CN1333264C - 移动物体运动轨迹监控方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动物体运动轨迹监控方法及其系统，利用移动通信与GPS技术相结合针对汽车、轮船等的移动物体的位置监控，所依赖的硬件系统包括：GPS卫星、移动物体上安装的移动终端、移动通信基站、数据处理中心局；系统可采用主动和被动两种工作模式；GPS位置信息在中心局的处理采用单点拟合或路线拟合；被动模式在系统中设立三个优先级；移动物体的GPS位置信息发送到中心局后，与预先存储的GPS信息进行比较和拟合，经过拟合的数据传送给相关的具有更高管理优先权的第三者，后者根据需要，对移动物体进行实时、非实时监控或历史检索。

Description

移动物体运动轨迹监控方法及其系统

所属技术领域  本发明涉及无线通信及其集成电路领域，特别是一种利用移动通信与GPS技术相结合，构建的针对移动物体，如汽车、轮船等的运动轨迹拟和方法和监控系统。

现有技术情况  现代移动通信技术存在两大主流，GSM技术和CDMA技术。伴随着移动通信技术的迅速发展，系统容量扩大，数据传输速率在提高，使得导入新的业务成为可能。GSM的技术的演变过程为：GSM——GPRS——WCDMA——4G。而CDMA技术的演变过程为：CDMA——CDMA 1X——CDMA2000——4G。

目前国内和世界上的移动通信用户已经达到近4亿，移动通信终端设备的价格在迅速下降，而通信的质量在同样迅速地提高。利用与移动通信终端基本相同的技术来开展新的业务，不仅设备价格低廉，而且服务质量可靠。

GPS技术是一种利用卫星进行定位的技术，其显著的特点是定位精度高，全天候服务的能力及其实时工作的可靠性。

目前的GPS技术和移动通信技术是没有紧密联系的。GPS已经被利用来进行汽车、轮船等的导航；而移动通信已经广泛普及到个人通信领域。移动通信运营商有一个强大的数据处理中心局，但是却不能够处理移动物体的运动轨迹的相关数据，因为没有相关的数据输入和处理算法；而GPS仅仅被利用在移动物体内部，其相关的运动轨迹信息没有传递到外界。

鉴于现有技术的如上缺点，本发明的目的是利用现在和未来的移动通信技术与GPS技术结合，构建针对汽车、轮船等移动物体的监控系统。

显然，本发明可以利用目前的GSM和CDMA移动通信系统实现，也可以利用未来的3G或4G移动通信系统实现。将移动通信技术与GPS结合，将移动物体的运动轨迹信息传递到外界；同时，借助于现代先进的移动通信数据处理模式，建立强大的数据处理中心局对相关GPS信息进行处理和监控。

本发明的目的是通过如下的方法实现的。

本发明内容  移动物体运动轨迹监控方法，利用移动通信与GPS技术相结合针对汽车、轮船等的移动物体的位置监控，所依赖的硬件系统包括四个部分：GPS卫星、安装了移动终端的汽车等移动物体、移动通信基站、数据处理中心局；系统可采用两种工作模式：主动模式和被动模式；

主动模式的移动物体根据预先设置的触发条件，主动通过移动通信基站向数据处理中心局传送GPS信息；被动模式指移动物体在中心局的指令下，以实时或非实时方式向中心局报告GPS信息；GPS位置信息在中心局的处理有两种方式：单点拟合或路线拟合。

采用被动模式在系统中应设立三个优先级：物主个人级别、公共服务机关级别、司法及其国家安全机关级别；个人级别的密码不经过加密处理；其他两个级别的服务密码经过加密算法处理。

在数据中心局中预先存储各地的GPS信息，移动物体的GPS位置信息发送到中心局后，与预先存储的GPS信息进行比较和拟合；经过拟合的数据传送给相关的具有更高管理优先权的第三者，后者根据需要，对移动物体进行实时、非实时监控或历史检索。

监控系统的移动终端包括：移动终端主要由接收通道、发送通道，以及GPS的接收通道三个部分组成；GPS接收相关的卫星信息后，解调为正交的I及Q两路码流。

如上的设计采用后，借助现代先进移动通信的模式，为GPS信息建立数据处理中心局。汽车、船舶等移动物体像手机一样，在办理牌照时被授予一个唯一的数字符号身份及其三个密码，个人密码、公共服务密码和授权机关密码。个人密码告知车主而机关密码对车主不公开。与移动通信中心局处理数据的方法不同的是，基本的链路层处理由移动通信运营商提供，在此之后进行数据的算法处理、存储及其检索，从而使对移动物体的监控得到更便捷、有效的管理。

附图说明

图1：实现语音通信的CDMA系统框图

图2：GPS定位系统框图

图3：CDMA与GPS简单组合的移动终端设备示意图

图4：工作模式转换及其信息流框图

图5：系统的数据流及其指令流处理流程框图

图6：监控系统的结构示意图

图7A：单点拟和示意图：时域平均法

图7B：单点拟和示意图：最小半径法

图8A：路线拟和示意图：加权平均法

图8B：路线拟和示意图：最小平方误差法

图9：主动模式单点拟和应用：汽车自动定位业务示意图

图10：被动模式单点拟和应用：汽车自动定位业务示意图

图11：主动模式路线拟和应用：自动缴交路桥费示意图

图12：被动模式混合拟和方式应用帮助查找嫌疑车辆的示意图。

图13：混合模式混合拟和应用帮助查找走私轮船的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详述。

图1为现在提供语音通信的CDMA移动通信终端示意图。

在发射通道，语音信号经过编码后在进行信道编码处理，然后由数字信号经过DAC后转换为模拟信号，经过射频处理发送到天线。在接收通道，天线接收的信号经过射频接收器后转换为基带信号，ADC将此信号由模拟信号转换为数字信号，然后经过理克技术处理机后进行解码，最终转换为数字语音信号。

搜寻器和系统环境维护机制及理克接收机构成自适应接收系统，自动频率控制算法和合成器将信号调制或解调到适合的频带上，自动增益控制算法将调整接收信号的振幅到ADC合适的范围内，系统时序为整个系统提供同步及其处理需要的时钟信号，而微处理器单元提供必要的控制逻辑。

图2为现在的GPS接收机示意图。

天线接收信号经过声表面滤波器后选择后进入LAN进行增益处理，然后经过正交解调后分为I及Q两路信号，两路信号分别经过LNA处理，低通滤波和增益控制后进入比较器，以数字的I及Q序列输出。

虚线框内的两个乘法器，一个低通滤波器和一个LNA及频率合成器构成PLL(锁相环)电路，输出经过90度移相后与原来的信号共同组成解调需要的正交信号。锁相环的输入为两个晶体振荡器的输出。

实现本发明的实现方案是这样的：

1、系统包括四个部分：GPS卫星、安装了移动终端的汽车等移动物体、移动通信基站、数据处理中心局等。如图6所示，主要部分功能说明如下：

GPS卫星在系统中主要是一个信息发送器，目前可以使用美国的GPS卫星，以后可以使用中国的地球同步轨道GPS卫星。

安装了移动终端的汽车等移动物体是将本发明的终端设备装置在移动物体上，设备跟随物体移动时获得该物体的GPS信息。主要功能为获得GPS信息，存储GPS信息，获得密码控制信息，发送GPS信息，工作模式转换的实现。

移动通信基站主要为GPS数据及其控制指令的转发站，可以是目前中国移动或中国联通的GSP或CDMA基站，也可以是以后的3G或4G基站。在本系统中不需要对移动通信基站进行任何改动。数据处理中心局预先存储各地的GPS信息，获得移动物体的GPS信息，分析及其比较GPS信息，进行单点或路线拟合，发送控制指令等。

在GPS卫星和移动物体携带的移动终端之间的信息是单向的。卫星为数据发送器而移动终端为数据接收器。

在移动终端和移动通信基站之间的信息是双向的。基站主要在数据处理中心局和移动终端之间作为转发器，政府的信息可以是数据流，也可以是指令流。移动终端根据基站转发的指令进行操作；或者进行数据的发送及其接收等。

基站和数据处理中心局之间的信息也是双向的。数据处理中心局接收基站转发的数据，包括GPS信息。语音信息及其图像信息等，对信息进行处理；同时，根据主管机关的指令，发送开支信息到基站，指挥相应的移动终端进行需要的操作。

2、监控系统将处理的信息划分为两个部分：数流据及其指令流。数据流指安装在移动物体上的终端设备获得的GPS信息，以及利用终端设备的语音编码通道附加必要的麦克风等获得的移动物体内部的人员的语音信息及其终端设备内部的数据编码器附加必要的CCD摄像头等获得的移动物体内部的人员的图像信息；指令流指物主或授权国家机关针对移动终端设备的工作模式进行控制的指令信息。

3、数据处理中心局采用单点拟合和路线拟合方式对GPS信息进行处理。一般利用最大似然算法，对预先存储的GPS信息和移动物体轨迹的GPS信息进行比较，根据判决条件推断移动物体的真实轨迹。监控系统的数据处理中心局主要由数据的高速输入电信链路、计算机、显示设备和相应的软件构成。

4、监控系统的移动终端设备主要由现在的手机部分功能(振铃等功能不需要)和GPS功能有机揉和在一起的移动终端通信设备。包括：天线部分、GPS接收通道部分、手机的接收及其发送通道部分、必要时添加的麦克风和CCD摄像头等设备。移动终端的工作模式可以转换。其中的GPS功能为定时工作模式；而数据的发送和接收采用事件触发模式。当移动终端根据数据中心局的振铃进行相关操作时，GPS仍然可以定时工作，其数字数据将存储在内部的小容量半导体存储器中。

如图3所示，移动通信发送通道：语音信号或者数据信号经过编码后在进行信道编码处理，然后有数字信号经过DAC后转换为模拟信号，经过射频处理发送到天线。

移动通信接收通道：天线接收的信号经过射频接收器后转换为基带信号，ADC将此信号由模拟信号转换为数字信号，然后经过理克技术处理机后进行解码，最终转换为数字语音信号或数据信号。

移动通信辅助模块：搜寻器和系统环境维护机制及理克接收机构成自适应接收系统，自动频率控制算法和合成器将信号调制或解调到适合的频带上，自动增益控制算法将调整接收信号的振幅到ADC合适的范围内，系统时序为整个系统提供同步及其处理需要的时钟信号，而微处理器单元提供必要的控制逻辑。

GPS天线接收信号经过声表面滤波器后选择后进入LAN进行增益处理，然后经过正交解调后分为I及Q两路信号，两路信号分别经过LNA处理，低通滤波和增益控制后进入比较器，以数字的I及Q序列输出。数字序列输入到数据解码器进行处理以获得相应的GPS位置信息，然后此信息除显示给驾驶者外，进入数据编码器进行处理后进入发送通道。

GPS模块虚线框内的两个乘法器，一个低通滤波器和一个LNA及频率合成器构成PLL(锁相环)电路，输出经过90度移相后与原来的信号共同组成解调需要的正交信号。锁相环的输入为两个晶体振荡器的输出。

移动终端的工作模式转换及其信息流情况如图4所示。

移动终端可以有三个工作模式：移动通信的接收通道工作，移动通信的发送通道工作，GPS接收通道工作。实时模式下，3个工作模式是分时进行的；在实时模式下，根据移动通信的制式不同，可以为时分工作，也可以是码分工作。

当移动终端在接收指令时，如果定时工作的GPS通道也启动，则GPS信息在经过比较器处理后，进入内部的缓存器，暂时不占用数据解码器的工作资源；当移动终端处于实时工作状态而用需要GPS信息实时传送时，则GPS信息每隔设定的时间短暂占用数据解码器的资源，经过解码后通过移动通信终端的发送通道进行信息传递。

在以上移动终端的工作流程中，在实时模式下，由于移动通信的发送通道一直在工作，此时如果添加GPS信息的发送，可能引起内部的工作时序混乱。在移动终端中，需要判别基站的类型，如GSM类或CDMA类，然后在进行信息的发送。如果为GSM类，在发送的实时帧中，随机取消一帧，然后代替以GPS信息帧，在帧的类型中注明为GPS而非实时的移动通信帧；在CDMA中，需要从基站获得一个额外的伪随机码，在发送通道中将利用不同伪随机码调制的实时信息流与GPS信息流直接叠加，通过移动通信的发送通道传递到基站。

系统的数据流及其指令流处理流程如图5所示。

安装在移动物体的终端设备获得GPS信息后，判别是否接收到基站转发的控制指令，选择实时和非实时两种工作方式，实时方式下直接将GPS信息发送到基站，非实时方式下先将GPS数据进行存储，达到设定的条件后转发GPS信息到基站。基站接收和转发GPS数据流和指令流。

数据处理中心局接收到GPS信息后，将信息归入个人帐号，判断和选择实时与非实时两种工作方式，分别进行单点拟合及路线拟合；中心局同时接收和发送指令。

在数据中心局的数据处理中数据拟合采用最大似然算法进行。具体可采用单点拟合方法和路线拟合方法。

采用单点拟合方法时可采用如下两种具体方法：

1、时域平均法

时域平均法适合于移动物体在一段比较长时间内没有运动或运动速度非常慢的情况。如图7A所示，由于GPS卫星到移动终端设备之间噪声的干扰，在移动终端获得的位置信息总是在准确位置的附近摆动。距离准确位置近的数据出现的概率比较高而距离准确位置远的数据出现的概率比较低。在随机噪声的影响下，误差是随机分布的，经过简单的平均，就可以将误差减低，从而得到一个关于移动物体的比较准确的位置信息。

2、最小半径法

最小半径法适合于移动物体在一段时间内运动速度比较快的情况。在数据中心局内预先存储精度高于此移动物体运动位置的信息。如移动物体的运动速度为120公里每小时，移动终端每15秒采样一次GPS信息。则每一次记录GPS的数据表明的距离大约为500米。则在数据中心局存储的GPS信息精度可以设定为50米。

如图7B所示，当获得一次移动终端的GPS信息后，数据中心局的计算机将此数据与存储的数据比较，在50米半径内的计算机存储数据作为移动物体在当时的真正位置信息。如移动终端获得GPS信息为P1位置，在半径R内仅有一个计算机存储的GPS点P2满足要求，则此时的移动物体位置为P2。

采用路线拟和方法也可用两种方法。

1、加权平均法

加权平均法适合于不需要确定准确路线的移动物体轨迹拟和。如图8A所示，真实的轨迹为路线1，移动终端记录的GPS信息显示的轨迹为P1’--P2’--P3’--P4’--P5’--P6’--P7’。经过对相应的位置矢量进行加权平均算法进行拟合，则拟和后的路线为P1--P2--P3--P4--PS--P6--P7。与实际的路线1已经误差很小了。

在加权平均法拟和中，当前点的权重大而前后电的权重小。具体的数值可以根据不同的移动终端性能进行自适应调整。

2、最小平方误差法

最小平方误差法适合于将移动物体的运动轨迹与实际存在的线路进行拟和的情况。如图8B所示，存在两条较近的路线1和路线2，移动终端记录的GPS信息显示路线为P1--P2--P3--P4--P5--P6--P7，此方法可以判断运动物体是按照路线1还是路线2运动。

计算GPS记录的位置点P1～P7到路线1的距离L1’～L7’。

计算GPS记录的位置点P1～P7到路线2的距离L1～L7。

计算L1的平方……L7的平方，求和。

计算L1’的平方……L7’的平方，求和。

L1～L7的平方和小于L1’～L7’的平方和。

确定移动物体的轨迹为路线2。

本发明的方案可广泛地应用于移动物体监控的不同用途，图9至图12，分别表达了本发明应用于汽车自动定位业务、自动缴交路桥费业务、帮助查找嫌疑车辆业务的情况。

显然，除汽车而外，本发明还可用于其它的移动物体，图13给出了一个利用本发明帮助查找走私轮船的示意图。

Claims (3)

1、移动物体运动轨迹监控方法，利用移动通信与GPS技术相结合针对移动物体的位置监控，所依赖的硬件系统包括四个部分：GPS卫星、安装了移动终端的移动物体、移动通信基站、数据处理中心局；系统可采用两种工作模式：主动模式和被动模式；

主动模式的移动物体根据预先设置的触发条件，主动通过移动通信基站向数据处理中心局传送GPS信息；被动模式指移动物体在中心局的指令下，以实时或非实时方式向中心局报告GPS信息；GPS位置信息在中心局的处理有两种方式：单点拟合或路线拟合；

采用被动模式在系统中应设立三个优先级：物主个人级别、公共服务机关级别、司法及其国家安全机关级别；个人级别的密码不经过加密处理；其他两个级别的服务密码经过加密算法处理；给受监控的每一移动物体被授予一个唯一的数字符号身份及其三个不同授权密级的密码：个人密码、公共服务密码和授权机关密码，

在数据中心局中预先存储各地的GPS信息，移动物体的GPS位置信息发送到中心局后，与预先存储的GPS信息进行比较和拟合；经过拟合的数据传送给相关的具有更高管理优先权的第三者，后者根据需要，对移动物体进行实时、非实时监控或历史检索。

2、根据权利要求1所述之移动物体运动轨迹监控方法，其特征在于，GPS位置信息在中心局的数据拟合采用最大似然算法进行。

3、根据权利要求1所述之移动物体运动轨迹监控方法，其特征在于：所述工作模式可以在主动模式和被动模式之间转换；其监控的数据可以是实时或非实时的，两种方式可以互相转换。

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