【正文】 基于GPS的車輛自動(dòng)報(bào)站器的設(shè)計(jì)1 引 言伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化的不斷進(jìn)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(shí)，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(yán)重，交通事故頻發(fā)與環(huán)境污染越來越引起社會(huì)的普遍關(guān)注。城市交通問題已嚴(yán)重阻礙了城市居民生活水平的提高和整個(gè)城市經(jīng)濟(jì)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(yùn)載量大、運(yùn)送效率高(人均占用面積小)、能源消耗低、相對(duì)污染少等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guān)鍵是引導(dǎo)人們在出行時(shí)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(wù)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(shè)先進(jìn)的公共交通管理系統(tǒng)以改善公交管理和提高服務(wù)的質(zhì)量，從而改善整個(gè)城市交通狀況是解決城市交通問題的關(guān)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(jié)構(gòu)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(bǔ)貼，運(yùn)營效率不和經(jīng)濟(jì)掛鉤，服務(wù)質(zhì)量下降與企業(yè)生存無關(guān)，因而普遍處于虧損狀態(tài)。雖然近年來我國城市公交建設(shè)取得了較大的進(jìn)展，但城市公共交通滯后于經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(wù)單一，僅播放廣告，無相應(yīng)站點(diǎn)附近景點(diǎn)、酒店等介紹信息，智能交通系統(tǒng)發(fā)展則應(yīng)運(yùn)而生。目前，國內(nèi)公交報(bào)站器基本上采用人工手動(dòng)報(bào)站，部分城市采用GPS語音自動(dòng)報(bào)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(dòng)報(bào)站器成本還比較昂貴，現(xiàn)階段還未普及。 傳統(tǒng)的公交運(yùn)營系統(tǒng)的裝備和管理模式還存在著很多缺點(diǎn)和不足。而城市公共交通是城市建設(shè)和發(fā)展的重要組成部分,它代表政府體現(xiàn)了當(dāng)?shù)爻鞘械男蜗笈c風(fēng)貌，同時(shí)，好的公交運(yùn)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(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。而GPS技術(shù)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(dòng)播報(bào)等特點(diǎn)的GPS語音報(bào)站系統(tǒng)的提出具有必然性。然而，針對(duì)語音報(bào)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(huì)存在接收不到信號(hào)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(jié)合起來。l 國外情況簡介對(duì)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(lǐng)域之后高新技術(shù)應(yīng)用最集中的領(lǐng)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(duì)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(lǐng)域的領(lǐng)先水平。美國建立有結(jié)合救助服務(wù)的輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)即為一個(gè)監(jiān)控中心，由較為完善的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)并配有電子地圖及通信連接設(shè)備組成，能為裝有GPS設(shè)備的車輛提供定位跟蹤管理、報(bào)警服務(wù)受理、求助服務(wù)受理、緊急救援提供、在線語音導(dǎo)航以及安全防盜服務(wù)等。另外，美國為了防止交通堵塞、提高公路運(yùn)輸能力，利用GPS、城市交通地理信息和移動(dòng)通信，與交通管理中心聯(lián)絡(luò)，為司機(jī)提供實(shí)時(shí)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(jī)及時(shí)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(gè)階段：70年代末開始應(yīng)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(yīng)用公交運(yùn)行管理系統(tǒng)，其中包括乘客自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)行監(jiān)視和運(yùn)行控制；進(jìn)入90年代，由于機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增長和嚴(yán)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(dǎo)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(yùn)輸控制系統(tǒng) (CTCS)，旨在改進(jìn)公共汽車服務(wù)，重新贏得乘客。歐洲在ITS的研究方面采取整個(gè)歐洲一體化的方針，由政府、企業(yè)和個(gè)人三方面共同出資進(jìn)行智能運(yùn)輸系統(tǒng)的研究，著名的項(xiàng)目有PROMETHEUS和DRIVE等，其中DRIVE工程是目前世界上交通運(yùn)輸界規(guī)模最大的合作研究計(jì)劃，共有12個(gè)國家的700多個(gè)單位參加，經(jīng)費(fèi)達(dá)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(shí)施公交優(yōu)先政策，設(shè)立公交專用道，為公交車提供優(yōu)先通行信號(hào)，布設(shè)智能公交監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)等措施，提高公交車輛運(yùn)行速度和公交服務(wù)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益，這些經(jīng)驗(yàn)值得中國許多大中城市借鑒。l 國內(nèi)報(bào)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(bào)站方式，： ： 當(dāng)前報(bào)站器的種類及其操作方式和優(yōu)缺點(diǎn)方式操作方式/原理優(yōu)缺點(diǎn)電腦語音報(bào)站器到站時(shí)候由乘務(wù)人員按“進(jìn)站”按鈕開始報(bào)站，出站時(shí)由司乘人員按“出站”，開始報(bào)下站名需司乘人員時(shí)刻關(guān)注進(jìn)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(bào)站器將開關(guān)門信號(hào)和語音白站起連接，開門和關(guān)門時(shí)，自動(dòng)報(bào)站不能提前報(bào)站，報(bào)站時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，中途由于存在某種原因開關(guān)門會(huì)引起報(bào)站順序混亂無線信標(biāo)式自動(dòng)語音報(bào)站器在公交車站設(shè)置發(fā)射信標(biāo)點(diǎn)，公交車臨近站點(diǎn)50米左右會(huì)收到信標(biāo)信號(hào)，開始自動(dòng)報(bào)站，出站50米后信號(hào)消失，開始預(yù)報(bào)下一站需要組建許多車站信標(biāo)發(fā)射點(diǎn)，有些站點(diǎn)無電源供給；公交車數(shù)量較多時(shí)，尋找頻率干擾問題，且問題嚴(yán)重；系統(tǒng)維護(hù)成本高基于GPS的車輛自動(dòng)報(bào)站器根據(jù)GPS模塊接收的信息處理后得到當(dāng)前公交經(jīng)緯度以及車輛行駛方向信息，經(jīng)過與存儲(chǔ)器中站點(diǎn)的信息進(jìn)行比對(duì)從而在設(shè)定范圍內(nèi)的車站報(bào)名有效減輕司機(jī)的任務(wù)量，使得安全隱患降低；雖然本設(shè)備成本較高，但是系統(tǒng)精度比較大、維護(hù)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(jìn)的衛(wèi)星定位技術(shù)與多媒體播放器相結(jié)合的方式，將會(huì)改變傳統(tǒng)公交車語音報(bào)站器必須有司機(jī)操控才能工作的落后方式，進(jìn)站、出站自動(dòng)播報(bào)站名及服務(wù)用語，準(zhǔn)確、及時(shí)、不需要人工介入，實(shí)現(xiàn)了公交車報(bào)站器的完全智能化。與顯示屏直接連接，同步顯示報(bào)站信息、播放廣告等增值業(yè)務(wù)可以緩解目前公交公司在車輛維護(hù)、更換上所出現(xiàn)的資金問題。站名及有關(guān)事項(xiàng)可以在計(jì)算機(jī)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(jī)交互界面，方便乘客查詢相關(guān)信息?？纱鎯?chǔ)多條線路，即使由于整修道路等原因臨時(shí)更換運(yùn)營線路公交車仍可正常運(yùn)營。車載設(shè)備安裝于公交車上，其工作環(huán)境比較惡劣，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)固化于存儲(chǔ)器中，可靠性高，成本低，體積小，功耗低。有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在車輛與交通工程中的應(yīng)用則是其中一個(gè)重要的應(yīng)用方面。將嵌入式設(shè)備作為車載終端應(yīng)用于智能公交系統(tǒng)，使車載終端設(shè)備具有更高的智能性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，從而建立起全方位、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、高效的智能交通系統(tǒng)。l 設(shè)計(jì)要求，并且語音清晰， 公交車的四個(gè)運(yùn)行狀態(tài)狀態(tài)判斷依據(jù)動(dòng)作（語音播報(bào)）靠站距離站點(diǎn)由很遠(yuǎn)接近200m前方到站…進(jìn)站距離站點(diǎn)在20m以內(nèi)站到了…出站距離站點(diǎn)大于20m，速度大于0車輛出站…運(yùn)行距離上站50m下站200m廣告信息。 ：目錄、標(biāo)題、概述、方案總體設(shè)計(jì)（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(xiàn)等。～2萬字內(nèi)。 l 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)GPS語音自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的主要原理是通過GPS模塊確認(rèn)車輛的動(dòng)態(tài)位置(精度,緯度),時(shí)間,狀態(tài)等信息,與公交線路信息庫中存儲(chǔ)的位置進(jìn)行比較,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的的距離和規(guī)則向乘客播報(bào)車站和線路的語音信息等。該系統(tǒng)應(yīng)具有:全球定位,自動(dòng)報(bào)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(shí)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(dòng)報(bào)站器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dǎo)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(shè)計(jì)、試驗(yàn)，1989年2月4日第一顆GPS衛(wèi)星發(fā)射成功，1993年底建成實(shí)用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座，并開始投入商業(yè)運(yùn)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(shè)備部分——GPS信號(hào)接收機(jī)?！⌒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(diǎn)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(shí)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(wù)。P碼為軍方服務(wù)，C/A碼對(duì)社會(huì)開放。由于GPS對(duì)社會(huì)開放，因此各類接收機(jī)、測量設(shè)備如雨后春筍般涌現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，徹底改變了傳統(tǒng)的定位導(dǎo)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(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測點(diǎn)的位置 (X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)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(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測點(diǎn)的經(jīng)6緯度和高度。事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)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(jī)進(jìn)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(hào)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(hào)中的經(jīng)度、緯度以及相應(yīng)的格林威治時(shí)間等定位信息（該時(shí)間加上8小時(shí)即為我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)）。在實(shí)際開發(fā)中，GPS接收機(jī)根據(jù)從三顆以上衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(huì)的方法，確定待測點(diǎn)的位置。，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)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(gè)方程式：上述四個(gè)方程中待測點(diǎn)坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)的鐘差為未知參數(shù)，其中方程中各個(gè)參數(shù)意義如下：x、y、z為待測點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)；分別為衛(wèi)星1~衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)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(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間；c為GPS信號(hào)的傳輸速度，即光速。由以上四個(gè)方程即可解算出待測點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z及接收機(jī)的鐘差。 GPS接收機(jī)簡介l 接收機(jī)的分類由于GPS導(dǎo)航定位技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來超廣闊，世界各國對(duì)GPS接收機(jī)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(jī)，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(jī)工作原理分類(1)碼相關(guān)型接收機(jī)碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測量．即由GPS接收機(jī)產(chǎn)生與衛(wèi)星上發(fā)射的偽隨機(jī)碼(C/A碼，P碼)結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，通過移相器使復(fù)制碼與接收碼最大相關(guān)，測定衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī)天線的傳播時(shí)間．這種接收機(jī)一定要知道碼的結(jié)構(gòu)。若已知C/A碼結(jié)構(gòu)為C/A碼接收機(jī)，知道P碼為P碼接收機(jī)，目前國內(nèi)的導(dǎo)航接收機(jī)都為C/A碼接收機(jī)。 (2)平方型接收機(jī)平方型接收機(jī)是利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào)，得到去掉調(diào)制信號(hào)后的載波信號(hào)，通過相位計(jì)測定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差．來測定偽距觀測值。這樣的接收機(jī)不需要掌握測距碼結(jié)構(gòu)，所以稱為無碼接收機(jī)。 (3)混合型接收機(jī)這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)如Trimble 4000 SSE，Leica的wild 200等都是這種類型的接收機(jī)． (4)干涉型接收機(jī)這種接收機(jī)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(hào)到達(dá)兩個(gè)測站的時(shí)間差或相位差來測定兩個(gè)測站間距離。這種接收機(jī)由于不需要知道GPS衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星星歷，因此不會(huì)受美國軍方對(duì)GPS控制的影響。但是由于其體積重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此很少使用．2．按接收機(jī)的用途分類接收機(jī)按用途可分為： (1)導(dǎo)航型接收機(jī)這種接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出物體的位置和運(yùn)行速度．當(dāng)指定到達(dá)目標(biāo)位置，它可以引導(dǎo)載體到達(dá)預(yù)定目標(biāo)．這種接收機(jī)都是采用C/A碼偽距測量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位，定位精度25m(有SA時(shí)為100m)。這種接收機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用也廣泛．該種接收機(jī)還可以進(jìn)一步分為下列幾種類型： 車載型——用于車輛導(dǎo)航定位； 航海型——用于船舶導(dǎo)航定位．常與海圖配合使用； 航空型——用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空上用的接收機(jī)要求能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)。(2)測地型接收機(jī)測地型接收機(jī)是主要用于精密大地測量工作的接收機(jī)。這種儀器主要采用載波相位觀測值進(jìn)行相對(duì)定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。(3)授時(shí)型接收機(jī)這種接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺(tái)及無線電通訊中時(shí)間同步。3．按接收機(jī)的載波頻率分類(1)單頻接收機(jī)單頻接