GPS預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

GPS預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1概述

隨著我國私人汽車保有量的增長及用途的轉(zhuǎn)變，人們越來越注重對自身利益的保護。中

國加入WTO后，由于汽車進口關(guān)稅下降，轎車售價隨之降低，市場需求更加旺盛。據(jù)統(tǒng)計，

目前我國私人汽車市場保有量已超過1000萬量。同時，隨著私人汽車用途的轉(zhuǎn)移及交通設(shè)

施的改進，有車族進行中短途的商業(yè)旅行和假日旅游日漸增多，交通安全這個課題越來越受

到人們的關(guān)注。

由于目前大城市的主要大街上電子眼密布，特別是一些道路設(shè)計得不太合理，稍有不慎

就會收到罰單。高速公路上，一不留神就容易遭遇“超速”罰單。對于小心謹慎、遵守交通

規(guī)則的車主，在情況不明的道路上，一下子速度沒有控制下來，就很有可能會超速違章，這

種誠惶誠恐的心理，反而容易影響司機注意力，不利于交通安全。而有的地方最低和最高限

速標(biāo)識也不太清楚，如果不仔細注意，就極易遭遇罰單。

車載預(yù)警系統(tǒng)可以為私人汽車車主提供豐富的增值服務(wù)，在行駛中及時提醒司機前方路

況信息，同時也讓駕駛者強化了安全行車的意識，減少了人們亂超速、亂行車道的習(xí)慣。根

據(jù)計世資訊(CCWResearch)最新研究報告表明，2006-2009年中國汽車GPS市場年增長率將

超過50%，預(yù)計到2009年，由于導(dǎo)航衛(wèi)星、車載導(dǎo)航設(shè)備商業(yè)化應(yīng)用環(huán)境以及衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)

用標(biāo)準(zhǔn)的成熟，GPS車載系統(tǒng)將被消費者更加廣泛地接受，產(chǎn)品價格也會逐步下降，市場

規(guī)模將不斷擴大，2009年中國汽車GPS車載終端的銷售額將接近100億元，具有極為廣闊

的發(fā)展前景[1]。

2基于GPS的定位

GPS即全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem）是美國從20世紀(jì)70年代開始研制，

歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維

導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)我國測繪等部門的使用表明，GPS以全

天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于

大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、

資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。

2.1定位原理

GPS系統(tǒng)的定位原理和過程可以簡述如下：在一個立體直角坐標(biāo)系中，任何一個點的

位置都可以通過三個坐標(biāo)數(shù)據(jù)X、Y、Z來得到確定。如果能測得某未知點與其他三點（A、

B、C）的距離，并確知A、B、C三點的坐標(biāo)，就可以建立起一個三元方程組，解出該未知

點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到該點的確切位置。GPS就是根據(jù)這一原理，在太空中建立了一個

由24顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，通過對衛(wèi)星軌道分布的合理化設(shè)計，用戶在地球的任何一

個位置都可以觀測到至少三顆衛(wèi)星，只要測得與它們的距離，就可以解算出自身的坐標(biāo)。

GPS是在衛(wèi)星和用戶機上各安裝一個時鐘，并在衛(wèi)星發(fā)送的測距信號中包含發(fā)送時的

時間信息。這樣，用戶機在接收到測距信號后，只要與自身時鐘的時間對比，就可以獲得發(fā)

送時間與接收時間的時差，再乘以光速，就可以得到與衛(wèi)星的距離了。但在實際應(yīng)用中，這

個做法仍有缺陷。由于用戶機受空間和能源的限制，只能采用精度較差的石英鐘，因此，不

可能做到與衛(wèi)星時鐘的完全同步，這樣測量出來的時間差和由此所計算得出的距離必然會有

較大的誤差。為消除這一誤差，GPS測距時同時接收4顆衛(wèi)星的信號，從而把時鐘差也作

為一個未知數(shù)，與坐標(biāo)共同組成一個四元方程組，與坐標(biāo)一齊解算出來，從而保證了相當(dāng)高

的定位精度。

由定位原理和過程可見，在GPS系統(tǒng)中，衛(wèi)星只起到廣播測距信號的作用，用戶機根

據(jù)接收到的測距信號自主解算坐標(biāo)。該系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，可容納的用戶機數(shù)量不受限制。

同時由于用戶機只接收信號，不需要發(fā)射信號，因此，它的定位保密性強。這兩點對于在軍

事上的應(yīng)用尤其有價值[2]。

2.2GPS典型應(yīng)用

GPS定位中的靜態(tài)定位主要應(yīng)用領(lǐng)域是建筑物施工中的位置及高程監(jiān)測以及測繪、測

量等，可達到提高精度、加快進度、減少工作量的目的。動態(tài)定位主要用于擬監(jiān)測的移動目

標(biāo)上，功能上分為調(diào)度指揮，安全防盜等系統(tǒng)。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與電子地圖、無線電通信網(wǎng)

絡(luò)及計算機車輛管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)車輛跟蹤和交通管理的許多功能。GPS預(yù)

警系統(tǒng)可以實現(xiàn)交通信號燈，加油站等交通安全警示等等。

3嵌入式車載設(shè)備

嵌入式車載導(dǎo)航儀(EmbeddedNavigationDevice)，是一種利用全球定位系統(tǒng)GPS技術(shù)和

現(xiàn)代微處理器技術(shù)構(gòu)成的輔助汽車定位、導(dǎo)航、預(yù)警的智能設(shè)備[3]。

3.1GPS一體機構(gòu)成

嵌入式車載預(yù)警系統(tǒng)從軟、硬件角度來看一般可以劃分成四個部分，即預(yù)警應(yīng)用系統(tǒng)、

嵌入式圖形界面、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式硬件平臺(詳細請參見原理框架圖3-1)。預(yù)警系

統(tǒng)位干嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)軟件部分的最高層，是人機交互的主要窗口，主要負責(zé)預(yù)警信息

的處理、GPS定位信息的處理、實時預(yù)警功能的實現(xiàn)等。

3.2預(yù)警系統(tǒng)機制

嵌入式車載導(dǎo)航儀的工作流程是:首先由GPS接收模塊、獲得自身所處的地理位置信息

(例如當(dāng)前的經(jīng)度、緯度、高度和速度等)，然后通過對內(nèi)置Flash存儲體的控制(讀取大量的

預(yù)存地圖)，準(zhǔn)確計算出地理位置信息，并通過通信接口，如典型的通用異步通信接口(UART)

向處理器模塊提供定位信息，由預(yù)警系統(tǒng)分析處理定位信息并且比對當(dāng)前的預(yù)警數(shù)據(jù)，再由

TFT彩色液晶屏上顯示出來。

4GPS預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

圖4-1說明了本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)分為三層：顯示層、領(lǐng)域?qū)雍统志脤印Ｆ渲酗@

示層分別于實際用戶和第三方進行交互，領(lǐng)域?qū)臃譃槲鍌€模塊：實現(xiàn)時間顯示、方向?qū)Ш健?/p>

探測點預(yù)警、時速顯示、第三方探測點數(shù)據(jù)管理。其中第三方探測點數(shù)據(jù)管理功能是只提供

給第三方地圖廠商的功能，持久層用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理和維護。

圖3-1預(yù)警系統(tǒng)原理框架圖

圖4-1預(yù)警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

4.1流程設(shè)計

中國(Nation)按經(jīng)緯度平均分成四乘以六二十四塊國家大區(qū)域(NationArea)，每個大區(qū)域

還有不同直轄市、省會城市及各省的地級市(City)，每個城市按經(jīng)緯度平均分成十六乘以十

六二百五十六塊城市轄區(qū)(CityDistrict)，每個城市轄區(qū)按三乘以三分成九塊轄區(qū)領(lǐng)域

(DistrictZone)。流程如下：

1.GPS啟動初始化，自動搜尋當(dāng)前城市轄區(qū)，把城市轄區(qū)探測點的信息讀入到內(nèi)存。每

個城市轄區(qū)的九個轄區(qū)地域各有一個動態(tài)數(shù)組的對象，所存的信息為該地域探測點的信

息，包括探測點的限速、角度、名字等相關(guān)信息。

2.每兩秒鐘記錄當(dāng)前的點，計算實時的角度、速度或離探測點距離信息進行頁面刷新。由

于當(dāng)前GPS實時角度和速度信息存在著不穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用的是取之前三個衛(wèi)星數(shù)

據(jù)取平均數(shù)的方式來確定當(dāng)前的速度和角度。

警區(qū)域的前方禁止右轉(zhuǎn)的交通標(biāo)示。

3.每六秒鐘檢查前方探測點信息，記錄下一個該預(yù)警的探測點。

4.每一分鐘檢查運動軌跡，劃分車輛前后區(qū)域。

5.每當(dāng)用戶開到邊界臨界區(qū)域，進行城市轄區(qū)的切換工作。

4.2算法設(shè)計

算法主要分為以下兩個部分：

1.城市轄區(qū)算法

開機啟動讀出城市轄區(qū)的信息，當(dāng)車輛開到城市轄區(qū)切換的臨界區(qū)域時進行區(qū)域切換的

工作。由于從文件中讀出城市轄區(qū)探測點數(shù)據(jù)的時間花費將近一分鐘，所以臨界區(qū)域為限速

速度乘以時間間隔

臨界距離=120/3.6*60=2000(m)（1）

圖4-2預(yù)警系統(tǒng)流程示意圖

本系統(tǒng)采用的是數(shù)據(jù)形式為ddd.ddddd，在北京，緯度最后一位小數(shù)增1，實際走了大

約1.1M；經(jīng)度最后一位小數(shù)增1，實際走了大約0.85M。

臨界經(jīng)緯度=2000/0.85=2352.xxxx（2）

當(dāng)前的經(jīng)緯度距離城市轄區(qū)的邊界相差約為0.025的時候，進行切換的操作，下個城市

轄區(qū)的確定根據(jù)汽車的運動趨勢確定。城市轄區(qū)的切換也由從邊緣小區(qū)開始一直替換到當(dāng)前

的所在城市轄區(qū)。

2.轄區(qū)領(lǐng)域算法

根據(jù)一分鐘之內(nèi)的運動軌跡的變化（如轉(zhuǎn)彎等），進行前方（如圖4-2紅色區(qū)域）、后

方（如圖4-2綠色區(qū)域）預(yù)警范圍的劃分。由于行駛車輛無需預(yù)警檢查車后的點，所以前后

方區(qū)域的劃分有利于提高預(yù)警的效率。如果一分鐘之內(nèi)的角度變化大于四十五度，即車輛之

前已經(jīng)轉(zhuǎn)彎，系統(tǒng)讀入當(dāng)前轄區(qū)領(lǐng)域所有的探測點進行重新分析。

4.3軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用的Fa?ade的設(shè)計模式，將頁面顯示和預(yù)警子系統(tǒng)隔離開來。設(shè)計模式的結(jié)

構(gòu)圖如4-3所示，系統(tǒng)通過AutoNavigation類來維護頁面顯示情況，通過FileOperation類操

作數(shù)據(jù)。Fa?ade不僅可以用來封裝系統(tǒng)，也可以減少GUI需要調(diào)用處理的對象個數(shù)。

預(yù)警系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)用例圖如下所示，預(yù)警系統(tǒng)主要實現(xiàn)三個功能模塊：探測點預(yù)警模

塊、時速預(yù)警模塊、以及方向?qū)Ш侥K。

圖4-4用例圖

圖4-3設(shè)計模式結(jié)構(gòu)圖

探測點預(yù)警模塊主要根據(jù)當(dāng)前車輛的經(jīng)緯度信息，查詢當(dāng)前區(qū)域該預(yù)警的探測點。探測

點預(yù)警每六秒鐘促發(fā)，定位當(dāng)前經(jīng)緯度信息所在城市、城市區(qū)域以及區(qū)域轄區(qū)。在轄區(qū)

內(nèi)的探測點進行查詢比對，得到當(dāng)前該預(yù)警的探測點信息。

時速預(yù)警每兩秒鐘促發(fā)，根據(jù)當(dāng)前車輛的行駛速度進行分析預(yù)警的模塊，顯示當(dāng)前的速

度并進行高速預(yù)警，提醒司機注意行車安全。

方向?qū)Ш矫績擅腌姶侔l(fā)，更新顯示當(dāng)前行車的角度，可以幫組司機辨認方向正確駕駛，

下圖為方向?qū)Ш降腢ML序列圖。

圖4-5方向?qū)Ш叫蛄袌D

4.4測試

我們采集了北京交通信號燈703個點進行數(shù)據(jù)的分析，其中測試所位于的區(qū)域如下表所

示。測試流程從北京北三環(huán)由西（39.966334，116.341）往東開（39.966334，116.4286），

角度90，速度80公里/小時，如圖4-3所示，測試程序模擬目標(biāo)車輛從圖中轎車標(biāo)示開到圖

中民警標(biāo)示處，圖中的黃色圖釘代表著實際的預(yù)警點。

4-5Googleearth測試環(huán)境示意圖

4.4.1測試版本說明

表4-1測試版本

版本版本概述

Demo1.0城市按照4*4進行分區(qū)。

Demo1.1城市按照4*4進行分區(qū)，當(dāng)前城市ID優(yōu)先判斷。

Demo1.2城市按照16*16進行分區(qū)，當(dāng)前城市ID優(yōu)先判斷。

Demo1.3城市按照16*16進行分區(qū)，當(dāng)前城市ID優(yōu)先判斷，當(dāng)前城市轄區(qū)ID優(yōu)先

判斷，文件I/O緯度優(yōu)先，多任務(wù)處理模式。

分區(qū)是把城市按行政版圖等分成若干個城市轄區(qū)，當(dāng)前城市ID優(yōu)先判斷指的是記錄當(dāng)

前城市的ID，對當(dāng)前城市進行優(yōu)先判斷。在汽車出現(xiàn)在該城市的范圍內(nèi)，不用再為其進行

城市定位。由于大部分時間汽車會在一個城市行駛，當(dāng)前城市ID進行優(yōu)先判斷能提高查詢

的效率。當(dāng)前城市轄區(qū)ID優(yōu)先判斷同上，文件I/O緯度優(yōu)先是把當(dāng)前城市的探測點信息在

存儲的xml文件中進行緯度優(yōu)先的排序，在探測點的查詢匹配中進行折半查詢的方法提高查

詢效率。多任務(wù)處理模式為按任務(wù)的模式進行兩秒鐘更新頁面、六秒鐘查詢下個探測點、六

十秒鐘進行車前車后探測點劃分多任務(wù)多線程模式執(zhí)行程序。

4.4.2測試環(huán)境

本測試所搭建的測試平臺如下

表4-2測試GPS一體機參數(shù)

型號發(fā)現(xiàn)者GPS(GP-190)

CPUAtlasII300MHz

操作系統(tǒng)MicrosoftWinCE.NET5.0CoreVersion

GPS天線嵌入式高靈敏度GPS接收器；雙重天線

設(shè)計，帶有外接天線插口；32bitRISC

CPUSIGECHIPSET

處理器類型Centrality,ARM926

內(nèi)存46036KBRAM

表4-3功能測試結(jié)果

4.4.3功能測試

功能測試結(jié)果如表4-3所示，在開發(fā)過程四個版本中已成功實現(xiàn)預(yù)警，但早期的版本的

版本城市區(qū)

域ID

城市區(qū)域

探測點數(shù)

目

轄區(qū)領(lǐng)域

ID

轄區(qū)領(lǐng)域探

測點數(shù)目

是否

預(yù)警

需預(yù)警

個數(shù)

實際預(yù)

警個數(shù)

Demo1.07698無無是92

Demo1.17698無無是93

Demo1.289,90315,344無無是96

Demo1.389,90315,3448,6,7,8237,134,106,

101

是99

實際預(yù)警效果不是很好，原因是由于算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒有得到充分的優(yōu)化，各版本之間的差

異和運行的效果在性能測試中得到應(yīng)有的體現(xiàn)。

4.4.4性能測試

性能測試如表4-4所示，性能測試主要涉及到初始化時間和查詢時間。初始化時間是系

統(tǒng)進行搜尋衛(wèi)星以及根據(jù)當(dāng)前衛(wèi)星信號定位車輛的時間，查詢時間是在定位之后對所在區(qū)域

探測點信息查詢預(yù)警時所花的時間。從表里可以清楚地看到，系統(tǒng)版本在更新中效率和實用

性得到不斷地提升，Demo1.4已經(jīng)可以達到實時快速預(yù)警的要求。

表4-4性能測試結(jié)果

版本初始化時間(s)查詢時間(s)查詢效率提高

（較上個版本）

實時信息顯示

（速度、角度）

Demo1.06044-60無否

Demo1.16012-16267%-275%否

Demo1.22710-1220%-33%否

Demo1.3301-2500%-900%是

5.總結(jié)

本文設(shè)計實現(xiàn)了GPS預(yù)警系統(tǒng)，詳細說明了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和各模塊組成，并且比較

了GPS預(yù)警的幾種算法的效率情況。試驗表明：本系統(tǒng)可以完全滿足GPS實時預(yù)警的要求，

具有良好的準(zhǔn)確性、拓展性和實時性，適合各種車載終端。在后期的工作中將繼續(xù)研究預(yù)警

的算法優(yōu)化以及GPS串口的共享，實現(xiàn)與導(dǎo)航軟件的并行使用。

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GPSearlywarningsystemdesignanddevelopment

MoJiajun1,SongMaoqiang