1、 在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。 （2） 地面监控系统 对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由
2、地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 （3）用户部分用户通过GPS接收机接收卫星信号、解码、通过计算可求得定位结果。GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，
3、甚至三维速度和时间。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。1.2 GIS原理GIS是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究技术，是多种学科交叉的产物，是一种特定而十分重要的空间信息系
4、统。它是在计算机硬件、软件系统的支持下，以地理空间数据库为基础，采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据，为地理研究和地理决策服务的空间信息系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。按照GIS对数据采集、加工、管理、分析和表达，可将GIS软件系统中与用户有关的软件分为五大子系统，它们分别是：（1）数据输入与转换子系统GIS的数据输入子系统是把现有的外部数据（如现有地图、外业测绘结果、遥
5、感影像和文字资料等）转换成计算机兼容的便于GIS系统处理的内部格式的过程。（2）图形及文本编辑子系统GIS的图形编辑功能是最常用到的功能之一，现在的GIS软件一般都具有较强的图形编辑功能。在图形编辑系统中可直接参照图形输入数据，实现图形数据与属性数据的直接连接。（3）空间数据存储与管理子系统数据存储和管理涉及地理元素（地物的点、线、面）的位置、空间关系以及属性数据如何构成和组织，使其便于计算机管理和系统用户理解等。空间数据库的操作包括数据格式的选择与转换、数据查询及数据库连接操作等。（4）空间查询与分析子系统GIS的空间查询与分析语言类似于数据库管理系统中常用的SQL查询语言，它是对SQL语言
6、的补充和扩展，使之支持空间数据库。空间查询与分析包括实体对象的属性查询分析和实体的空间关系的查询分析。（5）数据输出与表达子系统数据的输出与表达是指将GIS原始数据或经用户转换、查询、分析及重新组织后的数据以地图、属性表格、统计图及文字等多种形式展示给用户。这是GIS系统与用户交互的关键所在，直接影响到系统开发的最后效果。目前可以采用的输出设备有计算机显示器、打印机、绘图仪、照排机等。在输出之前一般还应进行数据校正，误差调整，平板排版及不同系统之间的数据转换等操作。2.GPS/GIS对物流企业的必要性2.1 GPS/GIS在物流企业中发展的原因随着企业电子商务的崛起，分销渠道的进一步整合和供应
7、链管理的出现，要求物流企业能够向客户提供全面的配送解决方案。但信息技术应用的落后，使得上下游企业之间物流活动难以协调，让物流活动变成模糊的黑洞，成本高且可控制性差，严重制约了我国物流企业的发展。据中国仓储协会的调查报告显示，我国车辆运营的空载率约45%左右。造成这一情况的重要原因之一就是物流企业无法准确知道运行车辆的具体位置，而且无法与司机随时随地的保持联系，不能为其组织货源和灵活配货。同时，司机只能凭个人经验确定路线，有时不能找到最佳路径，不仅延误时机而且增加运行成本。另外，实际客户也不能及时了解货物配送过程的情况，不能和物流企业协调配合。随着互联网的发展和通讯技术进步，跨平台、组件化的GI
8、S（地理信息系统）和GPS（全球定位系统）技术的逐步成熟，基于GPS/GIS的应用将构造具有竞争力的透明物流企业。为了满足现代物流业的迅猛发展需求，对重大突发事故以及不可抗拒的自然灾害能及时、有效地处理，使损失减至最小，现代化的物流公司拥有与管理相适应的车辆监控中心。GPS/GIS车辆监控系统是通信调度指挥系统当中的一个重要部分，从而达到提高运营效率、减少空载运营，同时可增强盗劫的安全性能。GPS车辆监控管理系统能对车辆进行实时监控、跟踪、调度和管理，是投资少、覆盖面广、技术先进的车辆监控和调度系统。2.2 GPS/GIS在物流企业的应用优势（1）GPS/GIS的应用，必将提升物流企业的信息化
9、程度，使企业日常运作数字化，包括企业拥有的物流设备或者客户的任何一笔货物都能用精确的数字来描述，不仅提高企业运作效率，同时提升企业形象，能够争取更多的客户。（2）在运输方面，利用移动计算机与GPS/GIS车辆信息系统相连，使得整个运输车队的运行受到中央调度系统的控制。中央调度系统可以对车辆的位置、状况等进行实时监控。利用这些信息可以对运输车辆进行优化配置和调遣，极大的提高运输工作的效率，同时能够加强成本控制。另外，通过将车辆载货情况以及到达目的地的时间预先通知下游配送中心和仓库等，有利于下游单位合理地配置资源、安排作业，从而提高运营效率，节约物流成本。同时客户也能通过互联网技术，了解自己货物在
10、运输过程中的细节情况。另外，人的因素也处处存在，而GPS/GIS能够有效的监控司机的行为。（3）通过对物流运作的协调，促进协同商务发展，让物流企业向第四方物流角色转换。由于物流企业能够实时地获取每部车辆的具体位置、载货信息，故物流企业能用系统的观念运作企业的业务，降低空载率。这一职能的转变，物流企业如果为某条供应链服务，则能够发挥第四方物流的作用。物流企业通过无线通信、GIS/GPS能够精确地获取运输车辆的信息，再通过Internet让企业内部和客户访问，从而把整个企业的操作，业务变得透明，为协同商务打下基础。3.车辆监控系统的设计3.1车辆监控的原理车辆监控系统是在充分利用地理信息系统（GI
11、S）、卫星定位系统（GPS）和全球数字移动电话系统（GSM）相关技术的基础上,开发的用于对车辆目标进行实时监控的计算机网络系统。车辆监控系统主要由三部分组成:车载设备、通信网络和监控中心。其中车载设备采用单片机开发,与监控中心之间采用短消息方式进行通信。监控中心端的程序用VC+开发,主要分为四大模块:界面设计、数据库、串口通信和电子地图,其中电子地图模块使用MapX控件来完成。车载台GPS卫星GSM监控中心GPS卫星信号接收短消息形式传送数据包短消息传送数据包图2 GPS和GSM车辆监控系统总体组成图整个系统的工作原理如图2所示,监控目标上的车载单元通过GPS模块接收GPS卫星每秒钟发来的定位
12、数据,并根据从三颗以上不同卫星发来的数据计算出自身所处的地理坐标经度、纬度和速度、方向等。这些数据通过GSM模块,利用短信的形式将车辆的位置、状态等信息按规定的协议发送至GSM网络。GSM网络将接收到的信息传送至监控中心的通信网关上,监控中心将收到的数据整理存入数据库,同时与计算机系统上的电子地图相匹配,在地图上显示坐标的正确位置,经过通信网关处理后,转发到GIS监控终端。这样控制中心就可清楚和直观地掌握车辆的实时信息,并且通过短消息的形式把交通、道路和控制等信息传递给用户，从而对车辆进行导引和控制。在车辆遇到紧急情况时，可通过车载单元进行报警，将车辆所在位置、报警类型等数据发送至控制中心，经
13、监控计算机处理后，及时将事发车辆的精确位置显示在电子地图上。3.2车载台硬件设计车载设备由车载控制器、车载显示器、GPS及GSM天线、电话手柄、免提套件等组成。（1）车载控制器车载控制器采用Motorola公司的GPS接收机，Sie-mens公司的GSM工业级模块，以及高速单片机控制器，性能稳定、工作可靠，适应汽车上的恶劣工作条件。该控制器具有8路开关量输入、4路开关量输出,终端可以通过RS232接口，外接PC终端对移动终端进行配置。如在这些接口上接入各种报警开关、传感器，也可通过这些接口控制车上的电气设备，如中央门锁、电子点火系统等。其原理框图如图3所示。看门狗（X25045）GSM模块（S
14、ienmens AI）音频处理电路SRAM（32KB）电平转换16C552（双串口、一并口）RS232接口GPS模块（Motorola8通道）电源管理、控制驱动电路继电路输出（4路开关量）输入（8路光藕I/O扩展（82C55）MICSPEAKERCPU82C51R+（89C58）图 3 控制器原理框图具有4 kB FLASH存储器的89C51单片机。他的P0口输出作为低位地址（A0A7）和数据公用合用总线，为了将地址和数据分离，加了片外地址锁存器74LS373。P2口用作高位地址总线。整个接口的工作软件都存放在4 kB FLASH存储器中，用他来实现数据暂存和转发、外部中断等功能。电平转换电路
15、是连接单片机和GSM网的桥梁通过他完成数据转换使，监控中心和车载台之间构成可靠的通信链路。因为监控中心和车载台之间是通过GSM网络进行信息传输的，而单片机输出的是数字信号,无法进入GSM网络,必须先经电平转换调制才可以发送;在接收端，接收到的信号必须通过电平转换进行解调才能进入单片机。这里选用的GSM模块，通过16C552（双串口一并口）接口与控制板相连。这里选用的GPS OEM板采用8通道的OEM模块，物理接口为IDC8结构，通过串口提供模块设置和GPS信息输出，速率为4 800 b/s或9 600b/s。（2）车载显示器车载显示器为全汉字交互终端，用于显示监控中心发来的调度命令等有关信息和
16、供司乘人员向监控中心发回车辆状态等信息，操作采用键盘分级菜单方式，易学易用。司乘人员常用的语句存储于模块中，供司乘人员与中心选用。显示器上还留有乘客信息显示屏接口，显示器显示由监控中心发来的及时的城市服务信息和广告信息等。该型号车载显示器接口包含：标准232接口、电话手柄接口、电话免提接口等，并配有IC卡插口，可用于上、下班考勤，触发车载控制器进入正常工作状态等，该显示器的各级菜单通常为按用户要求制作，并可远程更改。3.3车辆监控中心的网络拓扑结构为了确保传输的可靠性、稳定性、本系统软件部分各模块之间采用了TCP/IP协议通讯方式。在短消息派发中心与数据库服务器之间，短消息派发中心是服务端，数
17、据库服务器是客户端。数据库服务器与监控台之间，数据库服务器是服务端，监控台是客户端。在TCP/IP协议之上是我们定义的应用层协议，用于完成系统的各项功能，如图4。短消息进出通道GSM网短消息派发中心系统内部数据传输通道数据库服务器模块监控台图4 监控中心软件拓扑结构3.4数据访问控制服务器数据访问控制服务器主要负责监控客户端与数据库的访问控制。监控客户端通过WEB服务器向数据访问控制服务器发送请求，数据访问控制服务器根据请求类型，访问数据库或者访问通信应用服务器，然后将返回监控客户端要求的数据。数据访问控制服务器采用支持EJB（Enterprise Java Bean）的应用服务器实现（如JB
18、oss），由于EJB是符合分布式计算结构的商业应用组件，其良好的可扩展性，可靠性以及卓越的性能已经得到业界的一致好评和证实。3.5通信应用服务器通讯应用服务器主要负责对移动终端和监控服务器端之间的双向信息（GPS定位信息和监控指令）进行解析、转换和处理。有效的定位信息分别存储到GPS实时定位信息数据库和历史定位信息数据库中,需要实时显示在客户端的信息通过JMS发送出去（如疲劳驾驶、劫警、超速报警、违章停车等信息），由客户端负责接收并实时显示。历史定位信息数据库用于实现车辆历史轨迹回放，GPS实时定位信息数据库中的数据会实时更新,解析后的信息包括经度、纬度、速度、方向、状态、警报等，返回给通信应
19、用服务器。车载GPS设备类型的GPS消息的结构体定义及解析完全遵循面向对象的编程思想，对不同的车载GPS设备具有良好的扩展性。3.6监控终端设计监控终端接收和处理各个监控车辆通过监控服务器返回的定位信息，并在各监控终端和大屏幕的GIS电子地图上实时显示各监控车辆的当前位置、状态等信息，实现车辆的定位监控；监控终端可以实现对各监控车辆的指挥调度、救援各项数据的查询、统计等功能。监控终端主要有以下几个模块组成。1）GIS功能模块 图5 GIS电子地图（1）地图操作，如地图放大，缩小，漫游，全屏显示、鹰眼窗口的显示、目标详细信息显示、图层管理等；（2）地图量算，如量算长度，量算面积等；（3）地图选择
20、，如点选择，矩形选择，多边形选择等。2）安全监控模块安全监控模块是指对车辆进行实时的信息监控以及对被监控车辆所发送的报警信息进行及时处理的一个功能系统总称，目的是保障车辆的安全，并提供车辆的实时信息。主要包括三个子模块：（1）监控管理：包括车辆的呼叫、点名、轮询、重点监控、语音查询车台发送的短消息的接收；对车辆调度信息、服务信息的发送对车辆信息的手工查询和自动查询。（2）区域设防：包括对车辆矩形报警区域的设置；电子栅栏的设置（3）偏航设防：包括对车辆偏航报警路线的设置。监控管理返回车辆的实时信息，如位置、方向、速度等；区域设防当被监控车辆进入（驶出）制定的区域时系统自动报警；偏航设防，当被监控
21、车辆偏离指定的路线时系统自动报警。3）车台设置及控制模块车台设置及控制模块是指对车台参数进行的一系统的设置和对车辆的控制。它包含两个子模块：（1）车台设置：包括通话设置、预置短消息、设置密码、号码设置；（2）车辆控制：包括断油、断电、监听。监控中心可以设置车辆同外部环境的通话方式，设置车台中的短消息内容，设置监控车辆的司机进入密码和车台中存储的各种配置号码；当监控中心接到车台发送的报警信息后，发送给车台相应的控制命令，可对车辆进行控制。如某辆车发出防盗报警信息以后，服务中心接到报警，经过确认，可以向该辆车发出断油命令，则该辆车自动切断油料供给。4. 粤钢松山物流公司的车辆监控系统车辆监控系统是
22、粤钢松山物流公司通信调度系统中一个重要的部分，从而达到提高运营效率、减少空载运营，同时可增强防盗劫的安全性能。GPS车辆监控管理系统整合了全球定位系统、数字移动通信系统GSM、计算机网络系（Network）、地理信息系统GIS和计算机应用软件，它能对车辆进行实时监控、跟踪、调度和管理，是投资少、覆盖面广、技术先进的车辆监控及调度系统。4.1 汽车的调度监控系统的构成系统由3大部分组成：车载设备、通讯系统和主控中心。车载设备主要由GPS接收器、通讯装置和一些传感器组成，用以确定自身位置，并收集车辆信息，向主控中心报告，有时根据需要执行主控中心的指令通讯系统负责车辆与主控中心的通讯联系，是整个GP
23、S车辆调度监控网络的神经中枢。监控中心与车辆之间需要双向传输语音、数据信号。主控中心由GIS网络系统构成，GIS系统即为城市地理信息系统。GIS系统将包含各种城市地理信息的电子地图集成到计算机中，使用者通过计算机在电子地图上进行调度、分析和查询。其系统结构如图6所示。外部设备 中心服务器 调度终端HUBGPS授时子系统车载设备子系统通信子系统数据管理子系统调度管理子系统地理信息子系统系统维护子系统图6 车辆监控系统组成图4.2调度监控系统的功能目前我国汽车的拥有辆越来越多，交通行业的高速发展，城市车辆、驾驶员及交通流量大幅度增长。在此形势下，物流企业所属车辆需要实行有效的调度监控，以节约开支，
24、提高效率。粤钢松山物流公司应用调度监控系统的功能，可以对车辆实现以下的控制，从而做到信息灵敏，指挥有利，快速高效，有效地加强对车辆的调度管理。（1） 车载设备子系统车载终端是由GPS接收模块、GSM通信模块和中心控制模块组成，可采用车辆的电瓶供电。其结构如图7所示。GPS接收模块由GPS天线和GPS数据处理模块两部分组成，GPS天线负责接收GPS卫星发送的卫星报文，由GPS数据处理模块进行计算处理，解算出当前GPS天线所在地理位置，当前载体的速度、方向以及整个系统的标准时间。GSM通信模块负责与中心服务器的数据交换，发送GPS定位信息及车辆状态信息到中心服务器，接收中心发送的控制指令和调度信息
25、。中心控制模块是整个车载终端工作的控制中心，完成GPS定位信息和时间同步数据的提取、数据的打包，控制GSM模块与车辆控制中心之间的通信应答，通过报警单元、防盗单元等接口对车辆实施控制。另外车载终端提供报警按钮，液晶显示屏，通话手柄、耳机、麦克风、遥控器等可选配置。接口1（紧急报警）GPS天线无线遥控器外接音箱GPS接收模块中心控制模块外接微音NIC电源通话手柄（含医疗救助、交通救援等快捷键或为耳机通话器GSM天线接口2（超速报警）接口3（状态灯）接口4（车门开/关检测）接口5（断电控制）接口6（点火检测）接口7（断油控制） 图7 GPS车载终端结构框架图车载终端分布在各个移动车辆上，负责接收G
26、PS卫星定位信息，通过数据控制处理器算出车辆所处的位置坐标，坐标数据经过处理后通过符合GSM标准的无线GPRS模块，利用GPRS网络把车辆的位置、状态、报警等综合信息发送到具有静态IP地址的中心服务器，并存入中心数据库。中心服务器将收到的车载终端数据经过预处理之后分发给相应的监控终端。监控终端通过Internet或局域网与中心服务器组进行连接，实时接收中心服务器发来的数据，从而达到对移动目标的实时监控。也可以对移动目标的轨迹进行查询，移动目标的信息经过处理之后与信息管理系统上的电子地图进行匹配，并在地图上动态显示坐标的正确位置，这样监控终端即可清楚和直观地掌握移动目标的位置和状态信息，并进行相
27、应的处理。车载终端装有无线Modem硬件模块，用来实现通讯。为了同时支持短消息通讯和GPRS通讯，应包括SMS Modem和GPRS Modem。SMS Modem实现车载终端系统短消息的发送和接收；GPRS Modem实现车载终端系统与GPRS无线网络的通讯。对于不同用途的车辆，车载系统配备各有不同，但通常GPS车载终端由显示器、控制器、GPS天线、GSM天线等构成。用户通过显示器上的按键操作车载终端，收发信息。车载设备在核心CPU的控制下，完成定位、信息收发、电话、安全控制、智能菜单无线下载、外部数据传送及防盗功能。（2）通讯子系统车载终端实时接受GPS信息，通过GPRS将数据发送到应用服务器。应用服务器接收到数据后，发送给客户端监控软件，通过GIS系统显示车辆位置信息。车载终端同时支持GPRS通讯和GSM-SMS通讯方式。车载终端默认以GPRS方式与应用服务器进行通讯，当车载终端检测到GPRS信号弱时，将会通过SMS方式与应用服务器进行通讯，待GPRS信号恢复正常后，车载终端自动恢复到GPRS通讯方式。应用服务器需要开通一个公网IP的通讯端口13960作为侦听端口，藉此侦听来自车载终端的GPRSTCP登录请求GPRS通讯方式的工作流程为：车载终端向应用服务器的13960端口发出TCP连接请求，应用服务器收到
