作者： 浙江工商大学信息与电子工程学院　　陈启瑜

引言

随着社会快速地朝着信息时代迈进，越来越多的人和他们的车辆正依赖无线通信技术将他们紧密地联系在一起，这使得行车更加安全、便利、有效。欧洲已经为这一令人兴奋的领域创造出了一个术语：Telematics——使用计算机经由电子通信系统去接收、存储和传播信息。随后，汽车工业采用这一术语去描述任何利用无线通信网络为车辆提供定位服务的系统。换句话说，Telematics一般指将无线技术与定位服务联系起来的任何智能车辆系统。
据统计，全世界每年消费4000万辆以上的车辆，截止2001年底，全球有9.35亿手机用户，因此，智能车辆通信系统的市场将呈爆炸式增长。策略分析家们估计，到2007年，大约55%的新车都将会装备一台电信终端，而2001年，这一比率只有7.5%。如图1所示，预计全球车载通信终端的市场收入将从2000年的55亿美元增加至2007年的199亿美元。同时，车载通信系统也会从2000年的400万台增加到2007年的2740万台。仅美国市场，根据一项Strategis Group 研究表明，来自智能车辆通信设备和服务的收入会从1999年的不足1亿美元增加至2005年的53亿多美元。用户数字也可能从1999年底的不到20万户增加至2005年的1700多万户。美国交通部长斯拉特说，当人类进入21世纪时，全球公路上将会出现越来越多的高技术驾驶辅助系统，智能交通系统是交通发展的一次革命。所谓智能交通系统，就是采用计算机、通信及其他高新技术手段减少塞车、提高车速及降低交通事故的交通系统。美国每年用于智能交通系统的试验和部署经费为2.13亿美元，在其75个大城市中，已有36个城市拥有中等或高水平的智能交通系统，另外10个城市也即将拥有。在未来20年内，美国智能交通系统的市场值将达4200亿美元。
所有这些市场研究表明：智能交通系统将是21世纪交通发展的主流，智能车辆通信系统有一个令人鼓舞的未来，也必将带来经济上的收益。
图1：北美、西欧、日本智能车辆通信系统的市场预测
智能车辆通信系统的一个典型示例是Mayday（国际无线电求救信号）系统。这一系统将车辆用户与服务中心连接起来，以针对紧急救助或道路服务，同时，自动报告车辆的位置。在美国，为车辆增加新装备时，许多人将这一系统视为首选。延伸开来，该系统还包括：远程开锁、远程发动机检测、防盗和报警、被盗车辆的跟踪、气囊有效使用的预警、线路的自动引导、行车信息和不用手或用语音激活移动电话或网页。ATX技术公司对其用户的一项调查证实了智能车辆通信系统的广阔前景。大约70%的用户认为他们会在下次购车时要求装配通信系统，超过80%人的会向朋友或熟人推荐它。许多汽车厂商已经并正在将其作为新车的必备部件。将来，这一系统能够带来更多的安全性、可靠性和娱乐性（包括连接Internet、用语音识别进行控制和与娱乐设备相连的界面）。Mayday系统使用手机进行语音和数据传输，使用车载GPS接收器进行定位。在使用时，用户可通过按钮手动激活系统，或者，在车辆的安全传感器侦测到紧急情况时，系统也会自动激活。与大多数车载自动定位系统相比，该系统在进行数据传输时，不必要求与远程主机进行有规律的交流，这极大地减少了在空气中的传输时间并降低了与此相关的费用。
一、 Mayday系统工作过程
图2描绘了第一代Mayday系统的基本模块或子系统，还可增加其他的模块以扩充该系统的功能。


图2：一个简化的Mayday系统布局

Mayday系统的典型产品是通用汽车公司的Onstar系统和福特公司的Vehicle Communication系统。以Onstar为例，用户通过头顶控制板上的三个按钮之一激活系统：Onstar按钮将用户与Onstar咨询中心相连，emergence按钮具有紧急呼叫的优先权，answer/end按钮要么回答要么终止来自咨询中心的呼叫。
用户按下Onstar或emergency按钮，头顶控制板上的状态指示灯会闪烁，在某些车辆上，多功能显示屏随后显示状态信息，车载电话自动呼叫服务中心。在通信信道建立以后，系统立刻通过车载电话网络的语音通道向主机发送车辆识别码（VIN）、来自GPS接收器车辆位置信息和其他与用户要求有关的数据。随后，系统利用服务中心地图数据库中的地图确认车辆的位置。如果没有VIN、位置数据和用户数据，要确定呼叫者方位和及时获得重要信息是困难的，因此，通过无线通信信道发出的数据必须可靠。总之，其他的车辆通话系统都有相似的工作机制，但可能使用数据信道传输VIN、位置和用户数据。
一旦接收到了由车载通信系统传来的数据，服务中心先将GPS坐标转换成当地的地图坐标，再联系合适的服务供应商，并指导他们到达车辆所在地。例如：在紧急医疗救护中，服务中心会联系最近的911公共安全反应点并派出救护车（美国用911作为紧急救护号码，英国用999，法国用17，中国是110）。在车辆损坏的情况下，服务中心会通知指定的道路服务提供商派出拖车。如有必要，服务中心接线员可同司机交谈直至援助到来，紧急情况下，可联系司机的家人。当用户需要路旁救助时，中心可提供一个估计的到达时间并通过反馈来确认问题已被解决。

二、 Mayday系统分类
Mayday系统可以是模拟的或数字的，这取决于使用的电话网络。模拟Mayday车载设备一般由微控制器、GPS接收器、模拟信号发射器、数据modem和其他的控制电路构成（见图3基本的车辆通信系统），系统通过电话网经由modem发送VIN、位置和用户数据。目前北美的Mayday系统使用AMPS(Advanced Mobile Phone System),它是一种模拟电话网络。模拟Mayday系统必须使用语音信道传送数据，通用公司的Onstar和奔驰公司的TeleAid US版本使用的是模拟系统。模拟系统要求一个进行电话传送的数据modem，而数字系统则没有。


图3：基本的车辆通信系统

与北美不同的市场使用基于数字信号的GSM电话网，数字mayday车载设备原

与北美地区不同的市场，则使用基于数字信号的GSM电话网络。数字Mayday车载设备的原理与模拟系统类似，但数字系统不使用数据modem进行电话信号发射。数据传输时，一些系统可能同时使用Short Message Service(SMS)和电路转换数据，其他的可能只用SMS。有了SMS，系统可以不打断语音谈话而传送数据。然而，SMS有其局限性，不能总是保证即时的信息传送。随着电信系统的发展，未来的通话系统会逐渐采用GRPS（General Packet Radio Serve）、W-CDMA/UMTS(Wide band Code Division Multiple Access/Universal Mobile Telecommunications System)和CDMA-2000作为通讯载体。宝马的Mayday Phone、奔驰的TeleAid、雷诺的Odysline都使用GSM电话网进行通讯。
三、 Mayday通讯和定位设备集成化趋势
在目前的Mayday系统中，定位设备和通讯设备是封装在一个部件中的独立的不同单元。一般来说，移动电话、传送器和定位设备是永久安装在车上的，相信不久这将发生变化，因为新的电话把决定定位的单元加入到了手提设备中。美国联邦通讯委员会要求生产商可在2001年10月1日开始销售和激活可定位的手提设备。电信标准组织也已经对各种定位方法进行了说明，例如：Assisted GPS 、Time of Arrival(TOA)、Time Difference of Arrival(TDOA)和Cell ID。最终，定位和通讯设备将变成一个单元。智能车辆通信系统市场的增长已带来了许多挑战。由于对个人通讯产品的巨大客户群作为基础，已有并将有许多不同的通讯载体服务（用户通过空气传送数据的电信服务），这包括：AMPS、GSM、GRPS、CDMAOne、TDMA、W-CDMA和CDMA2000。尽管有许多著名的组织参与及明显的开放、灵活的优点和日益成熟的专利标准，并没有可广泛接受的通信标准。目前，在车载系统和内容提供商之间有至少4种通讯协议：ACP(the Application Communication Protocol)、AIS(Air Interface Specification)、GATS(Global Automotive Telematics Standards)和MEMS(the Motorola Emergency Messaging System)。ACP利用各种电话网工作，例如：GSM、CDMA、TDMA、GRPS、PDC和AMPS。AIF是一个针对Onstar系统的专利协议。GATS针对GSM
网络，MEMS 是针对模拟AMPS网络的协议。

四、 车辆GPS定位管理系统
车辆GPS定位管理系统主要是由车载GPS自主定位，结合无线通信系统对车辆进行调度管理和跟踪。已经研制成功的如车辆全球定位报警系统，警用GPS指挥系统等。分别用于城市公共汽车调度管理，风景旅游区车船报警与调度，海关、公安、海防等部门对车船的调度与监控。
（一）GPS定位系统的主要特点是如下六个方面：
1．定位精度高。应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100～500km可达10-7，1000km可达10-9。此外，GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。
2．观测时间短。随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需15～20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1～2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更小的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。
3．执行操作简便。随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达 “傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。
4．全球全天候作业。 由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同时观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
5．功能多、多用途。GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。
6．抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。

（二）监控中心部分的主要功能有：
1、数据跟踪功能。将移动车辆的实时位置以帧列表的方式显示出来。如车号、经度、速度、 航向、时间、日期等。
2、图上跟踪功能。将移动车辆的定位信息在相应的电子地（海）图背景上复合显示出来。 电子地（海）图可任意放大、缩小、还原、切换。有正常接收与随意点名接收两种接收方式。 还可提供是否要车辆运行轨迹的选择功能。
3、模拟显示功能。可将已知的目标位置信息输入计算机并显示出来。
4、决策指挥功能。决策指挥命令以通信方式与移动车辆进行通信。通信方式可用文本、代码或语音等，实现调度指挥。
车载部分的主要功能有：
5、定位信息的发送功能。GPS接收机实时定位并将定位信息通过电台发向监控中心。
6、数据显示功能。将自身车辆的实时位置在显示单元上显示出来。如经度、纬度、速度、航向。
7、调度命令的接收功能。接收监控中心发来得调度指挥命令,在显示单元上显示或发出语音。
8、报警功能。一旦出现紧急情况，司机启动报警装置，监控中心立即显示出车辆情况、 出事地点、车辆人员等信息。
（三）应用差分GPS技术的车辆管理系统。
车辆GPS定位属于单点动态导航定位。其定位精度约为100M量级。为了提高定位精度，可采用差分 GPS技术若采用一般差分GPS技术，每辆车上都应接收差分改正数，这样会造成系统过于复杂，所以实际应用中多采用集中差分技术。工作原理：每一辆车都装有GPS接收机和通信电台，监控中心设在基准站位置，坐标精确已知。 基准点上安置GPS接收机，同时安装通信电台、计算机、电子地图、大屏幕显示器等设备。 工作时，各车辆上的GPS接收机将其位置、时间和车辆编号等信息一同发送到监控中心。 监控中心将车辆位置与基准站GPS定位结果进行差分求出差分改正数，对车辆位置进行改正， 计算出精确坐标，经过坐标转换后，显示在大屏幕上。这种集中差分技术可以简化车辆上的设备。车载部分只接收GPS信号，不必考虑差分信号的 接收。而监控中心集中进行差分处理，显示、记录和存储。数据通信可采用原有的车辆通信设备， 只要增加通信转换接口即可。
由于差分GPS设备能够实时地提供精确的位置、速度、航向等信息，车载GPS差分设备还可以对车辆上的各种传感器（如计程仪、车速仪、磁罗盘等）进行校准工作。
（四）应用前景
汽车是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，据统计，仅几个发达国家的汽车保有量已有数千万辆。因此车辆导航将成为未来20年中全球卫星定位系统应用的最大的潜在 市场之一。预计到2000年，全世界用于车辆导航的总投资额的1/3。
在我国，特种车辆约有几十万辆。有关部门要求首先对运超车、急救车、救火车、巡警车、迎宾车等特种专用车辆实现全程监控、引导和指挥。目前使用车载GPS接收机进行自主定位 的车辆很少，大量的开发应用热点在监控调度系统上。车载GPS导航设备在应用上的发展方向，应当着重多卫星系统、远距离监控以及多功能显示等几个方面。 使用多卫星系统，如GNSS系统（该系统在2000年后将成为综合导航定位系统），进行导航定位时 由于卫星多，可以保证车辆实时定位的精度与可靠性。对于用于调度指挥的监控系统来说，监控中心与其管辖的车辆之间由于通信电台的功率有限， 其作用距离仅几十公里。增大监控作用距离，应当解决远距离通信问题。例如增加通信中继站， 延长作用距离，利用广播或卫星通信方式使监控范围覆盖更大的地域。监控系统的功能应当是多方面的。例如语音传输、视觉图象传输以及各种命令和车辆周围环境的情况录入存储等。所以说，GPS导航定位在公交、交通系统中的应用前景是非常广阔的。在开发车辆导航应用的同时， 也将带动与其相关的通信技术、信息技术、控制技术、多媒体技术和计算机应用技术的发展。
结语
未来的车辆通信系统将会是一个集成的单一平台，并包括许多的定制信息服务，如：信息和娱乐的无线Web连接。这个系统将是一个联系的社会中不可分割的一部分。Internet将扮演为数据传送提供支柱的作用，是拥有无数地区接入点的全球性支柱，将使移动通讯更加容易地接触到以前得不到的大量服务。不仅是汽车、家庭、办公室甚至是人都将会成为一个接入点，所有这些有线、无线连接工作和技术进步会使我们的行车更安全、更有乐趣。它们也将使我们的运输系统运作的更安全、更有效、更少交通阻塞、污染和其他的环境影响。

参考文献
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[5].熊和金。智能车辆系统研究的若干问题[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering. June 2001,
[6] GPS系统及其新应用探讨.2005

确实值得好好看看，顶先