武警部隊車載GPS終端改進設計的研究
不詳 ?佚名 ? 2009年12月01日 ? ?學術交流
武警部隊車載GPS終端改進設計的研究
文/國防科大計算機學院 于銳 朱培棟
一、引言
目前，世界各國都在推進新軍事變革，實現(xiàn)從機械化向信息化的轉型。國家綜合國力的增強和改革開放的深化給武警部隊后勤信息化建設提供了發(fā)展條件，武警部隊擔負的繁重“處突”、“維穩(wěn)”任務給后勤信息化建設提出了新的更高要求。目前，在武警總部黨委的正確領導下，武警部隊后勤信息化建設已經(jīng)做了一些有益的探索，并取得了可喜的成績，為部隊圓滿完成各項任務奠定了堅實的基礎。
武警部隊運輸綜合管理信息系統(tǒng)已初見成效，隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、全球移動通訊技術、地理信息系統(tǒng)等先進技術的運用，武警部隊的運輸保障任務將逐步實現(xiàn)動中通（三通：數(shù)據(jù)通、語言通、圖像）。在武警部隊運輸綜合管理信息系統(tǒng)中，車輛監(jiān)控定位子系統(tǒng)是最重要的組成部分，而車輛的監(jiān)控定位又離不開來自車載GPS終端的相關信息，在整個系統(tǒng)的設計中車載終端的設計是最為重要的一部分?，F(xiàn)武警部隊的車輛已配備了相當數(shù)量的車載GPS終端，但是系統(tǒng)運行好壞，信息是否流通，各級人員能否及時取到相應的信息，這在很大程度上就取決于車載終端的設計了。本文對武警部隊車載GPS終端進行了改進設計，從一定程度上提高了其效能。
二、車載GPS終端改進設計
在以往的中心決定式車輛導航系統(tǒng)中，車載終端大都未存有地圖數(shù)據(jù)，這雖然節(jié)省了一定的存儲資源和運算資源，但是也給駕駛員帶來了不便，尤其是無法進行實時的路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃只能夠在監(jiān)控中心進行。如閆光輝、孟杰在《基于3G的貨物動態(tài)跟蹤管理信息系統(tǒng)的研究與設計》中，王萌、楊曉云、周堅和、張增芳在《基于GPS/GIS的車輛定位系統(tǒng)設計》中，等等，車載終端采用主控制器控制GPS接收機、GSM無線通信模塊、隱蔽報警選件、液晶顯示屏等組件；潘崢嶸、陳曉宇在《基于GPS/GSM/GIS的公安專用無線跟蹤系統(tǒng)》中，翟戰(zhàn)強、蔡少華在《基于GPRS/GPS/GIS的車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)》中，等等，雖然采用了微處理器，但它們的圖形顯示功能和計算處理能力受到很大限制，使地圖匹配和路徑規(guī)劃無從談起。
對于武警部隊的駕駛員來說，執(zhí)行任務的過程是一個復雜多變的過程，在這個過程中存在很多的變數(shù)，而且很多時候還是在外地，駕駛員對于道路的情況并不是很清楚，他們的目標只有一個，就是安全、及時地到達目的地。在“處突”、搶險任務中，可以說，時間就是部隊的戰(zhàn)斗力，時間就是生命線。能否及時地規(guī)劃好行駛路線，對于駕駛員、部隊完成任務來說，都是極其重要的。以往的中心決定式車輛導航系統(tǒng)中，駕駛員遇有情況需改變行車路線，再尋最優(yōu)路徑時，需通過GSM網(wǎng)絡向監(jiān)控中心發(fā)送請求，監(jiān)控中心在獲取車輛的實時位置后，對車輛下一步的行駛路線進行規(guī)劃，然后再以短信息的形式通過GSM網(wǎng)絡反饋給駕駛員。這一過程比較繁瑣，特別是在網(wǎng)絡擁塞、監(jiān)控中心繁忙等時候，很容易造成信息延誤、遺失、發(fā)錯等現(xiàn)象，這與武警部隊執(zhí)行任務時間要求的緊迫性有一定的差距。故本文在設計車載GPS終端時，應用了最新的嵌入式計算機技術，采用基于Windows CE操作系統(tǒng)的導航計算機設計方案，具備強大的圖形顯示功能和計算處理能力，并且體積小、功耗低、可靠性高，開發(fā)平臺功能強、共享軟件資源豐富、硬件驅動支持多，從而能夠充分適應各種環(huán)境的特殊要求。
針對以上要求，這里研究的車輛導航系統(tǒng)應具備以下功能：
(1)系統(tǒng)能在90%以上的行程時間里確定車輛的實時位置，與實際位置的偏差應小于20m；
(2)系統(tǒng)能將車輛的實時位置轉化為地圖坐標與道路網(wǎng)相匹配，以提供車輛在路網(wǎng)中最可能的行駛路段以及車輛在該路段中所處的位置；
(3)系統(tǒng)能向駕駛員提供以地圖為背景的圖形化實時車輛位置顯示；
(4)系統(tǒng)能接受任務目的地請求，并按合適的規(guī)劃標準給出由當前位置或指定地點到達目的地的最佳行車路徑；
(5)系統(tǒng)能根據(jù)已規(guī)劃好的行車路徑產(chǎn)生實時的駕駛引導指令，并以圖形指示或語音提示的方式提供給駕駛員；
(6)系統(tǒng)能確定車輛當前是否已經(jīng)偏離了預定行車路徑并及時作出處理，或者以語音或圖形方式提醒駕駛員注意，或者從當前位置開始重新規(guī)劃行車路徑。
（一）車載終端硬件設計
導航計算機是本導航系統(tǒng)硬件體系的核心部分，除定位和通信外，系統(tǒng)的其他功能模塊都以導航計算機為硬件平臺，通過應用軟件來實現(xiàn)；用戶對整個系統(tǒng)的操作和控制也通過導航計算機來完成。系統(tǒng)的硬件結構如下圖所示。
導航計算機必須要具備足夠的運算能力，具備基本的多媒體功能，具備強大的控制和通信能力，以及良好的擴充性，還需具備良好的抗震性能。為實現(xiàn)上述要求，本文在車輛導航系統(tǒng)中采用了嵌入式導航計算機系統(tǒng)設計方案，如下圖所示。
與傳統(tǒng)的計算機體系相比，嵌入式系統(tǒng)去掉了對大量不必要工業(yè)總線標準的支持，因此部件較少，結構也更加緊湊。中央處理器選用的是Intel SA1110精簡指令(RISC)芯片，時鐘頻率高達206MHz，具備相當于133MHz奔騰處理器的強大運算能力。處理器內置了語音編碼和解碼、通信協(xié)議和端口控制等功能電路，配合少量的外圍電路即可完成相應功能。系統(tǒng)使用的存儲設備有兩種：RAM(隨機存儲器)和ROM/FLASH(只讀存儲器/閃速存儲器)。前者用于在系統(tǒng)工作時加載和運行應用程序，后者用于保存程序和數(shù)據(jù)。由于沒有使用硬盤和CD-ROM驅動器這樣的靠快速移動的機械裝置讀取數(shù)據(jù)的存儲設備，因此系統(tǒng)的抗震能力大為增加。為加強圖形顯示功能，系統(tǒng)配有專門的LCD控制電路，支持16位真彩色顯示模式?？紤]到功能擴展和與其他設備通信的需要，系統(tǒng)配備了1個串行通信端口、1個紅外數(shù)據(jù)(IrDA)端口、1個閃速存儲卡(Compact Flash Card)插槽和1個通用串行總線(USB)接口。數(shù)字地圖數(shù)據(jù)存放在存儲卡中，更換起來非常方便。為了加強對功耗的控制，系統(tǒng)中有專門設計的電源管理模塊負責對中央處理器、存儲模塊、I/O設備和LCD電源實行供電控制。系統(tǒng)采用按鍵式紅外遙控器作為用戶指令與數(shù)據(jù)的輸入設備，同時還在LCD顯示屏上裝有觸摸面板。
（二）軟件體系設計
根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，本導航系統(tǒng)的軟件體系可劃分為如下圖所示的層次結構。其中操作系統(tǒng)由內核層和系統(tǒng)服務層組成，為應用軟件提供運行支持。為滿足實時處理的需要，操作系統(tǒng)應支持多任務特性，即允許多個獨立的應用程序同時運行。內核是指操作系統(tǒng)中直接與硬件交互的部分，主要由硬件驅動程序組成，它是整個軟件體系中唯一與具體硬件相關的部分。系統(tǒng)服務(OSS)層介于應用層與內核之間，它向應用層提供任務創(chuàng)建、內存分配、磁盤讀寫緩沖區(qū)創(chuàng)建與管理、創(chuàng)建消息隊列、啟動任務循環(huán)、事件監(jiān)測等基本操作系統(tǒng)服務。導航系統(tǒng)的主要功能如定位數(shù)據(jù)處理、路徑規(guī)劃與導航、數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫操作等都由對應的應用層軟件模塊完成。
在軟件體系中采用分層結構使得應用層軟件具有硬件無關性，即不依賴于具體硬件的獨立性。這種無關性有兩層含義：第一，系統(tǒng)中所有的硬件設備都由操作系統(tǒng)接管，應用程序不直接對硬件進行訪問；第二，所有涉及硬件的操作都通過調用標準的API(應用程序接口)函數(shù)來完成。硬件無關性極大地增強了應用程序的可移植性，為系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)、升級和改進帶來了方便。 責編/吳 浪
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