基于北斗的車輛遠程監控報警系統

摘 要：為了解決目前車輛遠程監控報警系統存在的地域覆蓋不廣、信號不穩定、容易被監聽和干擾等問題，通過對北斗衛星導航系統功能、通信性能的分析，提出基于北斗實現車輛遠程監控報警的解決方案，并且介紹了在開發過程中遇到的數據通信和道路匹配等一些關鍵技術問題。該系統開發周期短、安裝方便，因此具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：北斗導航定位系統；車輛；遠程監控；報警

中圖分類號：P228.4文獻標識碼：B文章編號：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

車輛遠程監控報警系統已經廣泛應用于公安、消防、醫療急救、金融、交通運輸、物流、行政管理等部門，極大地方便了人們的生產、生活。但目前投入市場的車輛遠程監控報警系統大多采用GSM+GPS模式實現，即用GPS獲取被監控車輛當前位置信息，利用GSM網的通信鏈路將位置、報警等信息傳送至監控中心來實現監控和報警的功能^［1-3］。這種實現模式受地域限制，在GSM網沒有覆蓋的地域無法使用，而且隨著GSM用戶的逐年增加，網絡阻塞的情況日益凸現，尤其在節假日網絡阻塞更加嚴重；另外受GPS的限制，在一些保密性較高的的部門不方便使用。也有一些車輛遠程監控系統采用短波電臺和中繼塔作為通信鏈路，這種手段同樣存在地域覆蓋不廣、信號不穩定、容易被監聽干擾等缺陷。因此，目前車輛遠程監控系統在應用上受到制約。

北斗一號衛星導航系統是我國自主開發的衛星導航系統，該系統兼有定位、通信、導航、授時四大功能，傳輸信息屬于軍用加密級別，服務區域完全覆蓋我國疆域，而且已經對民間開放使用。該系統獨特的設計思路，使該系統有作為對移動終端進行監控、導航功能的得天獨厚的優勢，利用該系統即可實現GSM和GPS兩系統在車輛遠程報警監控應用上的功能^［4］。因此，本文基于北斗一號衛星導航系統設計實現了車輛遠程監控報警系統。

2 北斗導航定位系統

北斗導航定位系統^［5-8］利用地球同步衛星為用戶提供快速定位、簡短數字報文通信和授時服務的一種全天候、區域性的衛星定位系統。該系統由兩顆地球靜止衛星(80°E和140°E)、一顆在軌備份衛星(110.5°E)、中心控制系統、標校系統和各類用戶機等部分組成。 “北斗一號”的覆蓋范圍是北緯5°～55°，東經70°～140°，其定位精度為20 m。系統能容量540 000戶/h。系統主要功能如下：

快速定位 快速確定用戶所在地的地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息。

實時導航 能對用戶提供前進距離和方位，實時指示移動用戶的行動；并具有緊急情況報警的功能，實現對遇險用戶的緊急營救。

短報文通信 用戶與用戶、用戶與中心控制系統間均可實現雙向簡短數字報文通信。

精密授時 中心控制系統定時播發授時信息，為定時用戶提供時延修正值。

因此從系統功能、覆蓋范圍、定位精度、容量等方面衡量，基于北斗實現車輛遠程監控報警是很好的解決方案。

3 系統結構與原理

本系統利用北斗衛星作為通信鏈路，利用北斗用戶機作為定位和通信模塊，實現車輛位置、報警、控制命令等信息的傳送。該系統主要由車載監控終端、報警監控中心、北斗衛星等組成，如圖1所示。

3.1 車載監控終端

對不同的用戶需求，車載終端可以提供不同的功能，配備也不盡相同，但通常由以下幾部分組成：北斗車載設備(包括：北斗用戶機OEM板、PC104、液晶屏、信號采集板等)、遙控器、監控報警器等。如圖2所示。

北斗用戶機OEM板作為車載終端系統的重要組成部分，主要負責定位和通信。

PC104中運行車載終端軟件是車載終端的核心部分，完成定位、通信、控制信息發送以及狀態顯示等所有功能。

在液晶屏上顯示道路狀況、本車位置、運行狀態等信息以及監控中心公布信息。

信號采集板主要負責采集車輛的車門、油箱、發動機等設備的狀態信號，并將這些信號實時傳送給終端軟件；對于不同的車輛信號采集板有不同的接口設計。

監控報警器作為報警裝置，設有LED顯示燈、揚聲器、功能按鈕。用報警器的LED指示燈閃亮時的視覺信號和揚聲器信號來定義與車載設備間的通信狀況與工作狀態的信息?？梢酝瓿呻娫辞穳褐甘?、布防、解除布防、防劫、解除防劫、報警、解除報警、遠程解除、遠程熄火等功能。

遙控器可在遠距離遙控監控報警器進入布防、靜音布防、解除布防等狀態。

車載終端設備的主要功能及工作流程如下：

(1) 布防與解除布防

當車輛停止，車內人員離開車時按下遙控器或監控報警器快速布防或靜音布防按鈕。北斗車載設備進入布防狀態，同時將布防信號通過北斗用戶機傳送至報警監控中心。終端軟件根據信號采集板采集到車輛狀態，根據位置信息、車門狀態、發動機狀態等信息判斷車輛是否被盜。如果判斷車輛被盜，則將被盜信號傳送至監控報警器，報警器根據布防種類(快速或靜音)則給出音響或燈光報警信號，同時被盜信號通過北斗用戶機傳送至報警監控中心。

當需要解除布防時，按下遙控器或監控報警器解除布防按鈕，北斗車載設備退出布防狀態，同時將解除布防信號通過北斗用戶機發送至報警監控中心。

(2) 防劫與解除防劫

當車輛可能遇到劫持威脅時，按下監控報警器的防劫按鈕，北斗車載設備進入防劫狀態，同時將防劫狀態信號發送至報警監控中心。報警監控中心收到信息后，將該車列入重點監控車輛，同時將處理信息回傳給北斗車載設備，車載設備將該信息發送至監控報警器，報警器通過LED指示燈的變化或音響效果提示車內人員報警監控中心已經接到防劫報警。車載設備實時定位，并將位置、車速、油量等狀態信息實時通過北斗發送至報警監控中心。

當危險消失需要解除防劫狀態時，按下解除防劫按鈕，北斗車載設備退出防劫狀態自動進入監控狀態，同時將該信息發送至報警監控中心。車載設備在監控狀態時仍然需要實時將位置、車速、油量、速度等狀態信息實時通過北斗發送至報警監控中心。

(3) 監控與解除監控

監控與解除監控命令都由報警監控中心發出，監控中心選擇需要被監控的車輛，向該車發送監控命令。該車北斗車載設備接到后進入監控狀態，并將該信息傳送至監控報警器，報警器通過LED指示燈提示車內人員該車已經被監控。北斗用戶機開始定位，信號采集板開始收集各種狀態信息，并將這些信息實時通過北斗傳送至監控中心。

監控中心選擇需要解除監控的車輛，向該車發送解除監控命令。北斗車載終端收到后退出監控狀態，同時將該狀態信息發送至監控報警器，報警器通過LED指示燈的變化提示車內人員該車已經解除監控。北斗用戶機停止定位，不再發送位置、狀態等信息。當車輛處于布防、防劫、警戒狀態時不允許對該車解除監控。

(4) 警戒與解除警戒

當車輛遇險時按下監控報警器的報警按鈕，北斗車載設備進入警戒狀態，同時將警戒狀態信號發送至報警監控中心。報警監控中心收到信息后立即報警或派人解救，同時將處理信息(已經接到報警、已經出警等)實時回傳給北斗車載設備，車載設備將該信息發送至監控報警器，報警器通過LED指示燈的變化或音響效果提示車內人員報警監控中心的報警處理進展。車載設備實時定位，并將位置、車速、油量、速度等狀態信息實時通過北斗發送至報警監控中心。

當危險消失需要解除警戒狀態時，按下解除報警按鈕，北斗車載設備退出警戒狀態自動進入監控狀態，同時將該信息發送至報警監控中心。車載設備在監控狀態時仍然需要實時將位置、車速、油量、速度等狀態信息實時通過北斗發送至報警監控中心。

(5) 其他警示

根據車輛任務的不同可以設置不同的警示，比較常用的警示功能有：行駛中車門未關閉報警、油量不足報警、超速報警、越界報警等。這些警示通過判斷信號采集板采集到的車輛各種設備的狀態信息后，給出報警提示，通過監控報警器LED指示燈或音響效果給車內人員發出提示。

3.2 報警監控中心

對不同的用戶需求，報警監控中心也可以提供不同的功能，配備也不同。一般報警監控中心主要由北斗指揮機、信息采集服務器、專用服務器、監控大屏幕等設備組成，還可能包括交換機、打印機和不間斷電源等外圍附屬設備。如圖3所示。

北斗指揮機與車載北斗用戶機構成監控指揮網作為本系統的定位和通信鏈路。

車輛監控服務器與北斗指揮機相連，運行監控軟件，實現車輛報警監控的所有功能。

在監控大屏幕上顯示車輛監控態勢圖。

專用服務器與車輛監控服務器組網連接，用來存儲車輛運行當前、歷史數據和各種與監控相關的數據，并可通過交換機與其他監控中心聯網連接構成級聯指揮監控網，也可通過網絡異地監控。

報警監控中心監控軟件主要提供如下功能：

車輛監控

監控中心操作員可任意選擇車輛發車監控指令，該車進入監控狀態，自動回傳位置、速度、油量等信息。

報警服務

實時接收車輛的布防、防劫、警戒、解除等信息，根據報警種類操作員進行相應的處理。

信息發布

給車載監控終端發布中文信息。

GIS系統

提供基本GIS服務功能：地圖背景顯示、鷹眼顯示、地圖基本操作(放大、縮小、漫游、量算等)、車輛位置路徑匹配等。

遠程控制

可以對車輛遠程控制：打開、關閉車門鎖；斷油、斷電；布防、撤防等。

操作員管理

值班員、系統管理員和車載監控終端管理系統，不同級別操作員擁有不同的權限，保證系統安全。

軌跡存儲與回放

存儲監控目標的軌跡和狀態信息，需要時可以在電子地圖上回放。

4 系統關鍵技術及實現

4.1 北斗數據通信

北斗系統通信能力有限，每次通信服務能夠發送的數據長度為98 B，如果數據量超過98 B則必須分包發送。采取數據壓縮技術可以使通信量增大，但是也不能從實質上解決問題。因此，為了提供通信效率，本系統在通信數據結構的設計上遵循了以下原則：

(1) 采用位段技術設計數據結構，極大限度地壓縮數據；

(2) 除監控中心發布的信息外，保證每種通信數據長度不超過98 B，避免對數據進行分包；

(3) 對于監控中心發布的中文信息，信息長度可能超過98 B，只對該數據結構設計時進行分包處理。

(4) 對通信數據按內容的緊急程度進行分級，不同級別的通信數據在通信時權限不同，這樣在數據結構設計時必須加入級別字段。

北斗系統的定位和通信服務不是連續的，根據用戶卡級別不同設定不同的服務間隔。因此，在開發時必須根據申請的用戶卡實際服務頻度進行定位和通信申請。否則出現超頻的情況，會引起通信數據丟失。

4.2 地圖道路匹配

北斗系統定位精度為20 m。但是，在車輛行進過程中，偶爾出現的橋梁、涵洞、樹林等可能遮擋北斗天線，使北斗用戶機暫時不能服務，所以為了使車輛能夠準確地標注在所行使的道路上，必須進行地圖道路匹配。即當定位誤差過大或暫時沒有定位數據時，在監控中心的地圖上仍然能夠看到車輛正確地行駛在道路上，而不是進入道路兩側的居民地中。具體方法如下：

道路匹配的思想是通過車輛北斗定位航跡與GIS電子地圖上矢量化的路段進行匹配，尋找車輛當前行使的實際道路，并將當前車輛位置點投影到道路上。通過搜尋并根據推算確定車輛附近位置所能利用的道路，然后將推算的路徑和確定道路形狀進行比較，相匹配后根據選定的道路按行使路程來確定車輛當前的位置。從而使車輛在電子地圖上的顯示不至于因定位誤差而偏離道路。

當沒有定位數據時，則采取輔助定位的方式確定車輛當前的位置。其思想是獲取車輛當前行使方向、速度、里程，推算車輛下一定位時刻的位置，這種推算隨時間的延長會帶來積累誤差，但對偶爾出現沒有定位數據時的輔助定位手段還是可行的。

5 結 語

本文以北斗一號導航定位系統作為定位和通信鏈路，設計開發了一套車輛遠程監控報警系統，并解決了在開發中遇到的數據結構定義、地圖道路匹配等關鍵技術問題。該系統可在我國境內應用于各種有監控報警需求的移動終端上，不受時間、地域、天氣的影響，安裝攜帶方便，有實用推廣價值。

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作者簡介 徐曉晗 男，1978年出生，河北樂亭人，碩士。海軍軍訓器材研究所工程師。主要從事大地測量、地理信息系統、衛星通信、作戰仿真等方面的研究。