（交通信息工程及控制专业论文）移动通信基站与线路自动巡检方法研究与实现.pdf

摘要 自动巡检是对人员设备实施量化和动态管理的现代化手段，可以 提升企业及生产部门的科学化和信息化管理水平。自动巡检系统根据 巡检过程中记录的数据对维护工作的完成情况进行考核，实现维护日 常管理的信息化，加强维护管理的科学化、制度化。目前在石油行业 管线、井位巡查管理、电力行业线路、设备巡查管理、通讯行业线路、 设备巡查管理和铁路及安全设备巡查管理等领域都广泛的应用。传统 的巡检系统依赖于在巡检目标上安装的外设并且要求巡检人员携带 大量专业仪器仪表，开发和维护成本高，难以对巡检过程进行有效管 理。 本文根据移动通信基站与线路巡检工作的特点，针对自动巡检的 方法进行了研究。提出了一种基于w i n d o w sm o b l i e 智能手机、g p s 、 g p r s 和w e b g i s 的基站线路自动巡检方法，降低了开发和维护的成本， 实现了对巡检现场情况的实时监控。提出了一种改进的地图匹配算 法，在g p s 采样时间间隔较长的情况下实现了对定位点的地图匹配并 且能够绘制出与道路信息相符的定位轨迹。设计并实现了长沙移动基 站线路巡视巡检资料回传系统( 又名长沙移动基础维护管理平台) ，已 经在湖南移动长沙分公司投入使用。 最后本文对研究工作的内容进行了总结，并对下一步的研究工作 和3 g 时代的自动巡检技术的发展进行了展望。 关键词w i n d o w s m o b i l e ，g p s ，w e b g i s ，地图匹配 a b s t r a c t a u t o m a t i ci n s p e c t i o ni sam o r d e nm e t h o df o rd y n a m i cm a n a g e m e n t a n d q u a n t i f i c a t i o no fp e r s o n n e la n de q u i p m e n t a u t o m a t i ci n s p e c t i o n s y s t e mc h e c k t h em a i n t e n a n c ew o r ka c c o r d i n gt h ed a t ar e c o r di na p p r a t u s t oa c h i e v et h ei n f o r m a t i o n i z a t i o no fm a n a g e m e n t ，a n ds t r e n g t h e nt h e r a t i o n a l i z a t i o no fm a i n t e n a n c em a n a g e m e n tt oi n p r o v em a i n t e n a n c el e v e l a tp r e s e n ti nt h eo i li n d u s t r y p i p e l i n e s ，w e l l si n s p e c t i o nm a n a g e m e n t ， p o w e ri n d u s t r y l i n e s ， e q u i p m e n t ，i n s p e c t i o n m a n a g e m e n t ， c o m m u n i c a t i o n sl i n e s ，e q u i p m e n ti n s p e c t i o n sa n ds a f e t ym a n a g e m e n ta n d t h er a i l w a ym a n a g e m e n ti na r e a ss u c ha se q u i p m e n ti n s p e c t i o n sa r ea w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h et r a d i t i o n a li n s p e c t i o ns y s t e md e p e n d so n t h et a r g e ti nt h ei n s p e c t i o no ft h ep e r i p h e r a l st oi n s t a l la n dr e q u i r e s p r o f e s s i o n a li n s p e c t i o ns t a f ft oc a r r yl a r g ea m o u n t so fi n s t r u m e n t a t i o n t h ec o s t so fd e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c ea r ee x p e n s i v e i ti sd if f i c u l tt o c o n t r o lr e a lt i m ei n s t a n c eb yt h et r a d i t i o n a li n s p e c t i o ns y s t e m t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h em e t h o d so fa u t o m a t i ci n s p e c t i o ns y s t e m a n dp u tf o r w a r daa u t o m a t i cm e t h o db a s e dw i n d o w sm o b i l es m a r t p h o n e s ，g p s ，g p r sa n dw e b g i sa c c o r d i n gt h ef a c to fi n s p e c t i o no n b a s es t a t i o na n dl i n ea b o u tm o b i l ec o m m u n i t c a t i o n t h i sm e t h o dr e d u c e s t h ec o s to fe x p l o i t a t i o na n dm a i n t e n a n c ea n da c h i e v et oc o n t r o lr e a lt i m e i n s t a n c e t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e dm a pm a t c h i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h es h o r t e s tp a t h o nt h ef a c tt h a tg p sd a t ai sc o l l e c t e dw i t h i r r e g u l a ra n dr e l a t i v e l yl o n gs a m p l ei n t e r v a l s , t h i sa l g o r i t h mn o to n l y f i n i s h e sm a pm a t c h i n gb u ta l s od e t e r m i n e sr o u t e sb e t w e e nt w os u c c e s s i v e p o i n t s f i n a l l y ，t h ec o n t e n to ft h er e s e a r c ha r es u m m a r i z e d ，a n dt h en e x t p h a s eo fr e s e a r c ha n d3ge r ao f t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t e di n s p e c t i o n t e c h n o l o g yf o rt h ef u t u r ea r ep r o s p e c t e d k e yw o r d sw i n d o w s m o b i l e ，g p s ，g i s ，m a p m a t c h i n g 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注 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，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用 过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在在论 文中作了明确的说明。 作者签名：么缍丝二堡日期：盟年月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段 保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位 论文。 吼啤也也日 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着移动通信在我国的飞速发展，移动通信网络的设备类型和数量大幅度增 加，网络维护的工作越来越复杂。湖南移动长沙分公司所覆盖的区域已拥有无线 基站近1 8 0 0 多个，光纤长度达4 0 0 千米，这给基站设备的检测和线缆的维护带 来了很大困难，使得长沙移动公司对代维人员的管理带来了困难。移动公司当前 的维护模式、操作及管理方式存在以下问题： ( 1 ) 现场维护情况和资源状态难以实时监控。在移动通信基站与线路的日常 维护事务中，维护人员和物资分散在市区上千个站点中，现场维护人员当前位置 与操作类型、维护材料的使用状态及库存等数据难以准确和实时地反馈到管理者 面前。这样难以科学高效地开展维护工作及对人员和资源进行合理调度。 ( 2 ) 网络优化拨测方式在通用性和专业性上存在矛盾。在网络优化拨打测 试中，目前采用手提电脑与测试手机结合的方式。由于测试软件( t e m s 、p i l o t 等) 价格昂贵，数量较少，不能很方便地携带。而t e m s 等测试手机过于专业， 测试获取的数据不能贴近一般用户手机的实际使用情况。如果采用一般用户的手 机进行拨测，无法有效记录性能数据，亦无法进行性能分析。这种情况给网络优 化带来较大的困难。 ( 3 ) 资产管理缺乏有效的信息化手段。网络资产管理是日常维护的重要内容， 维护中经常需要进行资产实物调拨、核对等工作，但原有的固定资产管理系统只 能实现资产台帐的管理。对现场的实物管理只能采用人工填报纸质调拨单、后台 数据录入更新的方式。在网络资产数量越来越庞大、网络资产的调拨越来越频繁 的情况下，这种方式的准确度和及时性都无法满足管理的要求。 ( 4 ) 网络维护、优化、管理等各方面的移动办公程度不高。当前网络运营对 信息化的依赖程度越来越高，工作人员需要随时随地开展工作，各种数据往往需 要暂时存放在手提电脑或者其他存储介质中，但维护人员、优化人员和管理人员 一旦离开了常规的办公场所，受到终端及传统网络条件的限制则难以接入相关的 工作系统，造成数据上传不及时，各种工作将无法有效开展，直接影响了工作效 率。 为了保障湖南移动长沙分公司基站和通信线路正常运行、提高基站和线路资 源的维护管理水平并提升线路资源利用率，本文针对自动巡检的方法展开研究， 提出了一种基于w i n d o w sm o b i l e 智能手机、g p s 、g p r s 和w e b g i s 的基站线路自 动巡检方法设计并实现了长沙移动基站线路巡视巡检资料回传系统( 长沙移动基 础维护管理平台) ，旨在实现整个基站线路资源的完整化、集中化、可视化管理， 在及时保证资源数据完备性、一致性、可靠性的基础上，为管理人员提供准确、 快速的各种线路资料查询及多层次的综合数据统计分析功能，有效提高基站和线 路巡视巡检的可靠性、高效性和准确性。 基于w i n d o w s m o b i l e 的移动巡检系统是基于智能手机的多功能移动维护信 息化支撑系统，通过智能手机终端+ 手机外设+ 信息管理平台的应用模式，可 提供一个全面涵盖网络维护、优化、管理等各方面运作的移动化办公模式。基于 w i n d o w s m o b i l e 的移动巡检系统可以对移动通信维护现场所涉及的各种操作提 供信息化支撑。从巡检计划的制定、站点现场出入登记，到现场开展巡检操作、 提交巡检结果，巡检管理员对总体工作进度进行跟踪，现场维护人员直接利用 手机摄像头对现场实况进行处理情况反馈，维护管理员对总体的维护资源分布 进行监控，维护人员对站点的维护历史进行查询等，这一系列的现场维护操作， 都可以直接通过智能手机来实现。该系统能有效地将时间信息、地点信息、人员 信息、操作过程、操作结果、现场实况等信息进行自动化收集，在现场操作维护 和基础维护信息数据库之间建立一种有效的互动。现场的情况能准确及时地更新 到数据库中，也可以在现场随时查阅基础维护信息，大大提升了维护效率。该系 统也能实现资产实物管理的全程信息化。通过智能手机+ 条码扫描枪+ 资产管理 系统的应用模式，可以在站点现场实时执行站点资产设备的调拨和核对( 盘点) 操作，并同步更新资产管理数据库，有效保证了站点资产数据的及时性和准确 性。该系统创造性地将t e m s 及p i l o t 等专业软件中的主要常用的c o t 测试功能 及基站g g m 调测功能有效移植到普通智能手机中，在普通智能手机上实现了网 络参数动态实时呈现和拨测记录，并能在管理平台上实现巡检工作的地图轨迹回 放。网络优化人员只要持有智能手机，则可以随时随地对网络覆盖效果进行拨打 测试，开展优化分析。 1 2巡检系统研究现状 1 2 i 巡检系统分类 通常的移动通信基站与线路的巡检应用系统中，信息技术的采用更多表现为 以数据存储及信息传递为主。然而企业面临的信息来源、信息量和处理要求都在 迅速增长，由此对工作效率和反应速度也提出了更高的要求。就目前通信行业的 巡检系统而言，虽然都已实现了基本的信息化，但原有模式显然难以满足同益增 4 长的事务处理、信息共享、工作协同和决策支持等方面的要求。为保证企业管理 和业务决策的更加迅速及时，为达到与国际一流企业的现代化管理水平接轨的要 求，充分利用先进的移动技术对于系统的建设中就显得格外重要。 对于如何实现有效的移动通信基站与线路的巡检管理，目前除了采用传统大 的人工直接巡检外，还有采用视频监控、综合检修车，甚至直升飞机等移动通信 巡检手段。这些方式在对国内电力企业来说，成本过高，实施困难，且不易推广， 同时也难以解决巡视工作中人为因素的影响。国内的通信行业在传统的人工巡检 方式基础上，开始尝试一些新的方式。 巡检是指工作人员按照规定的巡检路线，在规定的时间段内必须到达巡检路 线中的每一点，并在一段时间内完成对规定区域的巡查瞳1 。巡检系统的一般功能 包括： ( 1 ) 监督巡检人员坚守岗位，尽职尽责，实现科学化人员管理。 ( 2 ) 实现设备盯防与人员盯防的有效结合，弥补设备盯防可能存在的缺陷和 不足。 ( 3 ) 通过巡检系统可以及时了解到值班人员的工作状态，及时发现问题。 尽管能够实现上述功能的巡检系统很多，但是它们的基本组成是相似的。一 般来说，巡检系统由四部分组成，即巡检点、巡检仪、传输介质、巡检管理主机。 所谓巡检点，就是安装在巡检人员需要查看的地点的设备，巡检点可以由有源设 备构成，也可以由无缘设备构成：所谓巡检仪，就是巡检人员巡检过程中使用的 一种电子设备，它有特定的结构和功能，或完成巡检信息的自动记录和存储，或 完成巡检信息的自动发射，或完成巡检信息的传输触发，具体功能与巡检系统的 总体结构密切相关：传输介质根据巡检系统的结构不同而不同，它可以是有线的 铜缆介质，也可以是电磁波介质，还可以是以其它无线或有线方式传输信息：巡 检管理主机是一个计算机管理系统，经常由一台普通p c 机担任，实现包括巡检 系统动态实时信息在内的巡检信息综合管理任务口1 。 巡检系统的分类方法很多，从传输介质角度来看，巡检系统主要分为无线巡 检系统和有线巡检系统。就无线巡检系统来说，分为以下三种： ( 1 ) 巡检点设备直接无线发射巡检信息的无线电巡检系统。在这类系统中， 巡检点是一个独立的发送设备，它可以采用i e e e 8 0 2 1 l a b 、s w a p 等无线通信协 议。巡检仪只是一种独特的触发装置，巡检人员用专用的巡检仪触发巡检点发射 巡检信息。这类巡检系统实现多点对单点的通信。该系统的优点是：安装方便， 不需要铺设线缆，信息传送实时性好。其缺点是：发射装置成本比较高，系统总 体费用高，维护比较困难。 ( 2 ) 巡检仪直接发送巡检信息的无线电巡检系统。在这类系统中点设备仅是 一种带地址编号的特殊触发装置，如信息纽扣等。系统仅需要一台具有无线发射 功能的巡检仪，系统仅需要实现单点对单点的无线通信。该类系统具有与上述系 统类似的优点，同时该系统只需要一个无线发送设备，所以成本要比前者低许多。 ( 3 ) 巡检仪记录巡检信息的无线巡检系统。在这类系统中，巡检点装置唯一 标识巡检点名称，例如用信息纽扣i b u t t o n 作巡检点，用嵌入式系统作巡检仪， 通过巡检人员手持巡检仪巡视巡检点，完成巡检信息的纪录、传输和管理h 1 。这 类巡检系统结构简单，成本低廉，工作可靠、实用，系统安装、变更和维护均比 较方便，因此得到了广泛应用。 就有线巡检系统来说，可以分为以下两类： ( 1 ) 基于传统串行总线的巡检系统。在这类巡检系统中，每一个巡检点设备 是一个带地址编号的有源或无源的触发器，值班人员用巡检仪触发巡检点，完成 巡检信息发送。这类体统是一典型的计算机通信系统，巡检点与中央计算机之间 实现多点对单点的通信。这类系统可靠，实时性好，但需要铺设线缆，安装比较 麻烦，成本高，不易变更和扩展。在一定程度上，它是一种简化的计算机集散控 制系统。 ( 2 ) 基于现场总线的巡检系统。这类系统与上述系统有很大相似之处，只是 每个巡检点为现场总线节点，节点之间实行串行总线连接。这类系统的优点表现 为现场总线系统的优点，即可靠、灵活和抗干扰等。但是由于这种系统成本高， 因此很少有人采用。 从应用的技术角度看，目前主要有三种巡检系统： ( 1 ) 基于信息纽扣的巡检系统 信息纽扣( i b u t t o n ) 是一种自动识别芯片，种类繁多，采用不锈钢封装，具 有良好的保安性能，容易安装在任何地方。信息纽扣不怕冲击、不怕水，能忍受 内负载超载，外电压超载或短路。信息纽扣采用全球唯一的1 2 位数字编号，一 个信息纽扣对应一个巡检设备。该系统的工作原理是：将信息钮扣安置在指定的 巡检线路上，巡检人员沿途巡检时，手持巡检仪，依次碰触信息钮扣，当巡检仪 确定己经和信息钮扣接触上时，便在一线总线上完成命令和数据的传递，巡检仪 将信息钮扣的唯一的标识码和巡检时间记入巡检仪。一定时间后，再将巡检仪中 记录的考勤结果通过通讯座送往微机，供管理人员考查。管理人员通过计算机读 出巡检仪中的信息，可随时了解巡检人员的整个巡检活动，取得真实依据，有效 地督促巡检工作瞄1 。该系统的优点是接口简单，可靠性强。缺点是在读取信息纽 扣时必须接触才能读取信息，操作起来不方便，尤其是晚上：而且信息纽扣外露， 容易被破坏。 6 ( 2 ) 基于射频识别( 即i o 技术的巡检系统 r f i d 是r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的缩写，即射频识别，它是一 种利用射频实现非接触双向通信的自动识别技术。一套完整的r f i d 系统由读卡 器与射频卡两部分组成，r f i d 系统的基本特点是读卡器和射频卡不需要直接接 触，它们之间的能量传输和信息交换是通过电磁祸合或者电感祸合来实现的。该 系统的工作原理和信息纽扣巡检系统类似，主要的不同就是信息纽扣改为射频 卡，系统由接触式系统改为非接触式。该系统具有信息纽扣系统的优点，同时克 服了信息纽扣系统的缺点。但它们同样只能用于离散分布的巡检点的巡检。 ( 3 ) 基于g p s g i s 技术的巡检系统 g p s 是g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 的简称，即全球定位系统，它可以为用户 提供实时的准确的位置信息阳1 。g i s 是g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 的简称， 即地理信息系统，它是近些年来迅速崛起并得到广泛重视和应用的技术。该系统 的工作原理是：巡检人员执行任务时，手持巡检仪接收g p s 数据，到达信号设备 后，待巡检仪有效定位后保存设备的位置，任务结束将数据导入管理主机，结合 g i s 功能软件进行分析，生成巡检报告。这种系统的优点是可以记录连续的路径 信息，缺点是在受到物体遮挡的区无法进行有效的定位。 1 2 2 巡检系统的应用领域 巡检系统可以使得人员管理更加科学化和规范化，巡检系统刚开始出现时主 要应用在小区的安防巡逻领域，只是完成简单的巡更工作，随着巡检系统技术及 功能的进一步完善，其功能不仅仅限于完成“巡视工作，而是在读卡过后，把 巡检点碰到的问题显示记录下来，再传送回管理中心便于管理和解决问题，真正 达到“巡检”的目的。 巡检系统不仅能够完成考勤记录的工作，还能够实时再现辖区内的事件，及 时掌握第一手资料，迅速解决问题。巡检管理系统是对包括安全、设备巡检实行 量化、动态管理的现代化手段，是促进相关部门实行科学化管理的重要步骤。巡 检管理系统软件以维护部门日常管理为主线，根据巡检仪中记录的数据对维护部 门的巡检工作的完成情况进行考核，实现维护部门日常管理的信息化，加强维护 部门管理的科学化、制度化，提高维护部门的整体管理水平。 目前巡检系统的应用领域越来越广泛，主要包括：石油行业管线、井位巡查 管理：电力行业线路、设备巡查管理：通讯行业线路、设备巡查管理：铁路及安全 设备巡查管理：市政各种管线、设备巡查管理：公交站场巡查管理：邮政系统信箱 丌取检查管理：商业网点巡查管理：城市违章建筑巡查管理：林业系统林区巡查管 理：及其他行业重要部位和重要室外设备设施的巡查管理。 7 目前的巡检方式基本能够解决业务人员现场工作的要求，可以在第一时间采 集到现场数据，将原有的信息系统延伸到了工作现场。相比过去”先记在纸上， 回来还再录入”的方式，的确减轻了巡检人员上报数据的工作量，提高了工作效 率。但还是不能满足具体工作移动处理的需要，在某些情况下可能出现应用这些 系统之后工作量反而增加的情况。针对上述方式的不足之处，借助业界的最新技 术，本文提出基于w i n d o w s m o b i l e 的移动通信巡检方案。 1 3课题研究内容 本文提出一种基于w i n d o w sm o b i l e 智能手机、g p s 、g p r s 和w e b g i s 的基站 线路自动巡检方法设计并实现长沙移动基站线路巡视巡检资料回传系统( 长沙移 动基础维护管理平台) ，一套将移动终端、移动网络、移动应用有机结合并运用 到同常维护中，提升移动通信维护的效率和质量。围绕巡检系统定位功能、通讯 调度功能及地图匹配进行研究，考虑系统涉及的g p s 卫星定位、g s m 定位、地理 信息系统、无线网络通信及计算机等诸多技术，本文将进行研究的主要内容如下： ( 1 ) 对基于w i n d o w s m o b il e 的移动巡检系统进行需求分析，分析巡检系统的 工作原理及工作流程，提出基于智能手机m s 与b s 结合的设计模式，同时对管 理平台的功能模块进行设计。 ( 2 ) 由于市区中g p s 信号遮挡较为严重，提出g p s 定位和g s m 定位相结合的 定位方式。根据移动巡检所需，在智能手机终端开发g s m 调测软件及c o t 拨测软 件并对w i n d o w s m o b i l e 终端进行了详细设计。 ( 3 ) 对地图匹配算法进行研究，提出一种改进的基于最短路径的地图匹配算 法，在g p s 采样时间间隔较长的情况下实现了对定位点的地图匹配并且能够绘制 出与道路信息相符的定位轨迹。引入了启发式算法对原始d i j k s t r a 算法进行改 进，缩小了其搜索范围。 1 4论文结构安排 论文共分五章。 第一章是绪论部分，介绍了论文的研究背景和意义，移动通信基站与线路巡 检系统国内外研究现状等。 第二章对自动巡检的相关技术做了相应介绍。针对g p s 与g s m 定位技术的原 理进行了探讨，提出了采用g p s 卫星定位与g s m 移动网络定位技术相结合的定位 系统，同时介绍了g p r s 无线通信技术、w i n d o w s m o b l i e 操作系统及地理信息系 统。 第三章对实现移动通信基站与线路自动巡检系统的地图匹配算法进行了研 究，分析了地图匹配算法的原理，分析了传统匹配算法的不足，提出了改进方案， 并进行了实验对比分析。 第四章在对移动通信巡基站与线路自动巡检系统进行需求分析的基础上，对 w i n d o w m o b l i e 终端进行了设计，主要对g p s 定位数据读取解析、g s m 定位流程、 g p r s 通讯实现及基于n e t 的w e b g i s 的构建进行了详细设计。 第五章对论文所做的研究工作进行了总结，并对以后的研究工作提出展望。 9 第二章自动巡检相关技术 移动通信基站与线路自动巡检系统是建立在g p s 定位技术、g s m 定位技术、 g p r s 无线通讯技术g o o g l e m a p 应用基础之上的，因此本章对以上技术进行了介 绍。w i n d o w s m o b i l e 终端是巡检系统的关键设备，w i n d o w s m o b i l e 操作系统是目 前最新的智能手机操作系统，本章针对w i n d o w s m o b l i e 操作系统的特点及基于其 上的开发与数据同步技术做了相应的介绍。 2 1 g p s 及g s m 定位 2 1 1g p s 定位原理 全球定位系统( g p s ) 是在1 9 7 3 年由美国政府组织研究，耗费巨资，历经约 2 0 年，于1 9 9 3 年全部建成。该系统是伴随现代科学技术的迅速发展而建立起来 的新一代精密卫星导航和定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的三维测速、 导航、定位与授时能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。该系统的研制成功 已成为美国导航技术现代化的重要标志，被视为本世纪继阿波罗登月计划和航天 飞机计划之后的又一重大科技成就。g p s 全球定位系统由空间星座( g p s 卫星星 座) 、地面监控和用户设备三部分组成n 1 。 ( 1 ) 空间星座部分 全球定位系统的空间星座部分，由2 4 颗卫星组成，其中包括3 颗可随时启 用的备用卫星。工作卫星分布在6 个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4 颗卫星。 卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为5 5 度，各轨道平面升交点的赤经相差6 0 度，同一轨道上两卫星之间的升交角距相差9 0 度，轨道平均高度为2 0 2 0 0 k m ， 卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。同时在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异， 最少为4 颗，最多时达ll 颗。保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可同 时观测到4 颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此g p s 是一 种全球性、全天候的连续实时定位系统。 ( 2 ) 地面监控部分 主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站( m c s ) 、注入站 ( g a ) 和监测站( m s ) 三种。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作：注入 站又称地面天线站，其主要任务是通过一台直径为3 6 m 的天线，将来自主控站 的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监 测注入信息的正确性：监测站的主要任务是连续观测和接收所有g p s 卫星发出的 1 0 信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象观测资料和时间信息 经初步处理后传送到主控站。 ( 3 ) 用户设备部分 全球定位系统的用户设备部分，包括g p s 接收机硬件、数据处理软件和微处 理机及其终端设备等。g p s 信号接收机是用户设备部分的核心，一般由主机、天 线和电源三部分组成。其主要功能是跟踪接收g p s 卫星发射的信号并进行变换、 放大、处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间：解译导航电 文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 g p s 利用定位卫星计算位置，其定位精度较高，通常在l o m 左右，利用差分 g p s 技术定位精度可达m 级甚至c m 级( r t k 技术) 。g p s 定位的基本原理是根据高 速运动的卫星瞬间位置作为己知的计算数据，采用空间距离后方交会的方法，确 定待测点的位置。g p s 接收机的位置和时钟偏差表达式如下，( x ，y ，z ) 为待测 点的空间直角坐标，d t 为接收机的钟差。 碣= ( x x i ) 2 + ( r - x ) 2 + ( z z j ) 2 + c ( d i t - d t ) 式2 - 1 以= 4 ( x x 2 ) 2 + ( j ，一艺) 2 + ( z z 2 ) 2 + c ( 吐丁一d 丁) 式2 2 以= 4 ( x x 3 ) 2 + ( 】，一e ) 2 + ( z z 3 ) 2 + c - ( d 五一d 丁) 式2 - 3 以= ( x 一五) 2 + ( 】，一匕) 2 + ( z z j ) 2 + c ( d 瓦一d 丁) 式2 - 4 口t ( i = 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星( i = l 、2 、3 、4 ) 到接收机之间的距离， 刑，( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星( ( i = l 、2 、3 、4 ) 的卫星钟的钟差，由卫星 星历提供，c 为光速。 2 1 2g s m 定位原理 g s m 定位技术是利用蜂窝移动通信系统对移动台进行定位，通过测量表征与 基站和移动台空间位置相关的物理量，再利用一定的定位理论和数学模型计算出 移动台的空间位置。常用的定位方式有下面所述的几种： ( 1 ) 场强定位 由于移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离存在反比关系，通过测量 接收信号的场强值( 在这里测得是接收功率) 和发射信号的场强值( 在这里测得是 发射功率) 来估算出收、发信机之间的距离。然后根据多个以距离值为半径，基 站为圆心的圆簇的交点就可以估算移动台的位置。 ( 2 ) 小区定位 小区定位( c o o ，c e l1o fo r i g i n ) 是蜂窝移动通信网络根据为移动台服务的 基站位置来定位移动台的位置，其移动台位置是在以服务基站为圆心，基站覆盖 半径为半径的一个圆内，起源蜂窝小区定位的最大优点是在空中接口的定位信令 传输少，确定位置信息的响应时间快，而且起源蜂窝小区定位不用对移动台和网 络进行升级，只需要在网络侧增加简单的定位流程处理，就可以直接向现有用户 提供位置的服务1 。起源蜂窝小区定位技术与其它技术相比，其精度是最低的。 在这个系统中，是以基站所在的位置为移动台位置，定位精度取决于服务基站的 覆盖半径。在城郊或乡村等环境中，由于基站覆盖半径从几公里到数十公里，因 此起源蜂窝小区定位的定位精度也相应地为几公里到数十公里。在城区环境中， 基站覆盖半径较小，一般在1 - 2 k m ，对于繁华的城区，有可能采用微蜂窝，覆盖 半径可能到几百米，此时起源蜂窝小区定位的定位精度将相应提高为几百米。 ( 3 ) 到达角定位 到达角定位( a o a ，a n g l eo fa r r i v a l ) ，最早用于军事和政府部门的移动终 端定位陋1 。通过两个基站，就可得到两个直线方程，它们的交点即为待定位移动 台的位置。这种方法不会产生二义性，因为两条直线只能相交于一点。到达角定 位技术需要在每个小区的基站上放置4 一1 2 组的天线阵，这些天线阵一起工作， 从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了该信号源 时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。到达角 定位技术的优点：不需要系统的时间同步：阵列天线的引入，改善天线增益模式， 增强了方向性，有利于改善通话质量：移动台的信号只需被两个基站同时收到就 可以实现二维定位。在基站稀疏地区定位有效性优于时差定位系统。到达角定位 技术的缺点：需要在基站建立阵列天线，提高了系统成本。 ( 4 ) 到达时间定位 到达时间定位( t o a ，t i m eo fa r r i v a l ) 原理：信号在空间是以光速传播，移 动台与基站间的距离正比于信号的传输时延。两个圆方程的交点就是待定位移动 台的位置阳1 。由于两个圆方程的交点有2 个，通常t o a 定位技术采用3 个圆方程 交汇的办法来确定待定位移动台的位置。t o a 技术要求定位基站在时间上精确同 步，否则定位精度将大大下降，时间上l u s 的误差在距离上将产生3 0 0 m 的误差。 在实际应用中由于多径干扰、噪声干扰、周围地形、建筑物的影响，上述3 圆并 不交于一点而是一个区域。t o a 定位法的定位精度比c 0 0 高，但由于以上原因， t o a 技术在实际应用中较少 ( 5 ) 到达时间差定位 到达时间差定位( t d o a ，t i m eo i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 与t o a 不同，t d o a 定位是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时问来确定移动 台的位置，降低了定位系统对时间同步的要求引。在t d o a 定位技术中，移动台 定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上。因此，要用t d o a 定位技术对移动台 定位，至少应有3 个能同时接收并识别处理移动台信号的基站，这样可分别测得 信号从移动台到3 个基站的时间，得到两个时间差，列出两个独立的双曲线方程， 联立求解，得到移动台位置。当能同时接收并识别处理移动台信号的基站数少于 3 个( 基站分布密度较小的郊区) 时，可通过增加基站数量来满足测量要求。当基 站数多于3 个时，说明有冗余观测量，可用最小二乘法估计来进行定位解算。 2 2g p r s 通信技术 移动通信基站与线路自动巡检系统中，巡检人员与维护后台的通讯与信息交 互至关重要，在无线通讯方式中，g p r s 无线通讯方式覆盖范围广、数据传输率 高、传输成本低而成为近几年来兴起的一种无线通讯方式，在对通讯实时性要求 高的场合中广泛采用。本文就是利用g p r s 无线网络来进行通讯与信息交互。下 面简单介绍一下g p r s 通讯方式。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是一种采用分组 交换技术传输数据及信令的高效率数据传输方式1 。g p r s 是区别于原有g s m 电 路交换方式的另一种数据传输方式，它领用存储转发原理，把不同终端的数据分 割成等长标准数据格式，通过非专用的逻辑子信道进行数据快速交换，即将信息 分成数据分组或信息包，再加上目的地址、分组编号、控制比特等的分组头，沿 不通路由进行传送、接收端按照分组编号重新组装成原始信息。分组通信的实质 是依靠高处理能力的计算机来充分利用宝贵的通信信道资源。基于分组交换的 g p r s 业务理论上的速率可达到17 1 2 k b p s n 2 1 。 g p r s 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低 成本的无限分组数据业务。分组交换的基本过程是把数据分成若干个小的数据 包，可通过不同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整当 的数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传 输“共用”传输带宽，有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。在 g s m 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。如果采用电路交换，通信需要建立端 到端的连接，信道只能被一个用户独占，在成本效率上显然缺乏可行性。而采用 分组交换的g p r s 则可灵活运用无线信道，每一个用户可以有多个无线信道，而 同一个信道又可以由几个用户共享，从而极大的提高了无线资源的利用率。在理 论上，g p r s 可以最多将8 个时隙组合在一起，给用户提供1 7 1 2 k b p s 的带宽。 由于g p r s 用户的数据通信费用是按照流量为基础，而不考虑通信时长，所以g p r s 用于i p 业务的接入将更为用户所接受。 g p r s 克服了电路交换速率低、资源利用率低等缺点。与原有g s m 的数据业务 相比，g p r s 技术具有以下优点： ( 1 ) 资源利用率高 g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传输数 据方式发生了根本性的变化，与电路交换模式相比，用户只有在发送或接收数据 期间才占用资源，这样可以多个用户共享同一个无线信道，大大的提高了资源的 利用率。另外，如果g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得 到多少、支付多少”的原则。这样，g p r s 用户的连接时间无论多长，却只是支 付相对低廉的连接费用。 ( 2 ) 传输速率高 g p r s 可以提供1 7 1 ，z k b p s 的速率。这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户能 和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体 应用成为可能。 ( 3 ) 接入时间短 g p r s 的接入时间缩短为小于1 秒，能够提供快速的即时连接。可大幅度提高 一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可使己有的i n t e r n e t 应用( 如 e m a i1 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 ( 4 ) 支持x 2 5 协议和i p 协议，可与外部数据网进行互联 由于存在大量的分组数据网( p d i v ) ，支持x 2 5 协议可使已存在的x 2 5 应用 能在g s m 网络上继续使用。由于g s m 网络覆盖面广，所以g p r s 能提供i n t e m e t 和其它分组网络的全球性无线接入。可以认为，g p r s 加强了这种趋势，即移动 网络和数据网络的融合。 ( 5 ) 用户永远在线，计费合理，采用流量计费 通信费用低廉闭。由于g p r s 技术具有这些突出的优点，构建在g p r s 无线网 络通讯方式上的移动通信基站与线路自动巡检系统能够满足系统实时性要求高、 通讯覆盖范围广、通讯费用低等需求。 2 3基于g o o g l e m a p 实现的w e b g i s 刖a x 是w 曲2 0 的核心技术，g o o g l e m a p 就是一个基于a j a x 典型的网络 应用。通过整合a j a x 与x m l 数据构建的w e b g i s 基于g o o g l e m a p 服务，使用 x m l h t t p r e q u e s t 对象获取x m l 数据并动态地呈现巡检人员的位置信息。采用 这种w e b g i s 框架接入速度快，易于扩展并且在服务器与客户端之间实现了异步 请求，在巡检系统中有很广阔的应用前景。 ( 1 ) 异步j a v a s c r i p t 与x m l 交互分析 基于a j a x 的网络应用中，客户端的a j a x 引擎是关键i l 引。用户在客户端向 1 4 引擎的异步请求替代了向服务器的页面请求，服务器接受了异步请求并将数据或 者事务逻辑发送给客户端。例如一个w e b 应用包括了一个静态h t m l 页面或者 是一个由j s p 生成的h t m l 页面，这个j s p 中还包括了一个h t m l 表单，需要 服务器端逻辑对表单中的数据进行验证，而不用刷新页面，一个名为 v a l i d a t e s e r v l e t 服务器端组建用来提供这种验证逻辑，a j a x 交互细节如下图所 示： aj a xe n a b l e d 卜丌w lp 妁旧 c l i e n t ： s e r v e r 图2 - 1 ：a j a x 交互细节分析图 以下条目为图中a j a x 交互过程：发生一个客户端事件；创建和配置一 个x m l h t t p r e q u e s t 对象；x m l h t t p r e q u e s a 对象进行了一个调用； v a li d a t e s e r v l e t 对请求进行处理；v a li d a t e s e r v l e t 返回一个包含了结果的 x m l 文档；x m l h t t p r e q u e s t 对象调用c a l l b a c k 0 函数并处理结果；更新 h t m l d o m 。 ( 2 ) 基于g o o g l e m a p 的w e b g i s 框架设计 采用a j a x 作为浏览器端交互技术，服务器端采用s e r v l e t 技术调用g i so b j e c t s 来生成客户端请求的图片。大体而言架构为：a j a x + s e r v l e t + g i so b j e c t s 。用户通 过a j a x 交互操作，把参数传递给服务器端的s e r v l e t ，s e r v l e t 再调用g i s o b j e c t s 生成客户想要的图片。不管该w e b g i s 服务器功能强大与否，最终发到浏览器 端的都是一张图片而已。a j a x 技术使得浏览器端与服务器端交互的仅仅是数据 而不是整个页面，这样可以大大降低网络流量。并且a j a x 的x m l h t t p r e q u e s t 对象能很方便监测服务器端传回来的数据，对应传回来的数据通过 x m l h t t p r e q u e s t 再配合j a v