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1 引言
車輛自主導航和監(jiān)控是車輛管理研究的主要課 題之一。目前主流的車輛導航和監(jiān)控功能實現(xiàn)主要 采用 GPS 定位和移動通訊相結合的方式來完成，但 是在移動通訊網(wǎng)絡信號弱小或者基站信號不能覆蓋 的區(qū)域，無法有效實現(xiàn)對車輛的監(jiān)控，因而研制一 種全地域、全天候且能實現(xiàn)車輛監(jiān)控的車輛管理系 統(tǒng)勢在必行。“基于北斗的車輛管理系統(tǒng)”是一套在 北斗導航用戶終端平臺上[1][2][3]，綜合利用嵌入式地 理信息技術[4]、SOPC 嵌入式技術[5]、計算機接口通訊 控制技術和數(shù)據(jù)庫技術構建的一個高效、穩(wěn)定的車輛管理信息化平臺。該系統(tǒng)能有效克服現(xiàn)有車輛管
理系統(tǒng)受通信覆蓋地域限制的缺陷，實現(xiàn)了車輛監(jiān) 控范圍與北斗系統(tǒng)覆蓋范圍的同步。
2 系統(tǒng)框架及主要功能設計
2.1 系統(tǒng)框架設計 基于北斗的車輛管理系統(tǒng)分為監(jiān)控中心、用戶
終端兩大部分（如圖 1 所示）。監(jiān)控中心主要由中心 計算機和北斗指揮型用戶機組成，中心計算機用于 運行監(jiān)控軟件來完成車輛和駕駛員的信息管理，并 通過北斗指揮型用戶機獲取用戶終端的地理信息來 實現(xiàn)車輛定位監(jiān)視以及發(fā)送命令來實現(xiàn)遠程控制等功能。用戶終端主要由車載北斗用戶機或北斗嵌入
式模塊、通用北斗終端擴展平臺模塊、車輛遠程防 盜控制模塊、PDA 和智能手機或車載計算機組成，主 要實現(xiàn)車輛的自主導航、接收和處理監(jiān)控中心發(fā)來 的遠程控制命令。
2.2 系統(tǒng)主要功能設計 車輛監(jiān)控中心監(jiān)控軟件的主要有如下功能：
（1）車輛和駕駛員檔案信息的登統(tǒng)計管理和信 息查詢。
（2）車輛監(jiān)控和電子地圖定位顯示功能。
（3）定位歷史信息的管理和查詢功能。
（4）與車輛用戶終端之間的短報文通信功能。
（5）通信信息管理和查詢功能。
（6）車輛行駛路線回放功能。
（7）車輛遠程啟動/熄火控制功能。 用戶終端包含的通用北斗終端擴展平臺模塊主
要實現(xiàn)北斗用戶終端（車載用戶機或北斗嵌入式模 塊）與其他外設之間的通訊控制功能，在本研究中 實現(xiàn)與 PDA 和智能手機的藍牙通訊、與軍用車載計 算機的 USB 通訊以及控制車輛遠程防盜功能（具體 架構見圖 2）。
用戶終端軟件分別在 XP 和 Mobile 環(huán)境下開發(fā)， 可在 PDA、智能手機和車載計算機上運行。終端軟件 功能主要如下：
（1）電子地圖顯示功能，主要實現(xiàn)電子地圖的 局部顯示、全圖顯示和等比例顯示。
（2）電子地圖操作功能，主要實現(xiàn)電子地圖漫 游操作和縮放操作。
（3）圖文雙向查詢功能，用戶可根據(jù)需要在整個圖幅范圍內對電子地圖進行圖文互查。
（4）圖層管理功能，主要實現(xiàn)電子地圖的分層 管理、分層繪制和分層顯示。
（5）空間量算功能，可量算地圖上任意兩點或 者多點間的距離和任意多邊形區(qū)域的面積。
（6）車輛位置顯示和控制功能，通過北斗的定 位功能可將車輛的位置顯示在地圖的相應位置上， 車輛行駛出規(guī)定范圍或未按照規(guī)定路線行駛時，軟 件自動通過北斗系統(tǒng)向監(jiān)控中心報警。
3 關鍵技術分析
研發(fā)基于北斗的車輛管理系統(tǒng)所涉及主要關鍵 技術包括北斗導航定位技術、空間數(shù)據(jù)的結構和多 尺度電子地圖顯示技術、基于 SOPC 的嵌入式系統(tǒng)設 計技術。
3.1 北斗導航定位技術 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（COMPASS）是中國正在實施
的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系 統(tǒng)目前可以對我國領土、領海及周邊地區(qū)的用戶進 行定位及授時，并且可以實現(xiàn)各用戶之間、用戶與 中心控制站之間的簡短報文通信，未來十年內，將 建成覆蓋全球的導航定位系統(tǒng)體系。“基于北斗的車 輛管理系統(tǒng)”主要利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位導 航、報文通信實現(xiàn)車輛的自主導航和車輛的監(jiān)控。
3.2 空間數(shù)據(jù)結構及設計 車輛的自主導航使用了嵌入式地理信息系統(tǒng)，
對于地理信息系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)格式定義的優(yōu)劣將直 接影響到各功能模塊的效果和速度，甚至決定某項 功能是否能夠實現(xiàn)，特別是嵌入式處理器要求地理信息數(shù)據(jù)結構簡要清晰，因此設計一種精確、簡要
的地理數(shù)據(jù)結構，才能保證嵌入式 GIS 模塊的圖形 圖像的顯示與瀏覽、信息查詢、拓撲關系、空間分 析等功能高效運行。
（1）圖形結構簡單，冗余度小 電子地圖主要包含點、線、面等空間對象，簡
單的圖形結構具有數(shù)據(jù)量小、運行速度快、圖形裁 剪方便等特點；冗余度小將使信息查詢、路徑搜索 的速度提高，也將減少數(shù)據(jù)的存儲空間。
（2）拓撲關系簡單 電子地圖的拓撲關系用于路徑搜索、最優(yōu)路徑
規(guī)劃，簡單明了而又實用的拓撲關系將縮短路徑搜 索的時間。
（3）空間信息查詢與分析速度快 空間信息查詢主要包括單個空間對象的查詢和
多個空間對象的查詢，良好的數(shù)據(jù)結構將使空間查 詢和空間分析的速度快捷，結果準確。
（4）開放的數(shù)據(jù)接口
GIS 矢量數(shù)據(jù)結構應具有良好的數(shù)據(jù)接口，使之 能夠兼容更多已定型的數(shù)據(jù)。
3.3 電子地圖多尺度表達 在車輛管理使用的中心監(jiān)控軟件和用戶終端軟
件中，電子地圖是進行車輛監(jiān)控、導航的數(shù)據(jù)基礎。 車輛管理是高精度、高效率的過程，而電子地圖的 顯示則要求適應使用者的習慣，將使用者在面對電 子地圖與傳統(tǒng)的紙質地圖時所獲得的視覺差異控制 在一定范圍之內，這就需要研究電子地圖的多尺度 表達。
（1）單一比例尺電子地圖的多尺度表達 單一比例尺電子地圖的多尺度表達就是要決定
在圖形縮放到某種程度時地圖上哪些要素顯示，哪 些要素不顯示，也就是要建立圖形的縮放比例與要 素間的相互對應關系。簡單一點可以理解為每個地 圖要素都 有 一個顯示 的 等級參數(shù) DLOD(Display Level of Detail)，通過一定的計算得到每個地圖 要素的顯示等級參數(shù)，通過 DLOD 與圖形的縮放比例 間的簡單比較關系即可確定要素顯示與否，從而實 現(xiàn)電子地圖的多尺度顯示。
（2）不同比例尺電子地圖的多尺度表達 電子地圖的數(shù)據(jù)文件組織和多比例尺數(shù)據(jù)的合
理調度是影響地圖顯示速度和顯示效果的重要因 素。不同比例尺多尺度電子地圖的數(shù)據(jù)文件組織關 鍵是要解決兩個問題：①當存在多個比例尺數(shù)據(jù)時， 怎樣快速選定所需的比例尺數(shù)據(jù)；②當比例尺選定 后，怎樣快速在眾多該比例尺的圖幅中確定應顯示 的圖幅數(shù)據(jù)。
3.4 基于 SOPC 的嵌入式系統(tǒng)設計
用戶終端使用的通用北斗終端擴展平臺模塊采 用基于 SOPC 的嵌入式系統(tǒng)技術進行設計，體積小、 功耗低、工作穩(wěn)定，有效地擴展了北斗終端設備的 應用范圍。目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術以 SOC 和 SOPC 為主要應用方向，SOPC 系統(tǒng)設計技術實際上就是一個基于 FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的 SOC 解決方案。
利用目前技術成熟的超大規(guī)模集成度的 FPGA 芯片，
SOPC 方案提供了相較于 SOC 更有特色和優(yōu)勢的技術 功能。其優(yōu)勢一方面體現(xiàn)在 SOPC 技術可以靈活地植 入微處理器軟硬核和其他功能 IP 核（IntellectualProperty，知識產權），另外一方面 SOPC 實現(xiàn)了 MCU、DSP、邏輯控制的完美結合，減小電路板面積和成本，提高系統(tǒng)的集成度，更重要的是在不改變電路板設
計的情況下可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的升級和改動，系統(tǒng) 重構的難度很小，對于實現(xiàn)產品的系列化和向上兼 容性有深遠的意義。
4 應用前景和展望
基于北斗的車輛管理系統(tǒng)是一套集地理信息處理、車輛監(jiān)控、駕駛員管理為一體的集成管理系統(tǒng)，可以輔助車輛管理部門對車輛和駕駛員進行有效管
理，并可以為駕駛員提供有效的車輛導航信息。通 用北斗終端擴展平臺模塊可以充分發(fā)揮北斗的通信 優(yōu)勢，可應用于遠程測控設備控制、傳感器數(shù)據(jù)傳 輸和物聯(lián)網(wǎng)應用等方面，具有相當?shù)能娛潞兔裼脙r 值，為北斗一代用戶提供廣泛的應用方式，同時作 為北斗二代用戶終端擴展性應用的前瞻性試驗。