硕士学位论文-基于GPSGPRS的车载卫星定位导航系统设计.pdf

重庆大学硕士学位论文基于GPSGPRS的车载卫星定位导航系统设计申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统20070605重庆大学硕士论文中文摘要摘要车载卫星定位系统，又称自动车辆定位系统(筒，L)，对它的研究起始于二十世纪七十年代。最初的应用是为了解决汽车文明带来的日益严重的城市交通问题。时至今日，车载卫星定位系统集合全球卫星定位技术、现代移动通信技术、地理信息系统技术于一身，不仅在智能交通系统中担负主要作用，同时还可以提供防盗防抢劫报警、紧急医疗求助等多种服务。但是，由于目前车载卫星定位系统的无线传输部分大多采用GSM短消息通信技术，试验表明【l】，通过GSM短消息承载的数据通信业务，实际应用的传输时延不小于6秒，这对于实时性要求较高的需求难以提供令人满意的应用。因此，采用GPRS技术来替代GSM无线数据传输部分，通过GPRS高达1712kbps的通信速率实现低于秒级的实时定位数据传输，成为车载卫星定位系统的发展方向。本文通过对GPS卫星定位理论、卫星数据处理的深入研究，对GPRS移动通信技术规范的细致分析以及对ARM嵌入式硬件系统、uClinux嵌入式操作系统等计算机技术的不断实践，提出一套基于GPRS无线通信技术的车载GPS卫星定位系统的设计方案。在本文的设计方案中，采用ARM嵌入式系统作为硬件平台，在其上运行uClinux操作系统，依托操作系统的资源优势，完成GPRS网络传输所需要的从适配驱动、链路控制、网络传输到业务应用的整套TCPIP通信协议栈，从而实现GPRS技术在车载GPS卫星定位系统中的应用。本方案综合了GPS、GIS和GPRS技术，具有如下特色：功能多、精度高、覆盖面广，在全球任何位置均可进行车辆的位置监控工作，充分保障网络上所有GPS用户的要求都能得到满足；定位速度快，有力地保障了企业在业务运作上提高反应速度，降低车辆空驶率，降低运作成本，满足客户需要；信息传输采用GPRS，具有保密性高、漫游性能好、移动业务数据可靠等优点；构筑在国际互联网这一最大的网上公众平台上，具有开放度高、资源共享程度高等优点。因此，这种监控平台一方面降低了投资费用，另一方面实现了信息的无地域限制的发布与共享，同时又可以通过设置不同的权限以保证信息的安全访问。关键词：GPS卫星定位，GPRS无线通信，ARM嵌入式系统，uClinux重庆大学硕士论文英文摘要Theresearchofvehiele-earrying(3FStrackingsystemalsoknownasAVL(AutomalieVehicleIoeation)，candatebacktothe1970sAtfirstitaimedtosolvetheincreasinglyserious恤伍cproblemscausedbyurbanizationNowadays。vehicle-carryingGPStrackingsystemcombinesthetechnologyofGPS，wirelesscommunicationandGISItnotonlyplaysaveryimportantroleinIntelligentTrafficSystembutalsoprovidesmanyotherusefulSOl-viceslikeanti-thiefandanti-robberyalarmSelvice)emergencymedicalsefviccandSO011Butmostofthetraditionalvehicle-carryingGPStrackingsystemsstill111SetheGSM-SMS(ShortMessageService)勰thewaytotransferinationExperiments11Jhaveindicatedthatthetimedelayis6secondsatleastwhenserviceisdeliveredbyGSM-SMS。Itcannotsarisfytheneedsforhighreal-timep廿anceunde-lrfloraeeireumstanc燃SoitisthetrendtoadoptGPRSinplaceofGSM勰thecommunicationmediaWiththespeedofl】pto1712kbps，itispossibletotransferpositiondataOnaregulafbasisoflessthan1secondThroughthestudyofGPSteelmologyGPRScommunicationprotocol，ARMembeddedsystemanduClinuxoperatingsystemthispaperhasproposedasolutionforthevel缸ele-earryingGPStrackingsystembased0111GPRSwirelesseomm瑚aieationThissystemliStSARMembeddedhardwareplatanduClinuxembeddedoperatingsystemwhichprovidesplentifulnetworksupportleSOllrc鹤tohelpimplementthewholeTCPIPstackfromhardwaredriverleveltoapplicationleveluClinuxoperatingsystembringsmuchconveniencetotheapplicationofGPRSinthissystemThedesignwillbeelaborated013intlaefollowingchaptersTechnologyofGPS，GI$，GPRS懈usedinthisdesignwhielahasthefollowingfeatures：lnorlfunctionsavailablebetterprecisionwidercoveragewhielaenablesUStotrackvehiel嚣anywhereontheearthanda拈嘲thattheilcedsofall(3PSus哪onthenetolinbefullysatisfied；hi班erspeedtolocatewhichfirmlyensull嚣corporationstoincreasetheirrespomesteedduringtheirscnicl龉goingontoreducetheprol：lortiollofempty-drivingandtoreducethecostofoperationandSOtheneedsofcustomers锄bebettersatisfied；GPRSWaftusedforinationtransmissionwhielaresultsinbetterinationsafetybetterftmetionforroamingbettereredibilityofmobiledataSavices，etc：basedonintemetthegreatestplatOnthewebforthepublicwlaiehismole重庆大学硕士论文英文摘要openandhasalargerextentof1esourcecommunionThereforeontheOfiehandthisplatcanreducethecostontheotheritimplementesthatinationcanbetransmittedandsharedwithoutplacelimitationMeanwhileyoucanellsul-ethatinationisaccessedsafelybysettingdifferentpopedomsKeywords：GPS，GPRS，ARMembeddedsystem，uClinuxm独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：移加r签字日期：叩年Z月。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密()，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密(、厂)。(请只在上述一个括号内打“”)学位论文作者签名：签字日期：刁唧年6月弓日导师签名：细易签字吼21年f夕日，重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介1绪论11课题背景从二十世纪九十年代以来，交通运输行业得到了快速高效的发展，显现出一番蓬勃的繁荣景象。但是高速发展的同时也带来了一些问题。首先，跨越省市的长途客货运输日益繁荣，虽然促进了地区经济贸易的发展，但是由于司机和汽车都处在长时间工作状态，安全隐患不容忽视，同时极少数不法分子在偏僻路段趁火打劫更是危害到人民群众的人身和财产安全。因此有效的提高长途客货运输的安全性，保障陆路交通的顺畅，成为运输单位和交通管理部门有待解决的问题【2】。其次，由于近年来我国机动车数量急速增长，为了解决城市交通的拥堵状态，各大城市都在大力建设以公交车为主的公共交通体系，对于公共汽车的有效调度不但方便乘客的出行，而且可以有效缓解道路承载的压力。再者，某些特种车辆存在特殊的管理需求。公安巡逻车、医疗急救车、消防救火车都要求可以快速的出现在事发现场，选择快速的行驶路径尤为重要。银行押款车、特殊人员服务车辆都需要实时的监控行驶状态。除此之外，汽车出租行业的管理者和私人汽车的拥有者，都想确切的知道自己的汽车在哪里，而且一旦出现意外状态，更希望可以对自己的汽车进行有效的保护上述问题虽然林林总总，但是只要知道了汽车在某个时刻的具体位置，就可以找到相应的解决方法。车载卫星定位系统集合全球卫星定位技术、现代移动通信技术、地理信息系统技术于一身，对车辆位置和相关状态进行实时监控，具有反劫、防盗、报警、调度等多种功能，从而可以有效的解决这些问题。12课题研究的目的和意义随着时代的发展，学科发展走向综合是一个普遍的趋势。本次研究的目的就是综合GPS、GIS、GPRS以及Internet等多种技术，研究并且尝试构造一种基于互联网以及GIS的移动跟踪和通讯服务平台。在世界的任何地方，使用浏览器就可以通过Intemet访问这个平台，即可实现对车辆的跟踪定位，同时可以实现双方或者多方通信，所有车辆的情况都显示在监控中心的电子地图上，一目了然。这种监控平台综合了GPS、GIS和GPRS技术，具有如下特色：11功能多、精度高、覆盖面广，在全球任何位置均可进行车辆的位置监控工作，充分保障网络上GPS所有用户的要求都能得到满足7重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介定位速度快，有力地保障了企业在业务运作上提高反应速度，降低车辆空驶率，降低运作成本，满足客户需要。3)信息传输采用GPRS，具有保密性高、漫游性能好、移动业务数据可靠等优点。钔构筑在国际互联网这一最大的网上公众平台上，具有开放度高、资源共享程度高等优点。因此，这种监控平台一方面降低了投资费用，另一方面实现了信息的无地域限制的发布与共享，同时又可以通过设置不同的权限以保证信息的安全访问。13国内外研究发展现状全球卫星定位系统(GlobalPositionSystem，简称GPS)是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展起来的具有全球性、全能性(陆地、海洋、航空与航天)、全天候优势的导航定位、定时、测速系统。近几年电子技术的发展使GPS接收机的造价大幅度下降，体积越来越小，快速定位能力和抗遮蔽能力也有提高。另一方面，由于嵌入式PC、单片机和DSP技术的发展使车载GPS设备的体积和造价也大幅下降。同时计算机和网络技术的发展，相关软硬件设备的性价比有大幅度的提高，使得建立一个性价比高的GPS综合服务系统成为可能。目前，GPS已广泛应用于军事和民用等众多领域【3】【4】嘲。GPRS是一组新的GSM承载业务，是以分组模式在PLMN和外部网络互通的内部网上传输。在有GPRS承载业务支持的标准化网络协议的基础上，GPRS网络管理可以提供(或支持)一系列的交互式电信业务。和其它通信网络相比，GPRS一个最吸引人的特点就是“永远在线”。GPRS采用的是分组交换技术，不需要像Modem那样拨号连接，用户只有在发送或接收数据时才占用资源。GPRS资源利用率高、传输效率高、接入时间短、支持m协议和X25协议从而能提供Intemet和其它分组网络的全球性无线接入嘲。地理信息系统(GIS)是一项以计算机为基础的新兴学科，是管理和研究空间数据的技术系统。在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按照地理坐标或空间位置进行各种处理和对数据进行有效管理。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。在交通行业，道路的规划、设计、管理因其鲜明的地学特征与GIS有着天然的联系。将GIS技术应用于道路建设和管理中，是高效建设现代化道路的一项重要的基础工程，是推进道路建设、管理现代化的重要手段之一”。这些系统可以单独或组合起来为全球各类用户提供各种相关性服务。在交通运输管理中，GPS导航系统与GPRS无线通信网络及GIS电子地图技术相结合，可8重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介以实现车辆跟踪、出行路线的规划和导航、信息查询、话务指挥和紧急援助等许多功能。14小结本章在详细分析目前车载导航系统现状和国内外相关研究现状的基础上，提出了一种基于GPSGPRSGIS的以实时性为核心的车载卫星导航定位系统方案，并确定了论文的主要研究内容。9重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介2(mS和GPRS简介21GPS全球定位系统简介211系统组成GPS系统是由美国国防部的陆海空三军在70年代联合研制的新型卫星导航系统。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(陆地、海洋、航空和航天)、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空间。GPS由三部分组成：GPS空间部分、地基监控站和GPS用户接收机部分。GPS空问部分由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成，卫星分布可保证全球任何地区任何时刻都有不少于4颗卫星供观测。24颗卫星中3颗作为备份，每个轨道平面上有4颗卫星，他们按与地球成55度的相同方向运行，空间间隔约为90度。这些卫星工作在2种频率下：l57542Mhz和l2276Mhz。通过测量这些卫星到达的时问，用户可以用4颗卫星确定4个导航参数：纬度、经度、高度和时间。每个GPs卫星都对应一组编号，它们有多种编号，一般采用PRN卫星所采用的伪随机噪声编码号。GPS定位精度高低关键在于高稳定度的频率标准，为此每颗GPS卫星都设有两台铷原子钟和两台铯原子钟。地基监控站由一个主控站和四个远端监控站组成。主控站设置在美国大陆，四个监控站分别设在大西洋、太平洋和印度洋岛屿上。地基监控站提供每颗GPS卫星所播发的星历，监测和控制卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，同时还保持所有卫星处于同一标准GPS时间系统。GPS用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置以实现定位和导航。GPS接收机按使用环境可分为中低动态接收机和高动态接收机。按所收信号可分为单频CA码接收机和双频P码和Y码接收机。GPS接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待铡卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，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耐川【9】212CmS卫星信号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。时钟基本颏率伪1023Mhz。GPS信号的产生如图21所示重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介GPS使用L波段的两种载频：Ll载波：五I=154xfo=157542Mhz，波长=19032cmL2载波：五2=120 xfo=12276Mhz，波长五=2442cm选择这两个载频，目的在于测量出或消除因电离层效应而引起的延迟误差。GPS卫星的测距码和数据码采用调相技术调制到载波上。图21GPS的广播信号Fig21GPSbroadcastsignalGPS卫星的数据码即GPS卫星的导航电文，它是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及CA码转换到捕获P码的信息。这些信息是以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送。GPs卫星的测距码有两种：一种是CA码，它用于粗测距和捕获GPs卫星信号伪随机码(伪随机码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和l的离散符号串。GPS信号中使用了伪随机码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。)。一种是P码，它用于精测距。根据美国国防部规定，P码是专为军用的。相应两种测距码GPS提供两种定位服务方式，即精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。PPS的主要服务对象是美国军事部门和其它特许部门。这类用户可利用P码获得精度较高的观测量，且能通过卫星发射的两种频率的信号进行测距，以消除电离层折射的影响。利用P码进行单点实时定位的精度可优于10m。SPS的主要服务对象是广大的民间用户。利用SPS所得到的观测量精度较低，且只能采用调制在一种频率上的CA码进行测距，无法利用双频技术消除电离层折射的影响其单点实时定位的精度约为20-30mEl01“】。美国为了防止未经许可的用户把GPS用于军事目的(进行高精度实时动态定位)，于1989年11月开始至1990年9月，进行“SA”和“AS”技术的试验，并于1991年7月开始实旋SA技术。重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介SA(SelectiveAvailability)技术即有选择可用性技术，它人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，故意降低GPS定位精度，使CA码定位的精度从原来的20m降低到100m。AS(Anti-Spoofing)技术即反电子欺骗技术，其目的是防止敌方使用P码进行精密导航定位。当实施AS技术时，非特许用户将不能接收到P码。这项技术仅在特殊情况下使用。SA和AS技术的实施将对定位产生很大的影响：1)降低长降低单点定位的精度2)距离相对定位的精度。3)AS技术会对高精度相对定位数据处理、整周未知数的确定带来不便。但鉴于GPS巨大的实用价值，美国总统克林顿颁布法令，将GPS向民用领域免费开发，同时在2000年5月1日起停止SA政策，即不再对民用定位码加入人为干扰，使民用定位精度大大提高。213GPS卫星定位原理GPS的工作概念是基于卫星的距离修正，用户通过测量到太空各可视卫星的距离来计算他们的当前位置。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度快慢就可以计算出接收机到不同卫星的距离，同时收集到至少四颗卫星的数据时就可以解算出三维坐标、速度和时间。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。简单地说来，是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。首先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以排除其中一个不合理的位置，当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行定位。如图22所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间At，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式1211131：12重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介卫辊l】擞2曩辊，卫艟)(|J121)(X2V2翻X氧Y嚣黼Y艄礴图22GPS定位原理Fig22PositioningprincipleofGPS(XIX)2+(x一玎+(zlz)2l，2+c(-K。)=嘎(五一x)2+(E一玎+(Z2一z)2l2+f(K：一)=吱(五一x)2+(EJ，)2+(五一z)2“2+c(K，-K。)-d(k一聊2+(一y)2+(z一z)2“2+c(K-K。)=吐上述四个方程式中待测点坐标X、y、Z和m为未知参数，其中42c口(f2l、2、3、4)。一(f2l、2、3、4)分别为卫星1、13iil2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。otAi2l2、3、4)分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。f为GPS信号的传播速度(即光速)。四个方程式中各个参数意义如下：X、】，、Z为待测点坐标的空间直角坐标。五、互O=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在f时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。圪02123、4)分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。m为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标Z、】，Z和接收机的钟差m。重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介静态定位时，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机通过高精度测量GPS信号的传播时间，并利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所在的运动物体叫做载体(如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等)。由于载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中将相对地球而运动，这样，接收机用GPS信号就可实时地测量运动载体的状态参数(瞬问三维位置和三维速度)。接收机硬件、机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元则置于测站附近的适当地方，并用电缆线将两者连接成一个整机。实际上，也可以将天线单元和接收单元制作成一个整体，而在观测时将其安置在测站点上。22GPRS移动通信系统简介221GPRS技术简介GPRS(通用分组无线业务)是移动通信从第二代(GSM数字移动电话系统)向第三代(宽带cDMA)过渡的产品，属于25代移动通信业务，作为第三代个人多媒体业务的重要里程碑，GPRS的应用将使移动通信与数据网络合二为一，使口业务得以引入广阔的移动通信市场。GPRS业务是在现有的GSM数字移动通信网路上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用IP数据网络协议，使现有的GSM移动通信网的数据业务突破了传统业务的速度。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有“高速”和“永远在线”的优点14】。GPRS与GSM的区别在于GSM采用的是电路交换方式，GPRS采用的是口分组交换方式，好处体现在计费方面，GSM主要按时长来计费，打多长时间电话，就按多长时间计费；GPRS的计费是以数据流量、时间、服务质量三者的结合为基础，对于相同的数据流量，根据用户数据传输质量的不同产生不同的费用。从这种意义上讲，GPRS能为用户节省上网费用，计费方式更加合理。222GPR-s系统组成GPRs网络是基于现有的GSM网络来实现的。在现有的GSM网络中需要增加一些节点，如GGSN(GatewayGPRSSupportingNode，网关GPRS支持节点)和SGSN(ServingGSN，服务GPRS支持节点)GPRS网络参考模型如图21所示。GSN是GPRS网络中最重要的网络节点。GSN具有移动路由管理功能，它可以连重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS寄存器。GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与GSM中的MSC集成在一起151。网络结构如图23所示GSN有两种类型：一种为SGSN(ServingGSN，服务GSN)，另一种为GGSN(GatewayGSN，网关GSN)。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDDN，PSPDN和LAb等。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCPIP或X25网络。图24描述了GPRS传输协议平台。_一n雌hmSm一划吨-一D_T_h舶融图23GPRS网络结构Fig23StructureofGPRSnetwork叫k_-聊X撼m”女。g睁IHF蛾e警S静矿戤I妇nttAcwf嚣lj口“t岱H群矧犯l啦IlII“h“IhI正渊6呛子#啦制的惫赫趣_o静I口ttu岛跫鼙蝴馨魁6置挂麟栉餐蝴雒接J捕弧cHtlttmtt图24GPRS传输协议平台重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介Fig2AGPRSTransferProtocol223GPRS的主要特点1)GPRS采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用。2)定义了新的GPRS无线信道，而且分配方式十分灵活：每个TDMA帧可分配到l至8个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向上链路和向下链路的分配是独立的。3)支持中、高速率数据传输，可提供9051712kbits的数据传输速率。4)GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。5)GPRS支持基于标准数据通信协议的应用，可以和m网、X25网互联互通6)GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样，身份认证和加密功能由SGSN来执行n用户数据在MS(MobileStation)和外部数据网络之间透明地传输，它使用的方法是封装和隧道技术：数据包用特定的GPRs协议信息打包并在MS和GGSN之间传输。这种透明的传输方法缩减了GPRSPLMN对外部数据协议解释的需求，而且易于在将来引入新的互通协议。8)GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级(QoS)的计费功能，计费方式更加合理9)GPRS的核心网络层采用口技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的球网无缝连接。224GPRS的业务及应用在有GPRs承载业务支持的标准化网络协议的基础上，GPRS网络管理者可以提供(或支持)一系列的交互式电信业务。11承载业务。支持在用户与网络接入点之间的数据传输的性能。提供点对点业务、点对多业务这两种承载业务。点对点业务在两个用户之间提供一个或多个分组的传输。由业务请求者启动，被接收者接收。点对多点业务是将单一信息传送到多个用户。GPRSPTM业务能够提供一个用户将数据发送给具有单一业务需求的多个用户的能力。2)用户终端业务。GPRS支持电信业务，提供完全的通信业务能力，包括终端设备能力。用户终端业务可以分为基于PaP的用户终端业务和基于PTM的用户终端业务16重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介225GPRS的无线信道配置GPRS系统采用与GsM相同的TDMA多址方式，载频间隔为200KHz，每个载频按时问分割以8个时隙为单位的TDMA帧，即每8个时隙在200KHz频率范围内循环出现，从而形成频率一时间分割复用系统。多个TDMA帧构成复帧，复帧可分为包含26个TDMA帧的26复帧，5l复帧以及52复帧等几种类型。26复帧主要用于业务信道及随路控制信道，如TCH，SACCH，FACCH等；5l复帧则专用于控制信道，如GSM系统中的BCCH和CCCH；52复帧在GPRS系统中用于PBCCH，PCCCH，PACCH，PDTCH等信道类型，它可以看作两个26复帧的组合。GPRS系统中的52复帧由12个用于传送数据的无线块和2个用于传送定时提前量的无线块以及两个空闲TDMA帧组成。逻辑信道到物理信道的映射序列依次为B0，B6，B3，B9，B7，134，B10，132，B8，B5，Bll，这种方式提供了复帧的交织，并能够调整控制信道在每个时隙上的分布，从而减少用户传送信令包的平均等待时间。在GPRS系统中，每个时隙作为一个PD陀H信道，同一PDTCH上的4个连续普通突发用于传送一个RLCMAC数据块。图25描述了GPRS的52复帧结构【16】。FDMA幢X一空辩杖。I帅-BIl一燃腱图25GPRS的52复帧结构图Fig23GPRS52-frames舡l尬协球GPRS的逻辑信道是执行特定功能协议的一种或一组物理信道的组合，他们主要用于传送BSS和MS之间的信令和数据业务。GPRS逻辑信道可分为业务信道TCH和信令信道CCH两大类。TCH主要用于传送用户信息流，如话音业务和数据业务。它包括TCH，PDTCH，CBCH等类型。GPRS系统中允许多个PDTCH进行复用。CCH则主要用于传送控制信息。它分为分组随路控制信道PACCH，分组定时提前量传送信道PTCCH，分组广播控制信道PBCCH，分组随机接入信道PRACH，分组寻呼信道PPCH，分组接入允许信道PAGCH，分组通知信道PNCH等。逻辑信道分为可用于上下行方向的双向信道和单独用于上行或下行方向的单向信道双向信道包括用于传送定时提前量信息的PTCCH，用于传送上下行数据17重庆大学硕士论文2GPS和GPRS简介单元的数据传送信道PDTCH，用于传送特定用于相关的随路控制信息的PACCH等几种。独立的上行信道包括PRACH，它作为随机接入信道，用于请求系统进行话务信道分配，独立的下行信道包括PPCH用于进行分组用户的寻呼，PAGCH用于对用户分配上行信道，PNCH用于呼叫时的用户提示，PBCCH用于进行网络信息广播等。下行方向逻辑信道的类型通过无线块头部的信息类型标定，上行方向的PACCH作为接入突发时，信道类型通过相应的下行轮询信息指示。PRAcH信道类型通过下行无线块上所传送的USF标定，其他逻辑信道的类型将通过无线块头部的信息类型予以标定226GPRS数据传送过程在需要进行上行数据传送时，MS可以采用一步或两步接入法发起信道接入请求。由于多个手机发送接入信息的随机性，系统首先需要完成冲突检测过程，随后根据MS的多时隙特性采用动态或静态方式进行信道分配。MS使用所分配的信道进行数据发送和数据确认上行数据传送时，首先要发出接入申请。MS通过RACH或PRACH逻辑信道发送随机接入请求信息，请求数据信道资源的分配，系统通过BCCH或PBCCH上广播的系统信息进行接入控制，以防止多个MS造成碰撞。接着系统开始分配信道，此时若MS申请一步接入，系统将通过AGcH或PAGCH信道分配PDTCH信道。若是两步接入，系统将通过AGCH或PAGCH信道分配PACCH，由用户进一步发起分组资源请求申请PDTCH信道。对于上行数据的传送，系统可采用静态或动态方式进行信道分配。对于静态分配方式，MS根据信道分配阶段所分配的固定无线块发送数据；对于动态方式，MS需不停地收听下行信道上的USF信息，以决定是否可以利用接下来的一个或一组无线块发送数据。在传送过程中或最后一个RLC块传送完成后，系统将会确认RLC数据块的接收情况。如果MS在数据传送完成后一段时间内不能及时收到确认信息，它将启动数据重传过程【19】20】。数据的下行传送，由BSS对MS分配上行传送所需的信道，MS监听所支配的信道，下行数据无冲突地予以传送。23小结本章详细介绍了系统设计中需要使用的GPS和GPRS技术，为系统的设计奠定了基础。重庆大学硕士论文3车载卫星定位导航系统的总体设计方案3车载卫星定位导航系统的总体设计方案31系统整体结构车载卫星定位导航系统由三个部分组成：GPS车载系统、GPRS无线网络、以及监控中心。GPs车载系统包括AllM嵌入式系统、GPs卫星接收模块、GPRs无线通信模块以及扩展功能模块。GPRS无线网络采用中国移动通信公司的GPRS移动通信公众网，包括Msc基站控制器、SGsN业务支撑节点、GGSN网关支撑节点。监控中心包括网关和信息服务器。图31为系统整体结构的示意图。图31车载卫星定位导航系统整体结构示意图Fi931IllustrationofthesU-uctttreofthevehide-carryingGPSGPRSsy$tem车载系统设备上的GPS接收器采集GPS卫星数据，经过数据处理得到车辆的地理坐标信息，该信息通过车载系统的处理之后，由GPRS无线通信模块发送到GPRs无线通信网上。GPRS网络根据相应的协议在车载系统和接入Intemet的监控中心之间建立一条支持T(m口的数据通道。监控中心把通过这条数据通道传送来的车辆位置数据通过数据库和WebGIS技术显示在电子地图上。监控中心还可以通过该通道向下发送控制命令和服务信息。因此，除了车辆定位之外，系统还可以提供诸如防盗防抢、医疗求助、移动电话等多种服务。32监控中心结构和功能监控中心由GPRS通信服务器、GIS服务器、Web服务器、地图数据库、业务数据库组成。整个监控中心通过专用路由器接至Intemet。GPRS通信服务器处理与各监控终端之问的一对多双向数据通信采集各监控且标的状态信息并转发19重庆大学硕士论文3车载卫星定位导航系统的总体设计方案监控用户对监控目标的控制信息；GIS服务器根据用户从浏览器发回的命令生成相应的电子地图图片并回送给浏览器；Web服务器则将电子地图和各种目标信息组合起来，为监控用户提供基于浏览器的监控界面；地图数据库和业务数据库分别存储电子地图和监控业务数据。同时监控中心对各移动目标GPS定位信号中的经纬度信号进行坐标转换，在基于浏览器的监控界面以特定图标显示车辆位置，并不断对位置信息进行刷新。具体有以下几种功能：1)放大、缩小可对当前的地图进行无级放大与缩小操作，以便了解某个移动目标所在位置的详细情况或了解更大区域或全局的整体情况。2)车辆跟踪。可选定车辆进行目标跟踪显示。在中心的电子地图上选定跟踪车辆的运行回报位置将在地图画面上保持，形成直观的运行轨迹，并可以保存该轨迹。3)报警受理。加装传感器后，在移动目标遇到抢劫、偷窃等情况时，其向中心发回报警信号，在报警窗口上将对该移动目标进行显示并可以声、光报警提醒值班员注意。4)系统管理功能。中心程序启动时须输入操作员号码和口令，系统管理员可管理操作员权限及可修改口令5)历史轨迹回放。可选定某车某时间段的位置记录进行轨迹回放。33车载终端的结构和功能车载终端包括GPS定位模块、GPRS通信模块、黑匣子、其他传感与控制模块。GPS定位模块用于实时获得汽车的时空坐标；黑匣子用于记录音视频数据、定位数据和各种其它车况传感数据；GPRS通信模块将坐标信息和其他目标传感信息发送给监控中心；其他传感与控制模块用于实时获取目标(如车况)信息并实施报警控制(如锁车、熄火、断电)。车载终端通常工作在GPRs模式下，在GPRS覆盖不到的地域，将自动切换到SMS短信方式，继续进行数据传输；一旦回到GPRS覆盖地域，又会自动切换回GPRS模式。同时，车载移动端配有耳麦或通话手柄，一个标准功能的GSM手机。34车载终端的总体设计方案车载GPSGPRS系统的设计必须满足基本数据需求和增值业务需求。基本数据需求就是通过GPRS无线链路把卫星定位信息传送到监控中心，对于这个流程的实现，首先要能够采集GPS卫星定位数据并对该数据进行一定的运算处理和封装重庆大学硕士论文3车载卫星定位导航系统的总体设计方案处理，其次要能够通过GPRS无线数据链路连接到口数据网，访问位于监控中心的服务器。除此之外可以提供显示面板，按键操作面板。满足基本数据需求之后，可以扩展增值业务，提供诸如汽车防盗防抢劫报警，车载免提电话等功能。对于基本数据需求来说，卫星数据采集可以通过GPS模块实现，但是需要有一个可以控制的接口和具有较强计算能力的处理器来处理采集的数据。无线数据链路的物理层可以由GPRS模块承载，但是需要由可以支持链路层和网络层协议栈的软硬件平台。显示面板可用液晶显示模块，操作面板可以通过简单的数字逻辑实现。对于增值业务、汽车防盗抢劫，可以设计专门的油路、电路控制单元。车载免提电话可以通过控制GPRS模块实现。图32描述了车载系统的总体设计方案。臣匮困图32车载终端的总体设计方案Fig32SolutionofthevehicleterminaloftheGPSsystem根据上述分析，主体需求是需要一个具有较强的运算能力和FO控制能力，同时可以支持链路层和网络层协议的平台。如果系统的硬件设计方案采用ARM嵌入式硬件平台，既可以解决运算能力和FO控制能力的问题，又可以通过运行在嵌入式系统上的操作系统实现对软件层协议栈的支持。因此，车载系统的硬件系统设计方案采用Philips的LPC2210处理器加uClinux操作系统的方式。具体的硬件设计方案和软件设计方案将在后续章节中详细阐述。35小结本章着重讨论了监控中心的结构和功能，以及车载终端的结构和功能。并且根据结构和功能，提出了车载端的总体设计方案GPS采集模块可以提供高精度的地理信息，GP骼模块可以实现实时传输，具有“高速”和。永远在线”的优点，完全可以满足系统要求。21重庆大学硕士论文4车载卫星定位导航系统的硬件设计4车载卫星定位导航系统的硬件设计本章详细介绍了车载终端的硬件设计方案，着重阐述嵌入式处理器LPC2210硬件系统的设计，GPRS通信模块接口的设计和GPS卫星数据采集模块的接口设计。41硬件系统的总体设计方案考虑到系统设计的可扩展和实现的复杂度，硬件系统把对基本功能和扩展功能的支持分开设计。基本功能组成主电路系统，扩展功能按照模块化的思想设计成子卡的形式，通过总线方式与主电路系统连接。主电路系统预留相应的接口，需要的功能模块子卡可以直接挂接到总线上图41描述了车载系统的硬件设计方案。图41硬件总体设计框图Fi941Straemreofthehardware8ystcln主电路系统的设计采用LPC2210作为嵌入式系统的处理器，外围扩展FLASH存储器、SRAM存储器和JTAG接口，同时把GPS数据采集模块和GPRS无线通信模块集成在主电路系统中。扩展功能模块分成两部分，一部分是总线接口，包括数据线，地址线和控制线的接口，另一部分就是具体的功能实现单元。42主电路板的虹U订嵌入式系统设计421ARM嵌入式系统嵌入式系统是硬件设计领域的热门之一。从20世纪70年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了将近30年的发展历史。从汽车电子到智能家电，从工业机器到通信装置，嵌入式的重庆大学硕士论文4车载卫星定位导航系统的硬件设计应用几乎涵盖了所有工业领域。如今的3264位嵌入式微处理器，处理能力达到PC机的水平，但是体积更小，还可以运行诸如VxworksWindowsCE，Linux等嵌入式操作系统。采用嵌入式微处理器设计的嵌入式系统，专用性更强，系统的软件和硬件结合得更紧密，同时具有实时性、低成本、小型化和高可靠等多方面优势，从而占据了嵌入式系统应用的大半江山，ARM作为其中的主要力量更是功不可没211122。ARM既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，专门从事基于RISC技术的芯片设计开发。世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，采用ARM技术知识产权核的微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额。ARM微处理器目前包括ARM7，ARM9，ARM9E，ARMl0E，SecurCore几个系列，以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器，例如Intel的XscaleStTongARM系列等等23】【24】。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：1)支持ThumbC16位)ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8716位器件。2)体积小、低功耗、低成本、高性能。3)大量使用寄存器，指令执行速度更快。4)大多数数据操作都在寄存器中完成。422ARM处理器电路设计LPC2210是Philips公司生产的高性价比1632位RISC微控制器，内含一个1632位删7TDMIRISC处理器核。与CISC系统相比较，IuSC架构的指令集和相关的译码电路更简洁高效。ARM7TDMI处理器区别于其他ARM7处理器的一个重要特征是其独有的称之为Thumb的架构策略251。该策略为基本ARM架构的扩展，由36种基于标准32位ARM指令集、但重新采用16位宽度优化编码的指令格式构成。由于Thumb指令的宽度只为ARM指令的一半，因此能获得非常高的代码密度。当Thumb指令被执行时，其16位的操作码被处理器解码为等效的32位标准ARM指令，然后ARM处理器核就如同执行32位的标准ARM指令一样执行16位的Thumb指令ARM7TDMI内核既能执行32位的ARM指令集，又重庆大学硕士论文4车载卫星定位导航系统的硬件设计能执行16位的Thumb指令集，因此允许以子程序段为单位，在同一个地址空间使用Thumb指令集和ARM指令集混合编程，采用这种方式，可以在代码大小和系统性能上进行权衡，从而为特定的应用系统找到最佳的编程解决方案。图42描述了LPC22lO芯片的管脚分布。图42LPC2210管脚分布图Fig42PinoutofLPC2210除了ARM7TDMI核以外，LPC2210比较重要的片上外围功能模块包括16KBSRAM、2个UART通道、2个SPI接口、1个IIC接口、2个32位定时器、8通道lO位AD转换器、76个可配置的通用Io