CDMA網(wǎng)絡(luò)智能車(chē)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(guó)交通技術(shù)網(wǎng) 我要評(píng)論(2)字號(hào)：T | T | T

關(guān)鍵字：應(yīng)用汽車(chē) 通信 Intel 智能交通移動(dòng)通信

結(jié)合gpsOne定位技術(shù)、CDMA通信技術(shù)和GIS技術(shù)的智能車(chē)載終端，可與控制中心配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，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(chē)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(kāi)發(fā)中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并給出一個(gè)基于ARM和Linux平臺(tái)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(dòng)通信的發(fā)展，電信服務(wù)商與制造商除了語(yǔ)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(lái)源。消費(fèi)者也希望手機(jī)除了通話(huà)、收發(fā)郵件、上網(wǎng)外，還能有其他功能。國(guó)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(tái)之一，移動(dòng)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(gè)人定位服務(wù)、娛樂(lè)和緊急救援等多項(xiàng)應(yīng)用。

12車(chē)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(lái)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(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)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(chē)輛的營(yíng)運(yùn)效率，降低營(yíng)運(yùn)成本。

ABI、IEK 2002年10月的研究報(bào)告就指出，全球GPS市場(chǎng)保守估計(jì)自2000年到2006年的年復(fù)合增長(zhǎng)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(chǎng)總量的40%。

目前及將來(lái)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(chē)導(dǎo)航、通信應(yīng)用、車(chē)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(guó)現(xiàn)有430萬(wàn)輛貨運(yùn)車(chē)，170萬(wàn)輛客運(yùn)車(chē)，450萬(wàn)輛轎車(chē)及各類(lèi)船只90多萬(wàn)艘，如此大的汽車(chē)和船只保有量對(duì)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(kāi)發(fā)車(chē)載移動(dòng)定位終端，依托CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，與控制中心配合，實(shí)現(xiàn)車(chē)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(chē)行業(yè)、物流企業(yè)、大型企事業(yè)單位公務(wù)車(chē)輛管理及私家車(chē)和小型公司車(chē)輛，市場(chǎng)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(jiǎn)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(duì)車(chē)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(dòng)定位解決方案，采用了美國(guó)高通（QUALCOMM）公司研制開(kāi)發(fā)的GPSOne專(zhuān)利技術(shù)。

總體結(jié)構(gòu)到2003年2月止，已有超過(guò)1000萬(wàn)部gpsOne終端在日本、韓國(guó)和美國(guó)投入商用，超過(guò)了全球所有制造商的商用GPS終端銷(xiāo)量總和，成為世界上使用較廣泛的移動(dòng)定位系統(tǒng)。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)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(lèi)：基于網(wǎng)絡(luò)的方案和基于移動(dòng)臺(tái)的方案。基于網(wǎng)絡(luò)的方案需要移動(dòng)臺(tái)發(fā)出信號(hào)并且由多個(gè)固定位置的基站接收，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)臺(tái)到基站的信號(hào)的特征參數(shù)，再根據(jù)特定的算法判斷出被測(cè)物體（移動(dòng)臺(tái)）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(hào)較弱時(shí)，這種方案的定位精度會(huì)下降，還會(huì)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(duì)基站進(jìn)行改造，增加了額外的升級(jí)費(fèi)用�；谝苿�(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)）只需要接收到三顆衛(wèi)星的信號(hào)，分別測(cè)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(zhǎng)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(dòng)工作時(shí)，需要十多分鐘才能完成對(duì)衛(wèi)星的搜尋。而且，若移動(dòng)臺(tái)處于室內(nèi)、高大植物、建筑物或衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法覆蓋的地方，由于可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少，定位效果很差，甚至無(wú)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(zhǎng)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(cè)不到足夠的衛(wèi)星，但移動(dòng)臺(tái)可見(jiàn)的基站卻有兩個(gè)或更多。高通公司借助CDMA網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)出的gpsOne定位方案，是一種混合的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)和GPS衛(wèi)星二者的優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(dòng)臺(tái)的制造成本，也使整個(gè)方案部署起來(lái)快捷簡(jiǎn)便，無(wú)需對(duì)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(kāi)銷(xiāo)。

22GPSOne系統(tǒng)定位原理分析

gpsOne的定位過(guò)程主要涉及兩個(gè)活動(dòng)：信號(hào)測(cè)量和位置計(jì)算。需要收集的待測(cè)信號(hào)不僅包括GPS衛(wèi)星群發(fā)送的定位信息，還有來(lái)自無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電定位方法，如源小區(qū)COO（CellID Of Origin）技術(shù)或高級(jí)前向鏈路三角定位AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技術(shù)等。這也正是“無(wú)線(xiàn)輔助”和“混合”的含義所在。此外，系統(tǒng)還需要另外兩個(gè)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(kù)（BSA）。

AGPS的具體工作原理如下：

① 用戶(hù)（移動(dòng)臺(tái)本身或監(jiān)控中心）發(fā)出定位請(qǐng)求，然后移動(dòng)臺(tái)將其所在基站ID信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥诰W(wǎng)絡(luò)中位置服務(wù)器（也稱(chēng)作定位實(shí)體，PDE， Position Determining Entity）。

② 位置服務(wù)器根據(jù)該移動(dòng)臺(tái)的大概位置，通知移動(dòng)臺(tái)應(yīng)該監(jiān)聽(tīng)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(dòng)臺(tái)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(hào)的TTFF能力），接收可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星群的原始信號(hào)。

④ 移動(dòng)臺(tái)解調(diào)信號(hào)，計(jì)算它到所有可見(jiàn)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(wú)線(xiàn)電定位技術(shù)收集多個(gè)臨近基站的信號(hào)并測(cè)量出它到各個(gè)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(lái)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(guò)一系列糾錯(cuò)算法，計(jì)算出該移動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)、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(tái)。

以上過(guò)程中，當(dāng)定位請(qǐng)求短消息發(fā)出后，移動(dòng)臺(tái)就會(huì)主動(dòng)建立到PDE的TCP連接，與PDE之間通過(guò)端到端的IP會(huì)話(huà)完成遵從IS-801（工業(yè)定位標(biāo)準(zhǔn)）的定位過(guò)程，較后由PDE將經(jīng)緯度信息返回給SP。信號(hào)測(cè)量和位置計(jì)算的活動(dòng)，可以放在移動(dòng)臺(tái)上或網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行，或二者兼而有之。

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