中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理所　張巖峰　鄭素花　王瑞光

 

　　《世界電子元器件》7月號

 

　　GPS定位技術(shù)在車輛管理和監(jiān)控系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛地應(yīng)用。系統(tǒng)利用GPS技術(shù)，GIS技術(shù)和通信技術(shù)對移動車輛進行實時監(jiān)控和管理。整個系統(tǒng)由監(jiān)控中心和多個移動車載臺組成，監(jiān)控中心通過無線通信與各移動車輛相互聯(lián)絡(luò)。目前，由于通信系統(tǒng)和手段的限制，中心采用輪詢的方法對各移動車輛的位置、狀態(tài)等信息進行查詢。根據(jù)時分制的原理，將一個輪詢周期分為若干個時間段，每個移動車載臺占用其中的一個時間段，移動車載臺只有在自己的時間段里才向監(jiān)控中心回傳車輛信息。

 

　　輪詢方法可靠性高，易于實現(xiàn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但同時它也限制了系統(tǒng)的容量和信道的使用效率。本文詳細分析了GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和輪詢方法，提出了一種移動車輛GPS智能控制通信規(guī)程，利用Jupiter GPS接收板提供的高精度同步時鐘，實現(xiàn)了系統(tǒng)中各移動車輛與監(jiān)控中心的快速通信。

 

　　一、GPS車輛監(jiān)控和管理系統(tǒng)

 

　　系統(tǒng)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)。移動車載臺由Jupiter GPS接收板，航位推算系統(tǒng)，控制模塊和電臺組成?？刂颇K采用MCU對輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行融合處理，控制數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。通信設(shè)備采用數(shù)傳電臺。也可以采用調(diào)制解調(diào)器加VHF(或UHF)電臺。移動車載臺的組成如圖1所示。

 

　　監(jiān)控中心由工作站(計算機)、GIS和電臺組成。數(shù)傳電臺接收車輛回送的GPS數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換為 RS232信號，送入工作站。如果采用VHF(或UHF)電臺，則將車輛回送的GPS數(shù)據(jù)解調(diào)，信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，再送入中心站。電子地圖根據(jù)回送的GPS數(shù)據(jù)，將各個車輛的位置和狀態(tài)實時顯示出來。

 

　　二、Jupiter GPS接收板的同步時鐘

 

　　Jupiter GPS接收板是GPS衛(wèi)星的制造商ROCKWELL公司的產(chǎn)品。它體積小，重量輕，功耗低，具有并行12通道，首次定位和重捕獲時間短，有極強的抗遮擋能力，無靜態(tài)漂移，工作穩(wěn)定。Jupiter GPS接收板提供1pps(pulses per second)的秒脈沖輸出和10kHz的時鐘輸出，定位精度和時鐘輸出的精度均為1　s。秒脈沖與衛(wèi)星鐘輸出的脈沖是同步的，10kHz的時鐘輸出與衛(wèi)星鐘也是同步的。秒脈沖與10kHz的時鐘都是相對時間，它們之間的各種測算誤差均方值為ns級，與后面將要說明的快速發(fā)送方法的延時相比，可忽略不計。因此，可以認為秒脈沖和10kHz時鐘是同步的。它們的關(guān)系如圖2所示。

 

　　對于多個同類型的Jupiter GPS接收板，各接收板之間的誤差可以表示為:。其中，第一項表示衛(wèi)星鐘在t0時刻的誤差，第二項表示GPS穩(wěn)定度的統(tǒng)計誤差。在GPS系統(tǒng)穩(wěn)定工作的情況下，誤差　t為ns 級。與快速發(fā)送方法的延時相比，　t可以忽略。

 

　　三、通信規(guī)程

 

　　中心對移動車輛的監(jiān)控采用三種工作模式，即正常工作模式、重點監(jiān)控模式和報警工作模式。在正常監(jiān)控模式下，監(jiān)控中心對所有車輛進行全面監(jiān)控；在重點監(jiān)控模式下，中心對選定的重點車輛進行監(jiān)控；在報警工作模式下，中心只對報警車輛進行監(jiān)控。采用不同的監(jiān)控模式，可以降低監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理量，減少不必要的查詢，縮短輪詢時間。

 

　　各移動車載臺接到GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行處理，截取有效信息，并加上控制信息，重新編幀。監(jiān)控中心對移動車載臺的信令格式如下：

 

　　(1)識別碼：用于區(qū)分不同的幀。長度為2字節(jié)：CHR$(5DH)+CHR$(01H)

 

　　(2)車輛號：用于指定不同的車輛。長度為1字節(jié)：CHR$(00H～0FFH)

 

　　(3)控制命令：長度為1字節(jié)：CHR$(00H～0FFH)

 

　　01H ：中心需要選中車輛的信息。

 

　　02H ：選中車輛熄火。

 

　　0FFH：啟動移動車載臺的定時/計數(shù)器，開始接收和發(fā)送GPS數(shù)據(jù)。

 

　　移動車載臺對監(jiān)控中心的信令格式如下：

 

　　(1)識別碼：功能同前。長度為2字節(jié)：CHR$(5DH)+CHR$(01H)

 

　　(2)車輛號：功能同前。長度為1字節(jié)：CHR$(00H～0FFH)

 

　　(3)車輛工作狀態(tài)：長度為1字節(jié)：CHR$(00H～0FH)

 

　　00H ：車輛狀態(tài)正常

 

　　0FH ：車輛狀態(tài)異常

 

　　(4)GPS數(shù)據(jù)狀態(tài)：標(biāo)志GPS接收板接收的導(dǎo)航數(shù)據(jù)是否有效。A為有效狀態(tài)，V為無效狀態(tài)。長度為1字節(jié)。

 

　　(5)緯度信息：GPS接收板接收到緯度信息后，將數(shù)據(jù)壓縮為BCD碼形式。如北緯43度53.48分經(jīng)壓縮后變?yōu)椋?3H，53H，48H。緯度標(biāo)志“N”省略。壓縮后長度為3字節(jié)。

 

　　(6)經(jīng)度信息：和緯度信息的處理方法相同。如東經(jīng)123度56.87分經(jīng)壓縮后變?yōu)椋?1H，23H，56H，87H。經(jīng)度標(biāo)志“E”省略。壓縮后長度為4字節(jié)。

 

　　字符結(jié)構(gòu)按照異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)：一位起始位，八位數(shù)據(jù)位，一位停止位。無奇偶校驗位。

 

　　信令采用壓縮BCD碼形式，以減少數(shù)據(jù)通信量。

 

　　四、接收和發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的用時分析

 

　　Jupiter GPS接收板輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)有兩種格式：廠家自定義的二進制格式和NMEA-0183通信格式。NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會制訂的一種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信格式。數(shù)據(jù)采用ANSI標(biāo)準(zhǔn)，以串行異步方式傳輸，比特率為4800bps，TTL電平。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一位起始位，八位數(shù)據(jù)位，一位停止位，無奇偶校驗位。數(shù)據(jù)代碼為ASCII字符。輸出各種導(dǎo)航語句，主要有GPGGA，GPRMC等。本系統(tǒng)中采用的GPS接收板輸出GPRMC導(dǎo)航數(shù)據(jù)，具體格式如下：$GPRMC,UTC時間，已定位/未定位，緯度，北/南，經(jīng)度，東/西，速度，航向，日期，校驗和終止符。對于陸地車輛定位來說，往往不需要全部導(dǎo)航數(shù)據(jù)，截取有效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照通信規(guī)程重新編碼后，一幀數(shù)據(jù)長度為2+1+1+1+3+4=12個字節(jié)?？刂茊卧c電臺的通信速率為9600bps，發(fā)送12個字節(jié)需13ms；電臺發(fā)送數(shù)據(jù)速率為 2400bps，發(fā)送12個字節(jié)需50ms 。通信系統(tǒng)采用數(shù)傳電臺，因此，還要考慮載波建立和撤消時間。多數(shù)通信設(shè)備生產(chǎn)廠商提供了這一時間值。為了保證GPS數(shù)據(jù)可靠傳輸，

 

　　需要測量這些時間的實際值。實際測量的時間為90ms　150ms 之間。與數(shù)傳電臺相比，VHF(或UHF)電臺載波建立和撤消的時間稍長，實際測量值為 220ms　250ms。數(shù)據(jù)處理時間為0.7ms，可忽略不計。這樣，發(fā)送一組數(shù)據(jù)需用13+50+150=213ms。GPS接收板接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)的速率為4800bps，衛(wèi)星傳送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)為70個字節(jié)，因此接收一組導(dǎo)航數(shù)據(jù)需150ms。在接收到下一組GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)之前，有1000-150=850ms的發(fā)送時間。而發(fā)送一組GPS數(shù)據(jù)需213ms ，因此，利用GPS接收板提供的 的同步時鐘作為定時/計數(shù)器T0的計數(shù)脈沖，來控制移動車載臺發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的延時，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速回送。

 

　　五、快速發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

 

　　中心與各移動車輛的通信采用輪詢方式。GPS 導(dǎo)航數(shù)據(jù)每秒刷新一次，其輸出與接收機的秒脈沖同步，因此以一秒為一個發(fā)送單元，一個單元時間里發(fā)送三組重新編幀后的GPS數(shù)據(jù)。用1pps的秒脈沖控制定時/計數(shù)器T1計數(shù)，實現(xiàn)對發(fā)送單元的輪詢延時；用10kHz的同步時鐘控制定時/計數(shù)器T0計數(shù)，實現(xiàn)對一個發(fā)送單元內(nèi)各車的發(fā)送延時。設(shè)輪詢周期為T ，各發(fā)送單元的時間間隔為Tn (n=1,2,3,……)。對系統(tǒng)進行初始化，中心選擇監(jiān)控模式。在輪詢開始之前，系統(tǒng)中的各個車輛發(fā)送GPS數(shù)據(jù)處于無序的狀態(tài)，需要對系統(tǒng)的時間進行統(tǒng)一定標(biāo)。為了保證中心和各移動車輛在同一時基下工作，中心采用與移動車載臺同型號的Jupiter GPS接收板輸出的 秒脈沖作為基準(zhǔn)時標(biāo)。首先，中心采用“一問一答”的方式查詢每一輛車的狀態(tài)，打通通信鏈路。確認系統(tǒng)中被監(jiān)控的車輛正常工作后，按照圖3的時序，在t0,t1,t2……時刻依次向各發(fā)送單元發(fā)送命令。其中，控制命令字符為0FFH。在t0時刻，發(fā)送單元內(nèi)的三輛車在接到中心發(fā)送的命令后，同時啟動各自的定時/計數(shù)器T1。開串行中斷，接收GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)。接收完畢，關(guān)串行中斷，按照通信規(guī)程中的格式對收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行處理。之后，一號車不延時直接將數(shù)據(jù)送出；二號車啟動定時/計數(shù)器T0，延時　T，T0產(chǎn)生中斷，發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢，關(guān)T0中斷；三號車啟動定時/計數(shù)器T1，延時2　T ， T0產(chǎn)生中斷，發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢，關(guān)T0中斷。第一個發(fā)送單元內(nèi)各車發(fā)送完畢。接著，在t1時刻，中心命令第二個發(fā)送單元中各車輛發(fā)送GPS數(shù)據(jù)。依此類推。當(dāng)一個輪詢周期結(jié)束后，第一個發(fā)送單元中的定時/計數(shù)器T1中斷，發(fā)送單元中的各車接收、發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，進入下一次循環(huán)。各車的發(fā)送時序見圖4。 本例中,　T=285ms。輪詢的時間間隔和各車發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的時間間隔可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

 

　　六、校驗

 

　　由于采用了快速通信，中心與各移動車輛的信息交互時間減少了。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，中心采用比較檢驗的方法。每次中心收到車輛回傳的GPS信息，將回傳的數(shù)據(jù)與工作站數(shù)據(jù)庫中的正確值進行比較。其中，車輛號每次比較都應(yīng)該相同；經(jīng)度信息和緯度信息與電子地圖數(shù)據(jù)庫中的已知位置信息相比較；根據(jù)車輛工作狀態(tài)和GPS數(shù)據(jù)狀態(tài)的值判斷回傳數(shù)據(jù)是否有效。如果各字段的差值在正常誤差范圍內(nèi)，即認為回傳數(shù)據(jù)正確。否則，認為錯誤。將錯誤信息存入中心數(shù)據(jù)庫，對出錯車輛進行詢問。校驗由中心的工作站(計算機)完成。

 

　　七、結(jié)論

　　

　　在實現(xiàn)的過程中，需要注意以下兩點：1.采用同類型的GPS接收板以保證發(fā)送時鐘同步。2.根據(jù)實際情況，合理確定輪詢過程中發(fā)送單元的時間間隔和各移動車載臺發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔，以保證GPS數(shù)據(jù)既能快速發(fā)送，又能夠被可靠接收，減少數(shù)據(jù)的沖突與丟失。

 

　　用市工商銀行的運鈔車監(jiān)控系統(tǒng)進行了試驗，獲得了良好的效果。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，監(jiān)控的實時性得到了提高。在原有的條件下，實現(xiàn)了系統(tǒng)升級。