北京公交GPS车辆监控系统研究

    摘 要： 介绍北京市公共交通总公司智能化调度指挥系统中的GPS车辆监控系统的组成及其所采用的一些关键技术：DGPS、组合定位、集群通信、电子地图等，描述了系统中采用的具体工作方式：TDMA、专用信道、广播同步等，阐述了硬件设计及实现中的FPGA技术。最后说明了系统的应用环境。

    关键词： 车辆监控系统GPS集群通信 FPGA    

    随着首都经济的迅速发展，公交车辆增加、线路延长、车次增多的状况日益突出，同时，道路的扩建又受土地的限制而无法实现，因此交通拥挤时有发生，给首都人民带来了极大的生活不便并严重阻碍了社会经济的可持续发展。

    目前世界各国尤其是发达国家均面临同样的问题。由此出现了利用高新技术改善道路利用率、减少阻塞、节约能源的智能交通系统(intelligent Transport Systems，简称ITS）的研究及试验热潮，在国内外也有许多应用系统诞生。其中先进的公共交通系统(Advanced Public Transport System，简称APTS）就是针对公共交通系统中出现的时延问题、堵塞问题等设计的。北京公交拟建立的ITS示范工程系统正是在这种前提和背景下进行的，实际上是一个APTS的具体应用实例。该系统包括：计算机网络系统、固定通信系统、调度平台系统、GPS公共车辆监控系统、大屏幕显示系统。本文主要就GPS车辆监控系统进行说明，介绍其系统构成、各种关键技术及具体实现方法。

    １ GPS车辆监控系统的构成

    GPS车辆监控系统的系统构成见图1，共分4部分：GPS差分站、GPS监控站、区调控制器、车载设备，集群网的基站、复用器、区调平台都是和GPS系统相关、用于实现数据传输及其它辅助功能的内容。系统中的数据传输分两部分，一是无线传输，一是有线传输。无线传输是利用MOTOROLA公司的SMARTNET-II+模拟集群网。有线传输利用帧中继和计算机网络实现，其中差分数据的传输利用RS485串行口和专用的9.6kHz帧中继带宽完成；车辆信息上行传输到区调平台以及调度命令下行到GPS监控站均由计算机网络完成。

    系统中基本的数据传输流向为：差分信息由差分站下发，通过RS232串行口扩展为485接口再传输到两个客运中心（客三和客六），到客六的传输直接由485模块到485模块完成（距离约100m），到客三的传输利用帧中继和485串行口来共同实现（距离约为5km）。存储在GPS监控站的差分信息由区调控制器定时来读取下发到各运营车辆。车辆信息通过集群网传输到区调中心，由区调控制器解调后传送到GPS监控站。调度平台向各运营车辆下发调度命令是通过GPS监控站进行的，两者之间的数据传输通过计算机网络进行。

    ２ 车载设备的构成

    GPS车辆监控系统的车载设备包括定位装置、数据传输装置、控制电路、电源、显示、短信息输入、语音接口等，其功能主要是传输车辆的位置、时间、速度、状态（短信息）、车号、路号，并提示司机与区调中心进行通话联系以及显示快慢点或时钟。不同的车辆采取时分多路(Time Divided Multi-AddressmTDNA)的方式，每一车载设备分配一个固定的时隙，而各车辆的同步利用区调中心的广播同步码来进行。设备组成如图2所示。

    定位装置采用DGPS(Differential Global Positioning System)和INU(Initial Navigating Unit)组合的方法。DGPS的精度能够达到±10m，由车载设备接收区调的差分信息写入GPS接收机实现。INU（此处为角速度传感器和汽车里程仪）的信号能够保证定位的连续性，使得GPS接收机因卫星跟踪不到或卫星数不够时系统仍能定位。GPS接收机和INU的工作完全是自动切换，利用INU进行航位推算以GPS的定位数据作为起始位置。航位推算的基本原理如图3所示。

    由于车辆的运动可以看作是在二维平面（X，Y）上的运动，如果已知车辆的起始位置和初始方位角（与北向的夹角，顺时针为正），再通过实时测量车辆行驶的距离和方位角的变化，就可以推算出车辆下一时刻的位置。航位推算的具体算法如下：

    数据传输装置利用公交已有的无线模拟集群电台和MODEM组合的方式，对模拟信号和数字信号进行相互转换，使数字信号能够在模拟信道中可靠地传输，波特率为1200bps。无线电台传输数据时工作在数据组，当接收到区调中心的“请速通话”命令时，CPU将控制电台由数据组切换到通话组，通话任务（规定在30s以内完成）结束后再自动切换到数据组。

    短信息指的是车辆状态，由司机根据实际情况进行输入，和车辆的位置等其它信息一起传送到区调中心。短信息共含7种：道路堵塞、车辆故障、交通事故、乘客滞留、服务纠纷、安全报警、通话请求。

    显示接口为时钟和公交车辆快慢点显示的接口，驱动5个数码管显示该车辆整体运行时间比预计时间的快慢情况。语音接口与司机进行通话以及系统自检正常与否的语音提示。

    控制电路提供系统所需要的时序和相关的控制信号，包括时隙产生、时间延迟、电台工作组转换等，其实现利用先进的FPGA(Field Programmable Gate Array)技术，增强了系统的灵活和保密性，同时也大大缩短了系统的开发和研制周期。

    电源部分直接将汽车电瓶的24V直接电压进行转换，提供电台需用的13.8V/8A和GPS控制盒所需用的5V/500mA双路电源。由于汽车点火时电瓶的电压具有较大的波动，因此电源部分也包含了相应的滤波、控制和保护电路。

    ３ 区调控制器的构成

    区调控制器在整个系统中主要完成车辆信息的接收及上行传输、差分数据及调度命令的下发、广播同步信号的下发等。其组成如图4所示。

    区调控制器由MODEM、CPU、GPS接收机、控制电路组成，MODEM实现数字信号和模拟信号的相互转换，控制电路提供严格的时序和相关的控制信号，GPS接收机提供时间基准，CPU完成所有操作的统一和协调。

    区调控制器每隔5s（用于１路）或10.6s（用于44路）读取1次GPS监控站中的差分信息和调度命令，而后对该数据进行重新打包，插入同步码，由工作在数据组专用集群信道的电台广播出去，收到同步码后不同的车辆延迟不同的时间生成相应的时隙。其后的时间等待接收所有的车辆信息并转发给GPS监控站，即区调控制器和车载设备也是分时工作的。图5(a)、(b)分别表示出了区调中心和车载设备的工作时序。

    ４ GPS监控站监控软件

    GPS监控软件的主要功能是对辖区内所有的公交运营车辆进行监视，统计车辆的正点、状态（含报警）等情况，且能够实现多条线路的同时跟踪；储存差分信息，并转发来自调度平台的调度命令，将车辆信息转发给区调平台。其监视方法有多种，主要是以电子地图为背景为车辆调度提供可视化依据。其中全区、线路、单车、报警、短信息、正点为6种不同的显示方式，可以根据不同情况对需要了解的公交车辆进行查看，从而可以为调度平台提供更加详实的车辆状况。同时，监控终端还具有数据存储、轨迹重放、信息查询等功能。

    ５ GPS差分站及其工作原理

    该系统中的差分站工作于伪距差分模式，为整个北京地区的所有公交车辆提供伪距修正信息，使得定位精度比SA影响时提高一个数量级。其构成如图６所示。DGPS接收机的差分输出信息经过控制电路传输到差分站管理微机，由差分站软件读取并经RS232串行口（转换为485）发送到两个区调的GPS监控站。

    差分GPS的工作原理如下所述。

    假定卫星j发信号时的理想GPS时为tjg，接收机接收到该信号时的理想GPS时为tg，tj为卫星j发信号时的卫星钟时刻，t为接收机收到信号时的接收机时刻。则卫星钟具有钟差，接收机具有钟差 ，由此可以得出卫星ｊ和接收机之间的伪距为：

    其中 为光速，为卫星 j和接收机之间的真距，（2）中包含接收机钟差与三维坐标共 4个未知量。因此观测至少４颗卫星的伪距即可解算出接收机的实际位置。

    根据伪距定位模型，在基准站设置一个基准 GPS接收机，利用多次平均法、联测法或软件法精确求得基准站的地心坐标，再利用每一时刻的卫星地心坐标和已知的基准站地心坐标反求出各个时刻的真距Ｒｏｊ。基准站测量的伪距与其真距的差值即为伪距改正数：

    利用改正后的伪距进行定位可以获得精度有所提高的差分定位解。

   理论分析和试验均表明，差分改正数（含伪距改正数及伪距改正数变化率）的发送间隔为 s或 s都能够使定位精度达到 m。

    ６ 集群通信的应用

    集群通信是一种专用通信方式，它将多个无线信道组合在一起由系统内的所有用户共同使用，其特点是“资源共享”。用户如果需要通信，必须首先申请信道，如果系统内的信道均为其它用户所占用，则该用户等待信道空闲后才能发起呼叫。系统内的信道管理以及用户接续均由集群控制器完成，信号的传输由集群网的基站进行转发，增大了系统的覆盖范围并改善了通信质量。另外，集群系统内的用户可以进行分组，同一组内的用户可以不需拨号就能相互呼叫。目前的集群系统主要是模拟制式。但数字集群系统已经诞生，也是未来的发展趋势。

    综上所述，利用模拟集群通信网进行公交车辆的实时数据传输，需要采取特殊的措施以避免由于信道申请造成的时间延迟或者申请不到信道导致的信息丢失。首先，对公交车辆进行分组，同一区域调度中心所属的车辆分配在同一组内；为一个区域调度中心设置一个专用信道，该信道仅供此中心的车辆传输数据，只要该中心的车辆发起呼叫，集群控制器就指定该信道为其所用。