基于物联网技术的智能交通系统终端无线通信研究及定位系统设计

随着社会经济的发展，物质的需求越来越多，这不得不涉及到运输业。运输业的快速发展必然使得在物流管理和道路管理上变得更复杂多样，比如：道路交通事故频繁发生；驾驶员疲劳驾驶；人为超速超载等。这些问题日益突出，而且难以用人力去有效控制。

1  智能交通系统采用3G/4G移动通信技术的必然性

据统计，全国机动车已达到2亿辆。这个机动车数量的增加必然会给城市的交通畅通带来压力，同时还可能制约城市的发展。有了这一问题的出现，那么必然会促使解决问题的方法诞生，智能交通系统概念应运而生。所谓的智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯以及计算机的处理技术，将电子传感、电子控制等技术有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统1。

智能交通系统最主要的对象是车辆，那么我们可以通过3G/4G无线通信技术，进行汽车的信息收集与共享，通过信息处理，实现车与车，车与人，车与路，人与人，车与第三方服务商的协调沟通，达到道路交通更有效利用2。 以下是例举智能交通系统采用3G/4G移动通信技术的必然选择：

连接对象的移动性。我们现在广泛应用的是互联网和移动通信网络，这些都是人与人相互交流，并没有涉及到物与人之间的联系。而智能交通系统刚好就是属于人与车辆、车辆与车辆、车辆与道路、车辆与站点之间还有车辆与综合信息平台的连接服务。这智能交通系统核心都是围绕这一车展开的，而车是移动的，所以在车辆高速移动过程当中通信链路以及传输速率稳定是智能交通系统的基础。

传输的及时性。智能交通系统的连接对象是在高速移动的车辆或者是低速的乡间小道，那么车辆必然涉及到交通安全和道路堵塞问题。车与车之间、车与行人之间、车与驾驶者之间、车与道路之间是否能够及时的传输信息是保证智能交通系统发挥关键作用的保障3。

信息传输的可靠性。由于智能交通系统当中有着数量庞大的网络传输通信节点并且多以集群的形式出现，实时数据非常庞大，对于这海量的数据交互，网络的信息传输可靠性要求就特别高。而目前能满足这一要求的无线通信技术非3G/4G技术莫属，这技术可以提供高清视频，精准车辆位置信息。

2  智能交通系统采用北斗/GPS双模定位

近年来，GPS的定位导航已经普及到很多类型车上，提供全时空、全天候、高精度、连续实时的导航、定位和授时。目前世界上有四大导航系统，分别是美国的全球导航定位系统（GPS）、欧盟的伽利略定位系统（Galileo）、俄罗斯的格洛纳斯定位系统（GLONASS）与中国的北斗定位系统（BD）。这GPS是世界上四大导航系统中应用最广泛也是应用最久的，其对车辆定位的研究是较为深入。2012年底，我国正式宣布北斗卫星导航系统正式提供区域服务，同时公布了北斗系统空间信号接口控制文件（Inerface control document,ICD）正式版，北斗民用才开始进入研发和应用阶段4。那么加快研究我国自主研发的北斗卫星导航系统提供的导航、定位、授时服务的实际应用就变得有重要意义。

目前市面上的车载终端主要基于美国的GPS卫星定位系统，并未结合我国具有自主知识产权的北斗卫星定位系统。同时，现有的车载导航系统不具有开放的。而且GPS卫星定位系统和BD卫星定位系统有着各自的优点，GPS的主要特点：（1）能够全球、全天候工作。能够覆盖全球98%的面积。（2）定位精度高。单机定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。（3）操作简便，应用广泛。只需要一台GPS接收机即可准确确定用户所在的位置。已经广泛应用于军事工程、道路工程、车辆、船舶导航等多种应用中。与GPS相比，北斗具有的特点：（1）北斗导航系统可以提供导航定位服务，其精度可以达到重点地区水平10m，高程10m，其他大部分地区水平20m，高程20m；测速精度优于0.2m/s.这和美国GPS的水平差不多。（2）授时服务。授时精度可达到单向优于50ns，双向优于10ns（3）短报文通信服务。这一功能能够保证在我国及周边地区具备每次120个汉字的短信息交换能力（4）具备一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力。系统的导航定位用户容量不再受到限制，并且保证用户设备的体积小、质量轻、功耗低，满足手持、机载、星载、弹载等各种载体的需要5。

本文通过结合两者的优势互补，配置成可选模式，将接收到的位置信息通过移动通信模块上传到公网IP服务器上，达到实现车辆实时监控的目的。

3  卫星定位技术的原理

定位模块要不间断地选择合适的北斗、GPS卫星并接收其星历参数和时间信息，通过计算获取相应的三维坐标的位置、方向、速度等信息，并将这些信息通过3G/4G移动通信模块上传到服务器，利用云计算将进行数据处理。

模块采用的是绝对定位原理：假设模块的空间坐标为（x,y.z），卫星与模块间的距离是L，通过导航电文可获得北斗或GPS卫星的瞬时坐标（X,Y,Z），根据以下式子因此只要同时获得3颗卫星信息，就可以算出模块坐标（x,y.z）6。

4  北斗/GPS的模块硬件设计

4.1  北斗/GPS模块采用的芯片

本文的北斗/GPS模块采用的是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双模卫星定位接收模组，支持北斗和GPS单系统定位或双系统联合定位。GA833-3包含33个跟踪通道，可以同时接收所有北斗和GPS可见卫星。外形尺寸和主要信号接口与多款GPS模块完全兼容，可直接替换使用。

GA833-3的主要性能指标：

4.1.1  定位时间

（1）热启动时间：平均2秒

（2）温启动时间：平均3秒

（3）冷启动时间：平均35秒

4.1.2  灵敏度

（1）双模捕获灵敏度：-148dBm，单北斗捕获灵敏度：-138dBm

（2）双模跟踪灵敏度：-163dBm，单北斗跟踪灵敏度：-153dBm

4.1.3  定位精度

（1）定位精度：<10米

（2）速度误差：0.01米/秒

（3）1PPS误差：10纳秒

4.1.4  功耗

（1）工作电压：3.3VDC（主电源和RTC供电电压）

（2）工作电流：小于40mA（不包含天线供电）

（3）RTC电流：小于10uA

4.1.5  环境特性

（1）工作温度：-40℃—+85℃

（2）存储温度：-45℃—+85℃

4.2  北斗/GPS模块的电路设计

如图行车记录仪终端内部提供主电源VCC（2.8～4.3V）到芯片输入端，芯片接收来自北斗/GPS双模有源天线的信号，信号从RF_IN端进入。VANT主要作用是根据有源天线的供电需求来提供不同的电压。超级法拉电容则可以对电源提供起稳定作用，避免主电压突然变化对芯片造成伤害。RXA是串口接收，对接嵌入式ARM处理器，ARM处理器通过解算反馈使得北斗/GPS选择获取何种导航系统信号；TXA是串口输出，同样对接嵌入式ARM处理器，将信号数据输送给ARM处理器解算。 

图1  北斗/GPS模块的电路设计

5  北斗/GPS组合导航软件设计

由于北斗卫星定位系统和GPS卫星定位系统有各自的优势与特点，所以我们硬件上是采用了北斗/GPS双模定位模块，那么我们软件上也采用了双模导航设计。采用双模导航软件设计完成北斗/GPS模块软件系统的控制和数据融合解算。如下图可看出数据处理流程： 

图2  北斗/GPS模块软件流程图

我们给模块通电后，则开始初始化，将前次的定位信号确定进入热启动、温启动或者是冷启动的选择卫星信号模式；设置的参数引导卫星信号单元多北斗/GPS卫星信号同事进行捕获，捕获成功后就进入信号跟踪单元，信号跟踪当中主要是有环路控制、位同步、帧同步及电文接收；北斗和GPS是两个相互独立的卫星定位系统，系统之间用的坐标、时间、星历、伪距观测是存在差异的。那么就要利用数据融合单元来完成他们之间的时间转换、坐标转换、格式转换、伪距组合，再通过RAIM自主完备性检测处理数据7。再根据模式来选择最优定位系统，将数据进行导航解算，并给用户输出位置、信号、时间等信息。

6  北斗/GPS双模定位的性能指标与实验数据

6.1  性能指标

该车辆终端采用北斗/GPS双系统导航模块GA833-3芯片，可实现首次冷启动定位时间小于35s，热启动小于1s，重捕获信号灵敏度-145dBm，跟踪灵敏度-159dBm，定位精度小于5m（CEP，-13dBm），速度精度0.2m/s。由表1可看出，本终端系统的几项指标优于其他的研究结果。

表1  不同类型导航终端的性能指标

6.2  实验数据

我们经过系统终端仿真进行了测试，从服务器端获取实时位置数据可得到行驶车辆的位置信息（经度和纬度）、行驶速度、里程、航向角与车辆的状态。图3显示的是平面图，我们在仿真系统上选择平面图，并选择一车辆的牌号粤P03565，从系统显示图可以看到该车辆时间是：2018-06-08 15：51：51，速度是0公里/时（北），位置是东经23.522322北纬114.826059，车走的里程是8975.10公里，状态可显示卡片的运行是否正常，网络信号的强度。图4显示的三维卫星图，我们在仿真系统上选择三维卫星图，同时选择另一辆车牌粤P07338则从系统显示得到数据时间：2018-06-08 15：55：17，速度是92.00公里/时（西），位置是广东省河源市东源县船塘镇G78汕昆高速，里程是1856.60公里，同时会出现报警提示车辆已超速，状态可显示卡片的运行是否正常，网络信号的强度。 

图3  车辆终端设备获取的车辆行驶记录平面图 

图4  车辆终端设备获取的车辆行驶记录三维图

7  结语

本文的智能交通系统是基于物联网技术下采用了3G/4G移动通信技术，同时定位技术采用的是北斗/GPS双模定位技术，定位技术上的硬件设计是采用了GA833-3芯片。该芯片的优越性能使得仿真实验结果达到了预期定位效果，各项性能指标也优于其他单模导航系统，表现出了该车辆终端双模定位技术的潜力。