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基于GPS定位及3G通信客运车辆监控系统设计解析
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2017-11-27
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随着机动车辆规模的快速增长，道路堵塞、交通事故、环境污染、能源浪费等现象变得越来越严重，采取手段改善日趋严重的交通状况就愈显迫切。GPS，GIS，3G等新技术在车载导航和目标监控领域的应用使得研究智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）不断获得突破，作为ITS的关键之一：客运车辆监控系统发展也极为迅速，但研究成果表明，在目前该类车辆监控产品的使用和测试中还存在诸如定位不够准确、终端和监控中心数据实时传输困难、精度不高、价格昂贵等问题。针对以上关键技术及难题，本文设计了一种基于差分GPS定位及中国联通3G通信技术的客运车辆视频监控系统。
1 客运车辆监控系统解决方案
1．1 客运车辆监控系统架构
基于GPS定位及3G通信的客运车辆监控系统在客运车辆上安装车载终端主机、车载摄像机、无线网传模块等，对车内外情况进行实时监控；监控指挥中心对前端获取的实时数据进行分析，系统结构如图1所示。
1．2 系统各组成部分说明
1．2．1 车载视音频监控模块
在车辆进出口及重要位置安装视频摄像机，获取车内外的视频信号，并传输给车载终端主机；车载视频监控终端负责采集视音频数据、数字化压缩处理，并进行数据实时保存在车载终端的硬盘内。
1．2．2 信患交互模块
车载终端主机可通过3G无线网络（中国联通WCDMA）与中心平台进行交互上传车内外视频图像信息及报警信号；GPS卫星定位数据以及语音信息等交互功能。
1．2．3 GPS定位模块
车载终端主机可采集GPS卫星定位信息，并通过3G无线网络（中国联通WCDMA）上传至与中心平台；中心平台屏幕显示车辆所在位置、速度、方向角等信息；并可实现车载电话功能。
1．2．4 中心管理平台
通过3G无线网络（中国联通WCDMA）对车载终端主机进行集中管理；中心管理平台具备车辆调度、车辆报警处理、远程指挥等功能。
1．2．5 车载终端主机说明
组成：需要定位、跟踪的车辆需安装车载单元称为车载终端。车载终端组成包括主机（由GPS接收机、WCDMA收发模块、数字视频服务器等构成）、显示设备、其他数据采集设备如摄像头等。
功能模块：车载终端是客运车辆监控调度的重要部件，GPS接收机完成GPS卫星信号的分析计算，通过WCDMA通信模块发送给GPS调度管理中心。显示设备可收发消息、实现调度功能、发出提示信息，摄像头可拍照并由主机将数据上报到中心。
2 系统关键技术分析
2．1 差分GPS定位技术
差分GPS（Differential GPS，DGPS）定位需要至少2台GPS信号接收机，分别安放在运动载体（客运车辆）和基准站（已知点位坐标）上，前者称为动态GPS信号接收机，后者称为基准GPS接收机。二者同步地对一组在视GPS卫星进行观测，基准接收机为动态接收机提供差分改正数，并称为DGPS数据，动态接收机利用自己的GPS观测值和来自基准接收机的DGPS数据精确地解算出运动实体的三维坐标。只有一台基准接收机用来发送“伪距校正值”的DGPS测量模式叫做单基准站伪距DGPS测量，其工作原理可通过图2直观表示。
实际操作中把基准接收机设在监控中心，动态接收机则放于客运车辆上，经测试，DGPS测量可以把单点动态实体定位精度提高到10 m之内，也可以较好的解决GPS静态定位漂移的问题。
2．2 WCDMA无线数据传输技术
第三代（3G）无线通信技术中宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）技术是全球商用时问最长，技术成熟、可演进性最好的。具有网络速度快、支持业务广、终端种类多、国内覆盖范围广的特点，这也是本文采用此技术的原因。
WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DSCDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3．84Mc／s，载波带宽为5 MHz。基于Release99／Release 4版本，可在5 MHz的宽带内提供最高384 Kb／s的用户传输速率。WCDMA能够支持移动／手提设备之间的语音、圈像、致据以及视频通信，速率可达2 Mb／s（对于局域网而言）或384 Kb／s（对于宽带而言）。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输，窄带CDMA使用的是200 kHz宽度的载频，而WCDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。
随着机动车辆规模的快速增长，道路堵塞、交通事故、环境污染、能源浪费等现象变得越来越严重，采取手段改善日趋严重的交通状况就愈显迫切。GPS，GIS，3G等新技术在车载导航和目标监控领域的应用使得研究智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）不断获得突破，作为ITS的关键之一：客运车辆监控系统发展也极为迅速，但研究成果表明，在目前该类车辆监控产品的使用和测试中还存在诸如定位不够准确、终端和监控中心数据实时传输困难、精度不高、价格昂贵等问题。针对以上关键技术及难题，本文设计了一种基于差分GPS定位及中国联通3G通信技术的客运车辆视频监控系统。
1 客运车辆监控系统解决方案
1．1 客运车辆监控系统架构
基于GPS定位及3G通信的客运车辆监控系统在客运车辆上安装车载终端主机、车载摄像机、无线网传模块等，对车内外情况进行实时监控；监控指挥中心对前端获取的实时数据进行分析，系统结构如图1所示。
1．2 系统各组成部分说明
1．2．1 车载视音频监控模块
在车辆进出口及重要位置安装视频摄像机，获取车内外的视频信号，并传输给车载终端主机；车载视频监控终端负责采集视音频数据、数字化压缩处理，并进行数据实时保存在车载终端的硬盘内。
1．2．2 信患交互模块
车载终端主机可通过3G无线网络（中国联通WCDMA）与中心平台进行交互上传车内外视频图像信息及报警信号；GPS卫星定位数据以及语音信息等交互功能。
1．2．3 GPS定位模块
车载终端主机可采集GPS卫星定位信息，并通过3G无线网络（中国联通WCDMA）上传至与中心平台；中心平台屏幕显示车辆所在位置、速度、方向角等信息；并可实现车载电话功能。
1．2．4 中心管理平台
通过3G无线网络（中国联通WCDMA）对车载终端主机进行集中管理；中心管理平台具备车辆调度、车辆报警处理、远程指挥等功能。
1．2．5 车载终端主机说明
组成：需要定位、跟踪的车辆需安装车载单元称为车载终端。车载终端组成包括主机（由GPS接收机、WCDMA收发模块、数字视频服务器等构成）、显示设备、其他数据采集设备如摄像头等。
功能模块：车载终端是客运车辆监控调度的重要部件，GPS接收机完成GPS卫星信号的分析计算，通过WCDMA通信模块发送给GPS调度管理中心。显示设备可收发消息、实现调度功能、发出提示信息，摄像头可拍照并由主机将数据上报到中心。
2 系统关键技术分析
2．1 差分GPS定位技术
差分GPS（Differential GPS，DGPS）定位需要至少2台GPS信号接收机，分别安放在运动载体（客运车辆）和基准站（已知点位坐标）上，前者称为动态GPS信号接收机，后者称为基准GPS接收机。二者同步地对一组在视GPS卫星进行观测，基准接收机为动态接收机提供差分改正数，并称为DGPS数据，动态接收机利用自己的GPS观测值和来自基准接收机的DGPS数据精确地解算出运动实体的三维坐标。只有一台基准接收机用来发送“伪距校正值”的DGPS测量模式叫做单基准站伪距DGPS测量，其工作原理可通过图2直观表示。
实际操作中把基准接收机设在监控中心，动态接收机则放于客运车辆上，经测试，DGPS测量可以把单点动态实体定位精度提高到10 m之内，也可以较好的解决GPS静态定位漂移的问题。
2．2 WCDMA无线数据传输技术
第三代（3G）无线通信技术中宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）技术是全球商用时问最长，技术成熟、可演进性最好的。具有网络速度快、支持业务广、终端种类多、国内覆盖范围广的特点，这也是本文采用此技术的原因。
WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DSCDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3．84Mc／s，载波带宽为5 MHz。基于Release99／Release 4版本，可在5 MHz的宽带内提供最高384 Kb／s的用户传输速率。WCDMA能够支持移动／手提设备之间的语音、圈像、致据以及视频通信，速率可达2 Mb／s（对于局域网而言）或384 Kb／s（对于宽带而言）。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输，窄带CDMA使用的是200 kHz宽度的载频，而WCDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。
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