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我们把整个GPS交通车辆监控系统分成两大部分：移动单元（MU）、中央控制单元（CCU）（含监控平台）。移动单元分布在各个移动车辆上，负责接收GPS卫星定位信号，解算出其定位信息，然后在中央控制单元的控制下，把信息编码发往监控中心；中央控制单元负责控制整个无线通讯网的运行，接收移动单元传来的信息，并把信息送进监控平台；监控平台则是主要以电子地图为基础数据库的监视和控制操作平台，具有很方便的信息数据库和强大的电子地图操作功能。监控系统的简单工作原理如图1所示。（图1
监控系统工作原理）
GPS接收头用来接收GPS卫星的C/A码。接收头外接馈电微带天线，内部有低噪声放大器，经差分处理，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，并提供计算位置的数据信息，由RS-232输送到移动单元处理机。
移动单元处理机采用以单片机为中心的处理单元。负责处理GPS接收头传来的定位信息、接收监控中心送来的无线控制信号并控制数据的正常发出。移动单元处理机采用的单片机型号可以根据用户的实际使用情况选用Intel的51或98系列、Motorola的68HC11系列，或选用86系列小型微机亦可。
调制解调器是用来把移动单元处理机送出的数字信息转换成音频信号，通过电台发射出去；并把电台送来的音频信号解调成数字信号，送给移动单元处理机。在交通车辆监控这样的大范围无线通讯中，若使用太高的速率传输，容易造成数据传输错误。实践表明，在城市环境中，采用1200波特率的传输速率是保险的。不过，实际实验表明，速率升高到2400波特率亦能正常工作；4800波特率的速率也有人报道，但抗干扰能力显著下降。这里有一点很重要的是，调制方式是个很重要的因素。在我们实验中，使用的调制解调芯片为CML公司生产的FX469，采用的是相位连续的移频键控（FFSK）。
FX469有时钟信号输出，其误码率（指Bit-Error-Rate）在12db的信噪比下为2×10-4。从性价比上来说，FX469是较适合的一种选择。若系统要求更高一点，可以采用相位调制（PSK）的调制解调芯片，其抗干扰能力会有所提高。另一方面，若从降低成本计，则可采用通用的调制解调芯片AM7910或其他同类兼容芯片，其采用的调制方式是移频键控（FSK），该种芯片的调制方式和性能不如FX469。
电台可以采用一般的车载通讯电台。电台的灵敏度和发射功率决定了车载监控系统的监控范围。从牢靠和安全的角度来说，Motorola的车载电台是比较适合监控领域的。如现在公安机关普遍采用的350MHz波段的GM300车载电台，其对恶劣环境的适应能力是比较出色的。而且若要改变工作频点，必须要专门的写入设备。这在保证车辆监控系统被故意或误操作破坏是很有利的。
监控中心主要由中心电台、中央数传控制器、监控操作台等组成，中心电台通过高增益的中心站天线与移动单元进行通讯。所收到的数据通过调制解调器送到数传中央处理机，数传中央处理机把信息解码后送到监视操作台。
中心GPS接收机是为了实现差分GPS（DGPS）而设置的。中心GPS接收机主要作用是对卫星进行观测，利用已知的精密坐标计算出基准站到卫星的伪距改正数。然后把伪距改正数送到监视操作台，监视操作台利用这些数据对移动单元的定位信息进行差分计算，最后求出移动单元的精密位置。在基准站的地心坐标精度为0.1米的情况下，可以把移动单元的定位精度校准到10米左右。
为方便使用计，监视操作台软件设计成运行在通用的Windows
NT操作系统下。此时，由于系统负担比较重，并且Windows操作系统是多任务、消息驱动的形式，常常造成报警信号要延误数秒才能在操作台上显示。因此为加快报警速度，可以把送往监视操作台的数据同时从另一条线送往专用报警器。
专用报警器实际上是一个单片机系统，专门分解数传中央处理机送来的信息中的报警信号，并加以处理，同时驱动告警装置提醒监视人员注意。专用报警器的处理速度可以比较容易地做到及时反映。
在整个车载监控系统中，有两个衡量系统性能的关键指标，即巡检周期和报警响应时间。车辆的巡检周期就是指在所有车辆优先级一致的情况下整个系统中所有车辆的信息更新一遍所需的时间；报警响应时间就是指移动单元触发报警至中心站收到报警所需时间。在现有这类系统中，普遍存在巡检时间慢的缺点，有的系统中，移动单元的报警信息要等到其被巡检到的时候才能发出，因此一般和车辆巡检时间一致的；另一些系统则是采用单独使用一个频点来减少报警响应时间的，不过对于这个单独报警频点上可能存在的冲突没有一个好的解决办法。
由于我们使用的是一般的话音通讯车载电台，所以在同一时间上通讯域中只能允许有一个移动单元或中心站发射信息。一般说来，移动通信网的区域覆盖方式分为两类，一类是小容量的大区制，另一类是大容量的小区制。这两种制式在控制方式等诸方面有明显的差别。小区制采用了空间域的同信道再用，频率资源利用率高，可容用户量大，控制方式也相应复杂。所谓大区制，即采用一个基站（或称中心站）覆盖整个服务区。大区制适用于小容量的通信网，例如用户数在1000以下。这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专业移动通信网可选用的制式。在设计监控范围不是很大的车辆监控系统中，如某一城市的出租车、银行押钞车、警车等交通车辆监控系统，可以考虑只设一个基站，采用大区制组网方式，既满足了用户需要，又不增加不必要的系统软硬件复杂度。
为了满足时代和社会对计算机网络系统的互连性、互移植性、互操作性等开放特征的需求，国际标准化组织ISO提出了OSI（Open
SystemInterconnection）开放系统互连参考模型。1978年正式颁布，1983年上升为正式国际标准，标准号为"ISO
7498"。OSI协议采用层次结构，每一层完成一块通信子功能，并且下层为上层提供服务。其模型由七层组成，从下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，开放系统互连（OSI）层次模型不是标准，它只是为标准提供了一种主体结构，供各种标准选择。从分层处理的角度出发，在我们设计的系统数传模块中，可以实现物理层、数据链路层、网络层，然后数据送到监视操作台去处理。
作为管理人员直接接触的监控操作台，设计应遵循功能强大、简便易用的原则。考虑交通车辆监控系统的规模、使用环境，决定监控软件为运行在中文Windows
NT下的网络版软件。我们设计的GIS系统是专门针对GPS交通车辆监控的特性开发的。如果采用当前流行的通用GIS软件，如ArcInfo和MapInfo等，由于其太过于庞大，针对性差，在GPS数据的处理速度方面很难满足要求。而且若扩充一些专门的处理模块，通用的GIS系统不如专门开发的性能好。
我们的监控软件还采用了先进的网络技术。这是为了能把操作管理给分散化，以便能并行的处理一些突发事件。同时多操作台的环境可以分别显示各个不同的画面，管理员可以看到整个系统中的多个细节画面，具有一个更佳的监控效果。
各个工作站上运行的是针对不同操作功能设计的基于地图的GIS软件（如分为管理平台版和监视平台版等）。为了使用更加灵活，应该使用已经矢量化的电子地图，这样可以很方便的追踪一条路或一个区域。这套GIS软件最基本的功能就是要能对电子地图的背景进行很方便的配置操作，并把移动单元给实时的显示在地图背景上面。并在此基本功能上增加一些针对具体监控要求所设的扩充功能。
智能化的引入：
由于我们的地图是组织性很强的矢量结构，可以很方便的引入智能化的功能，而成为具有智能性的监控系统。有一些基本的智能功能如下：
--预先指定某移动单元运动的路线（可以以区域和道路的方式指定），发现离开指定区域即报警；
--算某移动单元到达某地的最短路径，并估计可能所需的时间；
--分析某移动单元可能的逃逸路线，建议布置封堵计划；
--某移动单元告警后，其他移动单元赶往出事地点的最佳方案。
这些智能化的功能都可以采用一定的人工智能算法加以实现。但其基础是地图的结构具有很好的数字化。特别是道路，一定要能在数据库中方便的访问其拓扑结构。如果是扫描地图，道路和背景都是以点阵形式表示的，无法得知单独的道路信息，则要引入智能化的功能是很困难的。
系统间互连的引入：
在一些场合，除了一个主监控中心外，用户往往要求几个分中心也能具有监视移动单元的功能。在这种情况下，我们可以引入二级站的概念。即二级站是具有监视部分通讯网络但不具有控制通讯网络功能的监控中心。相对于中心站来说，二级站的数传中央处理机不能自己产生时钟信号，而必须接收中心站的时钟信号并与整个系统同步。另外，在二级站的操作台软件上，从安全的角度出发，必须屏蔽控制整个系统的功能，并且应该根据需要屏蔽不属于本二级站所拥有的移动单元的信息。
另外一些场合，几个交通车辆监控系统可能需要共享数据。在这种情况下，可以采用同级互连的方法。即把各个系统的监控软件中的服务器用远程网的方式连接起来。一个典型的例子是：某银行的车辆监控系统中的服务器使用DDN专线，采用TCP/IP协议与公安局的车辆监控系统的服务器连接，当银行的运钞车有报警信息的时候，银行的监控系统就把报警车的信息发个备份给公安局的监控系统。这样，公安局的监控系统就可以及时获得银行车辆的报警信息。
上述两段其实描述的是两个不同的系统互连的办法。第二种方法不但可以用于多个中心站互连的情况，也可以很好的用于中心站与二级站之间的互连。而且在采用差分GPS（DGPS）定位的情况下，二级站若自己不再建一套DGPS中心，就只能直接从中心站获得移动单元的精确位置。因此第二种方法具有更多灵活性，但远程网费用必须要考虑到。
差转的引入：
如果被监控的地形比较复杂，如有高山遮挡或监控中心位置偏在一角等，就需要引入差转台来改善无线信号的传播质量。差转的工作原理就是把某个频率的无线电波上的信息给卸下来，再加载上另外一个频率的电波以大功率给发射出去。即把f1频率的无线电波转化成f2频率的电波，而把f2频率的电波转化成f1的频率。如图4.1所示：
但是差转台本身检测载波和再把信息加载到差转后的电波中发射出去，这中间都有一段延时。即对于发射和接收双方来说，电波在天空中"停顿"了一下。这段延时一般在十几到几十毫秒左右（差转设备不同，这时延也不同）。对于我们的通讯协议来说，针对差转带来的时延来说，有两种解决的办法：一是把每个时间片都加长；二是等待接收的时候，人为的把自己的时钟延后一点。第一种方法简单易行，但带来的性能指标的下降较多。第二种方法可以仅仅只使性能指标下降一点，但实现起来复杂，一般要详细的画出时间行的时域图才行。
漫游的引入：
在描述无线通讯协议一开始就提到了大区制和小区制，大区制可以控制一个范围，但移动单元离开这个范围就失去控制。各个大区基本上是互不联系的，造成的地域上的分割和局限性。对于一个大地区来说，一个理想的监控系统应该采用小区制的通讯方法：中心站为许多蜂窝分布的基站组成；移动单元要具有越区漫游的功能。这样，整个监控系统可以任意的扩充下去，而且地区之间可以实现联合监控的目的。
对于蜂窝形式的监控系统来说，为减少干扰，相邻基站应使用不同的频点（当然，不直接相邻的基站可以使用同一频点）。这就决定了移动单元应该具有自动跳频的功能，在从一个区越到另一个区可以把工作频率自动变成当前所在区的频点。在蜂窝状的基站分布情况下，最少只需3个不同的工作频点就可以工作。移动单元在失去信号时，只需要自动搜索这三个频点就可以了。但如果让移动单元一直等到失去基站信号才开始自动搜索，常常会发生已经在另一个小区内还在与上一个小区通讯的情况。很明显不是一种很好的办法。
我们这里还提出一个比较简单的方法，可以有效的解决这个问题，就是移动单元应该检测基站的信号强度，并把此作为是否搜索基站的判断条件。具体点说，如果发现信号强度弱到某一个值下，就开始搜索其他两个频点，并比较三个信号哪个强，再决定使用哪个频点。另外，在我们的交通车辆监控场合下，还可以充分使用定位信息。若计算出自己目前所处位置与现在所用基站相去较远，也可以开始试着搜索下一个基站。不过，由于定位信息并不是保证每一刻都能有效（如在非露天环境下定位信号很难获得），所以这个策略只能作为判断是否开始搜索基站的辅助措施，不能完全依靠。
在单一的大区制情况下，由于只有一个中心站发出弹性编码信息，因此不会有移动单元丢失的问题。如果采用蜂窝基站的形式，则就存在移动单元从一个区移动到另一个区后，怎样在上一个区给注销和怎样在这一个区内登记的问题。如果每个基站都轮询所有的移动单元，则显然在巡检周期中有大部分时间是没有移动单元使用的，周期也会长的没法忍受。与此相关的一个问题是，移动单元一开机，怎样在当前区内注册入网？
一个解决办法是：另外加一个公共频点供移动单元发射注册信息。基站收到后可以把该个单元接收入网，并通知其他基站注销此个单元。由于该注册信道是大家都随时可以使用的，就可能出现碰撞的情况。在这里，可以借鉴计算机以太网中的载波侦听多路访问/冲突检测（CDMA/CD）技术。其基本思想是：
所有移动单元是平等的。在传输前，各单元监视信道以确定信道是否在工作（也就是说，是否有另一个单元正在信道上发送数据）。如果信道空闲，则任何一个有数据要传输的单元都可以往信道上发送它的信息。如果信道被占用，各个单元就必须遵从正在使用信道的单元。在正在传输的时候，同时侦听信道，所有侦听到了信道冲突的单元都立即中止自己的传输，各自等待一段随机化的等待时间后，再试图截获信道。随机化的等待减少了另一次冲突的机会，因为竞争单元几乎不可能再产生相同的等待时间。
通过上面的设计，可以看到一个蜂窝形式的可无限扩充的交通车辆监控系统的总体构造。在实现中，还需要大量的具体设计，才能做出一个较为理想的有漫游功能的GPS交通车辆监控系统。
如果把先进的扩频通讯技术引入到我们的监控系统中来，可以带来巡检时间进一步缩短、抗干扰能力增强、发射功率降低等诸多好处。由于扩频技术在同一时间可以允许多个正交的信息在一个信道内传送而互不干扰，因此为更快的交通车辆监控系统的设计提供了一条可能的途径。在安排弹性编码上，可以把一个时间片分配给几个移动单元同时使用。报警片冲突的可能性也因为扩频的引入而大大降低。
把扩频通讯技术应用到我们上面蜂窝式的监控系统中去，则更能构造出一个高性能的交通车辆监控系统。在这一方面，则可以借鉴国际无线通信咨询委员会（CCIR）提出的建立未来公众陆地移动通信系统（FRLMTS）的技术报告。
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