基于北斗的车辆远程监控报警系统

摘 要：为了解决目前车辆远程监控报警系统存在的地域覆盖不广、信号不稳定、容易被监听和干扰等问题，通过对北斗卫星导航系统功能、通信性能的分析，提出基于北斗实现车辆远程监控报警的解决方案，并且介绍了在开发过程中遇到的数据通信和道路匹配等一些关键技术问题。该系统开发周期短、安装方便，因此具有广阔的应用前景。

关键词：北斗导航定位系统；车辆；远程监控；报警

中图分类号：P228.4文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1902104

Vehicle Remote Monitoring Alarm System Based on Beidou System

XU Xiaohan

(Naval Institute of Armament for Military Training,Beijing,102308,China)

Abstract：In order to solve the present questions of vehicles′long-distance monitoring alarm system about existence region cover not broad,the signal unstable,to monitor easily disturbance and so on,through analysing the Beidou satellite navigational system′s function and correspondence performance,to realize the vehicles long-distance monitoring warning solution that based on the Beidou,some key technologies question that meeting the data communication and the path matching in the performance history and so on are introduced.This system development cycle is short,easy installation,therefore has broad application prospect.

Keywords：Beidou navigation position system;vehicle;remote monitoring;alarm

1 引 言

车辆远程监控报警系统已经广泛应用于公安、消防、医疗急救、金融、交通运输、物流、行政管理等部门，极大地方便了人们的生产、生活。但目前投入市场的车辆远程监控报警系统大多采用GSM+GPS模式实现，即用GPS获取被监控车辆当前位置信息，利用GSM网的通信链路将位置、报警等信息传送至监控中心来实现监控和报警的功能［1-3］。这种实现模式受地域限制，在GSM网没有覆盖的地域无法使用，而且随着GSM用户的逐年增加，网络阻塞的情况日益凸现，尤其在节假日网络阻塞更加严重；另外受GPS的限制，在一些保密性较高的的部门不方便使用。也有一些车辆远程监控系统采用短波电台和中继塔作为通信链路，这种手段同样存在地域覆盖不广、信号不稳定、容易被监听干扰等缺陷。因此，目前车辆远程监控系统在应用上受到制约。

北斗一号卫星导航系统是我国自主开发的卫星导航系统，该系统兼有定位、通信、导航、授时四大功能，传输信息属于军用加密级别，服务区域完全覆盖我国疆域，而且已经对民间开放使用。该系统独特的设计思路，使该系统有作为对移动终端进行监控、导航功能的得天独厚的优势，利用该系统即可实现GSM和GPS两系统在车辆远程报警监控应用上的功能［4］。因此，本文基于北斗一号卫星导航系统设计实现了车辆远程监控报警系统。

2 北斗导航定位系统

北斗导航定位系统［5-8］利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。该系统由两颗地球静止卫星(80°E和140°E)、一颗在轨备份卫星(110.5°E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。 “北斗一号”的覆盖范围是北纬5°～55°，东经70°～140°,其定位精度为20 m。系统能容量540 000户/h。系统主要功能如下：

快速定位 快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。

实时导航 能对用户提供前进距离和方位，实时指示移动用户的行动；并具有紧急情况报警的功能，实现对遇险用户的紧急营救。

短报文通信 用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。

精密授时 中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。

因此从系统功能、覆盖范围、定位精度、容量等方面衡量，基于北斗实现车辆远程监控报警是很好的解决方案。

3 系统结构与原理

本系统利用北斗卫星作为通信链路，利用北斗用户机作为定位和通信模块，实现车辆位置、报警、控制命令等信息的传送。该系统主要由车载监控终端、报警监控中心、北斗卫星等组成，如图1所示。

3.1 车载监控终端

对不同的用户需求，车载终端可以提供不同的功能，配备也不尽相同，但通常由以下几部分组成：北斗车载设备(包括：北斗用户机OEM板、PC104、液晶屏、信号采集板等)、遥控器、监控报警器等。如图2所示。

北斗用户机OEM板作为车载终端系统的重要组成部分，主要负责定位和通信。

PC104中运行车载终端软件是车载终端的核心部分，完成定位、通信、控制信息发送以及状态显示等所有功能。

在液晶屏上显示道路状况、本车位置、运行状态等信息以及监控中心公布信息。

信号采集板主要负责采集车辆的车门、油箱、发动机等设备的状态信号，并将这些信号实时传送给终端软件；对于不同的车辆信号采集板有不同的接口设计。

监控报警器作为报警装置，设有LED显示灯、扬声器、功能按钮。用报警器的LED指示灯闪亮时的视觉信号和扬声器信号来定义与车载设备间的通信状况与工作状态的信息。可以完成电源欠压指示、布防、解除布防、防劫、解除防劫、报警、解除报警、远程解除、远程熄火等功能。

遥控器可在远距离遥控监控报警器进入布防、静音布防、解除布防等状态。

车载终端设备的主要功能及工作流程如下：

(1) 布防与解除布防

当车辆停止，车内人员离开车时按下遥控器或监控报警器快速布防或静音布防按钮。北斗车载设备进入布防状态，同时将布防信号通过北斗用户机传送至报警监控中心。终端软件根据信号采集板采集到车辆状态，根据位置信息、车门状态、发动机状态等信息判断车辆是否被盗。如果判断车辆被盗，则将被盗信号传送至监控报警器，报警器根据布防种类(快速或静音)则给出音响或灯光报警信号，同时被盗信号通过北斗用户机传送至报警监控中心。

当需要解除布防时，按下遥控器或监控报警器解除布防按钮，北斗车载设备退出布防状态，同时将解除布防信号通过北斗用户机发送至报警监控中心。

(2) 防劫与解除防劫

当车辆可能遇到劫持威胁时，按下监控报警器的防劫按钮，北斗车载设备进入防劫状态，同时将防劫状态信号发送至报警监控中心。报警监控中心收到信息后，将该车列入重点监控车辆，同时将处理信息回传给北斗车载设备，车载设备将该信息发送至监控报警器，报警器通过LED指示灯的变化或音响效果提示车内人员报警监控中心已经接到防劫报警。车载设备实时定位，并将位置、车速、油量等状态信息实时通过北斗发送至报警监控中心。

当危险消失需要解除防劫状态时，按下解除防劫按钮，北斗车载设备退出防劫状态自动进入监控状态，同时将该信息发送至报警监控中心。车载设备在监控状态时仍然需要实时将位置、车速、油量、速度等状态信息实时通过北斗发送至报警监控中心。

(3) 监控与解除监控

监控与解除监控命令都由报警监控中心发出，监控中心选择需要被监控的车辆，向该车发送监控命令。该车北斗车载设备接到后进入监控状态，并将该信息传送至监控报警器，报警器通过LED指示灯提示车内人员该车已经被监控。北斗用户机开始定位，信号采集板开始收集各种状态信息，并将这些信息实时通过北斗传送至监控中心。

监控中心选择需要解除监控的车辆，向该车发送解除监控命令。北斗车载终端收到后退出监控状态，同时将该状态信息发送至监控报警器，报警器通过LED指示灯的变化提示车内人员该车已经解除监控。北斗用户机停止定位，不再发送位置、状态等信息。当车辆处于布防、防劫、警戒状态时不允许对该车解除监控。

(4) 警戒与解除警戒

当车辆遇险时按下监控报警器的报警按钮，北斗车载设备进入警戒状态，同时将警戒状态信号发送至报警监控中心。报警监控中心收到信息后立即报警或派人解救，同时将处理信息(已经接到报警、已经出警等)实时回传给北斗车载设备，车载设备将该信息发送至监控报警器，报警器通过LED指示灯的变化或音响效果提示车内人员报警监控中心的报警处理进展。车载设备实时定位，并将位置、车速、油量、速度等状态信息实时通过北斗发送至报警监控中心。

当危险消失需要解除警戒状态时，按下解除报警按钮，北斗车载设备退出警戒状态自动进入监控状态，同时将该信息发送至报警监控中心。车载设备在监控状态时仍然需要实时将位置、车速、油量、速度等状态信息实时通过北斗发送至报警监控中心。

(5) 其他警示

根据车辆任务的不同可以设置不同的警示，比较常用的警示功能有：行驶中车门未关闭报警、油量不足报警、超速报警、越界报警等。这些警示通过判断信号采集板采集到的车辆各种设备的状态信息后，给出报警提示，通过监控报警器LED指示灯或音响效果给车内人员发出提示。

3.2 报警监控中心

对不同的用户需求，报警监控中心也可以提供不同的功能，配备也不同。一般报警监控中心主要由北斗指挥机、信息采集服务器、专用服务器、监控大屏幕等设备组成，还可能包括交换机、打印机和不间断电源等附属设备。如图3所示。

北斗指挥机与车载北斗用户机构成监控指挥网作为本系统的定位和通信链路。

车辆监控服务器与北斗指挥机相连，运行监控软件，实现车辆报警监控的所有功能。

在监控大屏幕上显示车辆监控态势图。

专用服务器与车辆监控服务器组网连接，用来存储车辆运行当前、历史数据和各种与监控相关的数据，并可通过交换机与其他监控中心联网连接构成级联指挥监控网，也可通过网络异地监控。

报警监控中心监控软件主要提供如下功能：

车辆监控

监控中心操作员可任意选择车辆发车监控指令，该车进入监控状态，自动回传位置、速度、油量等信息。

报警服务

实时接收车辆的布防、防劫、警戒、解除等信息，根据报警种类操作员进行相应的处理。

信息

给车载监控终端中文信息。

GIS系统

提供基本GIS服务功能：地图背景显示、鹰眼显示、地图基本操作(放大、缩小、漫游、量算等)、车辆位置路径匹配等。

远程控制

可以对车辆远程控制：打开、关闭车门锁；断油、断电；布防、撤防等。

操作员管理

值班员、系统管理员和车载监控终端管理系统，不同级别操作员拥有不同的权限，保证系统安全。

轨迹存储与回放

存储监控目标的轨迹和状态信息，需要时可以在电子地图上回放。

4 系统关键技术及实现

4.1 北斗数据通信

北斗系统通信能力有限，每次通信服务能够发送的数据长度为98 B，如果数据量超过98 B则必须分包发送。采取数据压缩技术可以使通信量增大，但是也不能从实质上解决问题。因此，为了提供通信效率，本系统在通信数据结构的设计上遵循了以下原则：

(1) 采用位段技术设计数据结构，极大限度地压缩数据；

(2) 除监控中心的信息外，保证每种通信数据长度不超过98 B，避免对数据进行分包；

(3) 对于监控中心的中文信息，信息长度可能超过98 B，只对该数据结构设计时进行分包处理。

(4) 对通信数据按内容的紧急程度进行分级，不同级别的通信数据在通信时权限不同，这样在数据结构设计时必须加入级别字段。

北斗系统的定位和通信服务不是连续的，根据用户卡级别不同设定不同的服务间隔。因此，在开发时必须根据申请的用户卡实际服务频度进行定位和通信申请。否则出现超频的情况，会引起通信数据丢失。

4.2 地图道路匹配

北斗系统定位精度为20 m。但是，在车辆行进过程中，偶尔出现的桥梁、涵洞、树林等可能遮挡北斗天线，使北斗用户机暂时不能服务，所以为了使车辆能够准确地标注在所行使的道路上，必须进行地图道路匹配。即当定位误差过大或暂时没有定位数据时，在监控中心的地图上仍然能够看到车辆正确地行驶在道路上，而不是进入道路两侧的居民地中。具体方法如下：

道路匹配的思想是通过车辆北斗定位航迹与GIS电子地图上矢量化的路段进行匹配，寻找车辆当前行使的实际道路，并将当前车辆位置点投影到道路上。通过搜寻并根据推算确定车辆附近位置所能利用的道路，然后将推算的路径和确定道路形状进行比较，相匹配后根据选定的道路按行使路程来确定车辆当前的位置。从而使车辆在电子地图上的显示不至于因定位误差而偏离道路。

当没有定位数据时，则采取辅助定位的方式确定车辆当前的位置。其思想是获取车辆当前行使方向、速度、里程，推算车辆下一定位时刻的位置，这种推算随时间的延长会带来积累误差，但对偶尔出现没有定位数据时的辅助定位手段还是可行的。

5 结 语

本文以北斗一号导航定位系统作为定位和通信链路，设计开发了一套车辆远程监控报警系统，并解决了在开发中遇到的数据结构定义、地图道路匹配等关键技术问题。该系统可在我国境内应用于各种有监控报警需求的移动终端上，不受时间、地域、天气的影响，安装携带方便，有实用推广价值。

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作者简介 徐晓晗 男,1978年出生,河北乐亭人,硕士。海军军训器材研究所工程师。主要从事大地测量、地理信息系统、卫星通信、作战仿真等方面的研究。