1 绪论1.1 论文研究的背景交通运输业是关系国计民生的重要行业，作为交通运输业核心组成部分的公路交通运输，与人们的日常生活更是息息相关。在日常生活中，公交车、出租车、私家车等路面交通工具为人们的日常生活带来了极大的便利。然而，随着这些交通工具使用数量的急剧攀升，使得交通状况日趋紧张，全世界各地都存在着不同程度的交通问题，尤其是交通拥挤与堵塞现象更是成为世界各个城市最为头疼的问题。与日俱增的交通拥堵与交通事故、各种与车辆相关的犯罪例如车辆被盗、车辆遭劫频频发生这不得不促使人们寻求解决之道来治理交通问题及车辆管理问题。通过对这方面问题的长期研究一种融先进通信技术、信息技术、电子控制技术、计算机处理技术于一体的智能交通信息系统便应运而生。所谓的智能交通系统ITS Intelligent Transformation system是一个综合性的网络，它的主要功能体现在交通优化控制、管理调度、快速反应和救援等方面，而这些都离不开地理空间信息和对移动目标的位置信息获取，因此GIS地理信息系统技术、GPS全球卫星定位系统技术在智能交通信息系统中具有很大的市场潜力和广阔的应用情景。ITS 从整个交通系统出发，注重系统内各交通设备的系统性，强化系统内各种信息的相互交流，并强调系统服务的广泛性。整个ITS 是一个综合性的解决方案，它将系统中最核心的三要素行人、道路、交通工具当作一个整体全面综合考虑，从能效上看，这可以使系统中各交通基础设施各尽所能，能够有效解决交通拥挤与堵塞问题从行人角度来看，自身的出行安全有了保障，舒适度也有明显改善从社会效益上来看，系统可以节约能源、减少了排放，保护了环境使得整个社会获得巨大的收益。ITS 运用信息化手段对传统交通运输业进行改造，大大加快了整个交通运输业步入信息时代的步伐，成为交通运输业主流发展方向从目前的市场容量来看，ITS 拥有较大的份额这使其成为一项新兴的、大规模的国家产业，而且汽车gps防盗
是二十一世纪全球几项最大产业之一。车辆监控系统是ITS 中发展最为迅猛的一个分支。它是无线通信技术、GISGeographic Information System技术、嵌入式技术、GPSGlobal Positioning System 技术等多种先进技术在交通领域共同发展的产物。它集中了这些技术在交通行业应用中的优势，充分发挥了GIS 的地图功能、GPS 的实时定位功能、无线通讯技术的数据传输功能。随着这些技术的不断成熟，车辆监控系统呈现出日益蓬勃发展的局面。交通是国民经济的命脉，车辆是交通运输领域的核心元素。在交通日益发达的今天，车辆在交通中的地位越来越重要。而车辆监控系统的使用就好比给车辆安装了“千里眼”，时时刻刻都在关注着车辆的运行状态。有了它的保驾护航，可以有效预防和打击各种偷车、劫车的犯罪行为、使得车辆本身的安全系数得到w很大的提高，这也间接促进了整个交通行业安全水平的提高，创造了良好的社会效益和经济效益，具有重大的现实意义。在人们实际生产生活中，车辆监控系统受到人们的欢迎和重视，像危化品运输、物流、公共交通、出租汽车等许多行业都能发现它的影子。它不仅为各行各业的车辆提供位置定位服务，还可以提供运行状态实时监控分析、调度功能、信息发布、遇险报警等服务。例如，在一个大型油田中，有众多危化品运输车辆在油田上作业，利用车辆监控系统，油田监控调度中心可以对处于运输途中的危化品运输车辆进行实时监控调度。一方面，通过分析危化品运输车辆发送的实时GPS 数据确定车辆所处的位置，判断其是否超速行驶，如果危化品运输车辆出现故障、或发生泄漏，便可以及时通知监控中心，监控中心再调配相关部门例如消防、交通、公安、医院等部门进行紧急处理。另一方面，车辆监控系统中的
车辆可以向监控中心请求一些路况信息、气象信息、前方地理位置信息等。总之，车辆监控系统以其在交通领域独特的应用背景逐步深入到该行业的各个层面，并发挥其强大的安全保障能力、应急能力、管理调度能力为整个交通领域乃至整个社会做出了重要的贡献。本文所介绍的车辆监控系统是在微软 平台下开发的，具有良好的架构和设计。在开发时，充分考虑到软件的模块化设计，对于系统中的每一个功能都采用独立的软件模块实现，系统模块之间的祸性弱，模块内部功能统一内聚性高。本文提出的车辆监控系统可以为设计高性能、大型GIS 监控平台提供参考方案，在理论上和工程实践上都具有一定的借鉴价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状早在二十世纪八十年代末，我国开始出现对船舶和目标车辆进行监控的无线通信设备，借助于它可以获取目标的位置信息。进入九十年代以来，在GPS、GIS 等新技术的推动下，我国的车辆监控技术研究进入了一个崭新的层面。借助于精准的卫星定位、可视化的GIS 信息表达、性能优异的通信方式、先进的终端电子设备，车辆的监控水平更加精准细致。大约到了九十年代中期，国内已经有上百家的车辆监控系统，但受到那时候市场需求的和技术的限制，使得最终成型的商品化产品比较少。近些年来随着GIS 技术、GPS 技术、通信技术的进一步发展和推广，各种GPS 车载终端不断推出市场，产品价格也从以往的上万元降至千元左右的水平，各种类型的车辆监控系统应用走向商业化。技术层面上，在通信技术方面，现在中国移动的GSM 网络技术成熟稳定，以往的通信延迟问题得到很好的解决在GIS 技术方面，国内已经有多家公司推出了具有自主知识产权的GIS 产品，比较优秀的产品有北京超图软件股份有限公司研发的SuperMap 地理信息平台在卫星导航技术方面，我国正在建设自己的北斗卫星导航系统，目前已经成功将第八颗北斗导航卫星送入太空。基于
上面的因素，目前w国内的车辆监控系统市场迎来了发展高峰。全国各地出现了各式各样的车辆监控系统应用案例。例如，北京中兴恒和能源科技有限公司成功研制开发了“北斗卫星危化品运输监控指挥系统”全国许多城市都建立了各自的GPS 公交监控系统、出租车监控系统在物流业车辆监控系统也被众多企业采纳，白沙烟草物流公司研发了集车辆安全监控、烟草配送、业务管理与一体得物流综合管理系统。现在，随着国家对交通的重视力度加大，对智能交通系统研发的投入增加，车辆监控系统获得前所未有的发展机遇。有利的形势吸引了众多科研院所和企业投入到车辆监控系统的研究和应用中来。伴随研究的深入，新的车辆监控系统解决方案逐步走向市场。1.2.2 国外研究现状国外对车辆监控系统这一类型的智能交通系统的研究比国内要早，早在上世纪80 年代未，以日本、美国、法国、德国等为代表发达国家已经开始着手研究。总的来说，这些国家大力发展ITS，从效率和安全这两个方面纠正传统交通运输路面运输效率低、交通阻塞频繁、车辆机动性差、车辆运行安全性弱等弊端，以起到减少能耗、提高效率、增强安全性、保护环境的目的。具体来说，它们发展ITS 又有各自的特。在日本，很早就出现了对车辆等移动目标进行定位的应用，在企业中采用基于GPS 技术的自主导航产品也十分普遍。作为世界的汽车生产大国，日本智能交通系统的研究及应用绝大多数是围绕不停车收费系统、道路支援系统、车辆信息与通信系统三个方向展开。美国在ITS 研究方面，最有代表性的产品是独具特的汽车导航服务，它将导航服务与救助服务系统结合起来形成了辅助导航系统。这种辅助导航系统需要设立专门的配备计算机管理系统、电子地图、通信连接设备的服务监控中心。通过
服务监控中心可以为装有GPS 设备?母髦殖盗咎峁┒嘀植煌 姆 瘢 绫ň 瘛⒍ㄎ桓 俟芾怼⒕戎 瘛⒂镆舻己椒 瘛⒔艏本仍 竦取Ｋ孀?ITS 的发展，越来越多的ITS 产品在实际生活中得到应用，国外在这方面的应用更是处于一个迅猛发展的阶段。目前，世界各地在ITS 系统的研究与应用领域涌现了许多比较优秀和成功的系统。这些系统中典型的有德国西门子公司基于LISB 系统开发的Ah 一Scout 系统，它采用红外信标通信方式的中心决定式的路径诱导系统日本的VICS 项目，它是世界上第一个全国统一的车辆信息与通信系统美国General Motor 公司研制的TRAVTEK系统，它是美国最具代表性的城市交通诱导系统法国雷诺公司的Carminat 车辆定位与调度系统。上面这些典型应用都具有一个共同的特点就是定位精准、系统稳定性和可靠性高。1.3 论文研究内容及目标基于GPRS 的车辆监控系统就是把全球卫星定位GPS技术、GPRS 无线通讯技术和GIS 技术相结合，用以监控车辆所在位置和状态的安全保障系统。此系w统通过GPS 定位技术，获得被监控车辆的地理位置和利用传感器获得的一些附加信息如速度、方向等，然后通过GPRS 无线通讯网，把信息传到监控中心，并通过监控软件，在监控中心的电子地图上显示出来，从而达到监控的目的。另外，本系统还具有一些附加的功能，如移动目标发生意外，遭到劫持、车辆损坏、迷路等情况下，可以向处理中心发出求助信息，处理中心根据获得的车辆的准确位置，迅速给予帮助。本文研究的内容是车辆监控系统的整体结构设计，涉及车辆终端的结构设计，数据库设计，转发中心和野外展示系统的软件设计，以及各个模块间通信网络的拓扑结构设计，预计将主要包括以下几方面的工作:1监控系统整体结构设计2转发中心与车载终端通信协议的
设计3数据中心的设计与实现4转发中心软件的设计与实现。w 2 关键技术介绍2.1 地理信息系统（GIS）介绍地理信息系统GISGeographical information System是关于地理空间数据管理、空间信息分析及其传播的计算机系统。GIS 条件下的地图数据库为车辆导航系统提供了一个存放导航信息的可视化载体。它将某些区域的地图资料信息存储在大容量的存储设备中，根据实际需要自动调用，为车辆导航系统提供了车辆位置的直观、清晰的显示，并可进行查询、平移、缩放等操作，有利于提高导航系统的性能。同时可以扩展功能，实现相关信息的查询并通过文字或图像的方式显示在显示屏上。GIS 技术在车辆导航监控系统中的主要功能是用来对车辆进行导航和定位，其主要用途为:l提供图形化的人机界面2在矢量电子地图上，用户可以进行任意的缩小、放大，地图漫游等3用户可以进行地理实体的查询4在电子地图上，用户可以进行路径规划，最短路径的选择5能在电子地图上实时、准确的显示车辆的位置，跟踪车辆的行驶过程近年，随着科学技术的发展，GIS 开始走向PDA、手机、机顶盒等嵌入式设备。应用这些设备的GIS 软件被称之为嵌入式GIS 软件，因为它是GIS 与新兴嵌入式硬件相结合的产物，但又不是传统意义上的GIS，而是原有的GIS 领域的分支与延伸、辛卜充与发展。与传统GIS 技术相比较，嵌入式GIS 具有跨平台、易开发、易集成、易渗透、易融合等特点，而且价格相对较低，为地理信息技术融入其它信息技术提供了良好的技术基础。典型的嵌入式GIS 应用由嵌入式硬件系统、嵌入式操作系统和嵌入式GIS 软件组成。GIS 开发有三种实现方式：独立开发、单纯二次开发和集成二次开发。独立开发是指不依赖于任何GIS 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有算法都由开发者独立完成单纯二次开发是指完全借助于GIS工具软件提供的开发语言
进行应用系统的开发集成二次开发是指利用专业GIS工具软件实现GIS 的基本应用，以通用可视化软件开发工具为平台，进行二者的集成开发。由于独立开发难度太大，而单纯二次开发的兼容性差、功能弱，因此通常采用集成二次开发的实现方式。集成二次开发的优点是既可以充分利用GIS 工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其他可视化开发语言所具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，这不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，并且可靠性好、易于移植、便于维护。尤其是组件式GIS 的出现，为传统GIS 面临的多种问题提供了全新的解决思路。组件式GIS的基本思想是把GIS 的各大功能抽象化、模块化为几个控件，每个控件完成不w同的功能，以组件形式供开发者使用，各个GIS 控件之间，以及GIS 控件与其他非GIS 控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS 应用软件。组件式GIS 在资源重用、快速构建等方面有着许多传统GIS工具无法比拟的优点。组件式GIS 代表着当今GIS 发展的潮流，国际上大多数GIS 软件公司都把开发组件式GIS 软件作为重要的发展战略。2.2 全球卫星定位系统（GPS）介绍2.2.1 GPS 系统的组成利用GPS 定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS 功能必须具备GPS 终端、传输网络和监控平台三个要素；这三个要素缺一不可；通过这三个要素，可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。GPS 系统主要由以下三部分主成：1.空间部分GPS 的空间部分是由24 颗卫星组成（21 颗工作卫星；3 颗备用卫星），它位于距地表20200km 的上空，均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测
到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS 的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。2. 地面控制系统、地面控制系统由监测站Monitor Station）主控制站（Master MonitorStation）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。3.用户设备部分用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目w的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM 存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。2.2.2 GPS 的原理（1）工作原理：GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则
通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS 卫星正常工作时，会不断地用1和0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS 系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A 码和军用的PY）码。C/A 码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1 微秒，P 相当于300m；码频率10.23MHz，重复周期266.4 天，码间距0.1 微秒，相当于30m。而Y 码是在P 码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5 个子帧每帧长6s。前三帧各10 个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z 外，还要引进一个Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4 个方程将这4 个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4 个卫星的信号。GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS 系统信息，如卫星状况等。GPS 接收机对码的
量?饩涂傻玫轿佬堑浇邮栈 木嗬耄?由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A 码测得的伪距称为UAw码伪距，精度约为20 米左右，对P 码测得的伪距称为P 码伪距，精度约为2 米左右。GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。按定位方式，GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有
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