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

 

　　《世界電子元器件》7月號(hào)

 

　　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(dòng)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心和多個(gè)移動(dòng)車載臺(tái)組成，監(jiān)控中心通過無線通信與各移動(dòng)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(dòng)車輛的位置、狀態(tài)等信息進(jìn)行查詢。根據(jù)時(shí)分制的原理，將一個(gè)輪詢周期分為若干個(gè)時(shí)間段，每個(gè)移動(dòng)車載臺(tái)占用其中的一個(gè)時(shí)間段，移動(dòng)車載臺(tái)只有在自己的時(shí)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(shí)現(xiàn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)它也限制了系統(tǒng)的容量和信道的使用效率。本文詳細(xì)分析了GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和輪詢方法，提出了一種移動(dòng)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(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中各移動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。移動(dòng)車載臺(tái)由Jupiter GPS接收板，航位推算系統(tǒng)，控制模塊和電臺(tái)組成?？刂颇K采用MCU對輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)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(tái)。也可以采用調(diào)制解調(diào)器加VHF(或UHF)電臺(tái)。移動(dòng)車載臺(tái)的組成如圖1所示。

 

　　監(jiān)控中心由工作站(計(jì)算機(jī))、GIS和電臺(tái)組成。數(shù)傳電臺(tái)接收車輛回送的GPS數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換為 RS232信號(hào)，送入工作站。如果采用VHF(或UHF)電臺(tái)，則將車輛回送的GPS數(shù)據(jù)解調(diào)，信號(hào)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(gè)車輛的位置和狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來。

 

　　二、Jupiter GPS接收板的同步時(shí)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(shí)間短，有極強(qiáng)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(shí)鐘輸出，定位精度和時(shí)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(shí)鐘輸出與衛(wèi)星鐘也是同步的。秒脈沖與10kHz的時(shí)鐘都是相對時(shí)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(shí)相比，可忽略不計(jì)。因此，可以認(rèn)為秒脈沖和10kHz時(shí)鐘是同步的。它們的關(guān)系如圖2所示。

 

　　對于多個(gè)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(xiàng)表示衛(wèi)星鐘在t0時(shí)刻的誤差，第二項(xiàng)表示GPS穩(wěn)定度的統(tǒng)計(jì)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(shí)相比，　t可以忽略。

 

　　三、通信規(guī)程

 

　　中心對移動(dòng)車輛的監(jiān)控采用三種工作模式，即正常工作模式、重點(diǎn)監(jiān)控模式和報(bào)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(jìn)行全面監(jiān)控；在重點(diǎn)監(jiān)控模式下，中心對選定的重點(diǎn)車輛進(jìn)行監(jiān)控；在報(bào)警工作模式下，中心只對報(bào)警車輛進(jìn)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(shí)間。

 

　　各移動(dòng)車載臺(tái)接到GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)車載臺(tái)的信令格式如下：

 

　　(1)識(shí)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(hào)：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(dòng)移動(dòng)車載臺(tái)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，開始接收和發(fā)送GPS數(shù)據(jù)。

 

　　移動(dòng)車載臺(tái)對監(jiān)控中心的信令格式如下：

 

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

 

　　(2)車輛號(hào)：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(yàn)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(shí)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(jìn)制格式和NMEA-0183通信格式。NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會(huì)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(yàn)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(shí)間，已定位/未定位，緯度，北/南，經(jīng)度，東/西，速度，航向，日期，校驗(yàn)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(gè)字節(jié)?？刂茊卧c電臺(tái)的通信速率為9600bps，發(fā)送12個(gè)字節(jié)需13ms；電臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)速率為 2400bps，發(fā)送12個(gè)字節(jié)需50ms 。通信系統(tǒng)采用數(shù)傳電臺(tái)，因此，還要考慮載波建立和撤消時(shí)間。多數(shù)通信設(shè)備生產(chǎn)廠商提供了這一時(shí)間值。為了保證GPS數(shù)據(jù)可靠傳輸，

 

　　需要測量這些時(shí)間的實(shí)際值。實(shí)際測量的時(shí)間為90ms　150ms 之間。與數(shù)傳電臺(tái)相比，VHF(或UHF)電臺(tái)載波建立和撤消的時(shí)間稍長，實(shí)際測量值為 220ms　250ms。數(shù)據(jù)處理時(shí)間為0.7ms，可忽略不計(jì)。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(gè)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(shí)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(shí)鐘作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)脈沖，來控制移動(dòng)車載臺(tái)發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的延時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速回送。

 

　　五、快速發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

 

　　中心與各移動(dòng)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(jī)的秒脈沖同步，因此以一秒為一個(gè)發(fā)送單元，一個(gè)單元時(shí)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(shí)/計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)送單元的輪詢延時(shí)；用10kHz的同步時(shí)鐘控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對一個(gè)發(fā)送單元內(nèi)各車的發(fā)送延時(shí)。設(shè)輪詢周期為T ，各發(fā)送單元的時(shí)間間隔為Tn (n=1,2,3,……)。對系統(tǒng)進(jìn)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(gè)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(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一定標(biāo)。為了保證中心和各移動(dòng)車輛在同一時(shí)基下工作，中心采用與移動(dòng)車載臺(tái)同型號(hào)的Jupiter GPS接收板輸出的 秒脈沖作為基準(zhǔn)時(shí)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(rèn)系統(tǒng)中被監(jiān)控的車輛正常工作后，按照圖3的時(shí)序，在t0,t1,t2……時(shí)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(shí)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(shí)啟動(dòng)各自的定時(shí)/計(jì)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(jìn)行處理。之后，一號(hào)車不延時(shí)直接將數(shù)據(jù)送出；二號(hào)車啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，延時(shí)　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(hào)車啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1，延時(shí)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(gè)發(fā)送單元內(nèi)各車發(fā)送完畢。接著，在t1時(shí)刻，中心命令第二個(gè)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(gè)輪詢周期結(jié)束后，第一個(gè)發(fā)送單元中的定時(shí)/計(jì)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(jìn)入下一次循環(huán)。各車的發(fā)送時(shí)序見圖4。 本例中,　T=285ms。輪詢的時(shí)間間隔和各車發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

 

　　六、校驗(yàn)

 

　　由于采用了快速通信，中心與各移動(dòng)車輛的信息交互時(shí)間減少了。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，中心采用比較檢驗(yàn)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(jìn)行比較。其中，車輛號(hào)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(rèn)為回傳數(shù)據(jù)正確。否則，認(rèn)為錯(cuò)誤。將錯(cuò)誤信息存入中心數(shù)據(jù)庫，對出錯(cuò)車輛進(jìn)行詢問。校驗(yàn)由中心的工作站(計(jì)算機(jī))完成。

 

　　七、結(jié)論

　　

　　在實(shí)現(xiàn)的過程中，需要注意以下兩點(diǎn)：1.采用同類型的GPS接收板以保證發(fā)送時(shí)鐘同步。2.根據(jù)實(shí)際情況，合理確定輪詢過程中發(fā)送單元的時(shí)間間隔和各移動(dòng)車載臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)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(yùn)鈔車監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了良好的效果。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，監(jiān)控的實(shí)時(shí)性得到了提高。在原有的條件下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)升級。