基于CAPS/W ebGIS的车辆监控系统的研究

刘 建

(1.中国交通通信信息中心，北京100011;2.武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉430070)

近些年来，随着汽车保有量的快速增长，造成交通拥堵的状况不断加剧。作为一种解决交通问题的全新方式，ITS(智能交通系统)在国内外迅速发展。车辆监控系统是ITS的重要组成部分，是目前ITS的开发应用热点之一。

为向用户提供一个集车辆信息查询、实时监控和车辆管理于一体的多功能应用平台，实现车辆有效调度和安全监控，提高道路的利用率，减小社会流通成本，改善交通环境，增加社会效益，笔者结合CAPS(China area positioning system)定位导航技术和WebGIS，研究和实现了基于CAPS/WebGIS的车辆监控系统。

1 相关技术基础

1.1 中国区域定位系统CAPS

1.1.1 CAPS 系统组成

CAPS是中国科学院国家天文台和国家授时中心等单位利用现役在轨的通信卫星研制的一个有全球导航定位发展能力的区域卫星导航系统［1－3］。CAPS方案采用现役在轨通信卫星上的转发器作为中继，将地面生成的测距码和导航电文数据码转发给用户，实现导航和定位。

CAPS系统由空间段、地面监控系统和用户设备3个部分组成:

(1)空间段为导航星座，目前的卫星星座由同步卫星中卫一号(87.5°E)、鑫诺一号(110.5°E)、亚太一号卫星(142°E，小倾角同步通信卫星)和亚太1A号卫星(130°E)(备用)构成。

(2)地面监控系统主要包括地面卫星测控系统、转发式卫星高精度测轨定轨系统、导航信号生成与发送分系统、时频基准和监测分系统。CAPS的时频基准是地面原子钟，导航电文在地面生成，由地面监控站发送给卫星，再由卫星转发给用户。

(3)用户设备为各类CAPS导航接收机。通过采用伪码扩频技术和微波集成技术，可以实现接收机系统的小型化，满足各种用途的需求，实现导航、定位、授时和定姿。

1.1.2 CAPS 系统的定位原理

GPS卫星导航是以远地空间的卫星为空间位置和时间的测量基准，通过测量电波从卫星至用户的时间差，实现距离测量［4］。精确地度量电磁波从卫星至用户的时间差是卫星导航定位的关键。在CAPS卫星导航系统中，导航定位信号从地面段发出，通过卫星转发到用户，总的传播时间t∑由几部分组成:

把式(1)改写为:式中:τt为发射机线路时延;tU为地面段发射天线到第i颗卫星接收天线之间的传播时间;τs为第i颗卫星转发引入的延迟时间;tD为第i颗卫星转发器发射天线至用户天线之间的传播时间;τr为接收机电路时延;εi为各种因素造成的测量误差。

从式(2)可以看出，如果用户接收机能得到τt、tU、τs和 τr的数值(如通过导航数据包从地面段发送给用户)，并能测量t∑i，那么就可得到 tD(含有εi误差)，进而可求出用户到各颗卫星之间的距离，于是可从组成的多组球面方程求解，求出用户的位置。不同的是，GPS和GLONASS系统是直接测量 tD，而CAPS则是直接测量 t∑i，间接求出tD。

1.1.3 导航通信一体化

CAPS是一个以同步轨道卫星为基础的星基导航定位系统，为实现导航定位功能，CAPS所使用的都是每颗通信卫星的部分转发器，特别是对已购买的小倾角卫星，仅使用其中的一小部分转发器，造成资源被大量闲置。CAPS项目组提出系统内导航通信一体化的概念，利用CAPS系统C波段极其丰富的通信卫星转发器频率资源实现导航和通信双功能，基于这些不需要额外成本的资源进行设计，可以圆满地解决大用户容量与导航定位应用有关的通信问题。

1.1.4 CAPS卫星导航系统与其他导航系统比较

CAPS是区域导航系统，与美国的全球卫星导航系统GPS和俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS相比，在覆盖范围、卫星种类、数量和定位原理等方面都有不同之处［5］，如表1所示。

表1 CAPS卫星导航与经典卫星导航的原理比较

1.2 WebGIS

WebGIS 是Internet技术应用于GIS开发的产物，利用Internet在Web上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析等功能。笔者研究开发平台采用MapInfo公司开发的具有良好跨平台特性的MapXtreme for Java，可以将应用和数据发布在不同平台不同计算机上(如Unix，Linux，Windows 平 台);兼 容 J2EE Web Server和浏览器，可扩展性好;基于组件的设计、可靠性和多线程等为不断扩展应用程序提供了保证;可实现瘦客户机/服务器、中等客户机/服务器、胖客户机/服务器3种 W eb GIS模式［6］。

2 车辆监控系统的设计

2.1 系统组成

车辆监控系统主要由车载导航通信终端、监控中心，以及卫星通信网络3个部分组成。车载终端的主要功能是接收CAPS导航信号，计算当前车辆位置坐标、车辆状态等定位信息，并通过卫星链路将其发往地面站，地面站再将该信息发给监控中心。监控中心是以GIS数字地图为基础的数据库监视和操作平台，可为用户提供车辆信息数据库查询和GIS数字地图的操作功能。客户端Web浏览器通过互联网可访问监控中心主页，输入用户名和密码进入监控中心的车辆监控系统管理界面，选择要监控的车辆并在地图上显示出来，从而实现对车辆的实时监控管理。

2.2 系统功能设计

系统功能结构图如图1所示，其主要功能如下:

(1)车辆监控。车辆导航终端回传的定位信息包括经度、纬度和海拔高度等，可在电子地图上实时地显示出来，车辆运行位置和运行状况能够在界面上显示并能方便地查询车辆运行轨迹。

图1 系统详细功能结构图

(2)报警与远程控制。系统能实时显示在线车辆的报警信息，包括劫警、盗警、SOS求助、车载终端故障报警、超出范围报警、超出路线报警、超速报警和剪线报警等。当车辆遭到抢劫、盗窃等紧急情况时，监控中心可通过Web Browser客户端发送命令，对监控车辆进行锁门、断油断电和熄火等相应的急救措施，并联系公安部门，及时派人到达事发现场。

2.3 系统体系结构

该系统采用基于B/S模式3层体系结构，包括客户端浏览器、中间层的Web服务器、MapX-treme应用服务器和空间地图数据库，用户只需用Web浏览器通过Internet就可以登录该系统实现对车辆的监控、查询和管理等操作。MapXtreme for Java的WebGIS应用模型如图2所示。客户端浏览器通过互联网向Web服务器发送数据请求，然后Web服务器接受客户端的请求，并进行一系列的业务逻辑处理，再向MapXtreme应用服务器提出GIS地图的渲染和生成请求，MapXtreme应用服务器通过空间地图数据库和车辆信息数据库获取生成图像数据，并将生成的图像通过Web服务器封装后发送到客户端浏览器。在B/S模式下，GIS地图数据和应用程序都放在服务器端，客户端只需提出请求，所有的响应操作都在服务器端完成，因此系统维护只需在服务器端完成，客户端不需要维护，从而降低系统维护的工作量。

图2 MapXtreme for Java的WebGIS应用模型图

3 系统实现与测试结果分析

3.1 系统实现

车辆监控系统的实现包括4个部分:

(1)Java Web的实现。采用TOMCAT作为Web服务器和应用程序服务器，基于 MVC的Struts应用框架进行系统的开发。

(2)数据库的实现。采用SQL Server 2008作为系统数据库，记录相关数据;对数据库的访问采用面向Java环境的对象/关系数据库映射(object/relationalmapping，ORM)工具的 Hibernate框架，在Java对象与关系数据库之间起到桥梁的作用，负责两者之间的映射。

(3)Web地图的实现。笔者采用MapXtreme for Java的瘦客户模式，即MapJ对象位于服务器端，不使用 Applet，渲染在服务器端进行。MapXtreme for Java的4个主要组件(MapXtreme Servlet、MapJ对象、Data Providers数据提供方和Renderers渲染器)协同工作，用于访问地理数据，控制数据并为应用程序提供地图或数据。在客户端使用Javascript响应用户的操作，根据用户的请求生成相应的地图。在服务器端，使用一个名为MapService的Servlet，其作用是处理来自客户的地图请求，结合MapJ对象的状态，向地图引擎Map Xtreme Servlet发出图像请求。MapXtreme Servlet根据请求查询并生成矢量图形，渲染出栅格图像并发回MapService，再由MapService将生成的图像发回客户端显示［7－9］。

(4)定位数据的坐标转换。CAPS车载终端得到的经纬度数据采用基于WGS－84坐标系的大地坐标，包括经度L、纬度B和海拔高度H。实现CAPS定位数据在地图上的显示需要将经纬度坐标数据(L，B)先投影到平面坐标系(X，Y)，然后与MapXtreme地图中坐标进行拟合，再将平面坐标与屏幕坐标进行转换［10］。

3.2 系统测试结果与分析

(1)测试环境。在表2所示测试环境中实现对车辆运行轨迹以及跑车状态下通信状况的测试。

表2 测试环境

(2)测试结果分析。在车辆运行轨迹的监测测试期间，被测车辆的CAPS车载终端每秒定位一次，每5 min回传一次定位信息。图3为车辆监控系统监测到的7号终端6月5日运行轨迹的回放，图3中的圆点表示定位的点，数字“10”等表示回传定位数据的顺序序号。

图3 7号终端车辆的运行轨迹回放

在跑车状态下通信状况的测试中，多个终端之间进行了双向短消息通信试验，两个终端之间双向通信时，会把短消息传给监控系统，图4为车辆监控系统监测到的各用户之间的双向短消息通信内容界面图。

图4 CAPS终端数据报文通信记录界面图

将图3和图4与实际数据比对分析可知，在试验过程中监控系统能实时地监控到车辆运行状态和位置，车辆在地图上的位置与实际位置也一致，车辆轨迹回放与实际运行路线也一致，能监控到各个终端间的短消息，软件各功能模块运行正常，可以满足车辆监控要求。

4 结论

首先介绍了CAPS的基本工作原理，通过对车辆监控系统功能的描述与分析，提出了基于CAPS/WebGIS的系统体系结构。最后对实现的系统进行了实地测试，测试结果表明，该系统利用CAPS进行数据传输，可以较好地完成终端定位、与监控中心通信等功能，从而可以实时地掌握车辆的位置信息，较好地满足用户的需要。

［1］艾国祥，施浒立，吴海涛，等.基于通信卫星的定位系统原理［J］.中国科学:物理学/力学/天文学，2008(12):228－231.

［2］AIG X，SHIH L，WU H T，et al.A positioning system based on satellite communication and the Chinese area positioning system(CAPS)［J］.Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics，2008，8(6):611 －630.

［3］NING C L，SHIH L，HUC.GPS/CAPSdual－mode software receiver［J］.Science in China(Series G:Physics，Mechanics ＆ Astronomy)，2009，52(3):360 －367.

［4］施浒立，孙希延，李志刚.转发式卫星导航原理［M］.北京:科学出版社，2009:21－23.

［5］富立，范耀祖.车载定位导航系统［M］.北京:中国铁道出版社，2004:17－31.

［6］LIU Q，LU H P，ZHANG H L，et al.Research and design of intelligent vehicle monitoring system based on GPS/GSM［C］//ITST 2006－6th International Conference on ITS Telecommunications.［S.l.］: ［s.n.］，2006:1267－1270.

［7］刘书雷，李军，陈宏盛，等.基于MapXtreme的WebGIS解决方案［J］.计算机工程与科学，2004(2):15 －18.

［8］孟海滨，土嘉平，徐池，等.用MapXtreme实现基于Web的GIS系统［J］.计算机系统应用，2004(8):70－71.

［9］TAN H.Design and implementation of vehiclemonitoring system based on GSM/GIS/GPS［C］//2010 Second International Conference on Information Technology and Computer Science，IEEE.［S.l.］:［s.n.］，2010:413 －416.

［10］牛丽娟.测量坐标转换模型研究与转换系统实现［D］.西安:长安大学图书馆，2010.