毕业论文
学生姓名鲁小龙学号170602020 院(系) 物理与电子电气工程学院
专业电子信息科学与技术
题目基于GPS公交站台自动报站系统的研究指导教师张昊慧助教/硕士
2010 年 5 月
摘要：车载卫星定位系统，又称自动车辆定位系统，对它的研究起始于二十世纪七十年代。最初的应用是为了解决汽车文明带来的日益严重的城市交通问题。时至今日，车载卫星定位系统集合全球卫星定位技术，现代移动通信一技术，地理信息系统技术于一身，不仅在智能交通系统中担负主要作用，同时还可以提供防盗防抢劫报警，紧急医疗求助等多种服务。但是，由于目前车载卫星定位系统的无线传输大多采用GSM短消息通信技术，试验表明通过GSM短消息承载的数据通信业务，实际应用的传输时延不小于6秒，这对于实时性要求较高的需求，难以提供令人满意的应用。因此，采用GPRS技术来替代GSM无线数据传输部分，通过GPRS高达171.2kbps的通信速率，实现低于秒级的实时定位数据传输，成为车载卫星定位系统的发展方向。本文通过对GPS卫星定位理论，卫星数据处理的深入研究，提出一套基于GPRS无线通信技术的车载GPS卫星定位系统的设计方案。
关键词:GPS卫星定位，GPRS无线通信。
Abstract：Global Positioning System of vehicles，also known as auto vehicles locating system is researched starting of in 1960s.The propose of study is to find a solution for the heavy trafic issues in big cities that cause by the civilization of automobiles.Nowadays，auto vehicles locating is compose of Global Positioning System，wireless communication and Global geographical System.
It is not only the essential part of intelligent transportation system，but also providing grand against theft，grand against highjack，medical emergence and so forth.However，the communication part of auto vehicles locating is based on GSM-SMS which can not offer
real-time applications.The bearing of GPS of automobile's development is using GPRS technology that has high speed of 171.2 kbps to change the GSM part .After that the Global Positioning System of vehicles will of erreal-time application.
Key Words:Global Positioning System of vehicles，GPRS communication system.
目录
1 绪论 (3)
2 第二章GPS系统的定位原理与基础 (4)
2.1 GPS概述 (4)
2.2 GPS组成 (5)
2.3 全球卫星定位的基本原理 (7)
2.4 GPS数据丢失的补偿方案 (11)
2.5 小结 (15)
3 第三章智能公交服务系统车载终端的硬件设计 (16)
3.1 车载终端的概述 (16)
3.2 系统设备的选择和功能 (16)
3.3 小结 (22)
4 第四章车载终端软件的研究与设计 (23)
4.1 软件设备概述 (23)
4.2 总体功能分析 (23)
4.3 车载终端其他程序流程 (24)
5 结论 (32)
参考文献 (34)
致谢 (35)
1.绪论
随着城市的扩建，人们生活节奏的加快，公共交通问题显得日益重要，现在的交通系统也有了很大的发展，但现有的智能自动化系统大都用于私家车与商业运营车，在公交车辆尚未成功地应用，试用品也只是在某些城市开通，并为驾驶员和乘客考虑较小，在一些功能上还有待完善，所以暂时并没有普及市场，但公交车依然还是广大市民出行的主要交通工具，公共交通系统作为城市交通的主体，是城市肌体的动脉，在大城市交通中，公交车的服务应该尽可能地做到服务周到，它的服务质量与市民们的生活息息相关，也是衡量一个城市的文明标志。而国内大多数城市现有的公交车还是采用传统的公交系统，没有实现完全的智能化，比如自动报站只能由人工按固定的序号键来实现报站，离不开驾驶员或售票员的相应操作，进站、出站及转弯每次都需要人工的服务，这就大大加重了驾驶员的工作负担，存在一定的安全隐患，有时出于种种原因，可能存在漏报、错报或者干脆不报，给乘客带来了很大的不便。站牌没有显示，乘客等候车辆心理没有底。造成乘客在车内坐车担扰，在车外等车没底。
智能公交服务系统是目前解决公共交通服务问题较为有效的手段，另外对减少车辆拥挤、提高运行的安全性和有效性有着非常重要的意义。它的服务主要面对乘客与驾驶员来进行考虑，在人们的出行生活中起着尤为明显的作用。
智能公交服务系统可以具体描述为:采用全球定位系统(GPS)进行数据采集，根据车辆所处的位置进行自动报站等服务，并将定位数据等信息反馈给调度中心，调度中心再分发给电子站牌，电子站牌接到信息及时更新其显示信息，从而实现完整的自动服务，实现公交车辆的自动报站、调度和指挥，保证车辆的准点运行，全面的服务，并使出行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻。
这是一种先进的公交服务系统，它将电子、控制、计算机、通信等高新技术集中运用于公共交通系统，改造旧的服务模式，建立全新的服务体系，不但提高了其服务质量，同时也将为公交企业和社会带来较大的经济和社会效益。表现在以下几个方面:
1.较为完美的乘客信息服务;
2.减少人工操作，尤其是驾驶员的负担;
3.快速、灵活的应变能力;
4.提升城市形象，提高国际竞争力;
5.带动其它相关产业的发展;
6.先进，实用，经济性;
第二章GPS系统的定位原理与基础
2.1 GPS概述
GPS(Global Positioning System)中文称全球定位系统，GPS全球定位系统是近年来迅速发展起来的一种卫星定位导航方式，是70年代美国国防部发展的第二代卫星导航系统。它可以提供全球范围内的导航定位数据，用户实时接收卫星发出的星历，可以推算出用户当前的位置、速度和时间等定位信息,是新一代的导航定位系统。它能够为全球任意地点、任意多个用户同时提供高精度、全天候、连续、实时的三维定位、测速和时间基准，它在智能公交系统中，起到定位的作用，其定位精度比较高，并且具有成本较低、系统覆盖面广、使用维护费用低、通讯可靠等特点。它是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的实用系统。这些星分布在互成60度的6个轨道平面上，每个轨道平面平均分布3颗卫星。这样，对于地球任何位置，均能同时观测到4颗卫星。
2.1.1 GPS车辆定位的优点
GPS在各行领域应用十分广泛，比如测量，航空等。它应用于智能公交系统是用来准确定位公交车辆的位置，车辆根据GPS定位数据来进行自动服务。GPS在车辆定位时的优点有以下几个方面:
1、具有全球性、连续性，定位精度较高、误差有界、成本较低等优点。
2、安装相对方便。
3、信息量丰富，使用GPS对定位的精度和定位自动化程度的提高十分有利。
4、利用GPS系统的位置信息定位不存在累计误差，定位精度高。这样避免人工的里程修正，使系统的操作更加简便。
5、地面GPS接收设备类型丰富，有各种类型的功能各异的GPS接收机产品，用于测量的，用于导航的等等。
6、经济实惠，利用这种技术只需要一个GPS接收机便可以了。缺点:定位精度依赖于定位卫星的数目，这个数目依赖于地理环境。
2.1.2 智能公交服务系统与GPS的关系
公交车载终端利用GPS信息完成定位功能，根据定位完成自动报站等服务，解释如下:
1、自动报站原理
车载终端的CPU读取经配置存储于EPROM中的站台信息(经纬度坐标值、站台序号和
站名等)，同时接收GPS接收机传过来的位置、时间、速度等即时信息，将有效的GPS
信息与站台位置信息进行比较、计算，判断车辆的当前位置和到站、出站情况，通过语音和显示(LCD/LED屏)向车内乘客报站。
2、向中心汇报位置和车辆状况信息
车载终端在工作过程中定时向调度中心发送GPS数据、报告当前位置，根据GPS数据来判断到达站台或离开站台的情况时，向调度中心发送到站或出站消息，调度中心又将其分发给电子站牌，电子站牌接到消息及时响应作出相应的显示服务。综上所述，车载终端与电子站牌的服务都离不开GPS的定位信息，作出服务响应的依据是GPS信息，传送的数据也包括GPS数据，智能公交服务系统的研究与设计是建立在GPS的基础上展开的。
2.2 GPS组成
GPS由三个独立的部分组成:
1.空间部分---GPS卫星星座
2.地面控制部分---地面监控系统
3.用户设备部份---GPS信号接收机
1 GPS卫星星座
GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3) GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤道各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，必须观测4颗GPS 卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续性与实时性。
2 地面监控系统
对于导航定位来说，GPS卫星是一动态己知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历
(描述卫星运动及其轨道的参数)算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准，即GPS时间系统。这就需要地面站监测出各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。
3 GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是:能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机。
GPS接收机主要由GPS接收机天线，GPS接收机主机及电源组成。GPS模块用于接收GPS卫星的信号，并计算出车载终端目前所在位置。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器和存储单元及显示器组成。GPS接收机通过串行口向主控制器发送定位坐标;主控制器也可以向GPS接收机发送设置命令，以控制GPS接收机的状态和工作方式。GPS 接收机需要配备专门的GPS天线接收GPS卫星信号。一般在比较开阔的地区，需接收到三颗以上的GPS卫星信号才能进行准确定位。在车载GPS智能终端系统中，把天线放置在车顶可以有比较好的定位效果。
车载型接收机属于导航型接收机，这种接收机主要用于运动物体的导航，它既可以实时给出物体的位置和运行速度。也可以引导载体到达预定目标。这种接收机都是采用C/A码伪距测量，动态绝对定位方式。这种接收机价格便宜，应用也广泛。导航型接收机另外还有航海型和航空型。
GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm,单频接收机在一定距离内精度可达10mm。用于差分定位其精度可达分米级至厘米级。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。公交定位系统精度只需要达到l0m即可。本系统采用的接收机可以达到其要求。
2.3 全球卫星定位的基本原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
2.3.1 GPS定位的基本概念
定位就是确定信息、事物、目标发生的时间和空间位置。因此，定位之前必须先要确定时间参考点和位置参考点，这也就是要建立时间参考坐标系统和位置参考坐标系统。时间与空间参考坐标系统的建立，一直就是测绘界和天文界最前沿的理论与技术研究方向，目前仍然在不断发展之中。在时间和坐标系系统建立的基础上，然后再探讨如何在某个参考系统内确定事件、信息、目标的具体位置和时间。
GPS定位方式可以分为绝对定位与相对定位方式两种。
参考坐标系统建立后的定位问题，而参考坐标系的建立和维持一方面有一套独立的理论和技术，另一方面也可以看成是定位技术的一个应用。在实际工作中，我们把直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系统的坐标位置测量称之为绝对定位，而把确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另一已知或相关的信息、事件和目标的坐标位置关系称之为相对定位。应用GPS进行绝对定位，根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。当用户接收设计安置在动态的载体上，并处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。动态绝对定位，一般只能得到没有(或很少)多余观测量的实时解。这种定位方法，被广泛应用于飞机、船舶以及陆地车辆等动态载体的导航。另外，在航空物探和卫星遥感等领域有着广泛的应用前景。
目前，无论是动态绝对定位还是静态绝对定位，所依据的观测量都是所测卫星至观测站的伪距，所以，相应的定位方法通常也称为伪距法。
绝对定位的优点是，只需一台接收机便可独立定位，观测的组织与实施简便，数据处理简单。
一般来说，绝对定位的概念比较抽象，涉及的技术比较复杂，定位精度也难以达到很高，而相对定位概念比较直观具体，实现的技术较为简单、直接，高精度也容易实现一些。例如，利用望远镜和测角设备的经纬仪测量北极星的高度角可以确定某一点在地球上的纬度，测量同一个恒星过格林尼治天文台和当地的时间差可以确定经度，是一种绝对定位。其最高精度一般可以达到0.5sec左右，相当于地球上15m的范围。用雷达测量运动的飞机的方位角和雷达与飞机间的斜距和高度角是相对定位测量的例
子。类似于雷达的全站仪是由激光来测量仪器至目标的距离，用精密电子设备测量仪器至目标的方位角和高度角，其相对定位的精度可高达1-2个毫米。相对定位技术上较易实现，通过相对定位的方式，在己知某目标绝对定位结果的情况下，也可以获得新目标的绝对定位位置。
2.3.2 基本定位原理方程
GPS定位的基本原理是通过不间断的接收卫星发送自身的星历参数和时间信息，把高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。GPS定位的基本几何原理为三球交会原理:如果用户到卫星S1的真实距离为R1,那么用户的位置必定在以S1为球心，R1为半径的球面C1上;同样，若用户到卫星S2的真实距离为R2，那么，用户的位置也必定在以S2为球心，R2为半径的另一球C2上，用户的位置既在球C1上，又在球C2上，那它必定处在C1和C2这两球面的交线L1上。类似地，如果再有一个以卫星S3为球心，R3为半径的球C3，那用户的位置也必定在C2和C3这两个球面的交线L2上。用户的位置既在交线L1上，又会在交线L2上，它必定在交线L1和L2的交点上。GPS系统定位的代数原理如图2-1所示。
图2-1 三颗卫星的状态图
用户接收机与卫星之间的距离为R，坐标组合(xl,yl,zl),(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)是三颗卫星的已知位置:可得以下代数方程式
222
=+(y1-y)+(z1-z)
R（x1-x）(2-1)
222
R（x2-x）(2-2)
=+(y2-y)+(z2-z)
222
R（x3-x）(2-3)
=+(y3-y)+(z3-z)
式中， R为卫星与接收机之间的距离;xl,yl,zl表示卫星位置的三维坐标值;x,y,z 表示用户(接收机)位置的三维坐标;其R,xl,yl,z1是己知量，x,y,z是未知量.三个方程三个未知量就可以定出接收机的位置，即要求的x,y,z。
从上面的分析看出，从原理上说，有三个卫星至测站的距离，就可实现三维坐标的定位。
实际上，用户接收机一般不可能有十分准确的时钟，它们也不与卫星钟准确同步，因此用户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的，计算得到的距离也不是用户接收机和卫星之间的真实距离，这种距离叫做伪距离。利用第四颗卫星作参考卫星，假设用户接收机在接收卫星信号的瞬间，接收机的时钟与卫星导航系统所用时钟的时间差为?t则上面公式将改成为
222
=+(y1-y)+(z1-z)
R（x1-x）+ t
?(2-4)
c?
222
=+(y2-y)+(z2-z)
R（x2-x）+ t
?(2-5)
c?
222
R（x3-x）+ t
=+(y3-y)+(z3-z)
?(2-6)
c?
222
R（x4-x）+ t
=+(y4-y)+(z4-z)
?(2-7)
c?
式中c表示电磁波传播速度，?t是未知数。其中(x1,y1,z1), (x2,y2,z2),(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)是卫星的已知位置;只要接收机能测出距四颗卫星的伪距，便有四个这样的方程，把它们联立起来，便可以解出四个未知量x,y,z和?t，即能求出接收机的位置和准确的时间。
当用户不运动时，由于卫星在运动，在接收机的卫星信号中会有多普勒频移。这个频移的大小和正负是可以根据卫星的星历和时间，以及用户本身的位置算出来的。如果用户本身也在运动，则这个多普勒频移便要发生变化，其大小和正负取决于用户的速度与方向。根据这个变化，用户便可以算出自己的三维运动速度，这就是GPS测速的基本原理。另一种求解用户速度的方法是:知道用户在不同时间的三维位置，用三维位置的差除以所经过的时间，求解用户的三维运动速度。
以上定位原理说明，用GPS技术可以同时实现三维定位与接收机时间的定时。一般来说，利用C/A码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在5-l0m左右，三维综合精度在15-30m 左右;利用军用P码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在1-3m左右，三维综合精度在3-6m 左右;利用相位观测值进行绝对定位技术比较复杂，目前其实时或准实时各坐标分量的精度在0.1-0.3m左右，事后24小时连续定位三维精度可达2-3cm左右。在导航型GPS接收机中，多采用伪距定位法。本系统设计时车辆定位精度为l0m。
2.3.3 GPS 卫星定位的主要误差来源
一般来说，产生GPS 卫星定位的主要误差按其来源可以分为以下三类:
1、与卫星相关的误差
1.1 轨道误差:目前实时广播星历的轨道三维综合误差可达10-20m
1.2 卫星钟差:由广播星历的钟差方程计算出来的卫星钟误差一般可达10-20ns,引起
等效距离误差小于6m
1.3 卫星几何中心与相位中心偏差:可以事先确定
2、与接收机相关的误差
2.1 接收机安置误差:先确定即接收机相位中心与待测物体目标中心的偏差，一般可事
先确定。
2.2 接收机时钟差:接收机时钟与标准的GPS 系统时间之差，一般可达651010---秒 。
2.3 接收机信道误差:信号经过处理信道时引起的延时和附加的噪声误差。
2.4 多路径误差:接收机周围环境产生信号的反射，构成同一信号的多个路径入射天线
相位中心，可以采用抑径板等方法减弱其影响。
2.5 观测量误差:C/A 码伪距偶然误差，约为1-3m, P 码伪距偶然误差，约为0.1-0.3m ，
相位观测值的等效距离误差，约为2mm 。
3、与大气传输有关的误差
2.3.3.1电离层误差
50-1000km 的高空大气被太阳高能粒子轰击后电离，即产生大量自由电子，使GPS 信号
产生传播延迟，一般白天强夜晚弱，可导致载波天顶方向最大50m 左右的延迟量，误差与
信号载波频率有关，故可用双频或多频率信号予以显著减弱。
2.3.3.2流层误差
由于含水汽和干燥空气的大气介质中传播引起的信号传播延时，其影响随卫星高度
角、时间季节和地理位置的变化而变化，与信号频率无关，不能用双频载波予以消除，但
可用模型削弱。
人们想了很多办法来削弱和消除上述各种误差的影响，比如，针对实时广播星历提供的
卫星坐标精度不高的问题，国际上的GPS 服务机构IGS 提供了事后的GPS 卫星的精密星历，其轨道坐标精度达3-5cm 。同时也提供卫星钟差、电离层延迟的精密事后修正数据，利用这些数据，人们可以进行多种精密定位和定时。GPS 能够以不同的定位定时精度提供服务，从亚毫米、毫米到厘米、分米、亚米及米和十几米的定位精度都有可供选择的定位方法。定时方
面可从亚纳秒、纳秒到微秒级的精度实现时间测量和不同目标间时间同步。
在定位的时间响应方面可以从0.05秒、1秒到十几秒、几分、几个小时或几天来实现不同的实时性要求和精确性要求。从相对定位距离方面看，可从几米一直到几千公里之间，实现连续的静态和动态定位要求。从工作环境上看，除了怕被森林、高楼遮挡信号造成可见卫星少于四颗和强电离层爆发造成GPS测距信号完全失真外，可以说是全球全连续和全天候的。这些优良的特性，使得它有广泛应用领域。
2.4 GPS数据丢失的补偿方案
以上分析了GPS的基本原理，缩小误差的方法，可是GPS依赖于地理环境，当在高楼大厦遮挡，GPS信号会发生丢失的现象，在它的盲区需要及时进行补偿，首先分析盲区产生的原因和对系统产生的影响，根据不同种类的GPS信号丢失对系统影响的不同采取不同的补偿措施。
2.4.1 GPS数据丢失原因
车辆在运行过程中，不可避免地会产生GPS数据丢失的现象，导致这种数据丢失主要有以下几个原因。
2.4.1.1定位条件受到环境因素的影响
GPS定位技术要求GPS接收机所在的位置具备一些基本的定位条件:至少接收到4颗GPS卫星的信号，GPS卫星的分布(星座)具有一定的几何形状限制，彼此之间应具有一定的夹角。而车辆在城市中行驶将不可避免地受到密集的高楼大厦、树木、高架桥、隧道的遮挡，特别是在某些枢纽式的总站，由于具有顶棚，GPS信号可能被完全屏蔽，从而破坏GPS定位技术要求的定位条件。这种原因造成的数据丢失的特点是具有很强的地理位置相关性。
2.4.1.2通信链路故障
GPS定位信息依赖于无线通信网络传输到监控调度中心。任何一种无线通信网络都不能保证数据100%的准确无误传输。根据实际情况，可能存在以下三种原因的通信链路故障:
1.通信信道保持畅通时丢失IP包;
2.在无线信号覆盖区内数据通道的意外断线;
3.超出网络履盖区域;
其中第一种通信故障在时间上和地理位置上都不具备相关性;第二种存在时间上的若干相关性;第三种与地理位置有很强的相关性。
2.4.1.3设备故障
由于车载终端自身的硬件故障(例如天线开路、供电等问题)造成的定位失效或通信失效导致GPS数据的丢失,通常在发生时间和发生地点上没有规律。GPS数据丢失无论源于哪种原因，其对系统的影响按持续时间和发生的地理位置不同而有所不同。
1.根据GPS数据丢失的持续时间，可以大致分为短时间、中等时间和长时间三种。
（1）短期丢失:GPS数据丢失的时间在1分钟以内，通常由于IP包丢失或被高楼短时间遮挡;
（2）中期丢失:GPS数据丢失时间大于1分钟而小于公交车的一个单程时间(通常为40分钟-90分钟);
（3）长期丢失:GPS数据丢失时间大于公交车的一个单程时间。
2.根据地理位置不同可以将GPS数据丢失发生的地理位置分为敏感区域和不敏感区域
敏感区域:
（1）公交总站附近:GPS数据在公交总站附近丢失如果超过该车辆的停站时间，则将造成行车记录的错误;
（2）电子站牌附近:GPS数据在电子站牌附近的丢失将导致电子站牌到站预报和离站预报的直观错误;
（3）停车场、修配厂、加油站附近。GPS数据在停车场、修配厂、加油站附近丢失将导致系统对车辆营运状态作出错误判断;
不敏感区域:
GPS数据在其他位置的非长期丢失对系统影响较轻，仅影响车辆的实时监控，但中长期丢失可能会对调度策略产生影响。
2.4.2 GPS数据丢失补偿方案
当GPS数据发生丢失时，为了保证公交系统还能正常的进行全方面服务，可以采用一些措施来进行补偿。本论文分别研究出了硬件与软件补偿的方案。
2.4.2.1硬件补偿措施
硬件补偿主要针对硬件来实现补偿，使公交车辆还能正常的进行运营，硬件补偿方法有如下几种:
（1）车载终端设置若干运行状态按键，由驾驶员在执行每项任务(如上行、下行、加油、保修、报站、边出站)时按相应的按键，也即传统的手工按键报站方式。
（2）车载终端的通信模块在数据通道发生问题时，启用备用的数据通道(例如SMS)。
（3）车载终端具有断线重拨功能，能在断线后以最短的时间恢复连接。采用无线通信
方式经实际测试其重拨一次成功率达到90%以上。
（4）车载终端在具有滚动存储至少1个运营日的定位数据的能力。当通信中断时，数据
自动存储，一旦通信恢复，可将存储的数据以压缩的方式成批上传至监控调度中心。
2.4.2.2软件补偿方案的一般流程
当GPS 数据发生丢失时，系统能获得关于丢失的两个基本信息:
1.GPS 数据丢失之前一点的位置
2.数据丢失持续的时间
系统根据这两个参数判断数据丢失对系统影响的严重程度，从而分级别地采取响应的措
施进行补偿，其处理的一般流程如图2-2所示。
硬件补偿
发生丢失
敏感区域
预测内插中期丢失
继续内插，等
待补传长期丢失
转入正常运行
获得补传
停止内插，报
故障，等待补
传
否
否
否
否
否
否
否
否否
图2-2 软件补偿方案选择的一般流程
2.4.2.3预测内插的算法
预测内插的算法是基于数据丢失点的位置和历史数据(车辆在1天中相同时段在相同路段的经验速度等)进行的，算法的描述如下：
1、经验速度
为在丢失定位数据的情况下预测车辆的位置，先分析车辆在该路段的速度，而这一速度通常在路段上是连续变化的。为此在路段上设置采样点。这些采样点并不是均匀分布的，而是按照道路交通状况特点相同的路段归结为一个采样段，以不同车辆在每天同一时刻经过该采样段的最大似然速度作为“经验速度”，由于车辆在每天同一时刻经过特定采样段的速度并非正态分布，而倾向于泊松分布，故经验速度并非简单的算术平均速度，而应计算大量车辆按某一特定概率(例如95%)的最大似然速度。如图2一3所示。
图2-3 经验速度
经验速度的获得是一个动态的不断进行的过程。系统会在整个运行生命周期中根据实际运行中产生的数据不断更新各采样段的经验速度。
2、经验速度分布
既然经验速度是大量车辆在每日同一时刻经过同一采样段的最大似然速度，其必然在1天的时间内在不同的采样段具有某种分布。下面建立一张三维的图，其X轴为时间，Y轴为沿线路连续排列的不同的采样段，Z轴为各采样段的经验速度。如图2-4所示。
图2-4 经验速度沿采样段和时间的分布
由图中可以看出，不同的采样段在高峰时段前后有着较低的经验速度(高峰期车流缓慢)，车速低峰到来的时间不尽相同，相邻采样段具有某种时间上的继承性等特点。
3、位置预测
根据经验速度的分布，系统可以在丢失车载终端定位数据时(例如在20秒以上时间内没有收到同一车辆的定位数据)，在一定的时间范围内(例如一个单程时间内，车辆到达线路终点站之前)，根据车辆最近一次定位数据和沿线的经验速度，预测车辆的当前位置，从而实现GPS定位数据的内插。从上面的处理方法描述中可以看出，补偿方法预报数据的误差主要来源于以下一些因素:
（1）预先计算的采样点间隔;
（2）经验速度的计算及其分布;
（3）预测持续的时间;
经验速度的计算和分布由长期历史数据获得，存在一个机器学习的过程。对于系统的实时处理而言，影响误差大小的最直接因素是采用预测算法的持续时间。当预测点与计算的基点在时间上间隔越长时，预测结果就变得越不可信。因此本方案中，当预测持续的时间超过数据丢失点到前方总站的行驶时间(通常小于单程时间)时，即停止使用预测算法，转而依赖数据的补传，或采用传统的人工服务，并采取相应的维护措施，检查是否由于网络原因或设备故障造成数据丢失。
2.5 小结
本章主要介绍GPS的基础知识，包括定位概念、分类、定位原理、基本组成和GPS的应用等，论述了GPS在定位时的优劣势，对GPS定位误差进行了一定的分析，设计了当GPS发生丢失时的补偿方案。
第三章智能公交服务系统车载终端的硬件设计
3.1 车载终端的概述
车载终端(MDT)是安装在受控车辆上，负责信息采集、信息传送、信息处理、信息接收
和车内控制的设备。车载终端是整个公交系统关键的数据来源和执行手段之一，在整个系统中起着举足轻重的作用，其工作状况和功能、性能直接影响到整个系统的运行，是智能公交服务系统中的关键设备。
它的硬件主要包括:电源模块或电源接入模块，单片机CPU ，辅助存储芯片，GPRS 通信模
块，GPS 定位模块LCD 显示模块，LED 显示模块，串口扩展芯片和串口，键盘，语音模块，麦克风电路。
如下图3-1为车载终端总体框图:
图3-1车载终端总体框图
3.2系统设备的选择与功能
单片机CPU 是整个车载终端的核心部分，通过各种接口与其它设备连接，写入一定的程
序，负责处理各种事件，比如调度中心发来的调度信息，GPS 接收机得来的定位信息处理等等，使整个系统得到正常的运行。根据单片机电路设计简单，面向控制的功能强等特点，综合了系统总体设计和上述情况，考虑到系统的最终维护，应该选择主流产品。目前市场上单片机的生产厂商很多，其中51系列单片机的应用比较广泛，并且其开发手段也比较简单，是工业检测、控制领域中的最理想的8位单片机。51系列产品中主要包括8031，8051，87051. 单片机
CPU 存储器 LED LCD 键盘
GPS 电源
语音 GPRS 话筒麦
89058等。
1、单片机的选择
采用W77E58是一个很好的选择，W77E58是一个快速8051兼容微控制器;它的内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度。经过这种改进以后，在相同的时钟频率下，它的指令执行速度比标准8051要快许多。一般来说，按照指令的类型，W77E58的指令执行速度是标准8051的1.5-3倍。整体来看，W77E58的速度比标准的8051快2.5倍。在相同的吞吐量及低频时钟情况下，电源消耗也降低。由于采用全静态CMOS设计，W77E58能够在低时钟频率下运行。W77E58内含32KB Flash EPROM，工作电压为4.5V-5.5V，具有1KB片上外部数据存储器，当用户应用时使用片上SRAM代替外部SRAM，可节省更多I/O口。
其主要特性:
（1）8位CMOS微控制器
（2）每4个时钟周期为一个机器周期的高速结构，最大外部时钟频率为40MHZ
（3）与标准80C52管脚兼容
（4）指令与MCS-51兼容
（5）4个8位I/O口
（6）一个附加的4位I/O口和等待状态控制信号(仅限44-脚PLCC/QFP封装)
（7）3个16位定时/计数器
（8）12个中断源，2级中断能力
（9）片上振荡器及时钟电路
（10）二个增强型全双工串行口
（11）32KB Flash EPROM
（12）256字节片内暂存RAM
（13）片内1KB外部数据存储器
（14）可编程看门狗定时器
（15）软件复位
（16）2个16位数据指针
（17）对外部RAM及外设的访问周期可以进行软件编程
3.2.2 显示模块
车载终端一个最主要的功能是为乘客报站，自动报站包括语音报站，LED和LCD显示来报站。用多个LCD显示屏为驾驶员显示时间，调度等重要信息，它主要的模块由显示模块与语音模块组成。另外要存储器，微处理器的支持。下面分别介绍LCD显示屏与LED显示屏。
3.2.2.1车载LCD显示屏
车载LCD电子显示屏主要是以最优的方式显示给驾驶员看的，车载终端所获取的实时数据以文字或图形的方式显示在车载机的显示屏幕上。数据按其性质和用途分为不同的组。第一种为时间画面图3-2。图中，车辆状态指车辆上行、下行、包车、班车、快车、加油等状态。
2009-6-17 周四信息提示GPS信号通信信号
13：21：46
祝：工作愉快一生平安
图3-2 时间画面
图3-3为定位画面，驾驶员可以了解车辆本身的一些信息，也可用于系统侧试。
2009-6-17 周四信息提示GPS信号通信信号、
13:21:46
东经：113：123456 速度：99.9km/hr
北纬：23.123456 方向：359.9
DOP:99.99 SNR：99
图3-3 定位画面
图3-4为诊断画面用于调试，维修当中诊断故障，图中“可见”表示在当前卫星运行情况下车载机应该可见的卫星数,“锁定”表示当前用于定位计算的卫星数；连接表示当前车载机的连接状态。
2004-6-17 周四信息提示GPS信号通信信号
13：21：46
可见：11
锁定：05
连接：07
图3-4 诊断画面
图3-5表示在车载终端上查看调度信息的一个例子
13：21：46 信息提示GPS信号通信信号
查看消息：2009-09-20 16：22：08
车辆：3-4-791
发车：16：29：00
短线：淮海广场至淮师
图3-5 在车载终端上查看调度信息的例子
车载终端通过无线通信网络接收的文字信息可以在主机的LCD显示器上直接显示，并以声音的形式提醒驾驶员有新信息到来。驾驶员可通过按键来查看当前和以前接收到的文字信息。当文字信息超过当前显示器的显示范围时可以通过翻页来继续查看。
LED显示屏是车辆前方面向乘客显示相关信息。显示车辆在进出站信息，有时也显示一些广告、旅游等信息。在系统的RAM中开辟一个显示缓冲区，需要显示的内容都存入此缓冲区中，显示模块定时从显示缓冲中提取数据送入显示电路中，完成显示功能。
3.2.3 语音模块
车内语音模块主要提供报站、公益提示和语音广告播放等功能。采用的ISD4004芯片是录音回放型，芯片内部存储语音，能存储16分钟语音，可分2400段，每段以文件的形式存储，方便控制芯片组合播放语音，使用高质量、自然语音还原技术;自动静噪功能;内置微控制器串行通信接口;多段信息处理不耗电保存信息100年(典型值);100000次录音周期(典型值)片内免调整时钟，也可选用外部时钟。
ISD4004系列工作电压3V，单片录放语音时间为16分钟，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频放大器及高密度多电平闪烁存贮阵列。芯片设计是基于所有操作由微控制器控