北斗车载终端可行性报告[1]

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1、1、 项目概况，国内外同类研究情况1.1 项目概况 随着汽车数量的快速增长，道路堵塞、交通事故、环境污染、能源浪费等现象在世界范围内变得越来越严重。当今社会愈加需要利用高科技手段来改善日趋严重的交通状况，从而使得一个跨越多学科的新兴研究领域智能交通系统应运而生。智能交通系统(Intelligent Transportation System，简称ITS)致力于实现交通系统的信息化，智能化和社会化，可充分发挥道路交通潜能，有效解决日益严重的城市交通问题，因此备受世界各国，尤其是发达国家的关注。作为ITS的关键设备车载智能终端的发展极为迅速，并且日臻完善。 作为ITS的重要组成部分，车载智能终端有

2、着广阔的发展前景和巨大的市场潜力，由于其强大的硬件配置及优良的程序处理能力，使其可以应用在各类先进的信息化系统中，比如：出租车运营管理系统、货运管理系统、交通信息服务系统、公共交通系统、紧急救援系统等。在智能车辆终端设备上，导航定位技术、地理信息技术（GIS）、无线通讯技术等一直是必不可少的组成部分。本系统通过将导航定位技术、地理信息系统、通讯技术以及组件技术结合在一起，为用户提供各种信息，使他们更大程度上清楚自身的状况。监控中心可以实时连续地对车辆的位置、速度、方向、行程以及周围的详细地理环境等进行监控和查询，有效的指导驾驶人员正确的驾驶车辆，安全、准确的到达目的地（图1）。 图1 智能交通

3、系统 我公司的车载智能终端项目将基于我国自主研发的新一代导航定位系统“北斗”系统进行研究开发，其将配备的高性能处理器将为其提供强大的数据和图形处理能力。作为智能交通系统在车辆终端的数据处理及控制中心，其需实现的主要功能如下： （1）路径导航规划功能 导航模块主要实现三个功能，第一，实时导航，即根据用户提供的目的地，实现从当前位置到目的地的最优路径实时查找，引导用户顺利到达目的地。第二，最优路经规划，即系统根据用户需求以及目的地自动为用户规划一条最优路径，使得通过这条路径，用户可以最有效率的顺次到达各个目的地。第三，导航信息自主学习功能，在学习状态下行驶一段有效路径后，该智能终端就将经过路径内的

4、经度和纬度等信息按照一定的精度要求进行信息处理和计算，并将处理后的数据信息记录成标准的自主导航信息格式，记录的信息可以在本仪器上使用，也可以通过接口将其传输给其他智能终端使用。 （2）定位监控功能 定位监控功能是指智能终端按照要求把位置、状态等信息通过通讯网络发送到监控中心，监控中心则把车辆的具体位置显示在电子地图上，以进行监控调度。监控方式是定时监控，定时间隔可以根据需求自由选择，是运营公司管理车辆的手段。（3） 调度功能监控中心可以通过监控平台有选择地向车载智能终端发送调度信息。车载智能终端可以以文字显示方式来查阅信息。调度信息包括发布路况、天气等的普通信息，要求司机前往的时间、地点等的业

5、务信息。调度功能可以实现车辆和路线分配上尽可能的合理，提高车辆和道路的利用率。 （4） 防抢防盗功能包括各种报警功能、紧急处理功能。报警功能是指车辆在异常情况下，由司机或车载智能终端自动向监控中心发送信息的功能，包括反动报警、防盗器报警、区域报警、超速报警、断线报警等。紧急处理功能是指监控中心在收到车载智能终端发来的警情后，对车辆实施的处理，包括断开电路等功能。1.2 国内外同类技术水平 卫星导航的应用近几年来在消费市场发展的强劲势头表明，以GPS为代表的导航应用产品，由于其能够很容易的提供位置、速度和时间信息，所以会很快成为现代信息社会的重要信息来源，成为信息时代的国家基础设置之一，同时由于

6、其功能强大、使用方便、价格合理，所以能够与其他系统广泛结合，形成大量的新应用、新产品，迅速便捷的进入人们的日常工作和生活中。卫星导航定位技术随着通讯及电子技术的迅速发展，结合先进的通讯技术，实现大范围监控，并会随着信息化建设的发展，形成各地区、各行业、各种不同的监控网络的互联互通和信息共享。卫星导航车辆监控技术应用水平相对先进，其应用行业多数集中在出租车调度管理、医疗急救调度、特种及危险车辆管理、公众车辆安全救护和自主导航等方向。汽车电子技术的完善和公路路网的覆盖需要，使得车辆智能终端必将会成为智能交通管理系统（ITS）中的重要组成部分。但是由于美国GPS系统的成熟高效，目前国内外市场上几乎绝

7、大部分车载导航终端都是采用GPS导航模块，这给我国的相关行业造成了很大的隐患。目前世界上卫星导航定位系统主要有中国的“北斗(BD)”、美国的“GPS”、俄罗斯的“格洛纳斯（GLONASS）”、欧洲的“伽利略(Galileo)”四套。其中美国的GPS 系统是世界上最早的全球定位系统，它是一种利用导航卫星进行测时和测距，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的无线电导航定位系统。其由三部分构成：一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成；二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面；三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。GPS具有全天候、全覆盖、七维定点

8、定速定时高精度、快速省时高效、应用广泛，功能多、可移动定位等六大特点，现在在全球范围内广泛应用。欧洲的伽利略(Galileo)是由分布在3个轨道上的30颗卫星组成。该系统与GPS类似，可以向全球任何地点提供精确定位信号。由于“伽利略”系统主要针对民用市场，因此在设计之初，设计人员就把为民用领域的客户提供高精度的定位放在了首要位置，与美国的GPS相比，“伽利略”系统可以为民用客户提供更为精确的定位，其定位精度可以达到1米，而GPS只能达到10米。俄罗斯的“格洛纳斯(GLONASS)”系统计划始于上世纪70年代，是与美国GPS 系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分

9、组成。“GLONASS”系统的主要用途是导航定位。该系统目前正在进行卫星更新和建设，最终GLONASS星座由27颗工作星和3颗备份星组成，届时，其定位和导航误差范围将从目前的5米至6米缩小为1米左右，就精度而言该系统将处于全球领先地位。我国也建立了一套拥有我国自主知识产权的，继美国的“GPS”、俄罗斯的“格洛纳斯（GLONASS）”和欧洲的“伽利略(Galileo)”之后第四个成熟的“北斗（BD）”卫星导航定位系统。“北斗”导航系统具有其他导航系统所不具有的优点，“北斗一代(BD-1)”卫星定位导航系统具有快速定位、双向通信和精密授时三大基本功能。“北斗二代（BD-2)”卫星导航系统是建立在“

10、北斗一代”基础上的新一代系统，该系统空间段最终将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。系统目前已拥有9颗组网卫星，已建成覆盖我国及周边地区的基本系统，并开始提供试运行服务。到2012年年底，该系统将实现14星组网，完成亚太区域导航系统建设，投入正式运行。“北斗二代”提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为厘米级，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。“北斗二代”卫星导航系统将克服“北斗一代”系统存在的缺点，同时具备通信功能，其建设目标是为我国及周边

11、地区的我军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。该项目将完全基于我国新一代导航定位系统“北斗二代（BD-2)”进行全面的研究开发，必将为北斗导航系统的终端产业化应用以及提升北斗系统在终端导航设备领域的占有率做出积极贡献。2、 市场需求、经济、社会、生态效益分析2.1 市场需求、经济效益分析目前我国正处于汽车产业的高速发展期，根据2010年统计，我国运输部门登记在册运输车辆900 多万辆，其中280万辆是客运车辆，620万辆是货运车辆。以长途运输为例，这是我国卫星导航系统在物流运

12、输管理上能发挥重大作用的领域，其应用市场需求迫切，潜力巨大。从实际情况来看，2005年以来，我国运输市场持续升温，各种物流系统均显示出对卫星导航车辆监控管理系统的明显需求。目前，各省市为了加强交通运输管理，已逐步要求在长途客运车辆上安装卫星导航的智能车载终端。特别在广大的西部和东、中部通信困难地区，北斗的定位和通信功能能很好地解决这些问题。同时，国内几家大汽车厂，如一汽、二汽、上海大众与通用等均在各自的豪华轿车上将智能车载终端作为了其基本配置，而且均有在普通轿车上将车载智能终端系统作为标准配置的打算和行动，估计正式启动后，在近35年内，每年都可能有几十万套的需求量。从发展趋势看，3年后超过60

13、万套是可能的。“十二五”期间，累计量可能达到130万套，随后便是高速发展期，出现35年的成倍年增长率。2.2 社会、生态效益分析近年来，我国经济呈现出突飞猛进的增长速度。未来10年，基于“北斗”系统的导航终端应用行业将成为我国高新技术领域增长最快的行业之一，成为国家经济发展的重中之重。而凭借我国汽车保有量的持续的大幅度增长，车载智能终端领域必将成为推广“北斗”导航系统产业化应用最为至关重要的领域。因此，该项目起到的作用是不可忽视的，此项目带来的社会效益主要有以下几点：（1）该项目的实施，必将大大促进了我省乃至我国北斗导航终端行业的发展进程。目前市场上的导航终端设备几乎全部依赖于美国的GPS系统

14、。此产品的开发应用，将大大促进我国“北斗”系统的终端设备的产业化进程，为推动普及“北斗”导航卫星定位系统做出积极的贡献。（2）车载智能终端将大大提高运输行业的工作效率，改善了人们的生活质量；同时对减少燃油消耗、降低尾气污染、减轻道路拥堵以及降低犯罪案件的发生都会产生积极的效果。（3）该项目的实施可以使国内用户使用自主知识产权的卫星导航系统，拉动国内用户对卫星导航系统的需求，推进我国“北斗二代”系统更好更快的建设。（4）该项目的实施对推动我国卫星导航定位的产业化、民族化，提高我国卫星导航定位的应用水平，推动国民经济信息化的进程，带动相关产业的结构调整、升级有着极为重要的意义。三、主要研究内容、技

15、术关键3.1 主要研究内容：本项目研究的有益效果是可以应用于规模化的车辆管理，利用北斗卫星定位技术与无线通讯技术相结合，通过最先进的嵌入式技术进行整合，实现远程监控、导航指引、业务调度、营运管理、预置报警、防盗防劫以及稽查取证等功能。 该项目主要研究内容如下： （1）北斗导航功能模块及其控制程序的设计研究：制定北斗信号的接收、提取、解析的多线程解决方案；北斗导航数据动态滤波算法研究；研究运用TCP编程实现北斗数据的无线网络传输。 （2）航位推算(DR)模块的设计研究：高性价比惯性器件的选择及其硬件电路的设计；DR模块接口程序的设计；北斗/DR卡尔曼滤波数据融合算法的研究设计。 （3）无线通讯模

16、块的研究设计：GPRS模块及其外围电路的设计；GPRS模块的软件设计；UART接口通讯电路设计。 （4）车用CANbus总线通讯模块：独立的CAN控制器电路设计；高速发送接收器电路设计；由光电耦合器件构成的抗干扰电路设计；基于CANbus总线的系统接口电路及程序设计。 （5）宽范围多车型电源管理模块：车辆电源接入端滤波与稳压电路设计；嵌位输出电压电路的设计；电压控制与转换电路设计。 （6）车用遇劫报警模块及相关录音拍照模块：防盗报警流程的分析与相应程序的设计；基于ARM的摄像头控制与数据传输电路设计、系统大容量存储电路的设计。 3.2 主要关键技术：（1） 北斗接收模块的研究设计： 该项目导航

17、模块完全基于我国自主研发的北斗导航系统。因此，与传统GPS信号和GLONASS信号的接收和处理可利用不同成品模块来完成，北斗作为一个新建立不久的导航系统，其信号的接收和处理没有现成的经过实践检验的成熟系统模块可以利用，需要对其进行从头研究开发，以提出基于北斗系统的导航信号接收、提取、解析的整套硬件与软件解决方案，使北斗模块能良好的与整个系统结构（图2）兼容。 图2 系统结构图（2）北斗/DR卡尔曼滤波数据融合算法的设计研究： 北斗DR组合导航定位系统的基本思想是利用具有互补性能的GPS和DR子系统，借助于计算机技术和信息融合(Data Fusion)技术，利用其各自设备性能上的互补特性，构成性

18、能优于其中任何一个子系统的组合系统，在现有的元件材料和制造工艺水平的基础上，从算法上达到定位输出为最优或次优，以满足高精度的定位要求。如何将多个定位传感器进行优化配置，加以性能互补，消除它们之间可能存在的矛盾，降低不确定性，获得更为全面、可靠的定位结果，是组合定位系统的主要目标。 在导航定位系统中，最成功、应用最广泛的信息融合技术就是卡尔曼滤波。在通信、控制和其它领域中，凡是从被噪声污染的信号中确定波形或状态，都可用卡尔曼滤波。卡尔曼滤波采用了递推计算的方法，不需要了解过去时刻的测量值，只需根据当前时刻的测量值和前一时刻的估计值，即可递推计算出所需信号当前时刻的估计值，而且能够在合适的条件下给

19、出无偏估计量。数据存储量小、实时性强，非常适合电子计算机计算，便于实际的工程应用。 因此，本项目计划通过对北斗和DR系统的状态变量进行卡尔曼滤波算法及其改进算法的分析研究，以期设计出车载北斗/DR组合导航定位系统滤波器结构及其算法，实现北斗和DR系统信息的动态融合，从而提高整个导航地位系统的精度。（图3 智能终端系统信息融合整体方案）图3 智能终端系统信息融合整体方案（3）高精度地图匹配(MM)技术的研究： 在实际车辆导航系统中,北斗/DR导航模块融合后的定位信息还需要与地图进行匹配才能满足导航的需求。因为由于各种因素，在导航电子地图上经常出现车辆轨迹曲线偏离实际行驶道路的情况，这不仅会给驾驶

20、员造成视觉上的错觉，而且这种错误的决策信息有时可能导致更为严重的后果。因此，研究如何快速、可靠、合理有效地减小这种误差，对提高车辆导航系统的性能非常有益，地图匹配是减小误差的一种有效方法。目前，对于地图匹配许多研究人员已经提出了各种算法，如基于最短距离、基于模式识别和基于模糊逻辑的地图匹配算法等。从地图匹配过程可以看出，影响匹配精度的因素主要有：卫星导航系统的定位误差、坐标转换误差、电子地图数据库误差等。 基于存在以上分析的误差，研究实现一种实用的高效地图匹配算法非常必要，目前，地图匹配的常规算法主要有位置点匹配方法，轨迹曲线匹配方法两种。位置点匹配算法具有算法逻辑简单、速度快、实时性好、所需

21、内存空间少等优点，但在道路密集、道路形状复杂和交叉路口等情况下，匹配准确率较低。而轨迹曲线匹配算法具有算法复杂、计算量大的缺点。在车辆行驶航向有较大改变，如在十字路口拐弯或角度变化较大的曲线和折线路段时，效果最好。但其它情况下有很大缺陷，易出现两条候选道路相关性相差不大的情况，造成实际行驶路线无法确定。 因此，基于现有算法存在以上诸多不足，本项目需要设计出一种高效的基于最短距离的改进型算法进行地图匹配，把偏离出道路的坐标点拉回道路上来。（4）PCB板电磁兼容技术的设计研究：由于受该终端体积限制，此项目PCB印制板体积小，通道数较多，本振数量多，并混合数字、模拟电路布板，易引起相互串扰，电磁兼容

22、复杂。因此本项目需在产品详细设计阶段就对电磁兼容性(EMC)问题进行考虑，这样才能真正保证产品的最终电磁兼容性能。同时综合电磁兼容、功耗和信号传播特性，对印制板材质和结构提出了很高的要求。该项目的PCB印制板设计预计采用8层电路（图4），电路各层整体设计均采用对称设计，对各层电路分布的阻抗和隔离进行规划，例如叠层厚度的设计、各层之间隔离等，以期做到电气性能优良的同时保持电路结构简练。 图4 8层PCB叠层结构四、预期目标4.1 项目预期达到的技术指标 功能实现 ±5%； 定位精度 ±15M； 数据到达率 ±99%； 使用寿命 28000小时； 工作电压 DC 9V26V； 工作电流 150500mA；4.2 项目预期达到的经济指标在项目的经济效益和产业化前景方面，本项目的开发成功，将极大的推动在车载终端领域“北斗”定位系统的推广及发展，市场前景十分乐观。本项目研制成功后，按每年平均销售10000套估算，预计年销售产值可达1000万元左右，年利润可实现130万元，可上缴国家税金50万元左右。由此可见，我们创新研发的基于北斗定位系统的车载智能终端具有很强的市场开发潜力和良好的产业化前景。10