20 m，高程20 m；測(cè)速精度優(yōu)于0.2 m/s，這和美國(guó)GPS的水平差不多。？譺？訛授時(shí)服務(wù)。授時(shí)精度可達(dá)到單向優(yōu)于50 ns，雙向優(yōu)于10 ns。？譻？訛短報(bào)文通信服務(wù)。這一功能能夠保證在我國(guó)及周邊地區(qū)具備每次120個(gè)漢字的短信息交換能力。？譼？訛具備一定的保密、抗干擾和抗摧毀能力。系統(tǒng)的導(dǎo)航定位用戶容量不再受到限制，并且保證用戶設(shè)備的體積小、質(zhì)量輕、功耗低，滿足手持、機(jī)載、星載、彈載等各種載體的需要。

本文通過(guò)結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，配置成可選模式，將接收到的位置信息通過(guò)移動(dòng)通信模塊上傳到公網(wǎng)IP服務(wù)器上，達(dá)到實(shí)現(xiàn)車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

3 衛(wèi)星定位技術(shù)的原理

定位模塊要不間斷地選擇合適的北斗、GPS衛(wèi)星并接收其星歷參數(shù)和時(shí)間信息，通過(guò)計(jì)算獲取相應(yīng)的三維坐標(biāo)的位置、方向、速度等信息，并將這些信息通過(guò)3G/4G移動(dòng)通信模塊上傳到服務(wù)器，利用云計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

模塊采用的是絕對(duì)定位原理：假設(shè)模塊的空間坐標(biāo)為（x，y，z），衛(wèi)星與模塊間的距離是L，通過(guò)導(dǎo)航電文可獲得北斗或GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)（X，Y，Z），根據(jù)以下式子

L=■

只要同時(shí)獲得3顆衛(wèi)星信息，就可以算出模塊坐標(biāo)（x，y，z）。

4 北斗/GPS的模塊硬件設(shè)計(jì)

4.1 北斗/GPS模塊采用的芯片

本文的北斗/GPS模塊采用的是GA833-3芯片。GA833-3芯片是一款高性能、低功耗、小尺寸北斗兼容GPS雙模衛(wèi)星定位接收模組，支持北斗和GPS單系統(tǒng)定位或雙系統(tǒng)聯(lián)合定位。GA833-3包含33個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收所有北斗和GPS可見(jiàn)衛(wèi)星。外形尺寸和主要信號(hào)接口與多款GPS模塊完全兼容，可直接替換使用。GA833-3的主要性能指標(biāo)如下。

4.1.1 定位時(shí)間

（1）熱啟動(dòng)時(shí)間：平均2 s。

（2）溫啟動(dòng)時(shí)間：平均3 s。

（3）冷啟動(dòng)時(shí)間：平均35 s。

4.1.2 靈敏度

（1）雙模捕獲靈敏度：-148 dBm；單北斗捕獲靈敏度：-138 dBm。

（2）雙模跟蹤靈敏度：-163 dBm；單北斗跟蹤靈敏度：-153 dBm。

4.1.3 定位精度

（1）定位精度：<10 m。

（2）速度誤差：0.01 m/s。

（3）1PPS誤差：10 ns。

4.1.4 功耗

（1）工作電壓：3.3 VDC（主電源和RTC供電電壓）。

（2）工作電流：小于40 mA（不包含天線供電）。

（3）RTC電流：小于10 uA。

4.1.5 環(huán)境特性

（1）工作溫度：-40～85 ℃。

（2）存儲(chǔ)溫度：-45～85 ℃。

4.2 北斗/GPS模塊的電路設(shè)計(jì)

如圖1行車(chē)記錄儀終端內(nèi)部提供主電源VCC（2.8～4.3 V）到芯片輸入端，芯片接收來(lái)自北斗/GPS雙模有源天線的信號(hào)，信號(hào)從RF_IN端進(jìn)入。VANT主要作用是根據(jù)有源天線的供電需求來(lái)提供不同的電壓。超級(jí)法拉電容則可以對(duì)電源起穩(wěn)定作用，避免主電壓突然變化對(duì)芯片造成傷害。RXA是串口接收，對(duì)接嵌入式ARM處理器，ARM處理器通過(guò)解算反饋使得北斗/GPS選擇獲取何種導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)；TXA是串口輸出，同樣對(duì)接嵌入式ARM處理器，將信號(hào)數(shù)據(jù)輸送給ARM處理器解算。

5 北斗/GPS組合導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)

由于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)有各自的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，所以我們硬件是采用北斗/GPS雙模定位模塊，那么軟件也采用雙模導(dǎo)航設(shè)計(jì)。采用雙模導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)完成北斗/GPS模塊軟件系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)融合解算。如圖2可看出數(shù)據(jù)處理流程。

我們給模塊通電后，則開(kāi)始初始化，將前次的定位信號(hào)確定進(jìn)入熱啟動(dòng)、溫啟動(dòng)或冷啟動(dòng)的選擇衛(wèi)星信號(hào)模式；設(shè)置的參數(shù)引導(dǎo)衛(wèi)星信號(hào)單元多北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)同時(shí)進(jìn)行捕獲，捕獲成功后就進(jìn)入信號(hào)跟蹤單元，信號(hào)跟蹤當(dāng)中主要是有環(huán)路控制、位同步、幀同步及電文接收；北斗和GPS是兩個(gè)相互獨(dú)立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，系統(tǒng)之間用的坐標(biāo)、時(shí)間、星歷、偽距觀測(cè)是存在差異的。那么就要利用數(shù)據(jù)融合單元來(lái)完成他們之間的時(shí)間轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、偽距組合，再通過(guò)RAIM自主完備性檢測(cè)處理數(shù)據(jù)。再根據(jù)模式來(lái)選擇最優(yōu)定位系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算，并為用戶輸出位置、信號(hào)、時(shí)間等信息。

6 北斗/GPS雙模定位的性能指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6.1 性能指標(biāo)

該車(chē)輛終端采用北斗/GPS雙系統(tǒng)導(dǎo)航模塊GA833-3芯片，可實(shí)現(xiàn)首次冷啟動(dòng)定位時(shí)間小于35 s，熱啟動(dòng)小于1 s，重捕獲信號(hào)靈敏度-145 dBm，跟蹤靈敏度-159 dBm，定位精度小于5 m（CEP，-13 dBm），速度精度0.2 m/s。由表1可看出，本終端系統(tǒng)的幾項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于其他的研究結(jié)果。

6.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

我們經(jīng)過(guò)系統(tǒng)終端仿真進(jìn)行測(cè)試，從服務(wù)器端獲取實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)可得到行駛車(chē)輛的位置信息（經(jīng)度和緯度）、行駛速度、里程、航向角與車(chē)輛的狀態(tài)。圖3顯示的是平面圖，我們?cè)诜抡嫦到y(tǒng)上選擇平面圖，并選擇牌號(hào)為粵P03565的車(chē)輛，從系統(tǒng)顯示圖可以看到時(shí)間是2018-06-08 15∶51∶51，該車(chē)輛速度是0 km/h（北），車(chē)走的里程是8 975.10 km，狀態(tài)可顯示卡片的運(yùn)行是否正常、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度。圖4顯示的三維衛(wèi)星圖，我們?cè)诜抡嫦到y(tǒng)上選擇三維衛(wèi)星圖，同時(shí)選擇另一牌號(hào)為粵P07338的車(chē)輛，則從系統(tǒng)顯示得到數(shù)據(jù)，時(shí)間是2018-06-08 15∶55∶17，速度是92.00 km/h（西），位置是廣東省河源市東源縣船塘鎮(zhèn)G78汕昆高速，里程是1 856.60 km，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示車(chē)輛已超速，狀態(tài)可顯示卡片的運(yùn)行是否正常、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度。

7 結(jié)語(yǔ)

本文的智能交通系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下采用了3G/4G移動(dòng)通信技術(shù)，同時(shí)定位技術(shù)采用的是北斗/GPS雙模定位技術(shù)，定位技術(shù)上的硬件設(shè)計(jì)是采用GA833-3芯片。該芯片的優(yōu)越性能使得仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期定位效果，各項(xiàng)性能指標(biāo)也優(yōu)于其他單模導(dǎo)航系統(tǒng)，表現(xiàn)出了該車(chē)輛終端雙模定位技術(shù)的潛力。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]