城市车辆GPS定位与导航系统设计方案

　　系统的总体设计思想

　　1、定位功能的实现过程

　　车辆通过安装于底盘上的识读器获取用来标志唯一道路位置的编码信息之后，将其传递给车载端的GIS数据处理模块，GIS根据此编码信息，结合电子地图信息数据库（GIS模块的一部分），找出此编码信息对应的电子地图上的具体的地理位置点，进而通过显示模块将其显示在电子地图上。这样用户就可以看到自己当前所处的地理位置，实现了车辆自身定位的功能。

　　2、导航功能的实现过程

　　所谓车辆导航就是要确定一条车辆当前位置和目的地位置的线路信息，假如车辆现在处于A点，想要到达B点，则将B点的信息（直接输入名称即可）输入到车载GIS模块中，车载GIS模块通过电子地图信息数据库将目的地位置对应找到之后，与电子地图显示上的某一点对应起来，同时在两个点之间确定一条或多条可行路线，并且显示给用户。这样用户就可以根据电子地图上的目的地B点和现在所处位置A点情况，决定采取那条路线到达目的地。可以看出本系统不需要借助外界信号或网络的辅助作用，可以利用车载模块直接独立解决导航问题。

　　3、监控和调度功能的实现过程

　　在完成定位功能的同时，识读器将获取到的位置编码信息和车辆自身的唯一标志信息通过车载通信模块，利用移动通信网络数据传输方式（如GPRS等）传递给后台监控和调度中心，调度中心根据收到的信息，结合中心的GIS系统就可以得知此车辆现在所处的确切位置，从而实现了对车辆的实时监控功能。同时如果调度中心需要车辆去某一个目的地执行某项任务（如消防，医院救护等）时，调度中心就将目的地的位置编码信息通过通信网络传递给某一具体车辆，车辆得到此编码信息，并与自身电子地图上的点对应起来，从而实现导航，以最快的速度到达任务目的地。所以这主要是针对特殊的行业（公交、出租、医院救护、消防等）应用才需要用到的功能，因为对于一般的私人车辆用户来讲，没必要将自己的位置信息告诉给其他方，所以这是一个可选的功能。
　　系统各组成部分的详细设计说明

　　1、道路标签

　　概念——用来唯一标志某一具体物理位置的电子标签，它与GIS 电子地图信息数据库中的某一点具体对应，从而实现物理位置的显示和定位。

　　标签内的数据编码格式——电子标签的数据存储量可以达到很大，但是这里却不需要多么复杂，因为此编码数据只要能使得实际代表的地理位置的某一点与电子地图信息数据库中的某一点一一对应起来就可以了，所以编码的格式可以非常灵活，位数也不需要设计的过于复杂（这样也可以加快数据读取的速度）。所以完全可以在目前的GIS电子地图中的编码格式的基础上，进行一定的改动。

　　标签的道路粘贴和维护——这是本系统最大的难点所在，不仅要考虑城市道路路面的情况（软硬，路面材料，路面的变形情况）、还要考虑外界的环境情况（温度的变化，雨雪天气状况），此外还要考虑到一些车辆不规则行驶对标签碾压的情形。就路面情况考虑，系统标签首先考虑粘贴在一些路面状况比较理想的地面（所谓理想，主要指混凝土路面等比较坚实，不会随外界压力和温度发生太大型变的情况，比如立交桥、高架桥车道路面就比较理想）；就外界环境状况的影响，主要取决于标签自身物理特性的提高（耐低温、耐高温，耐变形和压力等品质）。目前已有RFID标签产品的耐温范围已经可以达到-40℃～140℃，此外对于抗变形和压力可以通过特殊的外包装和道路粉刷工艺来进行相应的处理。至于车辆不规则行驶带来的碾压现象，因为标签本身体积很小，同时车辆的轮胎接触面积较大，所以平均下来的压强并不能给标签造成直接的物理损伤，而且不规则行驶的情况在城市道路上并不是主要常见的。

　　2、车载终端

　　车载终端主要由识读器模块，GIS信息处理模块，通信模块（可选），显示模块组成，共同配合完成了了整个定位信息的处理和显示。

　　识读器模块——此部分模块负责准确地、快速地获取位于道路上的电子标签中的位置信息，它对道路标签的数据读取速度和车辆运行的速度直接决定了系统的定位精度。相同的车速情况下，识读器的阅读速度越快，则道路上的标签就可以间隔更小，从而定位的精度就可以更高。目前已有的识读器一般的阅读一个电子标签的时间可达到毫秒级，而在城市道路上运行的车辆的速度一般都限制在60km/h以内，按照这样的数值大约可以计算出标签的间隔距离在5m的情况下，仍然可以保证标签数据的快速准确的读取。也就是说，定位的精度相应的也可以相应的达到5m以内的精度，当然此外还要考虑GIS模块的数据处理和显示速度，所以保证10m的定位精度是理论可行的。

　　GIS信息处理模块——此部分模块负责将识读器获取的道路标签的编码信息进行处理，与电子地图信息库中的具体位置点对照，从而实现物理位置和电子地图上的显示点之间的对应。同时在导航应用中，此部分模块还要能够实现查询功能，即将输入的目的地转化为电子地图上的某一具体对应点的信息，从而提供给车辆导航路线。从某种意义上来讲，此部分模块的设计是整个系统的核心和难点，因为所有的定位、导航数据的处理全部由它来完成，具体实现时，可以借助目前已有的GIS 车载端模块，做一些必要的改变即可。

　　通信模块——主要负责将车辆识读器读取到的道路标签的编码信息传递给后台控制和调度中心，或者将后台中心的控制和目的地信息传递到车载端，从而实现中心对于车辆的监控和调度。因为系统在不需要外界网络支持的情况下已经完全可以独立完成定位和导航等功能，所以此部分模块本身就是可选的。主要针对一些特殊的行业应用，比如公交系统，消防，医院救护，交通事故处理系统等，在这些行业中，都要求实时地掌握系统内车辆的准确位置信息以便在紧急事件时做出最为有效和快速的反应。就目前的网络情况而言，可以借助于GPRS网络，因为GPRS网络一方面数据传输速率比较高，另一方面它可以实现持续在线，流量计费的特点，适合于突发性数据量的传送需求。

　　显示模块——即将GIS 处理后的信息数据完整地展示在电子地图上，但决不只是一个简单的显示，因为要完成独立导航时，需要输入目的地的有关信息，此时可以采用当前流行的触摸屏显示终端，将操作和显示界面集成在了一起，从而降低系统的操作复杂度。

　　系统方案实现的具体分析

　　本系统在具体工程实施阶段必须考虑以下几个问题：

　　1、道路路况的优劣，目前主要的城市道路还是停留在沥青路面的时代，这样的路面对于标签的布设会带来致命的威胁，因为在高温下，这样的路面发生较大的变形，直接影响标签的位置和稳定性，甚至直接造成标签丢失、移位；

　　2、车辆违反交通规则造成的标签碾压，这一点可以说是一个必须要考虑的问题，但是可以通过很多种途径来避免和尽量减少，其中道路标签基本都布设在每条行车车道的中央，大多数情况下车辆通过是不会形成碾压的；其次可以改进标签布设工艺，增加标签的受力面积，即在标签之外包装一层高硬度的防水硬性材料（目前市场已有的很多标签已经都具备一定的穿透能力，这样不会造成对标签阅读范围的太大影响），同时通过特殊的路面粉刷工艺，可以大大提高标签 的受力限度；

　　3、环境状况的影响，由于标签位于路面之上，不可避免地会遇到雨、雪天气的影响，为了减少外界条件变化带来的影响，要求标签的有很强的耐腐蚀，耐高温、低温特性，这都是对标签工艺的直接挑战，目前的标签已经出现了耐温范围在-40℃～140℃的产品；

　　4、成本的影响，标签的价格现在已经做到几美分到几十美分的范围内，但是车载终端的价格却还会带来较大的问题，但是根据目前GPS 车载终端进行改造，加上识读器模块，实际上也不会带来太多的问题；此外在标签的使用过程中，对于因为一些特殊意外的原因造成的标签损坏，还要进行及时的更新，虽然费用不是很多，但是同样也应予以考虑。

　　系统应用的设想：

　　基于以上工程实施必须考虑的实际问题，对本系统前期应用的主要领域和场合进行了如下的设想：

　　1、由于城市道路路况构造，标签的物理特性，以及部分司机不规则行驶等问题，直接大范围内铺设和推广此系统还为时过早，同时考虑到目前大多数城市（如北京）道路路况周边的环境并非都是高楼密集区，所以利用GPS即可，没有必要一次到位；

　　2、系统应用的定位：作为现有的GPS等已经成熟应用的城市道路交通定位系统的一种有益的补充，即在GPS可以实现定位的大多数路面，采用GPS定位，在一些特殊的区域，如高楼密集区，立交桥，高架桥，大型地下停车场等区域则利用此RFID系统实现定位，即在这些区域先进行小范围的道路标签的铺设；这样就要求对车载终端进行一定的改造，将GPS终端和识读器相结合集成在一起，从而实现城市道路定位“无盲区”的目标。