1、华中科技大学硕士学位论文GPS车载定位终端的设计和实现姓名：俞侃申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：卢益民20050508I摘 要 本文研究的是采用 GSM 网络短消息平台进行通信的 GPS 定位监控系统 该系统是 GPS 全球定位技术 计算机网络和数据库技术 GIS 地理信息技术和通信技术等相结合的产物 可广泛应用于车辆 船舶 飞机等各种交通工具 它通讯范围大系统运行可靠 而且经济实用 投资少 效益高 论文在对 GPS 车辆 监控系统的系统构成 系统功能和关键技术进行了深入的研究 的基础上提出了设计方案 并开发了一个 具有实际应用价值的 GPS 车载定位终端移动定位终端使用基于嵌
2、入式系统的 Cygnal C8051F020 单片机作为控制核心单元其开发效率与可靠性很高 使得多任务执行异常方便 系统在通信上使用了成熟的工业级 GSM 模块 采用 AT 指令集进行控制 系统在获取 GPS 定位信息上使用了可靠性和定位精度都很高的 12 通道 Jupiter 系列 GPS OEM 板 在恶劣的天气环境和交通环境下都能够保证有最佳的观测信号 系统还使用了具有有机电激发 光技术的OLED 显示屏作为移动定位终端的本地显示 在软件开发上 我们对系统进行了细化 采用模块化的设计方式 并给出各个模块的实现方法 文中分析了采用 GSM 短消息传送 GPS 数据的优点 采用 GSM 短消
3、息的方式传送数据的主要优势在于 GSM 网络的覆盖范围广 不需要专门投资建设无线通信网络 其短消息传送的数据误码率比较低 系统容量大 费用相对低廉 文中还详细介绍了短消息传输的不同模式和其实现过程 并对所设计的移动定位终端在车辆监控方面的应用进行了测试 实验结果表明 系统达到了覆盖范围广 容量大的 数据可靠性高的效 果 具有相当的实用价值 并且具有一定的可扩充性 关键词 GSM 短消息 GPS 车辆监控 Cygnal C8051F020 单片机 , OLED IIAbstract It is GPS Vehicle Monitoring System studied in this paper
4、. It is an combination of computer network and database GPS GIS communication and sensors technology. It has these following merits: wide monitoring range, convenience for management and operation, economical feasible, low cost, high efficiency and easy to prevail. This thesis have a deep research a
5、bout the system structure, function and key technologies on GPS mobile vihicle monitoring system and also carries out a design scheme.We also develop a GPS mobile terminal on vihicle which has practical application value.The mobile terminal on vehicle is developed using embedded operation system bas
6、ed Cygnal C8051F020 microcomputer unit, its efficiency and reliability is very high, and it can easily execute multitask program. The system used the ripe industrial GSM module, and the module can be controlled by AT command. The system used the 12-channel high reliability and precision GPS OEM boar
7、d. We can use it to get the best GPS satellite signal in bad weather and traffic environment. The system also used OLED display module in the terminal of vehicle. In the software sysytem developing, we divide the system based on the modularization-devising method, and give some schemes of various mo
8、dule-realization. This thesis has analyzed the merits of the GPS data transmission by GSM Short Message Service. The GSM Short Message Service has following merits: the GSM network is wide, and need not construct a new communication network; low error probability; large system capacity; low expenses
9、 on sending SMS. It also analyzed the Short Message Services transport protocols and its implementation. Experimental results on automobile location shows that the system has reached the result of wide monitoring range, large system capacity, high reliability of GPS data. The system has good practic
10、al value and certain extensible ability. Keyword: GSM SMS, GPS, Automobile Location, Cygnal C8051F020 singlechip, OLED 11 绪 论 GPS 是英文 “Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System“的缩写词 其意思为 “卫星测时测矩导航 /全球定位系统 “ 简称为 GPS 系统 它是由美国国防部批准的陆海空三军联合研制而成的新的卫星导航系统 该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统 具有全能性
11、 陆地 海洋 航天 航空 全球性全天候 连续性和实时性的导航 定位和定时的功能 能为各类用户提供精密的三维坐标 速度和时间等信息 基于 GPS 定位技术的监控系统是把卫星定位技术 GPS 地理信息系统 GIS和现代无线通讯技术结合在一起的高科技系统 其主要功能是将任何装有 GPS 接收机的移动载体的动态位置 如经度 纬度 高度 时间 状态等信息 实时的通过无线通信网络传 至主控基地中心 而后在具有强大地理信息处理和查询功能的电子地图上进行载体运动轨迹的显示 并能对载体的准确位置 速度 运动方向 车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询 由于此类系统可监控车辆的运行轨迹和状态 调度管理方便 经济
12、效益和社会效益提高明显 可以广泛的应用于特殊车辆如银行运钞车和公安车辆等 的轨迹监控 船舶定位和沿海安全监视服务等领域 1.1 世界卫星导航技术发展现状 在当今信息技术高速发展的社会中 合理的调度和管制交通运输系统是一个从实际出发的重要问题 也是促进社会生产和人类生活的关键环节 例如 出租汽车的监测和调度 公共汽车的合理调度 公安警车的调度和指挥 运钞车的监控 各专业运输公司车辆的监控等等 ,都需要实时的向总部报告自己所在的位置和运行状态 或者由总部实时的询问各车辆的位置 以便随时指挥调度和处理所发生的事件 GPS 移动跟踪系统在我国的发展早在 90 年代初期就开始了 至今已有十几年的历史 在
13、这期间 GPS 移动跟踪系统的发展经历过两次起落 第一次在 1994-1995年 由于市场尚未形成 而且技术上尚未完善 因此在这一阶段 GPS 应用产品一直未形成较大规模 但从 1999 年开始 随着作为系统瓶 颈问题的通讯网络通过采用2GSM 公众网的 SMS 的应用而找到了新的出路 GPS 的相关应用产品的发展走上了快速发展的道路 据中国 GPS 应用协会的预测 在未来的二到三年内 国内每年 GPS应用的年装车数量能达到 5-10 万辆 每年的相关产值能达到 7-8 亿 1 应用于车辆的定位系统要求有 一方面车辆要向总部报告其所在位置 总部则把它标明在电子地图上 另一方面总部根据需要指引车
14、辆到达目的地 以前要做到这一点必需用无线电来导航和定位 但这样精度差 一次性投入大 而且维护费用大 不是可取之策 取于代之的是相对比较廉价但精度 又高的 GPS 定位系统 2 GPS 自从 1958 年开始设计实施以来 其卫星已经经历了几次换代 目前运行着的卫星为 BLOCKII R型 而且随着 2000 年 5 月 1 日美国 SA(选择性应用政策 )的取消 不通过任何的差分处理 用于民用的 C/A 码信号的定位精度能够达到小于 15 米基本上已能满足基本的民用 这样就大大降低了部署 GPS 应用的成本 而且美国政府已经就 GPS 三代的建设纳入议事日程 计划在 2010 年完成 从而能提供
15、更为精确和广泛的服务 与此同时各国也在努力建立自己的卫星导航定位系统 以摆脱对美国 GPS 卫星导航 定位系统的过于依赖 如俄罗斯已经建立了 GLONASS 卫星导航定位系统 其空间部分也由 24 颗卫星组成 但是由于 GLONASS 未达到 GPS 的导航精度 其应用普及情况远不及 GPS 同时 欧洲正在大力打造的以近 30 颗卫星为基础的伽利略导航卫星系统 该方案由 21 颗以上中高度圆轨道核心星座组成 另加 3 颗覆盖欧洲的地球静止轨道卫星辅以 GPS 和本地差分增强系统 首先满足欧洲需求 位置精度达数米 高于目前的GPS 定位精度 预计系统于 2008 年后投入使用运行 中国也参与到欧
16、洲伽利略卫星导航系统的建设中 承担了帮助该计划发 射导航卫星的工作 并将在其运行后共享该导航定位系统 与此同时中国自己也在大力发展着自己的北斗卫星导航系统 2000 年 我国成功发射两颗 “北斗 ”工作卫星 今年又成功发射了第三颗 “北斗 ”卫星作为备用星 由此我国成为世界上继美国 俄罗斯之后 第三个拥有卫星导航系统的国家 该系统是利用两颗卫星进行定位 如果不附加其它信息 仅凭定位于赤道上空的同步轨道上的两颗卫星所提供的测距数据是3难以有效解算目标位置的三维坐标分量的 但是经过分析 当以下条件满足时 可以通过适当的数学运算定出目标位置 1 已知目标所处位置的大地纬度 2 已知目标位置的大地高程
17、 及其位于赤道平面的南侧或北侧 3 目标处于匀速运动状态 且已知其起始位置 4 目标处于匀变速运动状态 且已知其初始位置的坐标分量 5 可以建立起目标的运动学 /动力学模型 并可确定其初态 北斗系统主要有三大功能 快速定位 为服务区域内的用户提供全天候 实时定位服务 定位精度与 GPS 基本相当 短报文通信 一次可传送多达 120 个汉字的信息 精密授时 精度达 20 纳秒 北斗系统的用户不是被动的接收导航定位卫星的信号就可以解算出自己的位置 而要先发射一段时间脉冲给邻近的卫星 卫星接收后再发射信号给 地面的主控站 主控站负责解算往返于卫星 主站和用户之间的信号代码 最后才能解算得到定位信息传
18、送到用户终端 其间可能产生的误差和延时比较大 还有信号丢失现象有些问题尚在解决过程中 因此其民用化程度 定位精度和实时性尚待进一步提高 但是就目前运行情况来看 俄罗斯由于经费原因导致在轨卫星数目不足 6 颗无法独立成网 而伽利略和北斗系统正在建立过程中 所以 GPS 卫星导航系统无疑占据着最大的市场并有着最高的工作稳定性 所以在本文所研究的课题中 所用的导航定位系统仍然是美国建立的 GPS 定位系统 GPS 以其高精度全天 候的定位 测速和定时等功能在众多领域得到广泛的应用例如 在地形 地籍测量中的应用 在线路勘测隧道测量中的应用 在智能交通管理中的应用 在地球动力学级地震研究中的应用 在气象
19、信息测量中的应用 在航空航海导航中的应用 在海洋测绘中的应用 在精密授时中的应用等 本课题仅仅是对于其中一个具体方面的应用 但是由于车辆监控方面国内仍然有着巨大的正在蓬勃发展的市场 而且 GPS 车辆监控调度系统的应用不仅仅是只用于车辆 而是包括各种飞机 船舶等一切需要调度的可运动载体 所以该课题具有很大的应用前景和实用价值的 另外通过对 该课题的研究 可以较为系统的掌握全球定位技术 现4代无线通信技术 地理信息技术等技术的原理和应用 因此也具有较高的研究价值 1.2 GPS 定位监控系统中的关键技术 1.2.1 GPS 全球卫星定位技术 全球卫星定位系统 G lobal Positionin
20、g System 简称 GPS 是随着现代科学技术的发展建立起来的一个高精度 全天候和全球性的无线电导航定位 授时的多功能系统 它利用位于距地球 2 万多公里高的 由 24 颗人造卫星组成的卫星网 向地球不断发射定位信号 地球上的任何一个 GPS 接收机 本系统采用 Jupiter 接收机 只要接收到三颗以上的卫星发出的信号 瞬间就可以解算出被测载体的运动状态 如经度 纬度 高度 时间 速度 航向等 4 目前 没有任何一种传统的导航定位技术能够达到 GPS 这样的高精度 高速度全天候和全球性的性能 1.2.2 GSM 移动通信技术 GSM 数字蜂窝移动通信系统 简称 GSM 系统 是依据欧洲通
21、信标准化委员会制定的技术规范而设计研究的 是作为一种开放式结构和面向未来设计的系统 GSM移动通讯系统是国家投资建设的公众网络 是目前国内覆盖范围最广 系统可靠性最高 话音清晰度最高 的移动蜂窝通讯系统 它具有强大的保密功能 用户身份鉴别可保护网络避免无权用户使用 与常规 VHF/UHF 无线通讯网 800M 集群无线通讯网比较 它不但通讯范围大 系统运行可靠 而且经济实用 投资少 易普及 减少各专用通讯网基站的重复投资建设 各地监控中心易于联网 当前中国电信 GSM网是国内第一大移动通信网 GSM 移动通信网络可以以统一的格式向各地用户提供所有电信业务的国内和国际漫游 GSM 系统除了提供话
22、音业务外 还提供数据业务 短消息业务等多项功能 在当前条件下 话音业务和数据业务主要由于其传输成本太高而 不适合于 车5辆监控系统的需要 作为公众网的 GSM 通信网络 在使用这两种业务时需要通过拨号进行连接 一旦建立连接即开始计费 目前中国移动与中国联通 GSM 网络的最小计费时间是 1 分钟 而车载端需要传送的 GPS 定位数据只有大约 64 个字节 如果按9600bps 的传输速率计算 传输一次 GPS 定位信息的时间大约只要 520ms 而费用却得按一分钟计 而且考虑到目前话音通信是采取双向收费的限制 用这两种业务作为通信方式来传输 GPS 定位信息实在不够经济 而且用话音业务来传输
23、GPS 数据还存在传输质量差的问题 这主要是由于 GSM 的 话音编码技术 m3m3 规则脉冲激励长期预测编码方式不适合经过音频调制解调器转换的 GPS 定位数据的传输 1 在 GSM 体系结构中 有一个通信管理层 CM CM 的功能是 应用户的要求 在用户之间建立连接 并能维持和释放这些呼叫 短信息就是属于 CM 层的附加功能GSM 系统的话音或数据传送 都是按照一定的规程建立 释放和管理的 而短消息是GSM 中唯一不要求建立 端对端 业务路径的业务 GSM 系统的通讯信道分为话音 或数据 信道和控制信道 短消息是通过控制信道也称信令信道来实现的 38 GSM 的短消息业务就是通 过信令信道
24、传输信息 其为 GSM 通信网所特有 它不用拨号建立连接 可直接把要发的信息加上信宿地址先发到短消息服务中心 再由短消息服务中心在适当的时刻转发到最终的信宿 短消息每次限制在 160 个字符以内 这对于 GPS 定位信息已经足够 短消息业务用于 GPS 车辆监控最大的优点在于其建立连接简单 服务费用低 1 1.2.3 GIS 地理信息技术 GIS 是近些年来迅速发展起来的一门新兴技术 它作为制图学 计算机技术 地理 遥感 统计 测绘 通讯 规划和管理学科交叉运用的产物广泛地运用在各个领域 在本系统中 主要用于在 计算机系统中对地图的显示和管理以及城市受控目标信息的管理 5 61.2.4 计算机
25、数据处理技术 在本系统中 主要采用了数据库技术 局域网和广域网技术 计算机串口通讯技术以及数据库技术等多项计算机技术 1.2.5 国内外发展状况 当前国内外的车载导航定位系统也比较多 系统的定位部分主要是利用 GPS 定位系统 也有部分是利用 GPS/GLONASS 双系统定位 而在通信方式上 有以 GSM网络为基础的短消息或 GPRS 服务为基础的 也有以 CDMA 数传业务为基础的 在产品上 有适用于车队管理系统的定位监控系统 也有 适用于高档车辆的自主导航系统 在我国 由于 GSM 网络的覆盖最广 因此以 GSM 网络为通信媒质的车载定位系统需求量最大 1.3 课题目的和论文组成 本系统
26、是利用 GSM 移动通讯网作为通信媒介 利用 GPS 定位技术结合运用矢量化地理信息电子地图软件平台 实现对移动目标的位置监控 报警求助 信息服务 防盗报警 调度服务等功能 本文共分七章 第一章为绪论 主要介绍当前国内外车辆监控系统的现状和车辆监控系统的关键技术 第二章介绍 GPS 工作原理及组成 第三章介绍基于 GSM网络的 GPS 车辆监控系统的总体设计 第四章介绍 GPS 车载终端的硬件设计 第五章介绍 GPS 车载终端的软件开发 第六章为系统功能测试 给出系统的测试方法和测试结果 并对实验结果加以分析 第七章为结论 指出系统已达到的指标和还存在的不足之处 并对以后的工作提出建议 72
27、GPS 工作原理及组成 2.1 GPS 工作原理 全球卫星定位系统 GPS 是美军 70 年代初在 子午仪卫星导航定位 技术上发展而起的具有全球性 全能性 陆地 海洋 航空与航天 全天候性优势的导航定位定时 测速系统 1958 年底 美国霍普金斯大学应用物理实验室为美国军用舰艇导航研究了一套子午 仪卫星导航系统 3 此后 该定位技术得到了进一步提高 自动化程度不断完善 应用范围也越来越广泛 最终发展到了今天的 GPS 卫星定位系统 测量学中有测距交会确定点位的方法 同样的 无线电导航定位系统 卫星激光测距定位系统 其定位原理也是利用测距交会原理确定点的位置 无线电导航定位是在地面上设三个无线电
28、导航信号发射台 其坐标为已知 用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法测得了接收机至三个发射台的距离 1, 2, 3 只需以三个发射台为球心 以 1, 2, 3 半径做出三个定位球面 即可交会出用户 接收机的位置 这种无线电导航定位是迄今为止仍在使用的定位方法 将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上 组成一个卫星导航定位系统 应用无线电测距交会的原理 便可由三个以上的地面已知点交会出卫星的位置 反之利用三个以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点 用户接收机 的位置 这便是 GPS 卫星定位的基本原理 6 定位原理图见图 2-1 图 2-1 定位原理图 GPS 卫星发射测距信号和导航电文 导航
29、电文中含有卫星的位置信息 用户用8GPS 接收机同时接收三颗以上 GPS 卫星信号 测量出站点 P 至三颗以上 GPS 卫星的距离并解算出该时刻 GPS 卫星的空间坐标 据此利用距离交会法算出测站 P 的位置设在时刻 TI 在测站点 P 用 GPS 接收机同时测得 P 点至三颗 GPS 卫星 S1 S2 S3的距离 1 2 3 通过 GPS 电文译出该时刻三颗卫星的三维 坐标 X i, Y i, Z i i=1,2,3 用距离交会的方法求解 P 点的三维坐标 X Y Z 的观测方程为 12 =(X X1)2 + (Y Y1)2 + (Z Z1)2 (2-1-1) 22 =(X X2)2 + (
30、Y Y2)2 + (Z Z2)2 (2-1-2) 32 =(X X3)2 + (Y Y3)2 + (Z Z3)2 (2-1-3) 由上式可以看出只要知道卫星的坐标以及卫星到测站的距离就可解算出测站的坐标 在 GPS 定位中 GPS 卫星的坐标值随时间而快速变化着 我们需要实时的由导航电文解算出卫星的坐标值 从而计算出测量站点的位置 依据测距的原理 其定位原理与方法主要有伪距法定位 载波相位定位法两种 对于待定点来说 根据其运动状态可以分为静态定位和动态定位 静态定位指的是对 于固定不动的待定点将 GPS 接收机安置其上 观测数分钟或更长的时间 来确定点的三维坐标叫绝对定位 若以两台 GPS 接
31、收机分别置于两个固定不动的待定点上 通过一定时间的观测来确定两点的相对位置叫相对定位 而动态定位则至少一台接收机处于运动状态 7 2.2 GPS 系统的组成 GPS 系统由三大子系统构成 空间卫星系统 地面监控系统 用户接收系统卫星系统在空间上接收地面监控系统的更新导航电文并反馈 并向地面用户系统发出导航定位信息 用户接收系统接收该信号处理后使用 2.2.1 空间卫星系统 空间卫星系统 由均匀分布在 6 个轨道平面上的 24 颗高轨道工作卫星构成 各轨道平面间距为 60 度 在每一轨道平面内 各卫星升交角距差为 90 度 任一轨道上的卫星比相邻轨道上的相应卫星超前 30 度 空间卫星系统的卫星
32、数量要超过 24 颗以便及时更换老化或损坏的卫星 保障系统正常工作 该卫星系统能够保证在地球9的任一地点向使用者提供 4 颗以上可视卫星 空间系统的每颗卫星每 12 小时沿近圆形轨道绕地球一周 由星载高精度原子钟控制无线电发射机在 低噪音窗口 无线电窗口中 2 至 8 区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先选用频段 附近发射 L1 L2 两种载波 向全球的接收系统连续地播发导航信号 GPS 卫星组网保障全球任一时刻 任一地点都可对 4 颗以上的卫星进行观测 最多可达 12 颗 实现连续实时地导航和定位 2.2.2 地面监控系统 地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基
33、地上的 5 个监测站 一个主控站和三个注入站构成 该系统的功能是 对空间卫星系统进行监测 控制并向每颗卫星注入更新的导航电文 地面监控系统包括监测站 主控站和注入站 监测站的任务主要是利用 GPS 接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差 采集气象数据 并将 观测数据传送给主控点 5 个监控站点均为无人守值的数据采集中心 主控站的任务是接收各监测站的 GPS 卫星观测数据 卫星工作状态数据 各监测站和注入站自身的工作状态数据 并且根据上述各类数据 完成以下几项工作 1) 及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站 2) 控制和协调监测站间 注入站间的工作 检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导
34、航电文发给了 GPS 用户系统 3) 诊断卫星工作状态 改变偏离轨道的卫星位置及姿态 调整备用卫星取代失效卫星 注入站接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入其上空的每颗 GPS 卫星 2.2.3 用户接收系统 用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的 GPS 卫星接收机和 GPS数据处理软件构成 其中 GPS 卫星接收机主要可以可分为两大类 导航型和测地型 导航型接收机一般采用单频 C/A 码伪距接收结束 定位精度为 15m 用于航空10航海和陆地的实时导航中 有极少数接收机采用 P 码接收技术 使单点定位精度达到 3m 这种接收机专为军用 测地型接收机采用双频伪距和载波相位接收技术
35、 测量基线地精度一般达到10-7 最高可达到 10-9 可用于大地测量 地壳形变监测以及精密测距中 GPS 接 收机主要由 GPS 接收机天线单元 GPS 接收机主机单元和电源三部分组成 接收机主机由变频器 信号通道 微处理器 存贮器组成 如图 2-2 所示 电源频率变换频率综合基准频率信号解扩解调C/A码发生器P码发生器前置放大器GPS天线D t)伪码测量载波相位测量存贮器CPU图 2-2 GPS 接收机原理图 1 GPS 接收机天线 GPS 天线由接收机天线和前置放大器两部分组成 天线的作用是将 GPS 卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流 而前置放大器则是将 GPS 信号电流放大为
36、便于接收机对信号进行跟踪 处理和测量 天线应与前置放大器应密封一体 以保障其正常工作 减少信号损失 能够接收来自 任何方向的卫星信号 无死角 有防护与屏蔽多径效应 天线的相位中心保持高度的稳定 并与几何中心尽量一致 21 2 接收机主机 接收机的主机主要包括变频器和中频放大器 信号通道 存贮器和微处理器 由于经过 GPS 前置放大器的信号仍然比较微弱 为了使接收机通道得到稳定的高效增益 并且合 L 频段的射频信号变成低频信号 必须采用变频器和中频放大器 11 信号通道是接收机的核心部分 GPS 信号通道是硬软件结合的电路 不同的接收机其通道是不同的 GPS 信号通道的作用有三 搜索并跟踪卫星
37、对广播电文数据信号实 行解扩 解调出广播电文 进行伪距测量 载波相位测量及多普勒频移测量 从卫星接收到的信号是扩频的调制信号 所以要经过解扩 解调才能得到导航电文 为了达到此目的 在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环 接收机内设有存贮器以存贮卫星星历 卫星历书 接收机采集到的码相位伪距观测值 载波相位观测值及多普勒频移 目前 GPS 接收机都装有存贮器 接收机内存数据可以通过数据接口传到微机上 以便进行数据处理和数据保存 22 微处理器是 GPS 接收机的灵魂 通过指令统一协同 GPS 接收机的工作 综上所述 GPS 接收机的主要任务是 当 GPS 卫星在用户视界升起时 接收机能
38、够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星 并能够跟踪这些卫星的运行对所接收到的 GPS 信号 具有变换 放大和处理的功能 以便测量出 GPS 信号从卫星到接收天线的传播时间 解译出 GPS 卫星所发送的导航电文 实时地计算出测站的三维位置 甚至三维速度和时间 16 2.3 SA 政策 美国政府在 GPS 导航定位系统的设计中 计划提供两种服务 一种为标准定位服务 -SPS 利用粗码 C/A 码 定位 在有 SA 政策下精度约为 100M 提供给民间用户使用 另一种 为精密定位服务 -PPS 利用精码 P 码 定位 在有 SA 政策下精度为 10M 提供给军方和得到特许的民间使用 在 GPS
39、 试验卫星应用阶段 实际定位精度远高于此值 利用 C/A 码定位精度可达到 15M 利用 P 码定位精度可达到 3M 于是美国政府采取了 SA Selective Availability 政策 称作选择性应用政策 人为的将误差引入卫星时钟的卫星数据中故意降低 GPS 的定位精度 它的目的是使非特许用户不能获得高精度实时定位 以防止末经许可的用户把 GPS 用于军事目的 1991 年 7 月开始 全部在轨的 GPS 工作卫星 均实施 SA 技术 由于 SA 技术是一种人为干扰 所以在实施了 SA 技术的条件下 水平定位精度降低到 100M 垂直测量精度为 157M 这就使得所有商用接收12机的
40、定位精度大幅度降低 3 所以在以往 车辆定位系统在接收到 GPS 定位信息后还需经过差分处理才能得以应用 因此许多 GPS 差分工作站也应运而生 但是随着世界上导航定位市场的扩大和新的导航定位系统的加入 美国政府为了争夺卫星导航定位市场 于 2000 年 5 月 1 日正式取消了 SA(选择性应用政策 ) 这样不通过任何的差分处理 用于民用的 C/A 码信号的定位精度能够达到小于 15 米 2.4 GPS 信号物理特征 GPS 卫星信号是 GPS 卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波 它包含有载波 测距码和数据码 时钟基本频率为 10.23MHZ6 GPS 使用 L 波段的两种载频 L1
41、载波 1575.42MHZ 波长为 19.032cm L2 载波 1227.6 MHZ 波长为 24.42 cm 选择这两个载频 目的在于测量出或消除掉由电离层效应而引起的延迟误差GPS 卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的 伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码 简称 PRN 是一个具有一定周期的取值 0 和 1 的离散符号串 它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征 而且具有某种确定的编码规则 GPS 信号中使用了伪随机码编码技术 识别和分离各卫星的信号 并提供无模糊度的测距数据 GPS 技术采用 m 序列 即产生于最长线性反馈移位寄存器 如图 2-3 所示 图 2-3 伪随机码的
42、产生 假设初始状态为 a3,a2,a1,a0 =(1,0,0,0),则在每移一位时 由 a3 和 a0 模 2 相加产生新的输入 a3+a0 使状态变为 1 1 0 0 这样移位 15 次 又回到初始状态在完成这一过 程中 其输出端产生一个随机码 00111101011001 13M 序列有如下特性 1. 均衡性 在一个周期内 1 和 0 的数目基本相等 不允许有全 0 的状态 2. 自相关函数 根据自相关函数的定义 可求得 m 序列的自相关函数 mDADADAjR =+=)( (2 4 1) 上式中 A 为 m 序列与其 J 次移位序列一个周期中对应元素相同的数目 D 为m 序列与其 J 次
43、移位序列一个周期中对应元素不同的数目 m 为 m 序列的周期 根据以上 m 序列的特性 其自相关函数为 R j =1,当 j=0 ,否则 R(j)= 1/m 这一特性非常重要 GPS 信号接收机就是利用这一特征使所接收的伪噪声码和机内产生的伪噪声码达到对齐同步 从而捕获和识别来自不同 GPS 卫星的伪噪声码解译出它们所传送的导航电文 测定出卫星到测站之间的距离 3. 伪噪声特性 如果对随机噪声取样 并将每次取样排序 会发现其功率谱为正态分布 由此形成的随机码具有噪声码的特性 M 序列在出现概率 游程分布和自相关函数等特性上与随机噪声十分相似 因此 我们将 m 序列称为伪随机码 8 2.5 伪距
44、法定位 伪距法定位是由 GPS 接收机在某一时刻测出的到四颗 以上 GPS 卫星的伪距以及已知的卫星的位置 采用距离交会的方法求出接收天线的三维坐标 所测的伪距就是由卫星发射的测距码到达 GPS 接收机的传播时间乘以光速所得出的距离 由于卫星钟 接收机的误差以及无线电信号经过电离层和对流层的延迟 实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离 有一定的差值 因此一般称测量出的距离为伪距伪距法定位因其具有定位速度快 且无多值性的问题等优点 被当作 GPS 定位系统进行导航的最基本的方法 9 GPS 卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码 该测距码经过 时间的传播后到达接收机 接收机 在自己的时钟控制下产
45、生一组结构完全相同的测距码 复制码 并通过延时器使其延迟时间 将这两组测距码进行相关处理 若自相关系数 R14 1 则继续调整延迟时间 直至自相关系数 R 1 为止 使接收机所产生的复制码与接收到的 GPS 卫星测距码完全对齐 那么其延迟时间 即为 GPS 卫星信号从卫星传播到接收机所用的时间 GPS 卫星信号的传播是一种无线电信号的传播 其速度等于光速 c 卫星至接收机的距离即为 与 c 的乘积 测定自相关系数 R 的工作由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成如图 2.5 由 卫星控制的测距码 a(t) 在 GPS 时间 t 时刻自卫星天线发出 经传播延迟 到达 GPS 接收机 接收机所接
46、收到的信号为 a(t - ) 由接收机控制的本地码发生器产生一个与卫星发出的本地码 a (t+ t), t 为接收机钟与卫星钟的钟差 经过码移位电路将本地码延迟 送至相关器与接收到的卫星发送信号进行相关运算经过积分器后 即可得到自相关系数 R 输出 )()()( 1 ttt += ttataRTT 2 5 1 调整本地码延迟 可使相关输出达到最大值 R(t)=R max (t) t - =t+ t - 可得 = + t = +c t 式中 测量值 为卫星至接收机的几何距离 c 为光速 1011 伪距测量原理图如图 2-4 所示 图 2-4 伪距测量原理图 由此可见伪距测量值 待测距离与钟差等效
47、距离之和 钟差 t 包括接收机钟差与卫星钟差 因此这里又引入了一个参数 为了消除这个参数 我们必须再引进一个方程 因此用伪距法定位必须有四个方程 即必须知道四颗卫星的参数 153 基于 GSM 的 GPS 车辆监控系统的总体设计 3.1 系统综述 GPS 车辆监控系统是利用了美国的 GPS 定位系统 再结合了 GIS 地理信息技术和GSM 移动通信技术的产物 其主要功能是将装有 GPS 接收机的移动目标的位置 经纬度 速度 航向以及移动目标车辆状态信息通过无线通信链路传送到监控中心 然后在 GIS 系统上的电子地图中加以直观的显示 并且在车辆移动终端也能实时的显示相关信息和时间 这种系统可以用
48、于银行 公安系统 保安等单位对于特种车辆的监控与调度管理 12 3.2 GPS 车辆监控系统的组成 整个 GPS 车辆监控系统主要是由 GPS 卫星 GSM 网络 车载移动终端和中心监控端所组成 车辆监控系统组成如图 3-1 所示 图 3-1 监控系统组成 163.2.1 GPS 卫星 GPS 卫星的不间断发送导航电文 由 GPS 接收机进行解码处理 进而输出定位数据 例如经纬度 速度 高度等 13 3.2.2 GSM 通信网络 车载移动终端和监控中心通信所发的短消息 都是经过 GSM 网络的短消息中心存储转发的 实际应用中短消息中心应根据车载移动终端的数目 引出专线连至监控中心 14 3.2
49、.3 车辆移动终端 车辆移动终端是由 GPS 接收模块 GSM 模块 实时时钟模块 CPU 控制核心模块和 OLED 显示模块以及一些外围设备所组成 能 够正确接收 GPS 卫星的信号解码处理后向中心监控端通过短消息模式发送车辆的定位信息 时间信息和车辆状态等数据 并能在终端显示当前时间 经纬度 各个模块工作状态等 并能通过短消息模式接受监控中心的控制指令 3.2.4 监控中心 监控中心要能 完成系统的运行检测 监控控制 信息管理以及外部数据接口能通过 GSM 网络与车辆移动终端实现通信 实现对报警目标的自动漫游跟踪 在电子地图上正确显示相关信息 进行电子地图 库的制作和编辑 由局域网 应用系统级软件及综合数据接口构成 3.3 系统功能说明 系统功能包括监控中心功能和车载移动终端功能 173.3.1 车载移动终端功能 车载移动终端具备以下主要功能 1 解码定位信息功能 能够正确接收并解码 GPS 导航电文 获得经纬度 速度 时间等基本信息 判断是否是有效信息 有效时能对这些信息作正确的换算 2 传递信息功能 在获得正确数据并换算结束后 能通过短消息
