摘 要：為了解決目前車輛遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)存在的地域覆蓋不廣、信號不穩(wěn)定、容易被監(jiān)聽和干擾等問題，通過對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)功能、通信性能的分析，提出基于北斗實現(xiàn)車輛遠程監(jiān)控報警的解決方案，并且介紹了在開發(fā)過程中遇到的數(shù)據(jù)通信和道路匹配等一些關(guān)鍵技術(shù)問題。該系統(tǒng)開發(fā)周期短、安裝方便，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：北斗導航定位系統(tǒng)；車輛；遠程監(jiān)控；報警

中圖分類號：P228.4文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)1902104

Vehicle Remote Monitoring Alarm System Based on Beidou System

XU Xiaohan

(Naval Institute of Armament for Military Training，Beijing，102308，China)

Abstract：In order to solve the present questions of vehicles′long-distance monitoring alarm system about existence region cover not broad，the signal unstable，to monitor easily disturbance and so on，through analysing the Beidou satellite navigational system′s function and correspondence performance，to realize the vehicles long-distance monitoring warning solution that based on the Beidou，some key technologies question that meeting the data communication and the path matching in the performance history and so on are introduced.This system development cycle is short，easy installation，therefore has broad application prospect.

Keywords：Beidou navigation position system;vehicle;remote monitoring;alarm

1 引 言

車輛遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公安、消防、醫(yī)療急救、金融、交通運輸、物流、行政管理等部門，極大地方便了人們的生產(chǎn)、生活。但目前投入市場的車輛遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)大多采用GSM+GPS模式實現(xiàn)，即用GPS獲取被監(jiān)控車輛當前位置信息，利用GSM網(wǎng)的通信鏈路將位置、報警等信息傳送至監(jiān)控中心來實現(xiàn)監(jiān)控和報警的功能^［1-3］。這種實現(xiàn)模式受地域限制，在GSM網(wǎng)沒有覆蓋的地域無法使用，而且隨著GSM用戶的逐年增加，網(wǎng)絡(luò)阻塞的情況日益凸現(xiàn)，尤其在節(jié)假日網(wǎng)絡(luò)阻塞更加嚴重；另外受GPS的限制，在一些保密性較高的的部門不方便使用。也有一些車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用短波電臺和中繼塔作為通信鏈路，這種手段同樣存在地域覆蓋不廣、信號不穩(wěn)定、容易被監(jiān)聽干擾等缺陷。因此，目前車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用上受到制約。

北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主開發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)兼有定位、通信、導航、授時四大功能，傳輸信息屬于軍用加密級別，服務(wù)區(qū)域完全覆蓋我國疆域，而且已經(jīng)對民間開放使用。該系統(tǒng)獨特的設(shè)計思路，使該系統(tǒng)有作為對移動終端進行監(jiān)控、導航功能的得天獨厚的優(yōu)勢，利用該系統(tǒng)即可實現(xiàn)GSM和GPS兩系統(tǒng)在車輛遠程報警監(jiān)控應(yīng)用上的功能^［4］。因此，本文基于北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了車輛遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)。

2 北斗導航定位系統(tǒng)

北斗導航定位系統(tǒng)^［5-8］利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位、簡短數(shù)字報文通信和授時服務(wù)的一種全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩顆地球靜止衛(wèi)星(80°E和140°E)、一顆在軌備份衛(wèi)星(110.5°E)、中心控制系統(tǒng)、標校系統(tǒng)和各類用戶機等部分組成。 “北斗一號”的覆蓋范圍是北緯5°～55°，東經(jīng)70°～140°，其定位精度為20 m。系統(tǒng)能容量540 000戶/h。系統(tǒng)主要功能如下：

快速定位 快速確定用戶所在地的地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息。

實時導航 能對用戶提供前進距離和方位，實時指示移動用戶的行動；并具有緊急情況報警的功能，實現(xiàn)對遇險用戶的緊急營救。

短報文通信 用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間均可實現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報文通信。

精密授時 中心控制系統(tǒng)定時播發(fā)授時信息，為定時用戶提供時延修正值。

因此從系統(tǒng)功能、覆蓋范圍、定位精度、容量等方面衡量，基于北斗實現(xiàn)車輛遠程監(jiān)控報警是很好的解決方案。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星作為通信鏈路，利用北斗用戶機作為定位和通信模塊，實現(xiàn)車輛位置、報警、控制命令等信息的傳送。該系統(tǒng)主要由車載監(jiān)控終端、報警監(jiān)控中心、北斗衛(wèi)星等組成，如圖1所示。

3.1 車載監(jiān)控終端

對不同的用戶需求，車載終端可以提供不同的功能，配備也不盡相同，但通常由以下幾部分組成：北斗車載設(shè)備(包括：北斗用戶機OEM板、PC104、液晶屏、信號采集板等)、遙控器、監(jiān)控報警器等。如圖2所示。

北斗用戶機OEM板作為車載終端系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責定位和通信。

PC104中運行車載終端軟件是車載終端的核心部分，完成定位、通信、控制信息發(fā)送以及狀態(tài)顯示等所有功能。

在液晶屏上顯示道路狀況、本車位置、運行狀態(tài)等信息以及監(jiān)控中心公布信息。

信號采集板主要負責采集車輛的車門、油箱、發(fā)動機等設(shè)備的狀態(tài)信號，并將這些信號實時傳送給終端軟件；對于不同的車輛信號采集板有不同的接口設(shè)計。

監(jiān)控報警器作為報警裝置，設(shè)有LED顯示燈、揚聲器、功能按鈕。用報警器的LED指示燈閃亮時的視覺信號和揚聲器信號來定義與車載設(shè)備間的通信狀況與工作狀態(tài)的信息?？梢酝瓿呻娫辞穳褐甘?、布防、解除布防、防劫、解除防劫、報警、解除報警、遠程解除、遠程熄火等功能。

遙控器可在遠距離遙控監(jiān)控報警器進入布防、靜音布防、解除布防等狀態(tài)。

車載終端設(shè)備的主要功能及工作流程如下：

(1) 布防與解除布防

當車輛停止，車內(nèi)人員離開車時按下遙控器或監(jiān)控報警器快速布防或靜音布防按鈕。北斗車載設(shè)備進入布防狀態(tài)，同時將布防信號通過北斗用戶機傳送至報警監(jiān)控中心。終端軟件根據(jù)信號采集板采集到車輛狀態(tài)，根據(jù)位置信息、車門狀態(tài)、發(fā)動機狀態(tài)等信息判斷車輛是否被盜。如果判斷車輛被盜，則將被盜信號傳送至監(jiān)控報警器，報警器根據(jù)布防種類(快速或靜音)則給出音響或燈光報警信號，同時被盜信號通過北斗用戶機傳送至報警監(jiān)控中心。

當需要解除布防時，按下遙控器或監(jiān)控報警器解除布防按鈕，北斗車載設(shè)備退出布防狀態(tài)，同時將解除布防信號通過北斗用戶機發(fā)送至報警監(jiān)控中心。

(2) 防劫與解除防劫

當車輛可能遇到劫持威脅時，按下監(jiān)控報警器的防劫按鈕，北斗車載設(shè)備進入防劫狀態(tài)，同時將防劫狀態(tài)信號發(fā)送至報警監(jiān)控中心。報警監(jiān)控中心收到信息后，將該車列入重點監(jiān)控車輛，同時將處理信息回傳給北斗車載設(shè)備，車載設(shè)備將該信息發(fā)送至監(jiān)控報警器，報警器通過LED指示燈的變化或音響效果提示車內(nèi)人員報警監(jiān)控中心已經(jīng)接到防劫報警。車載設(shè)備實時定位，并將位置、車速、油量等狀態(tài)信息實時通過北斗發(fā)送至報警監(jiān)控中心。

當危險消失需要解除防劫狀態(tài)時，按下解除防劫按鈕，北斗車載設(shè)備退出防劫狀態(tài)自動進入監(jiān)控狀態(tài)，同時將該信息發(fā)送至報警監(jiān)控中心。車載設(shè)備在監(jiān)控狀態(tài)時仍然需要實時將位置、車速、油量、速度等狀態(tài)信息實時通過北斗發(fā)送至報警監(jiān)控中心。

(3) 監(jiān)控與解除監(jiān)控

監(jiān)控與解除監(jiān)控命令都由報警監(jiān)控中心發(fā)出，監(jiān)控中心選擇需要被監(jiān)控的車輛，向該車發(fā)送監(jiān)控命令。該車北斗車載設(shè)備接到后進入監(jiān)控狀態(tài)，并將該信息傳送至監(jiān)控報警器，報警器通過LED指示燈提示車內(nèi)人員該車已經(jīng)被監(jiān)控。北斗用戶機開始定位，信號采集板開始收集各種狀態(tài)信息，并將這些信息實時通過北斗傳送至監(jiān)控中心。

監(jiān)控中心選擇需要解除監(jiān)控的車輛，向該車發(fā)送解除監(jiān)控命令。北斗車載終端收到后退出監(jiān)控狀態(tài)，同時將該狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控報警器，報警器通過LED指示燈的變化提示車內(nèi)人員該車已經(jīng)解除監(jiān)控。北斗用戶機停止定位，不再發(fā)送位置、狀態(tài)等信息。當車輛處于布防、防劫、警戒狀態(tài)時不允許對該車解除監(jiān)控。

(4) 警戒與解除警戒

當車輛遇險時按下監(jiān)控報警器的報警按鈕，北斗車載設(shè)備進入警戒狀態(tài)，同時將警戒狀態(tài)信號發(fā)送至報警監(jiān)控中心。報警監(jiān)控中心收到信息后立即報警或派人解救，同時將處理信息(已經(jīng)接到報警、已經(jīng)出警等)實時回傳給北斗車載設(shè)備，車載設(shè)備將該信息發(fā)送至監(jiān)控報警器，報警器通過LED指示燈的變化或音響效果提示車內(nèi)人員報警監(jiān)控中心的報警處理進展。車載設(shè)備實時定位，并將位置、車速、油量、速度等狀態(tài)信息實時通過北斗發(fā)送至報警監(jiān)控中心。

當危險消失需要解除警戒狀態(tài)時，按下解除報警按鈕，北斗車載設(shè)備退出警戒狀態(tài)自動進入監(jiān)控狀態(tài)，同時將該信息發(fā)送至報警監(jiān)控中心。車載設(shè)備在監(jiān)控狀態(tài)時仍然需要實時將位置、車速、油量、速度等狀態(tài)信息實時通過北斗發(fā)送至報警監(jiān)控中心。

(5) 其他警示

根據(jù)車輛任務(wù)的不同可以設(shè)置不同的警示，比較常用的警示功能有：行駛中車門未關(guān)閉報警、油量不足報警、超速報警、越界報警等。這些警示通過判斷信號采集板采集到的車輛各種設(shè)備的狀態(tài)信息后，給出報警提示，通過監(jiān)控報警器LED指示燈或音響效果給車內(nèi)人員發(fā)出提示。

3.2 報警監(jiān)控中心

對不同的用戶需求，報警監(jiān)控中心也可以提供不同的功能，配備也不同。一般報警監(jiān)控中心主要由北斗指揮機、信息采集服務(wù)器、專用服務(wù)器、監(jiān)控大屏幕等設(shè)備組成，還可能包括交換機、打印機和不間斷電源等外圍附屬設(shè)備。如圖3所示。

北斗指揮機與車載北斗用戶機構(gòu)成監(jiān)控指揮網(wǎng)作為本系統(tǒng)的定位和通信鏈路。

車輛監(jiān)控服務(wù)器與北斗指揮機相連，運行監(jiān)控軟件，實現(xiàn)車輛報警監(jiān)控的所有功能。

在監(jiān)控大屏幕上顯示車輛監(jiān)控態(tài)勢圖。

專用服務(wù)器與車輛監(jiān)控服務(wù)器組網(wǎng)連接，用來存儲車輛運行當前、歷史數(shù)據(jù)和各種與監(jiān)控相關(guān)的數(shù)據(jù)，并可通過交換機與其他監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)連接構(gòu)成級聯(lián)指揮監(jiān)控網(wǎng)，也可通過網(wǎng)絡(luò)異地監(jiān)控。

報警監(jiān)控中心監(jiān)控軟件主要提供如下功能：

車輛監(jiān)控

監(jiān)控中心操作員可任意選擇車輛發(fā)車監(jiān)控指令，該車進入監(jiān)控狀態(tài)，自動回傳位置、速度、油量等信息。

報警服務(wù)

實時接收車輛的布防、防劫、警戒、解除等信息，根據(jù)報警種類操作員進行相應(yīng)的處理。

信息發(fā)布

給車載監(jiān)控終端發(fā)布中文信息。

GIS系統(tǒng)

提供基本GIS服務(wù)功能：地圖背景顯示、鷹眼顯示、地圖基本操作(放大、縮小、漫游、量算等)、車輛位置路徑匹配等。

遠程控制

可以對車輛遠程控制：打開、關(guān)閉車門鎖；斷油、斷電；布防、撤防等。

操作員管理

值班員、系統(tǒng)管理員和車載監(jiān)控終端管理系統(tǒng)，不同級別操作員擁有不同的權(quán)限，保證系統(tǒng)安全。

軌跡存儲與回放

存儲監(jiān)控目標的軌跡和狀態(tài)信息，需要時可以在電子地圖上回放。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

4.1 北斗數(shù)據(jù)通信

北斗系統(tǒng)通信能力有限，每次通信服務(wù)能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為98 B，如果數(shù)據(jù)量超過98 B則必須分包發(fā)送。采取數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以使通信量增大，但是也不能從實質(zhì)上解決問題。因此，為了提供通信效率，本系統(tǒng)在通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計上遵循了以下原則：

(1) 采用位段技術(shù)設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，極大限度地壓縮數(shù)據(jù)；

(2) 除監(jiān)控中心發(fā)布的信息外，保證每種通信數(shù)據(jù)長度不超過98 B，避免對數(shù)據(jù)進行分包；

(3) 對于監(jiān)控中心發(fā)布的中文信息，信息長度可能超過98 B，只對該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時進行分包處理。

(4) 對通信數(shù)據(jù)按內(nèi)容的緊急程度進行分級，不同級別的通信數(shù)據(jù)在通信時權(quán)限不同，這樣在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須加入級別字段。

北斗系統(tǒng)的定位和通信服務(wù)不是連續(xù)的，根據(jù)用戶卡級別不同設(shè)定不同的服務(wù)間隔。因此，在開發(fā)時必須根據(jù)申請的用戶卡實際服務(wù)頻度進行定位和通信申請。否則出現(xiàn)超頻的情況，會引起通信數(shù)據(jù)丟失。

4.2 地圖道路匹配

北斗系統(tǒng)定位精度為20 m。但是，在車輛行進過程中，偶爾出現(xiàn)的橋梁、涵洞、樹林等可能遮擋北斗天線，使北斗用戶機暫時不能服務(wù)，所以為了使車輛能夠準確地標注在所行使的道路上，必須進行地圖道路匹配。即當定位誤差過大或暫時沒有定位數(shù)據(jù)時，在監(jiān)控中心的地圖上仍然能夠看到車輛正確地行駛在道路上，而不是進入道路兩側(cè)的居民地中。具體方法如下：

道路匹配的思想是通過車輛北斗定位航跡與GIS電子地圖上矢量化的路段進行匹配，尋找車輛當前行使的實際道路，并將當前車輛位置點投影到道路上。通過搜尋并根據(jù)推算確定車輛附近位置所能利用的道路，然后將推算的路徑和確定道路形狀進行比較，相匹配后根據(jù)選定的道路按行使路程來確定車輛當前的位置。從而使車輛在電子地圖上的顯示不至于因定位誤差而偏離道路。

當沒有定位數(shù)據(jù)時，則采取輔助定位的方式確定車輛當前的位置。其思想是獲取車輛當前行使方向、速度、里程，推算車輛下一定位時刻的位置，這種推算隨時間的延長會帶來積累誤差，但對偶爾出現(xiàn)沒有定位數(shù)據(jù)時的輔助定位手段還是可行的。

5 結(jié) 語

本文以北斗一號導航定位系統(tǒng)作為定位和通信鏈路，設(shè)計開發(fā)了一套車輛遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)，并解決了在開發(fā)中遇到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、地圖道路匹配等關(guān)鍵技術(shù)問題。該系統(tǒng)可在我國境內(nèi)應(yīng)用于各種有監(jiān)控報警需求的移動終端上，不受時間、地域、天氣的影響，安裝攜帶方便，有實用推廣價值。

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作者簡介 徐曉晗 男，1978年出生，河北樂亭人，碩士。海軍軍訓器材研究所工程師。主要從事大地測量、地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、作戰(zhàn)仿真等方面的研究。