（信号与信息处理专业论文）基于cdma的船舶监控系统终端的研究.pdf

摘要 近年来，我国水运行业得到了迅速发展，由于我国的水上安全基础设施薄弱、 管理尚不规范，超载、抢道、冒雾航行等情况时有发生，从而导致翻船、沉船、 撞船等交通事故，造成了巨大经济损失，同时给人民生命安全带来严重的危害。 目前，已研制出多种交通监控系统，但没有一种适合于近海港口或内河船舶使用 的船舶监控系统，为了提高水上交通管理和调度水平，避免水上事故的发生，因 此需要研制一种新的船舶监控系统。 本文针对船舶监控系统终端进行了研究。在确定g p s + c d m a + g i s 的船舶监 控系统总体设计方案的基础上，采用c d m a 无线通信技术、计算机技术研制了船 舶监控终端；分析了g p s 定位系统和c d m a 通信技术的原理，采用a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式微处理器、g p s 定位模块、c d m a 无线通信模块、音频模块等电路设计了 船舶监控终端的硬件；构建了嵌入式l i n u x 操作系统应用程序的运行平台，开发 了嵌入式l i n u x 操作系统，移植了p p p 协议，开发了应用程序，应用t c p i p 和p p p 协议设计了c d m a 无线通信软件，编写了g p s 数据接收与解析、语音采集与播放 软件，并进行了调试和实验运行。 该船舶监控终端能够通过c d m a 无线通信网络接入i n t e m e t 网络与监控中心 进行实时通信，具有向监控中心传输船舶的位置、航向、航速、时间等数据，接 收监控中心发送的指令，与监控中心进行语音通信等功能，能够实现船舶的监测 和管理，提高了近海港口或内河船舶的水上交通管理水平，避免水上交通事故的 发生，保障船舶的安全运行。 关键词：a r m ；嵌入式l i n u x ；c d m a2 0 0 0 一i x 无线网络；p p p 协议；t c p i p 协议 a b s t l a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h es h i p p i n gi n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nc h i n a ，b u t t h ea q u a t i cs e c u r i t yi n f r a s t r u c t u r ei sw e a ka n dt h ea q u a t i ct r a f f i cm a n a g e m e n ti s n o n s t a n d a r d b e c a u s eo v e r l o a d i n g , s e i z i n gt h ef a i r w a ya n dn a v i g a t i n g i n f o g o c c u r r e df r e q u e n t l y , t h et r a f f i ca c c i d e n t so fs h i pc a p s i z i n g , s i n k i n ga n dc o l l i d i n g h a v eb e c a m em o r ea n dm o r e ，w h i c hc a u s eh u g ee c o n o m i cl o s s e sa n db r i n gs e r i o u s h a r mt ot h es a f e t yo fp e o p l e sl i v e s a tp r e s e n t ，av a r i e t yo ft r a f f i cm o n i t o r i n g s y s t e m sh a v e b e e nd e v e l o p e d ，b u tt h e r ei sn os h i pm o n i t o r i n gs y s t e mf o rh a r b o ra n d f r e s h w a t e ra r e a t oi m p r o v ea q u a t i ct r a f f i cm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ll e v e l ，a n da v o i d a q u a t i ct r a f f i ca c c i d e n t ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o p an e w s h i pm o n i t o r i n gs y s t e m t h et h e s i sd i s c u s s e st h et e r m i n a lo fs h i pm o n i t o r i n gs y s t e m ，p u t sf o r w a r da g e n e r a ls c h e m eo fs y s t e m ，a n dd e v e l o p st h es h i pm o n i t o r i n gt e r m i n a lb yc d m a w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h ep r i n c i p l e so f g p ss y s t e ma n dc d m an e t w o r ka r ea n a l y s e d t h et e r m i n a lh a r d w a r ei sd e s i g n e d b ya t 9 1r m 9 2 0 0p r o c e s s o r , c d m am o d u l e ，g p sm o d u l ea n da u d i om o d u l e t h e p l a t f o r mo fa p p l i c a t i o np r o g r a mi ne m b e d d e dl i n u x o si sb u i l t ，a n dp p pp r o t o c o li s t r a n s p l a n t e d t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m i sd e v e l o p e d ，w h i c hi n c l u d e sc d m aw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eu s i n gp p pa n dt c pp r o t o c o l ，g p sd a t ar e c e i v i n ga n d a n a l y z i n gs 0 1 a r e ，a n d a u d i oa c q u i r i n ga n dp l a y i n gs o f t w a r e t h et e m i n a li s d e b u g g e da n d t e s t e d t h e s h i pm o n i t o r i n gt e r m i n a l c o m m u n i c a t e sw i t hm o n i t o r i n gc e n t e ra t r e a l t i m et h r o u g hc d m aw i r e l e s sn e t w o r ka c c e s s i n gi n t e m e t i tf u l f i l l s t h e f u n c t i o n so ft r a n s m i t i n gs h i pp o s i t i o n ，c o u p e ，s p e e d ，t i m ea n do t h e rd a t a ，r e c e i v i n g t h ei n s t r u c t i o n ss e n tb ym o n i t o r i n gc e n t e r ，a n dk e e p i n gt o u c hw i t hm o n i t o r i n gc e n t e r b yv o i c ec o m m u n i c a t i o n t h et e r m i n a lr e a l i z e st h es h i pm o n i t o r i n ga n dm a n a g i n g ， i m p r o v e st h ea q u a t i ct r a f f i cm a n a g e m e n to ft h eh a r b o ra n df r e s h w a t e ra r e as h i p s e f f i c i e n t l y , a v i o d s t h eo c c u r r e n c eo fa q u a t i ct r a f f i c a c c i d e n t sa n dp r o m o t e s n a v i g a t i o ns a f e t y k e y w o r d s ：a r m ，e m b e d d e dl i n u x ，c d m a2 0 0 0 - 1x w i r e l e s sn e t w o r k , p p p p r o t o c o l ，t c p i pp r o t o c o l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 簪蝈 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丞洼王些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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 在胡新虢钇 签字日期：2 鲫肝，月助日签字日期：出，够年，月如日 学位论文的主要创新点 一、研制了基于c d m a 的船舶监控系统终端，该船舶监控终端能够 通过c d m a 无线通信网络接入i n t e m e t 网络与监控中心进行实时通 信，具有向监控中心传输船舶的位置、航向、航速、时间等数据， 接收监控中心发送的指令，与监控中心进行语音通信等功能。 二、采用a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式微处理器、g p s 定位模块、c d m a 无 线通信模块、音频模块等电路设计了船舶监控终端的硬件。 三、构建了嵌入式l i n u x 多任务操作系统应用程序的运行平台，移 植了p p p 协议，开发了应用程序，应用t c p i p 协议和p p p 协议设 计了c d m a 无线通信软件，编写了g p s 数据接收与解析、语音采 集与播放软件。 第一章引言 第一章引言 1 1 船舶监控系统的发展现状 近年来，我国水运行业得到了迅速发展，由于我国的水上安全基础设施薄弱、 管理尚不规范，超载、抢道、冒雾航行等情况时有发生，从而导致翻船、沉船、 撞船等交通事故，造成了巨大经济损失，同时给人民生命安全带来严重危害。相 关部门加大对水运船只的监管力度，船舶监控系统正逐渐被开发并应用于水路运 输的监控管理中n ，。 目前船舶监控系统主要有：v t s + a i s 、l n m a r s a t + s s a s 、 g p s + g p r s c d m a + g i s 、北斗世广卫星等。 ( 1 ) v t s + a i s ( 船舶交通管理系统+ 船载自动识别系统) a i s 是一种整合了卫星定位、罗经计程仪等船载电子设备，通过v h f 无线 电数据通信，在雷达和电子海图上显示等技术的航海、导航、信息通信的新型 航行设备与系统。a i s 系统应用于v t s 系统，增强了v t s 系统的监测功能。 在a i s 系统中，每个船舶上都装有船载a i s 设备，a i s 设备通过各种传感器获 得船舶的动态信息，同时存储船舶的基本信息，依据自身航行的速度定时通过 v h f 向a i s 中心台发送动态信息和船舶资料，a i s 中心台接收到船舶信息后在 电子海图上显示出来。 ( 2 ) i n m a r s a t + s s a s ( 海事卫星系统+ 船舶安全警报系统) i n m a r s a t 拥有专用卫星，提供i n m a r s a t a 、b 、m 、c 、d + 、m i n i m 及 i n m a r s a t a e r o 等多种移动卫星通信系统，提供全球双向语音、传真、数据等通 信服务，满足常规和海上遇险安全通信需要。s s a s 是为了当船舶在海上遇到 恐怖威胁或海盗袭击时能隐蔽而及时地向海事部门发出警报、请求救援的设备 系统。一般是在i n m a r s e t 中安装s s a s ，以提高船舶海上航行安全。 ( 3 ) g p s + g p r s c d m a + g i s g p s + g p r s c d m a + g i s 方式是船载g p s 接收机获取g p s 定位信息，依托 g p r s 7 c d m a 网络覆盖，将g p s 信息传送至服务器，经过数据存储至数据库， 利用g i s 地理数据显示、分析与管理功能将船舶信息动态地显示在电子地图上， 从而实现船舶的调度、监控、历史记录查询及船舶轨迹报表生成等功能。 g p s + g p r s c d m a + g l s 方式适用于在无线网络通信畅通的区域。 ( 4 ) 北斗世广卫星比1 北斗世广卫星通信的船舶监控系统是利用北斗系统、世广数字广播卫星和 相应的网络通信设备将用户监控管理中心、船载终端组成一个专用的通信网络。 第一章引言 通过为船舶配备相应卫星通信终端，同时在用户设置监控管理中心，实现对船 舶的实时位置监测、简短文字通信、指挥调度和安全建立信息播发。适用于内 河及跨国河流，在深山密林等g p r s c d m a 网络不能覆盖的地方通信能力强。 目前，v t s + a i s 船舶监控系统采用v h f 通信，需在移动终端搭载无线发 射装置，在监控站建立接收电台，同时根据监控目标活动范围设立若干中转电 台，系统相对庞大，维护困难，对民用单位来说运营、维护成本较高； i n m a r s a t + s s a s 船舶监控系统通信费用昂贵；北斗世广卫星通信系统目前只是 一个初级系统，采用双星定位技术( “北斗 系统规划为4 颗卫星，但定位只用 两颗卫星，另两颗备用卫星只发射了一颗) ，只能为终端用户提供经度和纬度， 无法为用户提供所在高度的数据，需要另设地面中心站才能推算高度，系统建 立不完善、定位精度不高。 基于g p s + g p r s c d m a + g i s 的船舶监控系统具有以下优势： ( 1 ) 定位精度高，可达1 5 米，测速精度0 1 米秒； ( 2 ) 通信实时性强、数字化、网络化，在近海港口或内河等g p r s c d m a 网 络覆盖范围内，远程监控中心可以在第一时间掌握船舶位置、航行信息，船岸 互动信息全面、数字化、网络化； ( 3 ) 对于周边航道信息的把握更为准确，通过g i s 将船舶位置信息映射到电 子地图，可以对河上、海上的航行船舶提供调度，在内河、近港区域更有利于 船舶航行安全； ( 4 ) 经济上实用，性价比高，与其他船舶监控方式相比，资费合理，终端成 本低、体积小、功能强，在经济上更易实现。 综上所述，g p s + g p r s c d m a + g i s 船舶监控系统特别适于近海港口或内 河中小型船舶使用，可以快速、高效的实施水上船舶监控、导航和调度，在我 国有广泛应用前景。 1 2 课题研究的目的与意义 在分析了船舶监控系统发展现状的基础上，本课题采用c d m a 无线通信技 术、计算机技术，根据近海港口或内河中小型船舶的实际情况要求，应用 g p s + c d m a + g i s 船舶监控系统方案，研制了基于c d m a 的船舶监控系统终端， 实现对远程作业船舶的无线数据传输和实时监控。 该终端通过c d m a 无线通信网络接入i n t e r n e t 网络与监控中心进行实时通信， 具有向监控中心传输船舶位置、航向、航速、时间等数据，接收监控中心发送的 指令，与监控中心进行语音通信等功能，完成了船舶的监测和管理，提高了近海 港口或内河船舶的水上交通管理水平，避免水上交通事故的发生，保障船舶的安 2 第一章引言 全运行。 1 3 课题研究的主要内容 由于船舶监控系统的复杂性，本课题主要研究了基于c d m a 的船舶监控系 统终端。在确定g p s + c d m a + g i s 的船舶监控系统总体设计方案的基础上，采 用c d m a 无线通信技术、计算机技术研制了船舶监控终端；分析了g p s 定位 系统和c d m a 通信技术的原理；采用a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式微处理器、g p s 定 位模块、c d m a 无线通信模块、音频模块等电路设计了船舶监控终端的硬件； 构建了嵌入式l i n u x 多任务操作系统应用程序的运行平台，移植了p p p 协议， 采用多进程开发了应用程序，应用t c 胛协议和p p p 协议设计了c d m a 无线 通信软件，编写了g p s 数据接收与解析、语音采集与播放软件，并进行了调试 和实验运行。 归纳起来，本文主要的研究工作如下： ( 1 ) 系统总体方案设计； ( 2 ) g p s 卫星定位原理和c d m a 2 0 0 0 1 x 无线通信技术的研究： ( 3 ) 船舶监控终端硬件设计； ( 4 ) 嵌入式l i n u x 开发平台的建立； ( 5 ) 船舶监控终端应用程序设计； ( 6 ) 系统调试与实验。 3 第二章系统整体设计方案 第二章系统整体设计方案 2 1 船舶监控系统总体设计方案 基于c d m a 网络的船舶监控系统由监控中心、数据传输网络和船舶监控终端 组成，如图2 1 所示。数据传输网络f l d c d m a 网络和i n t e m e t 组成，是终端与监控 中心之间的数据传输媒介。监控中心服务器以公网固定i p 或固定域名接入 i n t e m e t ；船舶监控终端上电后，通过c d m a 无线通信网络接入i n t e m e t 网络，主 动与监控中心服务器建立连接。 图2 一l 基二rc d m a 网络的船舶监控系统 船舶监控终端与监控中心的通信方式是影响整个船舶监控系统功能的重要 因素。由于船舶监控系统是具有大数量的入网船只( 即移动终端) 的大系统，而 且要实现船舶自身的实时监控需要频繁的数据流传输，综合考虑到传输速度、 网络覆盖和资费等各种因素，本课题选用c d m a 2 0 0 0 i x 作为船舶监控系统的 通信解决方案。其数据传输速率高，基于l p 协议可访问整个i n t e r n e t ；按流量 收费；覆盖室内绝大部分地区及距海岸线1 2 0 k i n 内的海域，基本不存在盲区； 系统容量大，更适合于大数据量、实时传输，而且更易平滑过渡到3 g 移动通 信系统。终端通过c d m a 无线网络接入i n t e r n e t 进行实时数据传输，监控中心 只须接入i n t e m e t 即可。 船舶监控终端能够通过c d m a 无线通信网络接入i n t e m e t 网络与监控中心 进行实时通信，负责向监控中心传输船舶的位置、航向、航速、时间等g p s 数 据，接收监控中心发送的指令，与监控中心进行语音通信等。 监控中心利用船舶监控终端传回的g p s 数据，在电子地图中实时显示船舶 的信息，随时掌握船舶所在位置，如果出现险情可以及时、准确地进行海上救 助，并且能够为船舶提供导航等服务，实现船舶信息化管理。 此方案具有成本低、通信质量稳定、安全性适中、运行可靠等特点。 第二章系统整体设计方案 2 2 船舶监控终端组成及工作原理 1 船舶监控终端组成 船舶监控终端采用嵌入式技术，由终端硬件、终端软件组成。 在终端硬件上，以a r m 9 2 0 t 核的3 2 位a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式微处理器作 为硬件系统核心，集成f l a s h 电路、s d r a m 电路、电源电路、复位电路、r t c 电路、r s 2 3 2 接口控制电路、以太网接口电路，外扩g p s 定位模块、c d m a 无线通信模块、音频模块等外围硬件设备。船舶监控终端硬件组成如图2 2 所 示。不仅提高了终端处理能力，而且获得了丰富的硬件资源，能够移植嵌入式 操作系统完成复杂的系统功能，使终端具有成本低、体积小、高可靠等优点。 t 电源电路i c d m a 模块 l 丫 复化电路i 卜 ： ：4 o p s 模i k j v r t c 喇t ： ：4 音频模块 a t 9 1 r m 9 2 0 0 a r m 9 2 0 t 核3 2 位 卜 l c d 模块 n o rf l a s h 嵌入式微处理器 ( 、 4 m b p q f p 2 0 8 l 皇堡j n a n df l a s h 6 4 m b ：，f 1 以太网袋u h 以太网接口 s d r a m 1 3 2 m b f ， ，? d e b u g 接口 图2 2 船舶监控终端硬件组成框图 在终端软件上，构建了嵌入式l i n u x 多任务操作系统应用程序的运行平台， 移植了p p p 协议，采用进程间通信机制开发了多进程应用程序，应用t c p i p 协议 和p p p 协议设计了c d m a 无线通信软件，编写了g p s 数据接收与解析、语音采集 与播放软件。利用l i n u x 强大的网络功能有效的解决终端接入网络的技术难题， 满足系统的安全性及系统功能要求。 2 船舶监控终端工作原理 根据g p s + c d m a + g i s 的船舶监控系统总体设计方案，船舶监控终端的上 行传输数据原理n 如下： ( 1 ) 船舶监控终端采集船舶经度、纬度、航向、航速、时间等g p s 数据，采 用p c m ( 脉冲编码调制) 编码方式采集语音数据； ( 2 ) 通过终端c d m a 模块将数据发送到c d m a 无线网络，经c d m a 核心网 5 第二章系统整体设计方案 分组域中分组数据服务节点p d s n 传送到i n t e m e t ： ( 3 ) 在h l t e m e t 上寻找指定的数据服务中心( 通信服务器) ； ( 4 ) 通信服务器将数据传给监控中心服务器，并存储到历史数据库。 数据的下行传输与上述过程相反，不再赘述。 6 第三章g p s 定位系统和c d m a 2 0 0 0 i x 无线通信技术 第三章g p s 定位系统和c d m a2 0 0 0 - 1x 无线通信技术 3 1g p s 定位系统 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m m g p s ) 1 2 1 ，是利用空间卫星作为导航 台完成无线电定位的系统，可以提供高精度、可连续、实时、三维坐标、三维 速度分量的定位。1 9 7 3 年美国提出g p s 计划，到1 9 9 3 年全部建成，投资2 0 0 亿美元，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与 定位系统。g p s 不仅对军事极为重要，同时对全世界经济发展也有深远影响。 3 1 1g p s 系统组成及各部分功能 g p s 系统主要由三大部分组成，即g p s 空间卫星星座、地面监控系统和用 户设备，如图3 1 所示。 g p s 窄阅卫星星座 l2 4 颗工话卫墓 图3 - 1g p s 系统结构图 ( 1 ) g p s 空间卫星星座 g p s 空间卫星星座由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成，记作 ( 2 1 + 3 ) g p s 星座。轨道平均高度约为2 0 2 0 0 公里，当地球对恒星来说自转一周 时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。为结算观测站的 三维坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称为定位星座。 g p s 卫星的功能主要是：接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收 并执行监控站的控制指令；卫星上设有微处理机，进行必要的数据处理；通过 星载高精度原子钟产生基准信号和提供精确的时间标准；向用户连续发送导航 定位信号，包括两种载波信号l 1 ( f 1 = 1 5 7 5 4 2 m h z ) 和l 2 ( f 2 = 1 2 2 7 6 0 m h z ) ，在l 1 上调制频率为1 0 2 3 m h z 的伪随机噪声码( c a 码，粗捕获码) ，在l 1 和b 载波 上调制频率为1 0 2 3 m h z 的伪随机噪声码( p 码，精码) 以及5 0 b i t s 的导航电文。 c a 码为民用码，p 码为军用码。 ( 2 ) 地面监控系统 g p s 地面监控系统由三部分组成：1 个主控站、3 个注入站和5 个监测站。 7 第三章g p s 定位系统和c d m a 2 0 0 0 1 x 无线通信技术 主要作用是跟踪、观测g p s 卫星，计算编制卫星星历；监测和控制卫星的工作 状况；保持精确的g p s 时间系统；向卫星注入导航电文和控制指令。 ( 3 ) 用户设备 g p s 用户设备接收g p s 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经 数据处理，完成导航和定位工作。g p s 用户设备的核心是g p s 接收机，由主机、 天线、电源和数据处理软件等组成。天线接收卫星发射的导航信号，从中提取 卫星星历、距离及距离变化率、卫星钟差校正参量、大气校正参量等，经数据 处理解算出用户的坐标( 空间直角坐标或地平坐标) ，完成导航定位工作。 3 1 2t i p s 定位原理 g p s 系统的定位过程可以描述为：围绕地球运转的人造卫星连续向地球表 面发射经过编码调制的连续波无线电信号，信号中含有卫星信号准确的发射时 间，以及不同的时间卫星在空问的准确位置；卫星导航接收机接收卫星发出的 无线电信号，测量信号的到达时间，计算卫星和用户之间的距离；用导航算法 解算得到用户的位置。可见，如何准确描述卫星位置、测量卫星与用户之间的 距离和解算用户的位置是g p s 定位导航的关键。 卫量2 - p 量 3 图3 - 2g p s 定位原理图 g p s 卫星定位采用伪距测量技术，g p s 定位原理如图3 2 所示。由于卫星 钟、用户接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，用户 接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的，计算得到的距离也 不是用户接收机和卫星之间的真实距离，这种距离叫为“伪距 。所测伪距是卫 星发射的伪测距码信号到达g p s 接收机的传播时间乘以光速所得出的测量距 离。伪距测量技术是由g p s 接收机在某一时刻测得4 颗以上g p s 卫星的伪距 以及已知的卫星位置，采用距离交汇的方法求定接收机所在的三维坐标。假设 用户接收机在接收卫星信号的瞬间，接收机的时钟与卫星导航系统所用时间差 为f ，用户接收机与卫星之间的距离为 r = ( x t x ) 2 + ( 】，l y ) 2 + ( z 1 一z ) 2 + c a t ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中，r 为卫星与接收机之间的距离；( x l ，y l ，z x ) 为卫星坐标；( x ，y ，z ) 表 示用户接收机坐标；c 是电磁波传播速度( 光速) ；a t 是未知数。只要接收机能 测出距4 颗卫星的伪距，便有4 个这样的方程，如下： 8 第三章g p s 定位系统和c d m a 2 0 0 0 i x 无线通信技术 r i = ( x i x ) 2 + ( 】，l - r ) 2 + ( z l - z ) 2 + c - a t( 3 - 2 ) r 2 - - , ( x 2 一x ) 2 + ( y 2 - d 2 + ( z 2 一z ) 2 + c a t( 3 3 ) i b = ( x 3 一。y ) 2 + ( y 3 一y ) 2 + ( z 3 - z ) 2 + c a t( 3 4 ) r 4 = ( x 4 一r ) 2 + ( y 4 - 】，) 2 + ( z 4 - z ) 2 + c a t( 3 5 ) 以上4 个方程联立，便可以解出4 个未知量x 、y 、z 和缸，即能求出接收机 的位置和准确的时间。 3 2c d m a2 0 0 0 - 1x 无线通信技术 c d m a 2 0 0 0 是美国向i t u 提出的第三代移动通信空中接口标准的建议，是 一种宽带c d m a 技术。c d m a2 0 0 0 i x 原意是c d m a 2 0 0 0 第一阶段，可支持 3 0 8 k b i t s 的数据传输，网络部分引入分组交换，支持移动i p 业务，空中无线接 口、核心网信令协议的标准严格完整，与i n t e r n e t 实现互通。c d m a2 0 0 0 1 x 网络为船舶监控系统通信方案的选择提供了新的解决方法。 3 2 1c d m a2 0 0 0 _ 1 x 网络结构 c d m a2 0 0 0 - i x 网络主要有b t s 、b s c 和p c f 、p d s n 等节点组成。基于 a n s i 4 1 的c d m a2 0 0 0 1 x 核心网系统结构如图3 3 所示口1 。 图3 - 3c d m a2 0 0 0 - l x 核心网系统结构 o p d s n ：分组数据服务器p c f ：分组控制功能b s c ：基站控制器 * b t s ：基站收发信系统o b s c c ：基站控制器连接* s d u ：业务数据单元 * m s c v l r ：移动交换中心访问寄存器, , h l r c ：归属位置寄存器鉴权巾心 由图可见，与i s 9 5 相比，核心网中的p c f 和p d s n 是两个新增模块，通 过支持移动i p 协议的a 1 0 、a 1 l 接口互联，可以支持分组数据业务传输；以 m s c v l r 为核心的网络部分，支持话音和增强的电路交换型数据业务，与i s 9 5 一样，m s c v l r 与h l r a c 之间的接口基于a n s i 4 1 协议。 如图3 3 所示，b t s 在小区建立无线覆盖区用于移动台通信，移动台是i s 一9 5 或c d m a2 0 0 0 - 1 x 制式手机；b s c 可对对个b t s 进行控制；a b i s 接口用于b t s 和b s c 之间连接；a 1 接口用于传输m s c 与b s c 之间的信令信息；a 2 接口用 于传输m s b 与b s c 之间的话音信息；a 3 接口用于传输b s c 与s d u 之间的用 户话务( 包括语音和数据) 和信令；a 7 接口用于传输b s c 之间的信令，支持b s c 9 第三章g p s 定位系统和c d m a 2 0 0 0 i x 无线通信技术 之间的软切换。以上节点与接口与i s 一9 5 系统需求相同。 c d m a 2 0 0 0 1 x 新增接口为：a 8 接口：传输b s 和p c f 之间的用户业务； a 9 接口：传输b s 和p c f 之间的信令信息；a 1 0 接口：传输p c f 和p d s n 之 间的用户业务；a 1 l 接口：传输p c f 和p d s n 之间的信令信息；a 1 0 a 1 1 接口 是无线接入网和分组核心网之间的开放接口，即r p 接口。c d m a2 0 0 0 1 x 新 增节点：p c f 用于转发无线子系统和p d s n 分组控制单元之问的消息；p d s n 节点负责为每一个用户终端建立和终止p p p 连接，以向用户提供分组数据业务。 p d s n 是c d m a2 0 0 0 1 x 接入i n t e r a c t 的接口模块。 3 2 2c d m a2 0 0 0 _ 1 x 的分组交换网 c d m a2 0 0 0 系统的分组数据网是建立在i p 技术基础上的。与g s m 系统中 的通用分组无线业务( g p r s ) 不同，c d m a2 0 0 0 i x 系统并不试图建立一套完整 的自己独有的分组数据系统结构，而是利用i p 技术构造自己的分组数据网络。 c d m a 2 0 0 0 系统提供数据业务时的协议结构如图3 4 所示。 i f p p p l c h 町c a h r l i n k r np c 3 n 图3 - 4c d m a 2 0 0 0 系统提供数据业务的协议结构 图3 4 中r n ( 无线网络) 包括基站控制器( b s c ) 、基站收发信系统( b t s ) 矛1 分 组控制功能( p c f ) ；p d s n ( 分组数据服务节点) 从互联网角度看，它是一个路由器， 并根据移动网的特性进行了增强；e n dh o s t ( 主机) 是互联网上的一个服务器，可 以是w w w 服务器或电子邮件服务器，向用户提供特定的数据业务。 m o b i l es t a t i o n ( 移动台1 和r n 间的接口，即空中接口由无线链路、媒质接 入控审i ( m a c ) 、链路接入控$ 1 ( l a c ) 、点到点协议( p p p ) 和i p 层组成。其中无线 链路完成无线信道的编码和调制等过程，与m a c 、l a c 芡同构成无线信道。 在无线信道上面是p p p ，从这一层协议开始，上面部分完全是i p 协议集，包括 i p 、传输控制协议( t c p ) 用户数据报协议( u d p ) 以及力维p i 5 9 ( w w w ) 等协议。 r n 和p d s n 问的接口，即r p 接口，在c d m a2 0 0 0 i x 系统中被看作a 接口的一部分( a 1 0 和a 1 1 ) 。这部分实际上己经是地面固定部分，由于承载p p p 协议，可以使用i p o v 6 t a t m 或i p o v e r s d h 作为物理层和r - p 接口的传输层。 p d s n 是c d m a 2 0 0 0 系统完成分组数据业务的支撑节点，也是c d m a 无 线分组数据网络接入公共分组数据网络( i n t e r n e t ) 的接入设备。移动节点通过与 第三章g p s 定位系统和c d m a 2 0 0 0 1 x 无线通信技术 p d s n 建立p p p 连接，对自己的身份进行认证，获得i p 地址。p d s n 可以完成 基于简单i p 的公网接入业务、基于简单i p 的专网接入业务、基于移动口的公 网接入业务、基于移动i p 的专网接入业务。根据i e t f 的建议，p p p 通常用于 低速的点对点链路，p p p 协议终止于p d s n 中。i p 层协议连接终端主机和p d s n 。 第四章船舶监控终端硬件设计 第四章船舶监控终端硬件设计 船舶监控终端硬件系统以a r m 9 2 0 t 核的3 2 位a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式微处 理器为核心，集成f l a s h 电路、s d r a m 电路、电源电路、复位电路、r t c 电 路、r s 2 3 2 接口控制电路、以太网接口电路，外扩g p s 模块、c d m a 模块、 音频模块、液晶键盘模块等外围硬件设备。船载监控终端在防潮、抗震、耐高 温低温等方面都有较高的要求。在嵌入式微处理器、g p s 模块、c d m a 无线 通信模块的选择上，均采用工业级芯片，有较宽的工作温度( 4 0 。c 8 5 ) 和较 好的工业参数，适于海上昼夜温差大、湿度高的作业环境应用。 4 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器电路 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，采用3 2 位嵌入式a r m 处理器的终 端相对以8 位1 6 位单片机作为中央处理器的终端而言，功能和人机界面都有 显著提高。 本终端选用a t m e l 公司基于a r m 9 2 0 t 核的3 2 位用于工业控制的嵌入式处 理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，该芯片具有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为 低功耗、低成本、高性能的计算机宽范围应用提供一个单片解决方案；同时有 较宽的工作温度和较好的工业参数，适于海上昼夜温差大、湿度高的作业环境 应用。a t 9 1 r m 9 2 0 0 采用2 0 8 脚p q f p 封装，内含1 个a r m 9 2 0 t 核和以下片 内外围，其主要特性如下1 4 j ： a r m 9 2 0 ta r m t h u m b 微处理器核 一工作频率：1 8 0 m h z ，运行速度：2 0 0 m i p s ； 一内嵌1 6 k b 的数据c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e ，写缓冲区； 一全功能的m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ； 一内嵌d e b u g j l 匝信通道t 拘e m u l a t o r ； 片内存储器 一内嵌1 6 k bs r a m 和1 2 8 k br o m ，方便用户调试； 外部总线e b i 接口 一支持s d r a m 、s t a t i cm e m o r y 、b u r s tf l a s h 、g l u e l e s sc o n n e c t i o nt o c o m p a c t f l a s h 、s m a r t m e d i a 弄n n a n df l a s h ； 功能强大的片内外围电路 一增强型的时钟产生器和电源管理控制器； 一带有两个p l l 的片内振荡器； 1 2 第阴章船舶i 旖控终端硬件设计 一四个可编程的外部时钟信号； 包括周期性中断、看门狗和第二计数器的系统定时器： 一带有报警中断的实时时钟( r t c ) ； 一调试单元，支持两线u a r t 的d e b u g 调试通道； 一7 个外部中断源和一个快速中断源； 4 个3 2 位的p i o 控制器，可达1 2 2 个可编程l o 引脚； 2 0 通道的d m a 控制器； 1 0 m l o o m 网卡 一传输媒体独立接d ( m i i ) 或精简传输媒体独立接1 1 ( r m i i ) , 一集成2 8 字节的f i f o s 和直接用于收发d m a 通道； 双u s b2 0 主1 3 ( 1 2m b i t s 秒) 一两个片内收发器( 2 0 8 脚的p q f p 封装只有一个) ； 一集成的f i f o s 和d m a 通道； 一个u s b2 0 从11 ( 1 2m b i t s 秒) 一一个片内收发器； 一2 k b 可配置的集成f i f o s ； 三个同步的串行控制器( s y n c h r o n o u ss e r i a lc o n t r o l l e r s ，s s c ) 一每个收发器均有的独立的时钟和帧同步信号； 一支持1 2 s 模拟接口，支持时分多路复用； 一支持3 2 位高速连续数据流发送； 四个同步异步收发器( u s a r t ) 一支持i s 0 7 8 1 6 阳厂r 1 标准智能卡； 一支持软、硬件握手功能； 一支持r s 4 8 5 传输、速度可达1 1 5k b p s 的红外传输； 主从串行外围接u i ( s p i ) 一8 1 6 位可编程数据长度，4 个外围芯片选择信号； 两线接e l ( t w o w i r ei n t e r f a c e ，t w d 一以主模式支持所有两线的a t m e le e p r o m s 设备； 供电电源 - - 1 6 5 v 到1 9 5 vf o rv d d c o r e ，v d d o s ca n dv d d p l l ； - - 1 6 5 v 到3 6 vf o rv d d i o p ( 外设i o s ) a n df o rv d d i o m ( 内存i o s ) ； 工作时的环境温度4 0 + 8 5 。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的内部结构如图4 1 所示。 第叫章船舶监控终端硬件设计 图4 - 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的内部结构 a t 9 1r m 9 2 0 0 处理器电路如图4 2 所示。 图4 2a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器电路原理图 1 4 第四章船舶监控终端硬件设计 4 2f l a s h 存储器电路 f l a s h 存储器是一种在系统