CDMA網(wǎng)絡(luò)智能車載導(dǎo)航終端的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2008年11月21日14:02:43 中國交通技術(shù)網(wǎng) 我要評論(2)字號：T | T | T

結(jié)合gpsOne定位技術(shù)、CDMA通信技術(shù)和GIS技術(shù)的智能車載終端，可與控制中心配合，實(shí)現(xiàn)對車輛的導(dǎo)航、報(bào)警和監(jiān)控等多種應(yīng)用。gpsOne是一種混合定位技術(shù)，它綜合了GPS和無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，具有適用性廣、精度高、定位時(shí)間短和成本低等特點(diǎn)。

本文提出智能車載導(dǎo)航儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，剖析GPSOne的定位原理，探討系統(tǒng)開發(fā)中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并給出一個基于ARM和Linux平臺的工程實(shí)例。

1 概述

11定位業(yè)務(wù)的產(chǎn)生背景

隨著移動通信的發(fā)展，電信服務(wù)商與制造商除了語音傳輸外，紛紛推出各種增值數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與設(shè)備，以尋找新的收入來源。消費(fèi)者也希望手機(jī)除了通話、收發(fā)郵件、上網(wǎng)外，還能有其他功能。國家基礎(chǔ)地理信息中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也表明：人們?nèi)粘Ｉ钚畔⒅杏?0％與空間位置有關(guān)，而企業(yè)所使用的信息中有59％的信息與空間位置有關(guān)。因此，作為較富潛力的增值應(yīng)用平臺之一，移動定位業(yè)務(wù)，即基于位置的業(yè)務(wù)LBS（Location Based Services），正受到前所未有的關(guān)注。它可以提供諸如導(dǎo)航、基于位置的付賬、位置信息服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理、財(cái)產(chǎn)追蹤、個人定位服務(wù)、娛樂和緊急救援等多項(xiàng)應(yīng)用。

12車載導(dǎo)航儀的發(fā)展前景

為了緩解現(xiàn)代城市交通的壓力，近年來又出現(xiàn)了將較新的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)和地理信息技術(shù)相結(jié)合的ITS（Intelligent Transport Systems，智能交通系統(tǒng)）。ITS可以對機(jī)動車輛實(shí)施定位、報(bào)警、監(jiān)控、調(diào)度、救援或防盜等多種功能，大幅度提高交通管理質(zhì)量，不僅可以合理利用和充分發(fā)揮現(xiàn)有道路的交通潛力，有效解決交通擁擠的現(xiàn)象;而且能提高車輛的營運(yùn)效率，降低營運(yùn)成本。

ABI、IEK 2002年10月的研究報(bào)告就指出，全球GPS市場保守估計(jì)自2000年到2006年的年復(fù)合增長率（CAGR）約為24%，2006年產(chǎn)值約340億美元。在目前衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域中，智能交通管理所占的比重較大，約占市場總量的40%。

目前及將來絕大多數(shù)GPS應(yīng)用產(chǎn)品以陸上導(dǎo)航及定位系統(tǒng)為主，占約70%以上，且比例逐年升高。汽車導(dǎo)航、通信應(yīng)用、車隊(duì)追蹤管理，到2006年將成為陸上導(dǎo)航產(chǎn)品的主導(dǎo)。我國現(xiàn)有430萬輛貨運(yùn)車，170萬輛客運(yùn)車，450萬輛轎車及各類船只90多萬艘，如此大的汽車和船只保有量對導(dǎo)航終端產(chǎn)品和服務(wù)存在著迫切需求。

基于以上分析，研制開發(fā)車載移動定位終端，依托CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺，與控制中心配合，實(shí)現(xiàn)車輛的定位、導(dǎo)航、報(bào)警、監(jiān)控、調(diào)度以及其他基于位置的各項(xiàng)增值服務(wù)，可廣泛應(yīng)用于出租汽車行業(yè)、物流企業(yè)、大型企事業(yè)單位公務(wù)車輛管理及私家車和小型公司車輛，市場潛力巨大。

2 智能導(dǎo)航終端的系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

21GPSOne系統(tǒng)簡介

采用適當(dāng)?shù)亩ㄎ患夹g(shù)獲得位置信息是實(shí)現(xiàn)對車輛的導(dǎo)航和調(diào)度等位置服務(wù)的必要前提。本系統(tǒng)的移動定位解決方案，采用了美國高通（QUALCOMM）公司研制開發(fā)的GPSOne專利技術(shù)。

總體結(jié)構(gòu)到2003年2月止，已有超過1000萬部gpsOne終端在日本、韓國和美國投入商用，超過了全球所有制造商的商用GPS終端銷量總和，成為世界上使用較廣泛的移動定位系統(tǒng)。傳統(tǒng)的無線定位技術(shù)按照起主導(dǎo)作用的實(shí)體所處的位置基本可以分為兩大類：基于網(wǎng)絡(luò)的方案和基于移動臺的方案。基于網(wǎng)絡(luò)的方案需要移動臺發(fā)出信號并且由多個固定位置的基站接收，通過測量移動臺到基站的信號的特征參數(shù)，再根據(jù)特定的算法判斷出被測物體（移動臺）的位置。

常用到達(dá)角AOA（Angle Of Arrival）和到達(dá)時(shí)間TOA（ Time Of Arrival）等技術(shù)。當(dāng)信號較弱時(shí)，這種方案的定位精度會下降，還會受基站的覆蓋范圍、電波繞射、多徑效應(yīng)等影響。此外，這種方案還需對基站進(jìn)行改造，增加了額外的升級費(fèi)用�；谝苿优_的方案，較典型的是使用全球衛(wèi)星定位（GPS）系統(tǒng)，由24顆人造衛(wèi)星和配套的地面站組成。接收機(jī)（移動臺）只需要接收到三顆衛(wèi)星的信號，分別測量出到它們的距離，就可以計(jì)算出自己的位置。

除了接收機(jī)價(jià)格昂貴外，這種方案還有較長的“初次捕獲時(shí)間”或“首次定位時(shí)間”TTFF（Time To First Fix），尤其當(dāng)接收機(jī)冷啟動工作時(shí)，需要十多分鐘才能完成對衛(wèi)星的搜尋。而且，若移動臺處于室內(nèi)、高大植物、建筑物或衛(wèi)星信號無法覆蓋的地方，由于可見的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少，定位效果很差，甚至無法完成定位。

盡管網(wǎng)絡(luò)和GPS都不適合單獨(dú)作為一套具有商用價(jià)值的定位方案，但它們之間可以取長補(bǔ)短。比如在基站覆蓋不全的鄉(xiāng)村和郊區(qū)，GPS接收機(jī)卻可以搜索到四顆甚至更多的衛(wèi)星。相反，在密集的城市地區(qū)和高大建筑物內(nèi)，雖然GPS接收機(jī)檢測不到足夠的衛(wèi)星，但移動臺可見的基站卻有兩個或更多。高通公司借助CDMA網(wǎng)絡(luò)開發(fā)出的gpsOne定位方案，是一種混合的無線輔助全球定位系統(tǒng)（Hybrid AGPS），不僅精度高，而且適用于各種地形，包括室內(nèi)、密集城市地區(qū)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋有限的鄉(xiāng)村。它綜合利用了無線蜂窩網(wǎng)和GPS衛(wèi)星二者的優(yōu)勢，極大提高了定位方案的可用性、靈敏度和精度，并且甚至只需要一顆衛(wèi)星和一個基站就可完成定位。

高通的某些CDMA芯片組中已經(jīng)集成了gpsOne功能。這不僅降低了支持GPSOne功能的移動臺的制造成本，也使整個方案部署起來快捷簡便，無需對已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做昂貴和復(fù)雜的改造，更不需要增加新的基站。此外，它遵從工業(yè)定位標(biāo)準(zhǔn)，支持漫游，并和已有的GSM網(wǎng)絡(luò)兼容，較大限度地減少了網(wǎng)絡(luò)改造開銷。

22GPSOne系統(tǒng)定位原理分析

gpsOne的定位過程主要涉及兩個活動：信號測量和位置計(jì)算。需要收集的待測信號不僅包括GPS衛(wèi)星群發(fā)送的定位信息，還有來自無線網(wǎng)絡(luò)的定位信息。gpsOne體制本身很靈活，允許在各式網(wǎng)絡(luò)配置中采用不同的已成熟的無線電定位方法，如源小區(qū)COO（CellID Of Origin）技術(shù)或高級前向鏈路三角定位AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技術(shù)等。這也正是“無線輔助”和“混合”的含義所在。此外，系統(tǒng)還需要另外兩個組成部分：GPS衛(wèi)星廣域參考網(wǎng)絡(luò)（WARN）和基站位置信息數(shù)據(jù)庫（BSA）。

AGPS的具體工作原理如下：

① 用戶（移動臺本身或監(jiān)控中心）發(fā)出定位請求，然后移動臺將其所在基站ID信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥诰W(wǎng)絡(luò)中位置服務(wù)器（也稱作定位實(shí)體，PDE， Position Determining Entity）。

② 位置服務(wù)器根據(jù)該移動臺的大概位置，通知移動臺應(yīng)該監(jiān)聽哪些與其位置相關(guān)的GPS衛(wèi)星的定位信息（包含GPS的星歷和方位俯仰角等）。

③ 移動臺根據(jù)位置服務(wù)器提供的輔助信息（主要用以提升GPS信號的TTFF能力），接收可見的GPS衛(wèi)星群的原始信號。

④ 移動臺解調(diào)信號，計(jì)算它到所有可見衛(wèi)星的偽距（偽距為受各種GPS誤差影響的距離）;同時(shí)利用上述各種無線電定位技術(shù)收集多個臨近基站的信號并測量出它到各個基站的距離，并將有關(guān)信息傳送到位置服務(wù)器。

⑤ 位置服務(wù)器根據(jù)傳來的GPS偽距和其他定位設(shè)備（如差分GPS基準(zhǔn)站等）的輔助信息，通過一系列糾錯算法，計(jì)算出該移動臺的精確位置（包括經(jīng)度、緯度和海拔高度）。

⑥ 位置服務(wù)器將位置信息發(fā)送給該移動臺、第三方服務(wù)提供商SP（Service Provider）、定位網(wǎng)關(guān)或其他位置服務(wù)（LBS）應(yīng)用平臺。

以上過程中，當(dāng)定位請求短消息發(fā)出后，移動臺就會主動建立到PDE的TCP連接，與PDE之間通過端到端的IP會話完成遵從IS-801（工業(yè)定位標(biāo)準(zhǔn)）的定位過程，較后由PDE將經(jīng)緯度信息返回給SP。信號測量和位置計(jì)算的活動，可以放在移動臺上或網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行，或二者兼而有之。

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