基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能交通系統(tǒng)終端無線通信研究及定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物質(zhì)的需求越來越多，這不得不涉及到運(yùn)輸業(yè)。運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展必然使得在物流管理和道路管理上變得更復(fù)雜多樣，比如：道路交通事故頻繁發(fā)生；駕駛員疲勞駕駛；人為超速超載等。這些問題日益突出，而且難以用人力去有效控制。

1  智能交通系統(tǒng)采用3G/4G移動(dòng)通信技術(shù)的必然性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國機(jī)動(dòng)車已達(dá)到2億輛。這個(gè)機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增加必然會(huì)給城市的交通暢通帶來壓力，同時(shí)還可能制約城市的發(fā)展。有了這一問題的出現(xiàn)，那么必然會(huì)促使解決問題的方法誕生，智能交通系統(tǒng)概念應(yīng)運(yùn)而生。所謂的智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊以及計(jì)算機(jī)的處理技術(shù)，將電子傳感、電子控制等技術(shù)有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)1。

智能交通系統(tǒng)最主要的對(duì)象是車輛，那么我們可以通過3G/4G無線通信技術(shù)，進(jìn)行汽車的信息收集與共享，通過信息處理，實(shí)現(xiàn)車與車，車與人，車與路，人與人，車與第三方服務(wù)商的協(xié)調(diào)溝通，達(dá)到道路交通更有效利用2。 以下是例舉智能交通系統(tǒng)采用3G/4G移動(dòng)通信技術(shù)的必然選擇：

連接對(duì)象的移動(dòng)性。我們現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，這些都是人與人相互交流，并沒有涉及到物與人之間的聯(lián)系。而智能交通系統(tǒng)剛好就是屬于人與車輛、車輛與車輛、車輛與道路、車輛與站點(diǎn)之間還有車輛與綜合信息平臺(tái)的連接服務(wù)。這智能交通系統(tǒng)核心都是圍繞這一車展開的，而車是移動(dòng)的，所以在車輛高速移動(dòng)過程當(dāng)中通信鏈路以及傳輸速率穩(wěn)定是智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

傳輸?shù)募皶r(shí)性。智能交通系統(tǒng)的連接對(duì)象是在高速移動(dòng)的車輛或者是低速的鄉(xiāng)間小道，那么車輛必然涉及到交通安全和道路堵塞問題。車與車之間、車與行人之間、車與駕駛者之間、車與道路之間是否能夠及時(shí)的傳輸信息是保證智能交通系統(tǒng)發(fā)揮關(guān)鍵作用的保障3。

信息傳輸?shù)目煽啃?。由于智能交通系統(tǒng)當(dāng)中有著數(shù)量龐大的網(wǎng)絡(luò)傳輸通信節(jié)點(diǎn)并且多以集群的形式出現(xiàn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)非常龐大，對(duì)于這海量的數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸可靠性要求就特別高。而目前能滿足這一要求的無線通信技術(shù)非3G/4G技術(shù)莫屬，這技術(shù)可以提供高清視頻，精準(zhǔn)車輛位置信息。

2  智能交通系統(tǒng)采用北斗/GPS雙模定位

近年來，GPS的定位導(dǎo)航已經(jīng)普及到很多類型車上，提供全時(shí)空、全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)。目前世界上有四大導(dǎo)航系統(tǒng)，分別是美國的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)（Galileo）、俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng)（GLONASS）與中國的北斗定位系統(tǒng)（BD）。這GPS是世界上四大導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛也是應(yīng)用最久的，其對(duì)車輛定位的研究是較為深入。2012年底，我國正式宣布北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，同時(shí)公布了北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（Inerface control document,ICD）正式版，北斗民用才開始進(jìn)入研發(fā)和應(yīng)用階段4。那么加快研究我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)的實(shí)際應(yīng)用就變得有重要意義。

目前市面上的車載終端主要基于美國的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并未結(jié)合我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。同時(shí)，現(xiàn)有的車載導(dǎo)航系統(tǒng)不具有開放的。而且GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和BD衛(wèi)星定位系統(tǒng)有著各自的優(yōu)點(diǎn)，GPS的主要特點(diǎn)：（1）能夠全球、全天候工作。能夠覆蓋全球98%的面積。（2）定位精度高。單機(jī)定位精度優(yōu)于10m，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。（3）操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛。只需要一臺(tái)GPS接收機(jī)即可準(zhǔn)確確定用戶所在的位置。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事工程、道路工程、車輛、船舶導(dǎo)航等多種應(yīng)用中。與GPS相比，北斗具有的特點(diǎn)：（1）北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供導(dǎo)航定位服務(wù)，其精度可以達(dá)到重點(diǎn)地區(qū)水平10m，高程10m，其他大部分地區(qū)水平20m，高程20m；測(cè)速精度優(yōu)于0.2m/s.這和美國GPS的水平差不多。（2）授時(shí)服務(wù)。授時(shí)精度可達(dá)到單向優(yōu)于50ns，雙向優(yōu)于10ns（3）短報(bào)文通信服務(wù)。這一功能能夠保證在我國及周邊地區(qū)具備每次120個(gè)漢字的短信息交換能力（4）具備一定的保密、抗干擾和抗摧毀能力。系統(tǒng)的導(dǎo)航定位用戶容量不再受到限制，并且保證用戶設(shè)備的體積小、質(zhì)量輕、功耗低，滿足手持、機(jī)載、星載、彈載等各種載體的需要5。

本文通過結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，配置成可選模式，將接收到的位置信息通過移動(dòng)通信模塊上傳到公網(wǎng)IP服務(wù)器上，達(dá)到實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

3  衛(wèi)星定位技術(shù)的原理

定位模塊要不間斷地選擇合適的北斗、GPS衛(wèi)星并接收其星歷參數(shù)和時(shí)間信息，通過計(jì)算獲取相應(yīng)的三維坐標(biāo)的位置、方向、速度等信息，并將這些信息通過3G/4G移動(dòng)通信模塊上傳到服務(wù)器，利用云計(jì)算將進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

模塊采用的是絕對(duì)定位原理：假設(shè)模塊的空間坐標(biāo)為（x,y.z），衛(wèi)星與模塊間的距離是L，通過導(dǎo)航電文可獲得北斗或GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)（X,Y,Z），根據(jù)以下式子因此只要同時(shí)獲得3顆衛(wèi)星信息，就可以算出模塊坐標(biāo)（x,y.z）6。

4  北斗/GPS的模塊硬件設(shè)計(jì)

4.1  北斗/GPS模塊采用的芯片

本文的北斗/GPS模塊采用的是GA833-3芯片。GA833-3芯片是一款高性能、低功耗、小尺寸北斗兼容GPS雙模衛(wèi)星定位接收模組，支持北斗和GPS單系統(tǒng)定位或雙系統(tǒng)聯(lián)合定位。GA833-3包含33個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收所有北斗和GPS可見衛(wèi)星。外形尺寸和主要信號(hào)接口與多款GPS模塊完全兼容，可直接替換使用。

GA833-3的主要性能指標(biāo)：

4.1.1  定位時(shí)間

（1）熱啟動(dòng)時(shí)間：平均2秒

（2）溫啟動(dòng)時(shí)間：平均3秒

（3）冷啟動(dòng)時(shí)間：平均35秒

4.1.2  靈敏度

（1）雙模捕獲靈敏度：-148dBm，單北斗捕獲靈敏度：-138dBm

（2）雙模跟蹤靈敏度：-163dBm，單北斗跟蹤靈敏度：-153dBm

4.1.3  定位精度

（1）定位精度：<10米

（2）速度誤差：0.01米/秒

（3）1PPS誤差：10納秒

4.1.4  功耗

（1）工作電壓：3.3VDC（主電源和RTC供電電壓）

（2）工作電流：小于40mA（不包含天線供電）

（3）RTC電流：小于10uA

4.1.5  環(huán)境特性

（1）工作溫度：-40℃—+85℃

（2）存儲(chǔ)溫度：-45℃—+85℃

4.2  北斗/GPS模塊的電路設(shè)計(jì)

如圖行車記錄儀終端內(nèi)部提供主電源VCC（2.8～4.3V）到芯片輸入端，芯片接收來自北斗/GPS雙模有源天線的信號(hào)，信號(hào)從RF_IN端進(jìn)入。VANT主要作用是根據(jù)有源天線的供電需求來提供不同的電壓。超級(jí)法拉電容則可以對(duì)電源提供起穩(wěn)定作用，避免主電壓突然變化對(duì)芯片造成傷害。RXA是串口接收，對(duì)接嵌入式ARM處理器，ARM處理器通過解算反饋使得北斗/GPS選擇獲取何種導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)；TXA是串口輸出，同樣對(duì)接嵌入式ARM處理器，將信號(hào)數(shù)據(jù)輸送給ARM處理器解算。 

圖1  北斗/GPS模塊的電路設(shè)計(jì)

5  北斗/GPS組合導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)

由于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)有各自的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，所以我們硬件上是采用了北斗/GPS雙模定位模塊，那么我們軟件上也采用了雙模導(dǎo)航設(shè)計(jì)。采用雙模導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)完成北斗/GPS模塊軟件系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)融合解算。如下圖可看出數(shù)據(jù)處理流程： 

圖2  北斗/GPS模塊軟件流程圖

我們給模塊通電后，則開始初始化，將前次的定位信號(hào)確定進(jìn)入熱啟動(dòng)、溫啟動(dòng)或者是冷啟動(dòng)的選擇衛(wèi)星信號(hào)模式；設(shè)置的參數(shù)引導(dǎo)衛(wèi)星信號(hào)單元多北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)同事進(jìn)行捕獲，捕獲成功后就進(jìn)入信號(hào)跟蹤單元，信號(hào)跟蹤當(dāng)中主要是有環(huán)路控制、位同步、幀同步及電文接收；北斗和GPS是兩個(gè)相互獨(dú)立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，系統(tǒng)之間用的坐標(biāo)、時(shí)間、星歷、偽距觀測(cè)是存在差異的。那么就要利用數(shù)據(jù)融合單元來完成他們之間的時(shí)間轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、偽距組合，再通過RAIM自主完備性檢測(cè)處理數(shù)據(jù)7。再根據(jù)模式來選擇最優(yōu)定位系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算，并給用戶輸出位置、信號(hào)、時(shí)間等信息。

6  北斗/GPS雙模定位的性能指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6.1  性能指標(biāo)

該車輛終端采用北斗/GPS雙系統(tǒng)導(dǎo)航模塊GA833-3芯片，可實(shí)現(xiàn)首次冷啟動(dòng)定位時(shí)間小于35s，熱啟動(dòng)小于1s，重捕獲信號(hào)靈敏度-145dBm，跟蹤靈敏度-159dBm，定位精度小于5m（CEP，-13dBm），速度精度0.2m/s。由表1可看出，本終端系統(tǒng)的幾項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于其他的研究結(jié)果。

表1  不同類型導(dǎo)航終端的性能指標(biāo)

6.2  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

我們經(jīng)過系統(tǒng)終端仿真進(jìn)行了測(cè)試，從服務(wù)器端獲取實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)可得到行駛車輛的位置信息（經(jīng)度和緯度）、行駛速度、里程、航向角與車輛的狀態(tài)。圖3顯示的是平面圖，我們?cè)诜抡嫦到y(tǒng)上選擇平面圖，并選擇一車輛的牌號(hào)粵P03565，從系統(tǒng)顯示圖可以看到該車輛時(shí)間是：2018-06-08 15：51：51，速度是0公里/時(shí)（北），位置是東經(jīng)23.522322北緯114.826059，車走的里程是8975.10公里，狀態(tài)可顯示卡片的運(yùn)行是否正常，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度。圖4顯示的三維衛(wèi)星圖，我們?cè)诜抡嫦到y(tǒng)上選擇三維衛(wèi)星圖，同時(shí)選擇另一輛車牌粵P07338則從系統(tǒng)顯示得到數(shù)據(jù)時(shí)間：2018-06-08 15：55：17，速度是92.00公里/時(shí)（西），位置是廣東省河源市東源縣船塘鎮(zhèn)G78汕昆高速，里程是1856.60公里，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示車輛已超速，狀態(tài)可顯示卡片的運(yùn)行是否正常，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度。 

圖3  車輛終端設(shè)備獲取的車輛行駛記錄平面圖 

圖4  車輛終端設(shè)備獲取的車輛行駛記錄三維圖

7  結(jié)語

本文的智能交通系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下采用了3G/4G移動(dòng)通信技術(shù)，同時(shí)定位技術(shù)采用的是北斗/GPS雙模定位技術(shù)，定位技術(shù)上的硬件設(shè)計(jì)是采用了GA833-3芯片。該芯片的優(yōu)越性能使得仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期定位效果，各項(xiàng)性能指標(biāo)也優(yōu)于其他單模導(dǎo)航系統(tǒng)，表現(xiàn)出了該車輛終端雙模定位技術(shù)的潛力。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/qk/21223.html