【正文】 基于GPS的車輛自動報站器的設計1 引 言伴隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化的不斷進展，人口向城市集中，城市交通需求的總量急劇增長。與此同時，我國汽車化水平逐年提高，全國民用汽車特別是小汽車的絕大部分均在城市范圍內(nèi)使用。城市交通擁擠和阻塞現(xiàn)象日趨嚴重，交通事故頻發(fā)與環(huán)境污染越來越引起社會的普遍關注。城市交通問題已嚴重阻礙了城市居民生活水平的提高和整個城市經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，成為城市發(fā)展的瓶頸。最大限度的提高現(xiàn)有交通資源的利用效率是解決問題的根本出路。城市公共交通由于具有運載量大、運送效率高(人均占用面積小)、能源消耗低、相對污染少等優(yōu)點，能實現(xiàn)對交通資源的高效利用，從而有效地緩解城市交通壓力。因此，解決城市交通問題的關鍵是引導人們在出行時盡量選擇公共交通工具。但是要讓市民心甘情愿的選擇公共交通工具，就必須提高公共交通的服務質(zhì)量，讓市民真正感覺到公共交通的方便、省錢、可靠和快捷。因此，開發(fā)和建設先進的公共交通管理系統(tǒng)以改善公交管理和提高服務的質(zhì)量，從而改善整個城市交通狀況是解決城市交通問題的關鍵。從80年代中期開始，大城市的公共汽車交通相繼萎縮。90年代初，公共汽車在居民出行交通結構中，多數(shù)大城市從原來30%下降到10%以下。其原因是公交企業(yè)主要依靠政府補貼，運營效率不和經(jīng)濟掛鉤，服務質(zhì)量下降與企業(yè)生存無關，因而普遍處于虧損狀態(tài)。雖然近年來我國城市公交建設取得了較大的進展，但城市公共交通滯后于經(jīng)濟社會發(fā)展的局面沒有根本改變。目前公交車上的數(shù)字電視業(yè)務單一，僅播放廣告，無相應站點附近景點、酒店等介紹信息，智能交通系統(tǒng)發(fā)展則應運而生。目前，國內(nèi)公交報站器基本上采用人工手動報站，部分城市采用GPS語音自動報站系統(tǒng)，如廣州中山、南京、上海、哈爾濱等城市。由于GPS定位系統(tǒng)自動報站器成本還比較昂貴，現(xiàn)階段還未普及。 傳統(tǒng)的公交運營系統(tǒng)的裝備和管理模式還存在著很多缺點和不足。而城市公共交通是城市建設和發(fā)展的重要組成部分,它代表政府體現(xiàn)了當?shù)爻鞘械男蜗笈c風貌，同時，好的公交運營系統(tǒng)能為城市公共交通事業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好條件與環(huán)境，從而創(chuàng)造良好的社會效益與經(jīng)濟效益。而GPS技術日益發(fā)展成熟，GPS產(chǎn)品成本降低。因而，具有定位精度高，語音自動播報等特點的GPS語音報站系統(tǒng)的提出具有必然性。然而，針對語音報站，還存在著一些不完善因素，在橋底或樹木高樓等密集的一方，可能會存在接收不到信號問題。下一步發(fā)展趨勢是GPS定位，GPRS無線通信網(wǎng)和城市地理信息系統(tǒng)結合起來。l 國外情況簡介對智能交通系統(tǒng)的研究許多國家都投入了巨大的人力和物力，并成為繼航空航天、軍事領域之后高新技術應用最集中的領域。目前已形成以美國、日本、歐洲為代表的三大研究中心。在美國，對智能交通系統(tǒng)(ITS)的研究雖然起步最晚，但由于投入較多，目前已處于該領域的領先水平。美國建立有結合救助服務的輔助導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)即為一個監(jiān)控中心，由較為完善的功能強大的計算機管理系統(tǒng)并配有電子地圖及通信連接設備組成，能為裝有GPS設備的車輛提供定位跟蹤管理、報警服務受理、求助服務受理、緊急救援提供、在線語音導航以及安全防盜服務等。另外，美國為了防止交通堵塞、提高公路運輸能力，利用GPS、城市交通地理信息和移動通信，與交通管理中心聯(lián)絡，為司機提供實時的交通信息，指引車輛選擇最佳的行車路線，避開交通堵塞路段，還可以為司機及時調(diào)整車距，避免撞車提供信息。日本城市公共交通智能化的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：70年代末開始應用公共汽車定位系統(tǒng)——公交汽車接近顯示系統(tǒng)；80年代初開始應用公交運行管理系統(tǒng)，其中包括乘客自動統(tǒng)計，運行監(jiān)視和運行控制；進入90年代，由于機動車數(shù)量的增長和嚴重交通擁擠的影響，要保持正常的行車速度十分困難，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性導致乘客數(shù)量的急劇減少。東京都交通局開發(fā)了城市公共交通綜合運輸控制系統(tǒng) (CTCS)，旨在改進公共汽車服務，重新贏得乘客。歐洲在ITS的研究方面采取整個歐洲一體化的方針，由政府、企業(yè)和個人三方面共同出資進行智能運輸系統(tǒng)的研究，著名的項目有PROMETHEUS和DRIVE等，其中DRIVE工程是目前世界上交通運輸界規(guī)模最大的合作研究計劃，共有12個國家的700多個單位參加，經(jīng)費達5億歐元。歐洲許多國家同中國一樣具有悠久的歷史，城市街道一般都比較狹窄。但是，它們通過實施公交優(yōu)先政策，設立公交專用道，為公交車提供優(yōu)先通行信號，布設智能公交監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)等措施，提高公交車輛運行速度和公交服務質(zhì)量以吸引公眾乘坐公交車出行，從而有效地緩解了城市交通壓力，解決了城市交通問題，并取得了明顯的社會經(jīng)濟效益，這些經(jīng)驗值得中國許多大中城市借鑒。l 國內(nèi)報站器簡介我國基本情況先前已介紹，此處主要介紹一下我國目前主要的車輛報站方式，： ： 當前報站器的種類及其操作方式和優(yōu)缺點方式操作方式/原理優(yōu)缺點電腦語音報站器到站時候由乘務人員按“進站”按鈕開始報站，出站時由司乘人員按“出站”，開始報下站名需司乘人員時刻關注進出站的狀態(tài)，這就影響了司乘人員的注意力，存在著駕車安全隱患門控語音報站器將開關門信號和語音白站起連接，開門和關門時，自動報站不能提前報站，報站時容易出現(xiàn)錯誤，中途由于存在某種原因開關門會引起報站順序混亂無線信標式自動語音報站器在公交車站設置發(fā)射信標點，公交車臨近站點50米左右會收到信標信號，開始自動報站，出站50米后信號消失，開始預報下一站需要組建許多車站信標發(fā)射點，有些站點無電源供給；公交車數(shù)量較多時，尋找頻率干擾問題，且問題嚴重；系統(tǒng)維護成本高基于GPS的車輛自動報站器根據(jù)GPS模塊接收的信息處理后得到當前公交經(jīng)緯度以及車輛行駛方向信息，經(jīng)過與存儲器中站點的信息進行比對從而在設定范圍內(nèi)的車站報名有效減輕司機的任務量，使得安全隱患降低；雖然本設備成本較高，但是系統(tǒng)精度比較大、維護成本較低，甚至路途中間可以插播廣告或者本地介紹由表中很明顯地看出，本系統(tǒng)采用先進的衛(wèi)星定位技術與多媒體播放器相結合的方式，將會改變傳統(tǒng)公交車語音報站器必須有司機操控才能工作的落后方式，進站、出站自動播報站名及服務用語，準確、及時、不需要人工介入，實現(xiàn)了公交車報站器的完全智能化。與顯示屏直接連接，同步顯示報站信息、播放廣告等增值業(yè)務可以緩解目前公交公司在車輛維護、更換上所出現(xiàn)的資金問題。站名及有關事項可以在計算機上形成電子文件，通過串口下載到系統(tǒng)中，方便快捷。利用觸摸屏作為人機交互界面，方便乘客查詢相關信息。可存儲多條線路，即使由于整修道路等原因臨時更換運營線路公交車仍可正常運營。車載設備安裝于公交車上，其工作環(huán)境比較惡劣，對設備的結構也有一定的要求，本系統(tǒng)采用工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)固化于存儲器中，可靠性高，成本低，體積小，功耗低。有著廣泛的應用領域，在車輛與交通工程中的應用則是其中一個重要的應用方面。將嵌入式設備作為車載終端應用于智能公交系統(tǒng)，使車載終端設備具有更高的智能性、穩(wěn)定性和擴展性，從而建立起全方位、實時準確、高效的智能交通系統(tǒng)。l 設計要求，并且語音清晰， 公交車的四個運行狀態(tài)狀態(tài)判斷依據(jù)動作（語音播報）靠站距離站點由很遠接近200m前方到站…進站距離站點在20m以內(nèi)站到了…出站距離站點大于20m，速度大于0車輛出站…運行距離上站50m下站200m廣告信息。 ：目錄、標題、概述、方案總體設計（硬件、軟件、 框圖）、單元電路和單元軟件程序、 電路總圖、參考文獻等?！?萬字內(nèi)。 l 設計的重點與難點GPS語音自動報站系統(tǒng)的主要原理是通過GPS模塊確認車輛的動態(tài)位置(精度,緯度),時間,狀態(tài)等信息,與公交線路信息庫中存儲的位置進行比較,根據(jù)預先設定的的距離和規(guī)則向乘客播報車站和線路的語音信息等。該系統(tǒng)應具有:全球定位,自動報站,語音錄入,數(shù)據(jù)采集等功能 該系統(tǒng)主要由GPS接收板與接收天線,ARM處理器,長時間語音處理芯片,電源模塊,放大單元,顯示等部分組成.2 基于GPS的車輛自動報站器系統(tǒng)的設計原理 GPS系統(tǒng) GPS系統(tǒng)簡介GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)是由24顆人造衛(wèi)星和地面站組成的全球無線導航與定位系統(tǒng)，如下圖。GPS系統(tǒng)是由美國國防部于1973年開始設計、試驗，1989年2月4日第一顆GPS衛(wèi)星發(fā)射成功，1993年底建成實用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座，并開始投入商業(yè)運營。GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星；地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分——GPS信號接收機?！⌒l(wèi)星分布圖，GPS空間部分使用了二十四顆衛(wèi)星組成的星座，衛(wèi)星高度約20200公里，分布在六條升交點互隔60度的軌道面上，衛(wèi)星軌道傾角為55度，每條軌道上均勻分布四顆衛(wèi)星，相鄰兩軌道上的衛(wèi)星相隔40度，使得地球任何地方至少同時可看到四顆衛(wèi)星。并能保持良好定位解析精度。GPS衛(wèi)星提供了P碼(精碼)和C/A碼(粗碼)兩種定位服務。P碼為軍方服務，C/A碼對社會開放。由于GPS對社會開放，因此各類接收機、測量設備如雨后春筍般涌現(xiàn)，并廣泛應用于各行各業(yè)，徹底改變了傳統(tǒng)的定位導航方式。由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置 (X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經(jīng)6緯度和高度。事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。本裝置的定位系統(tǒng)使用GPS接收機進行自主定位，GPS接收模塊接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，將GPS信號的數(shù)據(jù)流提取出來，經(jīng)過字符串操作就可以分別找出GPS信號中的經(jīng)度、緯度以及相應的格林威治時間等定位信息（該時間加上8小時即為我國標準時）。在實際開發(fā)中，GPS接收機根據(jù)從三顆以上衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)計算出自身所處的位置，完成定位。(x,y,z)xz衛(wèi)星1衛(wèi)星2衛(wèi)星3衛(wèi)星4y 衛(wèi)星定位原理圖GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：上述四個方程中待測點坐標x、y、z和接收機的鐘差為未知參數(shù)，其中方程中各個參數(shù)意義如下：x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標；分別為衛(wèi)星1~衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導航電文求得，分別為衛(wèi)星1~衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供； 分別為衛(wèi)星1~衛(wèi)星4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間；c為GPS信號的傳輸速度，即光速。由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z及接收機的鐘差。 GPS接收機簡介l 接收機的分類由于GPS導航定位技術的迅速發(fā)展，應用領域越來超廣闊，世界各國對GPS接收機的研制與生產(chǎn)也越來越多，目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機，產(chǎn)品也有上百種。這些產(chǎn)品按照用途、功能等來分類有以下幾種。 1．按接收機工作原理分類(1)碼相關型接收機碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測量．即由GPS接收機產(chǎn)生與衛(wèi)星上發(fā)射的偽隨機碼(C/A碼，P碼)結構完全相同的復制碼，通過移相器使復制碼與接收碼最大相關，測定衛(wèi)星信號到達用戶接收機天線的傳播時間．這種接收機一定要知道碼的結構。若已知C/A碼結構為C/A碼接收機，知道P碼為P碼接收機，目前國內(nèi)的導航接收機都為C/A碼接收機。 (2)平方型接收機平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調(diào)制信號，得到去掉調(diào)制信號后的載波信號，通過相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差．來測定偽距觀測值。這樣的接收機不需要掌握測距碼結構，所以稱為無碼接收機。 (3)混合型接收機這種儀器是綜合上述兩種接收機的優(yōu)點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。目前大部分測量型接收機如Trimble 4000 SSE，Leica的wild 200等都是這種類型的接收機． (4)干涉型接收機這種接收機是將GPS衛(wèi)星作為射電源采用與VLBl干涉測量相同的方法，即通過測定衛(wèi)星信號到達兩個測站的時間差或相位差來測定兩個測站間距離。這種接收機由于不需要知道GPS衛(wèi)星的結構和衛(wèi)星星歷，因此不會受美國軍方對GPS控制的影響。但是由于其體積重，結構復雜，因此很少使用．2．按接收機的用途分類接收機按用途可分為： (1)導航型接收機這種接收機主要用于運動物體的導航，它可以實時給出物體的位置和運行速度．當指定到達目標位置，它可以引導載體到達預定目標．這種接收機都是采用C/A碼偽距測量，單點實時定位，定位精度25m(有SA時為100m)。這種接收機價格便宜，應用也廣泛．該種接收機還可以進一步分為下列幾種類型： 車載型——用于車輛導航定位； 航海型——用于船舶導航定位．常與海圖配合使用； 航空型——用于飛機導航定位。由于飛機運行速度快，因此，在航空上用的接收機要求能適應高速運動。(2)測地型接收機測地型接收機是主要用于精密大地測量工作的接收機。這種儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結構復雜，價格較貴。(3)授時型接收機這種接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。3．按接收機的載波頻率分類(1)單頻接收機單頻接