CN102390410A - 一种基于北斗系统的车辆监控系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗系统的车辆监控系统，其特征在于由北斗地面监控中心、北斗导航定位卫星和北斗车载系统组成，其中北斗导航定位卫星是依赖于现有的北斗网络系统建好的卫星系统，北斗车载系统包括北斗终端与列车网络，列车网络是现有的TCMS系统，其中包括车辆牵引、制动、信号和广播子系统，TCMS系统通过RS232接口与北斗终端通讯，一方面向北斗终端提供车辆状态信息，一方面接收北斗导航定位信息、授时信息以及来自地面监控中心的控制指令，实现对车辆的运行控制；北斗终端与定位卫星通讯，定位卫星将其定位及车辆状态信息一起发送到地面监控中心，该中心将这些信息发送所有地面监控终端，使其都可监控运行中的车辆，对所有运行中的车辆进行监视与控制。

Description

一种基于北斗系统的车辆监控系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及通过自由空间的传输系统，尤其涉及适用于卫星链路的传输系统。

背景技术

目前我国轨道交通行业进入快速发展时期，一些网络化、智能化、模块化等先进的高科技产品及控制思想开始在车辆中成熟应用。随着轨道车辆的不断增加，给车辆的运营管理带来了考验，如何实现在我国幅员辽阔的地域环境下对车辆实时的远程监控，如何合理高效的加强运营调度，如何准确的掌握每辆车所处的位置成为我们迫切需要解决的问题。然而现在蓬勃发展的的无线网络及导航定位技术，为我们解决这些问题提供了可能。

提到卫星导航定位，我们首先想到的就是目前应用最为广泛的GPS导航。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，是美国独霸全球战略的重要组成部分。目前GPS导航已向民用开放。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

另外一个具备导航定位功能的是北斗卫星导航系统(BD、Beidou)。这是我国自主研发的卫星导航系统，包括北斗一号和北斗二号的2代系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。北斗导航系统主要有三大功能。一是快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务；二是短报文通信：北斗导航系统用户终端具有双向短报文通信能力；三是精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能，可提供数十纳秒级的时间同步精度。也就是说，北斗导航系统服务区域为中国及周边国家和地区，它可以在服务区域内任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度，并提供双向短报文通信和精密授时服务。

目前我们较为熟悉的无线传输技术主要有无线电台、WLAN和GPRS。其中无线电台与WLAN由于传输距离最大只有几公里或几十公里，很难满足我们幅员辽阔、地形复杂的地理环境，因此实际应用较多的主要是GPRS。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用分组交换技术。分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以存储转发的接力方式送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输“共用”传输带宽：有数据占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。GPRS提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。

我国广泛使用的车辆定位方式为GPS定位。在车辆中安装一个GPS导航终端，该导航终端通过接收空间站GPS导航卫星所提供导航报文，可以计算车辆所处的位置，包括当前的经度、维度、海拔高度以及车辆的运行速度。GPS导航终端以导航地图的形式显示车辆所处的位置，或者将该信息发送到车辆的一个数据记录装置中进行记录。但是由于GPS属于被动接受系统，即GPS终端只有使用者才能知道自己的所在位置，而无法通知指挥部门，这样带来的问题就是只有车辆所在的司机才能准备掌握车辆的位置，而作为车辆所有者的铁路局或机务段则无法了解到车辆的准确位置。这种情况是由于GPS本身的设计原理导致的。

为了让铁路局或机务段也能够准备掌握车辆的位置信息，目前还有一种方案是在使用GPS导航定位的基础上引入了GPRS无线数据传输功能。就是通过一个GPRS收发装置，将GPS终端提供的位置信息，发送到该车辆所在的铁路局或机务段。与此同时，GPRS收发装置将车辆的一些状态信息也传输给铁路局或机务段，这样就实现了地面对车辆运行位置与运行状态的监视。但是这种方式也存在一些问题，由于GPRS采用分组交换的技术，而分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，这将导致从车辆传输到地面的信息延时较大。另外由于GPRS是在GSM基础上发展起来的一种业务，也就是GPRS要依赖于GSM网络，而GSM网络目前在一些边远地区或山区等还没有完全覆盖到，即使在覆盖到的地区由于GSM信号受环境影响较大，也可能导致信号不稳定或形成信号盲区而无法提供GPRS服务，因此采用GPRS实现车辆的运行监视是一种不可靠的方式。

综上所述，现有技术的缺点是显而易见的，主要表现在：

(1)GPS只具有单向通讯功能。由于美国的GPS属于被动接受系统，使用者只能知道自己的所在位置，而无法通知指挥部门，也就是在铁路局或车站并不能获取车辆的位置信息。

(2)GPRS采用了分组交换技术，这就决定了其延时不固定，无法作为一个实时系统使用，因此从安全角度考虑，无法实时可靠的将地面指令传输到车辆中。

(3)由于GPRS是在现有的GSM网络上发展起来的，因此对于GSM不能覆盖的区域以及一些信号盲区，无法提供服务。并且GSM网络受周围环境影响较大，因此通过GPRS传输定位信息与车辆信息不可靠。

(4)GPS卫星导航系统完全由美国掌控，在一些特殊情况下容易受到美国国家政策的影响，给我国的国计民生带来一定的影响。

发明内容

本发明的目的在于解决以下问题：

(1)北斗导航系统由于采用卫星和地面控制中心复合定位技术，用户在知道自己的地理坐标的同时，地面控制中心也知道了终端的地理位置。这样就可以实现在铁路局或机务段实时掌握车辆的准确位置。

(2)无需使用GSM网络提供的GPRS服务，不受GSM网络信号与覆盖范围的影响，可以全天候的提供定位服务。

(3)通过北斗系统的短报文通讯功能，车辆运行状态数据可以及时发送到地面监控中心，并从地面监控中心接收控制指令。北斗系统的短报文具有实时传输的特点，这就避免了使用GPRS传输时延时不确定、信号不稳定等问题。

(4)北斗系统提供准确的授时服务，可以为全路所有车辆提供统一的时钟信息，便于车辆的管理与数据记录。

(5)充分利用了我国自主研发的北斗系统，可以进一步促进我国北斗系统的发展，提高我国国家安全能力。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于北斗导航系统的车辆监控系统，其特征在于：由以下三个部分组成：北斗地面监控中心、北斗导航定位卫星和北斗车载系统，其中北斗导航定位卫星是依赖于现有的北斗网络系统建好的卫星系统；北斗车载系统包括北斗终端与列车网络，列车网络是目前轨道行业中普遍使用的TCMS系统，TCMS系统中包括车辆牵引、制动、信号和广播子系统，TCMS系统通过RS232接口与北斗终端通讯，一方面向北斗终端提供车辆状态信息，另一方面接收北斗导航定位信息、授时信息以及来自地面监控中心的控制指令实现对车辆的运行控制；北斗终端则通过导航电文与定位卫星通讯，导航卫星将北斗终端的定位信息以及车辆状态信息一起发送到地面监控中心，北斗地面监控中心服务器承担了对北斗终端设备的管理、以及数据的存储、转发功能，使得所有地面监控终端都可以监控运行中的车辆，在地面监控终端即可完成对所有车辆的运行监视与控制指令下发。

2、一种基于北斗系统的车辆监控系统的控制方法，其特征在于：包括下述步骤：

(1)系统上电后，首先进行系统初始化，进行硬件参数配置，包括设置硬件寄存器、配置I/O端口及UART口操作；

(2)初始化完成后，检查与射频芯片BG-DB-2416CX相连接的I/O口，查看是否有数据发送过来，如果没有数据则扫描于UART口，查看是否有TCMS发送过来的数据；

(3)如果检查到射频芯片BG-DB-2416CX发送过来数据，则基带芯片BD-2RDSS按照北斗导航电文的格式，对数据进行解码与脱格式处理，最后形成有用的信息；

(4)基带芯片BD-2RDSS根据解码后的数据类型进行判断，如果收到是授时信息，则自动完成对TCMS系统时钟的校对工作，确保车辆具有统一的时钟；如果收到的导航电文，则将车辆所处的经度、纬度及海拔信息显示出来；如果收到的为短报文指令，则将指令转发给TCMS系统，由TCMS系统执行用户的控制指令；

(5)基带芯片BD-2RDSS在接收到TCMS发送过来的车辆状态信息后，按照北斗导航电文格式，对这些信息进行格式化处理并进行加密，然后发送到射频芯片BG-DB-2416CX，射频芯片BG-DB-2416CX进行上变频处理转化给高频，然后通过功放将信号放大，最后经发送天线将信号发送出去。

与现有技术相比较，本发明的有益效果表现在：

充分利用了北斗导航系统的导航、授时以及短报文通信功能，并将其应用到轨道交通行业，实现了对轨道车辆的更为强大的远程监控功能。这些功能的实现，可以：

(1)加大对运营车辆的监控力度

北斗导航系统给各地面监控站提供了全时域、全天候、连续的所管辖区域内车辆的位置、速度等数据，车载北斗终端通过短报文通信功能向地面监控人员提供车辆实时运行情况及相关动态数据，供地面监控站分析研究，从而提高了铁路系统的安全运营能力。

(2)优化铁路行车组织

北斗导航系统可以确保地面监控站完全掌握全国范围内任何一辆车辆的准备位置，也可以查看任何一个区域内现有的车辆数量及运行情况，通过对这些数据的进一步统计研究，可以分析出每条线路在任何时刻的运载能力负荷情况，从而制定出更加合理、高效的运行路线，实现优化行车组织与调度的目的，在降低运行成本的同时进一步提高铁路系统的运营能力。

(3)使所有在线车辆基于统一的时间运行

北斗导航系统提供的授时服务，可以为在线运行的车辆提供统一的系统时间，使得所有运行车辆的时间完全相同，在进一步确保行车安全的同时，也便于车辆运行、调度，以及故障的分析查找。

(4)提供实现无人驾驶及远程控制的可能

随着轨道交通行业的快速发展，可以将北斗导航系统与铁路信号系统整合到一个轨道行业专用的信息平台，然后利用北斗的导航功能可以实现轨道车辆的无人驾驶，或在在一些紧急情况下，可以利用北斗系统短报文通讯功能，实现车辆运行的一些紧急控制功能。

附图说明

本发明有附图4幅，其中：

图1是基于北斗系统的车辆监控系统结构示意图；

图2是地面监控中心控制流程图；

图3是北斗终端原理示意图；

图4是北斗终端控制逻辑框图。

在图中：1、北斗地面监控中心，2、北斗导航定位卫星，3、北斗车载系统，4、北斗终端，5、列车网络。

具体实施方式

如图1～图4所示的一种基于北斗系统的车辆监控系统，其特征在于：该监控系统主要包含三个部分：北斗车载系统5，地面监控中心1及北斗导航定位卫星2。其中北斗导航定位卫星2是由国家建立的定位系统，我们可以直接使用。因此该方案的实施主要分为两步：设计北斗车终端4，并与列车网络5建立通讯，形成北斗车载系统3；建立地面监控中心1，对所有的北斗终端与用户监控终端进行管理。

1地面监控中心

地面监控中心服务器，选用北斗天玑集团用户中心(指挥所)设备，通过该设备可以利用北斗导航定位系统实现对车辆的监控管理、指挥调度功能，它提供了北斗导航定位系统应用的全面解决方案。

北斗天玑集团用户中心(指挥所)设备非常适用于轨道交通运输用户。它的主要功能是可以为轨道交通行业提供车辆定位、授时及短报文信息，完成信息的管理、监控、显示、分析、存储及查询，并可以向单独的轨道车辆发送命令电文，实施指挥控制。

将北斗天玑集团用户中心(指挥所)设备通过Internet直接或间接接入北斗信息服务系统，这样就在地面监控中心与北斗系统之间建立起一条信息通道。该设备可以满足轨道交通行业对系统功能、安全性、可靠性和运行性能的全面要求。

地面监控中心服务器的控制方法，包括下述步骤：

(1)地面监控中心服务器上电后，即进行初始化工作，主要进行硬件系统检查。网络设备配置等操作；

(2)系统初始化操作完成后，自动通过Internet接入北斗导航系统，在连接过程中如果出现异常，系统会自动复位并重新连接，指导正确接入北斗导航系统；

(3)地面监控中心服务器接入北斗导航系统后，即向北斗导航系统发送指令，扫描所管理的北斗终端的工作情况，并向北斗终端发送控制指令，激活北斗终端的数据短报文传输，从而开始接受北斗终端传输过来的车辆状态信息。

(4)在用户成功登陆后，地面监控中心将各个北斗终端传输过来车辆状态数据进行分析，向用户提供管理、监控、显示、分析、存储及查询数据的功能。

(5)地面监控中心服务器根据用户的登陆名称，判断是否授权用户，如果是则提供用户指令界面，用户可以在该界面，直接向指定的北斗终端(北斗终端所在的车辆)发送控制指令，从而实现远程控制的目的。

(6)地面监控中心服务器在收到用户发送的控制指令后，立即将该信息通过Internet传输到北斗系统，最后由北斗系统以短报文的形式向(北斗终端所在的车辆)发送控制指令。

2北斗终端

北斗终端设计方案是基于北京广嘉电子设计的北斗一代射频芯片BG-DB-2416CX和上海复控复华基带芯片“领航一号”。如图3所示。

该方案的模块电路由基带芯片“领航一号”BD-2RDSS、射频芯片BG-DB-2416CX、低噪放大器和功率放大器组成，主要功能是通过配置外设在北斗系统中心站的支持下完成定位和通信任务，同时兼有授时功能。该模块通过配置的接收天线将收到的北斗卫星信号送入40dB的低噪放大器放大，然后送入射频芯片BG-DB-2416CX进行下变频处理转换成中频信号，再经过片内A/D量化后输出送入基带芯片BD-2RDSS。基带芯片BD-2RSS进行信号解密及脱格式处理，通过UART口将信息传输到车辆网络的TCMS系统。TCMS系统将车辆数据打包通过UART口输入到基带芯片BD-2RDSS，经加密、编码、扩频后形成待发数据。发射信号通过功率放大器放大后，由发射天线发射出去。模块的应用控制则通过控制接口外接配置来实现。

射频芯片采用北京广嘉创业电子自主研发的BG-DB-2416CX射频芯片(北斗一代接收/发射芯片)。它仅需少量的外部元件就可实现北斗一代射频信号的接收和发射功能。该芯片集成了接收通道和发射通道，以及接收发射频率综合器，接收通道采用两次变频结构，首先把射频信号下变频到第一中频，然后再通过正交混频器产生最终的正交中频信号12.24MHZ。发射通道采用直接调制结构，可直接处理TTL电平输入信号，并将其调制到所需的载波频率上，从而完成发射功能。

基带部分采用北斗一代基带芯片BD-2RSS。该芯片集成了10个独立的数字接收通道和一个发射通道，可完成北斗卫星基带信号的接收处理和发射基带信号的生成。基带处理芯片采用CMOS 0.18um工艺，内嵌一个16位定点数字信号处理器作为处理引擎，具有丰富的接口资源，方便扩展应用。其外设包括一个支持六个独立通信上下文的DMA、SPI接口、两个通用串行接口，此外还包括两个通用定时器、8个通用输入输出口、锁相环时钟发生器。

该北斗终端通过UART口与TCMS系统的RS232接口相连，在TCMS系统与北斗系统之间建立无线通讯通道，通过短报文通讯功能将TCMS系统中的车辆状态信息发送到地面监控中心，同时将地面监控中心发送过来的控制指令发送到TCMS系统中，实现车辆的远程控制功能。其控制方法包括下述步骤：

(1)系统上电后，首先进行系统初始化，进行硬件参数配置，包括设置硬件寄存器、配置I/O端口及UART口等操作；

(2)初始化完成后，检查与射频芯片BG-DB-2416CX相连接的I/O口，查看是否有数据发送过来，如果没有数据则扫描于UART口，查看是否有TCMS发送过来的数据；

(3)如果检查到射频芯片BG-DB-2416CX发送过来数据，则基带芯片BD-2RDSS按照北斗导航电文的格式，对数据进行解码与脱格式处理，最后形成有用的信息；

(4)基带芯片BD-2RDSS根据解码后的数据类型进行判断，如果收到是授时信息，则自动完成对TCMS系统时钟的校对工作，确保车辆具有统一的时钟；如果收到的导航电文，则将车辆所处的经度、纬度及海拔信息显示出来；如果收到的为短报文指令，则将指令转发给TCMS系统，由TCMS系统执行用户的控制指令；

(5)基带芯片BD-2RDSS在接收到TCMS发送过来的车辆状态信息后，按照北斗导航电文格式，对这些信息进行格式化处理并进行加密，然后发送到射频芯片BG-DB-2416CX，射频芯片BG-DB-2416CX进行上变频处理转化给高频，然后通过功放将信号放大，最后经发送天线将信号发送出去。

Claims (2)

1.一种基于北斗系统的车辆监控系统，其特征在于：由北斗地面监控中心(1)、北斗导航定位卫星(2)和北斗车载系统(3)组成，其中北斗导航定位卫星是依赖于现有的北斗网络系统建好的卫星系统；北斗车载系统包括北斗终端(4)与列车网络(5)，列车网络(5)是目前轨道行业中普遍使用的TCMS系统，TCMS系统中包括车辆牵引、制动、信号和广播子系统，TCMS系统通过RS232接口与北斗终端(4)通讯，一方面向北斗终端(4)提供车辆状态信息，另一方面接收北斗导航定位信息、授时信息以及来自地面监控中心(1)的控制指令实现对车辆的运行控制；北斗终端(4)则通过导航电文与定位卫星通讯，导航卫星将北斗终端(4)的定位信息以及车辆状态信息一起发送到地面监控中心(1)，北斗地面监控中心(1)服务器承担了对北斗终端(4)设备的管理、以及数据的存储、转发功能，使得所有地面监控终端都可以监控运行中的车辆，这样在地面监控终端即可完成对所有车辆的运行监视与控制指令下发。

2.一种基于北斗系统的车辆监控系统的控制方法，其特征在于：包括下述步骤：

(1)系统上电后，首先进行系统初始化，进行硬件参数配置，包括设置硬件寄存器、配置I/O端口及UART口等操作；

(2)初始化完成后，检查与射频芯片BG-DB-2416CX相连接的I/O口，查看是否有数据发送过来，如果没有数据则扫描于UART口，查看是否有TCMS发送过来的数据；

(3)如果检查到射频芯片BG-DB-2416CX发送过来数据，则基带芯片BD-2RDSS按照北斗导航电文的格式，对数据进行解码与脱格式处理，最后形成有用的信息；

(4)基带芯片BD-2RDSS根据解码后的数据类型进行判断，如果收到是授时信息，则自动完成对TCMS系统时钟的校对工作，确保车辆具有统一的时钟；如果收到的导航电文，则将车辆所处的经度、纬度及海拔信息显示出来；如果收到的为短报文指令，则将指令转发给TCMS系统，由TCMS系统执行用户的控制指令；

(5)基带芯片BD-2RDSS在接收到TCMS发送过来的车辆状态信息后，按照北斗导航电文格式，对这些信息进行格式化处理并进行加密，然后发送到射频芯片BG-DB-2416CX，射频芯片BG-DB-2416CX进行上变频处理转化给高频，然后通过功放将信号放大，最后经发送天线将信号发送出去。

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