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GPS车辆管理和监控系统中快速通信的实现
来源: 作者: 发布时间:2007-12-17  
中国科学院长春光学精密机械与物理所 张岩峰 郑素花 王瑞光

  《世界电子元器件》7月号

  GPS定位技术在车辆管理和监控系统中已经得到广泛地应用。系统利用GPS技术,GIS技术和通信技术对移动车辆进行实时监控和管理。整个系统由监控中心和多个移动车载台组成,监控中心通过无线通信与各移动车辆相互联络。目前,由于通信系统和手段的限制,中心采用轮询的方法对各移动车辆的位置、状态等信息进行查询。根据时分制的原理,将一个轮询周期分为若干个时间段,每个移动车载台占用其中的一个时间段,移动车载台只有在自己的时间段里才向监控中心回传车辆信息。

  轮询方法可靠性高,易于实现,因此得到了广泛的应用。但同时它也限制了系统的容量和信道的使用效率。本文详细分析了GPS导航数据和轮询方法,提出了一种移动车辆GPS智能控制通信规程,利用Jupiter GPS接收板提供的高精度同步时钟,实现了系统中各移动车辆与监控中心的快速通信。

  一、GPS车辆监控和管理系统

  系统采用星型拓扑结构。移动车载台由Jupiter GPS接收板,航位推算系统,控制模块和电台组成。控制模块采用MCU对输出的导航数据进行融合处理,控制数据的接收和发送。通信设备采用数传电台。也可以采用调制解调器加VHF(或UHF)电台。移动车载台的组成如图1所示。

  监控中心由工作站(计算机)、GIS和电台组成。数传电台接收车辆回送的GPS数据。转换为 RS232信号,送入工作站。如果采用VHF(或UHF)电台,则将车辆回送的GPS数据解调,信号经电平转换,再送入中心站。电子地图根据回送的GPS数据,将各个车辆的位置和状态实时显示出来。

  二、Jupiter GPS接收板的同步时钟

  Jupiter GPS接收板是GPS卫星的制造商ROCKWELL公司的产品。它体积小,重量轻,功耗低,具有并行12通道,首次定位和重捕获时间短,有极强的抗遮挡能力,无静态漂移,工作稳定。Jupiter GPS接收板提供1pps(pulses per second)的秒脉冲输出和10kHz的时钟输出,定位精度和时钟输出的精度均为1 s。秒脉冲与卫星钟输出的脉冲是同步的,10kHz的时钟输出与卫星钟也是同步的。秒脉冲与10kHz的时钟都是相对时间,它们之间的各种测算误差均方值为ns级,与后面将要说明的快速发送方法的延时相比,可忽略不计。因此,可以认为秒脉冲和10kHz时钟是同步的。它们的关系如图2所示。

  对于多个同类型的Jupiter GPS接收板,各接收板之间的误差可以表示为:。其中,第一项表示卫星钟在t0时刻的误差,第二项表示GPS稳定度的统计误差。在GPS系统稳定工作的情况下,误差 t为ns 级。与快速发送方法的延时相比, t可以忽略。

  三、通信规程

  中心对移动车辆的监控采用三种工作模式,即正常工作模式、重点监控模式和报警工作模式。在正常监控模式下,监控中心对所有车辆进行全面监控;在重点监控模式下,中心对选定的重点车辆进行监控;在报警工作模式下,中心只对报警车辆进行监控。采用不同的监控模式,可以降低监控中心的数据处理量,减少不必要的查询,缩短轮询时间。

  各移动车载台接到GPS导航数据后,需要对数据进行处理,截取有效信息,并加上控制信息,重新编帧。监控中心对移动车载台的信令格式如下:

  (1)识别码:用于区分不同的帧。长度为2字节:CHR$(5DH)+CHR$(01H)

  (2)车辆号:用于指定不同的车辆。长度为1字节:CHR$(00H~0FFH)

  (3)控制命令:长度为1字节:CHR$(00H~0FFH)

  01H :中心需要选中车辆的信息。

  02H :选中车辆熄火。

  0FFH:启动移动车载台的定时/计数器,开始接收和发送GPS数据。

  移动车载台对监控中心的信令格式如下:

  (1)识别码:功能同前。长度为2字节:CHR$(5DH)+CHR$(01H)

  (2)车辆号:功能同前。长度为1字节:CHR$(00H~0FFH)

  (3)车辆工作状态:长度为1字节:CHR$(00H~0FH)

  00H :车辆状态正常

  0FH :车辆状态异常

  (4)GPS数据状态:标志GPS接收板接收的导航数据是否有效。A为有效状态,V为无效状态。长度为1字节。

  (5)纬度信息:GPS接收板接收到纬度信息后,将数据压缩为BCD码形式。如北纬43度53.48分经压缩后变为:43H,53H,48H。纬度标志“N”省略。压缩后长度为3字节。

  (6)经度信息:和纬度信息的处理方法相同。如东经123度56.87分经压缩后变为:01H,23H,56H,87H。经度标志“E”省略。压缩后长度为4字节。

  字符结构按照异步串行通信标准:一位起始位,八位数据位,一位停止位。无奇偶校验位。

  信令采用压缩BCD码形式,以减少数据通信量。

  四、接收和发送GPS数据的用时分析

  Jupiter GPS接收板输出的导航数据有两种格式:厂家自定义的二进制格式和NMEA-0183通信格式。NMEA-0183是美国国家海洋电子协会制订的一种标准数据通信格式。数据采用ANSI标准,以串行异步方式传输,比特率为4800bps,TTL电平。数据结构为一位起始位,八位数据位,一位停止位,无奇偶校验位。数据代码为ASCII字符。输出各种导航语句,主要有GPGGA,GPRMC等。本系统中采用的GPS接收板输出GPRMC导航数据,具体格式如下:$GPRMC,UTC时间,已定位/未定位,纬度,北/南,经度,东/西,速度,航向,日期,校验和终止符。对于陆地车辆定位来说,往往不需要全部导航数据,截取有效数据,将数据按照通信规程重新编码后,一帧数据长度为2+1+1+1+3+4=12个字节。控制单元与电台的通信速率为9600bps,发送12个字节需13ms;电台发送数据速率为 2400bps,发送12个字节需50ms 。通信系统采用数传电台,因此,还要考虑载波建立和撤消时间。多数通信设备生产厂商提供了这一时间值。为了保证GPS数据可靠传输,
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