基于物聯網技術的智能交通系統終端無線通信研究及定位系統設計

曾聰　鐘建坤　曾文波　吳國君

【摘 要】針對民用客車的安全行駛，采取有效的實時監控。滿足基于物聯網技術的智能交通系統產品客戶高品質和差異化的市場要求，提高產品的可靠性，節約生產成本，提升產品性能等方面成為從業者及客戶關注的關鍵技術問題。文章設計了一種基于北斗/GPS雙模車載終端定位技術，該技術結合了北斗和GPS兩者的優點，設計出可選定位導航。利用北斗/GPS定位模塊采集客車在任何時間任何位置信息，再通過3G/4G移動通信模塊把采集的數據信息傳輸到公網IP服務器上，并在控制中心的終端顯示器上顯示當前車輛運行狀態及車輛位置信息。系統實驗數據表明：該雙模定位技術能實現車輛實時監控。北斗/GPS雙模定位能避免信號死角，具有定位精度高，定位性能穩定，可實現短信互通的優點。

【關鍵詞】物聯網；無線通信技術；北斗/GPS定位

【中圖分類號】U495；U463.67【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0081-04

0 引言

隨著社會經濟的發展，物質的需求越來越多，這不得不涉及運輸業。運輸業的快速發展必然使得物流管理和道路管理變得更復雜多樣，比如：道路交通事故頻繁發生、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 智能交通系統采用3G/4G移動通信技術的必然性

據統計，目前全國機動車已達到2億輛。這個機動車數量的增加必然會給城市的交通暢通帶來壓力，同時還可能制約城市的發展。有了這一問題的出現，那么必然會促使解決問題的方法誕生，智能交通系統概念應運而生。所謂的智能交通系統是用先進的信息技術、數據通訊及計算機的處理技術，將電子傳感、電子控制等技術有效地集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內全方位發揮作用的實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。

智能交通系統最主要的對象是車輛，那么我們可以通過3G/4G無線通信技術，進行汽車的信息收集與共享，通過信息處理，實現車與車、車與人、車與路、人與人、車與第三方服務商的協調溝通，達到道路交通的更有效利用。以下是例舉智能交通系統采用3G/4G移動通信技術的必然選擇。

（1）連接對象的移動性。我們現在廣泛應用的是互聯網和移動通信網絡，這些都是人與人相互交流，并沒有涉及物與人之間的聯系。而智能交通系統是屬于人與車輛、車輛與車輛、車輛與道路、車輛與站點之間還有車輛與綜合信息平臺的連接服務。智能交通系統核心都是圍繞這一車展開的，而車是移動的，所以在車輛高速移動過程當中通信鏈路及傳輸速率穩定是智能交通系統的基礎。

（2）傳輸的及時性。智能交通系統的連接對象是在高速移動的車輛或者是低速的鄉間小道，那么車輛必然涉及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傳輸信息是保證智能交通系統發揮關鍵作用的保障。

（3）信息傳輸的可靠性。由于智能交通系統當中有著數量龐大的網絡傳輸通信節點并且多以集群的形式出現，實時數據非常龐大，對于這海量的數據交互，網絡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非3G/4G技術莫屬，這技術可以提供高清視頻，精確車輛位置信息。

2 智能交通系統采用北斗/GPS雙模定位

近年來，GPS的定位導航已經普及到很多類型車上，提供全時空、全天候、高精度、連續實時的導航、定位和授時。目前世界上有四大導航系統，分別是美國的全球導航定位系統（GPS）、歐盟的伽利略定位系統（Galileo）、俄羅斯的格洛納斯定位系統（GLONASS）與中國的北斗定位系統（BD）。GPS是世界上四大導航系統中應用最廣泛也是應用最久的，其對車輛定位的研究較為深入。2012年底，我國宣布北斗衛星導航系統正式提供區域服務，同時公布了北斗系統空間信號接口控制文件（Inerface control document，ICD）正式版，北斗民用才開始進入研發和應用階段。那么加快研究我國自主研發的北斗衛星導航系統提供的導航、定位、授時服務的實際應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衛星定位系統，并未結合我國具有自主知識產權的北斗衛星定位系統。同時，現有的車載導航系統多為非開放式。而且GPS衛星定位系統和BD衛星定位系統有著各自的優點，GPS的主要特點如下：？譹？訛能夠全球、全天候工作。能夠覆蓋全球98%的面積。？譺？訛定位精度高。單機定位精度優于10 m，采用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。？譻？訛操作簡便，應用廣泛。只需要1臺GPS接收機即可準確定位用戶所在的位置。已經廣泛應用于軍事工程、道路工程、車輛、船舶導航等多種應用中。與GPS相比，北斗定位系統具有如下特點：？譹？訛北斗導航系統可以提供導航定位服務，其精度可以達到重點地區水平10 m，高程10 m，其他大部分地區水平20 m，高程20 m；測速精度優于0.2 m/s，這和美國GPS的水平差不多。？譺？訛授時服務。授時精度可達到單向優于50 ns，雙向優于10 ns。？譻？訛短報文通信服務。這一功能能夠保證在我國及周邊地區具備每次120個漢字的短信息交換能力。？譼？訛具備一定的保密、抗干擾和抗摧毀能力。系統的導航定位用戶容量不再受到限制，并且保證用戶設備的體積小、質量輕、功耗低，滿足手持、機載、星載、彈載等各種載體的需要。

本文通過結合兩者的優勢互補，配置成可選模式，將接收到的位置信息通過移動通信模塊上傳到公網IP服務器上，達到實現車輛實時監控的目的。

3 衛星定位技術的原理

定位模塊要不間斷地選擇合適的北斗、GPS衛星并接收其星歷參數和時間信息，通過計算獲取相應的三維坐標的位置、方向、速度等信息，并將這些信息通過3G/4G移動通信模塊上傳到服務器，利用云計算進行數據處理。

模塊采用的是絕對定位原理：假設模塊的空間坐標為（x，y，z），衛星與模塊間的距離是L，通過導航電文可獲得北斗或GPS衛星的瞬時坐標（X，Y，Z），根據以下式子

L=■

只要同時獲得3顆衛星信息，就可以算出模塊坐標（x，y，z）。

4 北斗/GPS的模塊硬件設計

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雙模衛星定位接收模組，支持北斗和GPS單系統定位或雙系統聯合定位。GA833-3包含33個跟蹤通道，可以同時接收所有北斗和GPS可見衛星。外形尺寸和主要信號接口與多款GPS模塊完全兼容，可直接替換使用。GA833-3的主要性能指標如下。

4.1.1 定位時間

（1）熱啟動時間：平均2 s。

（2）溫啟動時間：平均3 s。

（3）冷啟動時間：平均35 s。

4.1.2 靈敏度

（1）雙模捕獲靈敏度：-148 dBm；單北斗捕獲靈敏度：-138 dBm。

（2）雙模跟蹤靈敏度：-163 dBm；單北斗跟蹤靈敏度：-153 dBm。

4.1.3 定位精度

（1）定位精度：<10 m。

（2）速度誤差：0.01 m/s。

（3）1PPS誤差：10 ns。

4.1.4 功耗

（1）工作電壓：3.3 VDC（主電源和RTC供電電壓）。

（2）工作電流：小于40 mA（不包含天線供電）。

（3）RTC電流：小于10 uA。

4.1.5 環境特性

（1）工作溫度：-40～85 ℃。

（2）存儲溫度：-45～85 ℃。

4.2 北斗/GPS模塊的電路設計

如圖1行車記錄儀終端內部提供主電源VCC（2.8～4.3 V）到芯片輸入端，芯片接收來自北斗/GPS雙模有源天線的信號，信號從RF_IN端進入。VANT主要作用是根據有源天線的供電需求來提供不同的電壓。超級法拉電容則可以對電源起穩定作用，避免主電壓突然變化對芯片造成傷害。RXA是串口接收，對接嵌入式ARM處理器，ARM處理器通過解算反饋使得北斗/GPS選擇獲取何種導航系統信號；TXA是串口輸出，同樣對接嵌入式ARM處理器，將信號數據輸送給ARM處理器解算。

5 北斗/GPS組合導航軟件設計

由于北斗衛星定位系統和GPS衛星定位系統有各自的優勢與特點，所以我們硬件是采用北斗/GPS雙模定位模塊，那么軟件也采用雙模導航設計。采用雙模導航軟件設計完成北斗/GPS模塊軟件系統的控制和數據融合解算。如圖2可看出數據處理流程。

我們給模塊通電后，則開始初始化，將前次的定位信號確定進入熱啟動、溫啟動或冷啟動的選擇衛星信號模式；設置的參數引導衛星信號單元多北斗/GPS衛星信號同時進行捕獲，捕獲成功后就進入信號跟蹤單元，信號跟蹤當中主要是有環路控制、位同步、幀同步及電文接收；北斗和GPS是兩個相互獨立的衛星定位系統，系統之間用的坐標、時間、星歷、偽距觀測是存在差異的。那么就要利用數據融合單元來完成他們之間的時間轉換、坐標轉換、格式轉換、偽距組合，再通過RAIM自主完備性檢測處理數據。再根據模式來選擇最優定位系統，將數據進行導航解算，并為用戶輸出位置、信號、時間等信息。

6 北斗/GPS雙模定位的性能指標與實驗數據

6.1 性能指標

該車輛終端采用北斗/GPS雙系統導航模塊GA833-3芯片，可實現首次冷啟動定位時間小于35 s，熱啟動小于1 s，重捕獲信號靈敏度-145 dBm，跟蹤靈敏度-159 dBm，定位精度小于5 m（CEP，-13 dBm），速度精度0.2 m/s。由表1可看出，本終端系統的幾項指標優于其他的研究結果。

6.2 實驗數據

我們經過系統終端仿真進行測試，從服務器端獲取實時位置數據可得到行駛車輛的位置信息（經度和緯度）、行駛速度、里程、航向角與車輛的狀態。圖3顯示的是平面圖，我們在仿真系統上選擇平面圖，并選擇牌號為粵P03565的車輛，從系統顯示圖可以看到時間是2018-06-08 15∶51∶51，該車輛速度是0 km/h（北），車走的里程是8 975.10 km，狀態可顯示卡片的運行是否正常、網絡信號的強度。圖4顯示的三維衛星圖，我們在仿真系統上選擇三維衛星圖，同時選擇另一牌號為粵P07338的車輛，則從系統顯示得到數據，時間是2018-06-08 15∶55∶17，速度是92.00 km/h（西），位置是廣東省河源市東源縣船塘鎮G78汕昆高速，里程是1 856.60 km，同時會出現報警提示車輛已超速，狀態可顯示卡片的運行是否正常、網絡信號的強度。

7 結語

本文的智能交通系統是基于物聯網技術下采用了3G/4G移動通信技術，同時定位技術采用的是北斗/GPS雙模定位技術，定位技術上的硬件設計是采用GA833-3芯片。該芯片的優越性能使得仿真實驗結果達到了預期定位效果，各項性能指標也優于其他單模導航系統，表現出了該車輛終端雙模定位技術的潛力。

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[責任編輯：鐘聲賢]