（信息与通信工程专业论文）应急指挥系统中无线定位服务技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 无线定位服务，是指通过g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 全球定位系统) 卫星或 者移动通信网络获取终端的基础位置信息( 经纬度、小区号信息或移动速度等) ，再利 用g i s ( 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 地理信息系统) 计算显示出终端的位置，并提 供位置相关信息服务的一类增值业务。 论文对无线定位服务在城市应急系统应用中的关键技术进行了研究，主要研究内 容包括g p s 卫星定位和蜂窝网无线定位，g i s 技术和g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e 通用分组无线业务) 移动通信技术，以及g p s g i s g p r s 集成技术。 g p s 技术与g i s 技术的集成为g p s 的普及应用提供了最佳的发展空间，也是g i s 深化开拓的重要领域，现已成为研究的热点。论文以消防救援车辆定位管理系统为背 景，对g p s g i s 集成中的坐标变换、g p s 定位误差纠正、g p s 信号接收与处理以及监 控中心g i s 网络结构设计等进行了研究并给出了相应的实现方法。 论文对系统所采用的通信信道的选型进行了讨论，经过比较分析后选择了g p r s 网络。在详细了解g p r s 网络结构、数据传输原理的基础上，给出了一种利用g p r s 网络实现车辆终端与指挥中心通信的方案，从而较好地实现了g p s g i s g p r s 技术的 集成。 论文主要的研究成果是：分析了应急系统中对位置服务的需求，研究了多种定位 技术在其中的应用：深入研究了g i s 、g p r s 通信与定位服务集成中的关键技术：最 后以城市消防通信指挥系统为例，提出了一个g p s 卫星定位与蜂窝网无线定位相结合 的无线定位服务解决方案。实现了在消防接替阶段对报警电话的定位。在处警阶段对 消防救援车辆的定位监控，系统具有定位精度高、技术先进和实现简便的优点，适于 推广应用。 关键词：定位服务，g p s 定位，蜂窝网无线定位，g 1 s ，g p r s ，g p s g i s g p r s 集成 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sp o s i t i o nb a s e ds e r v i c e si san e ws e r v i c eo fr i s e i nv a l u e ，w h i c hp r o v i d e c o n s u m e r 、v i t i li n f o r m a t i o no fm o b i l es t a t i o nsp o s i t i o n t h es e r v i c eo b t a i ni n f o r m a t i o no f m o b i l es t a t i o nsp o s i t i o nb yg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，a f t e rt h a tc a l c u l a ta n dd i s p l a ym o b i l es t a t i o n sp o s i t i o nb yg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) t h i st h e s i ss t u d i e st h ek e yt e c h n i q u e so ft h ew i r e l e s so r i e n t a t i o ni nu r b a ne m e r g e n c y s y s t e m 。w es e t sf o c u so ns o l u t i o n sw h i c hi n c l u d eg p sa n dc e l l u l a rw i r e l e s sp o s i t i o ns y s t e m ， g i s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) ，a n dt h ei n t e g r a t i o no f 0 p s ，g i sa n dg p r s t h ei n t e g r a t i o no fg p sa n dg i sp r o v i d e sg p sw i t l lt h eb e s td i r e c t i o nf o r t h e p o p u l a r i z a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o n ，a tt h es a r n et i m e ，t h i si n t e r g r a t i o nt e c h n i q u ew h i c hi s i m p o r t a n tf i l e do ft h ed e v e l o p m e n to fg i s s ot h ei n t e g r a t i o no fg i sa n dg p sh a sb e c o m ea h o t s p o tr e s e a r c hf i e l dn o w a d a y s w i t ht h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fp o s i t i o n i n ga n d m o n i t o r i n go fv e h i c l e s ，t h ep a p e rd e e p l yr e s e a r c h st h eg p sc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，t o c o r r e c tt h ee r r o ro fg p s ，t h er e c e i v i n ga n dd i s p o s i n go fg p ss i g n a l s ，t h eg i sn e t w o r k s t r u c t u r eo fm o n i t o rc e n t e r , a n dg i v e s f l i n a l l y , t h ep a p e rg i v e sr e s p e c t i v es o l u t i o no ft h e i s s u e i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ec h o i c eo fc o m m u n i c a t i o nc h a n n e li nt h e a p p l i c a t i o ns y s t e m f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r eo fg p r s ，g s ma n dc d m a ，w e c h o o s eg p r s t h ep a p e rg i v e sas c h a m eo ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv e h i c l e sa n d m o n i t o rc e n t e rw h i c hu s i n gg p r sn e t w o r k t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f 也i st h e s i sa r e ： 1 w ea n a l y s et h er e q u i r e m e n to fl o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s ( l b s ) i nu r b a ne m e r g e n c y s y s t e m ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fm a n yd i v e r s et e c h n o l o g i e so fm o b i l el o c a t i o na r es t u d i e d b a s e do nt h ea f o r e m e n t i o n e da n l a y s i s 2 t h ek e yt e c h n i q u e s ，w h i c hs o l u t i o n d ei nt h ei n t e g r a t i o no f g p sa n dg i s 3 t h ep a p e rg i v e sa na p p l i e de x a m p l eo f l b si ne 一1 1 9 ，w h i c hc o m b i n e dt h eg p s 、v i m c e l l u l a rw i r e l e s sp o s i t i o n t i l i ss y s t e mi m p l e m e n t st h em o b i l et e l e p h o n ep o s i t i o n i n ga n dt h e f i x e dt e l e p h o n ep o s i t i o n i n g ，a n da c h i e v e dp o s i t i o n i n ga n dm o n i t o r i n go fv e h i c l e s t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h em e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so fa c c u r a t el o c a t i o n ，a d v a n c e d ， a g i l i t y , s ot h es c h a m ec a l ls p r e a d e d k e yw o r d s ：l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s ，g p s ，c e l l u l a rw i r e l e s sp o s i t i o n ，g i s ，g p r s ，t h e i n t e g r a t i o no f g p s ，g i sa n dg p r s 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 1g p s 定位原理8 图2 2 圆周定位1 2 图2 3 双曲线定位1 2 图2 4 蜂窝网辅助定位系统结构图。1 7 图3 1g p s 数据坐标变化算法框图2 4 图3 2g p s d r 与地图匹配融合定位2 7 图3 3 监控中心g i s 网络结构图2 8 图3 4g p r s 网络结构3 0 图3 5 车载g p s 短信通信系统3 3 图3 6g p r s 接入方案3 6 图3 7t c p 协议响应示意图3 7 图3 8 车载终端与服务器通信协议流程一3 8 图4 1 固定电话信息查询系统结构图4 2 图4 2 火警接警台界面4 3 图4 3 移动电话定位系统结构图。4 4 图4 4 消防指挥中心端主程序流程图4 6 图4 5 移动电话定位系统消防指挥中心和服务中心界面4 7 图4 6 消防救援车辆定位管理系统体系结构4 8 图4 ，7 车载子系统结构图4 9 图4 8e t p r o + + g p r si pm o d e m 内部结构图5 3 图4 9 车辆终端与监控中心数据交换流图5 3 表目录 表2 1g p s 定位和蜂窝网无线定位的特点 表4 1 传送固定电话信息的命令类型 表4 。2r t s t a r 性能参数表。 表4 3n e m a 0 1 8 3 语句格式 1 6 4 3 5 0 5 1 第i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 学位论文题目： 应垒指攫歪红生垂缝蛊焦月睦盔挂盔盟窟 学位论文作者签名：盅生日期渤牛年1 1 眦日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：座垒指攫丞红主垂生塞焦腿查技盔监窥 学位论文作者签名：盈竖 日期：泐午年1 1 月心日 作者指导教师签名：互i ! j日期：。2 牟年月( f 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与背景 本课题来源于城市消防通信指挥系统项目。课题的主要目的是研究无线定位服务 技术( 由于课题中研究的是无线定位技术在位置服务领域的应用，所以将其称为无线 定位服务技术) 在城市应急系统中的应用，定位技术与g i s 技术和移动通信技术的集 成系统体系结构模型，并结合实际项目的需求，设计并实现了消防通信指挥中的电话 定位系统和车辆定位监控管理系统。 随着国民经济的发展，城市建设规模不断扩大，城市消防的重要性越来越突出。 在消防应急指挥部门中，传统的通过报警人口述确定火场位置，通过电话、手持台、 车载电台等无线电通讯设备，实施对出警车辆管理、调度和指挥的通信方式，不仅不 够直观准确，而且运离“智能”，制约着消防部队向现代化方向的迈进。因此，如何 快速准确的确定火场地址，以及实现对出警车辆的智能化管理是摆在各级消防部队面 前的一个重要课题。 目前，g p s 应用不断民用化，g i s 和g p s 的集成已成为当前应用的一个热点。在 这种集成应用中g p s 主要用于实时快速地提供目标的空间位置信息，g i s 则用于对多 源空间数据进行综合管理。用以定位监控车辆所在位置和状态的移动目标管理就是 g p s g i s 集成的典型应用。随着移动通信技术的迅速发展，我国g s m g p r s 网络己广 泛建成，从而为车辆定位管理系统中各种数据的高速大容量传输创造了有利条件。如 何将g p s 、移动通信和g i s 技术结合起来，应用在消防车辆定位管理系统中是一个重 要的研究课题。同时，g p s g i s g r p s 集成也可应用于1 1 0 、1 2 0 等其它应急系统和智 能交通系统( i t s ) 中，具有很好的实用性。 无线定位包括卫星定位和地面无线定位，其中卫星定位以全球定位系统( g p s ) 、 g l o n a s s 系统和北斗双星定位系统等为代表；地面无线电定位以蜂窝无线定位系统 为代表。它们各自具有其突出的特点，例如g p s 卫星定位具有定位精度高，单机定位 精度可达1 0 m ，差分精度最高可达l c m 左右，但g p s 定位初次定位时间长，在城区 定位服务中盲区较多。而蜂窝网无线定位中基于网络的定位根据美国f c c 的规定，在 6 7 的概率下定位精度不低于1 5 0 m ，9 5 的概率下不低于3 0 0 m ，这显然要比g p s 的定位精度差很多，但是蜂窝网无线定位基本不存在盲区问题，而且通过移动通信网 络能快速地实现数据的无丢失传输。在项目背景应用，消防通信指挥的全过程中对定 位服务的需求各不相同，所以也应该采用不同的定位方法，如何将多种定位方法结合 在一起也就成为了课题研究的又一重点。 基于以上考虑，无线定位服务技术在以消防通信指挥系统为代表的应急系统中的 应用是一个具有研究性和实用性的课题。课题以城市消防通信指挥系统为背景，要求 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在接处警的各阶段提供快速准确实时的定位服务，主要包括对火场地址的定位和对出 警车辆的定位与监控。 1 2 课题的研究现状 无线定位技术可以说是一项古老而年轻的技术。国际上对无线定位技术的研究与 应用始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位( a 、，l ) 系统，随后该项技术在公共交通管 理、货物运输、出租车管理和紧急医疗服务等有限的范围内得到了应用。1 。8 0 年代以 来，随着人们对智能交通系统的需求以及蜂窝移动通信的出现，无线定位技术又有了 新的要求和发展，也吸引了更多研究者的兴趣。美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 6 年公布了e 9 1 1 ( e m e r g e n c yc a l l 9 1 1 ) 定位需求1 ，要求在2 0 0 1 年1 0 月1 日起，各 种无线蜂窝网络必须能对发出e 9 1 1 紧急呼叫的移动台提供精度在1 2 5 m 内的定位服 务。这是世界上第一个政府强制性提供的位置服务。此外，欧洲和日本也在计划提供 该项服务。 目前，开展的典型位置服务包括：追踪服务、基于位置的信息服务( 寻找最近的 餐饮娱乐信息、黄页查询等) 、广告服务( 促销打折信息) 、援助服务( 如紧急医疗服 务、紧急定位等) 等。目前一些单位正在研制开发定位应用方面的产品，其中包括集 合了电子地图、短消息发送系统的j a v a 客户端软件，该软件将与定位终端及定位系 统一起构成移动定位服务产品集群，该产品集成了移动定位系统、移动运营商的短消 息平台、短消息企业发送系统、g i s 系统及移动定位终端。通过手机进行定位，可以 及时地传达关于手机和手机使用者的位置和其它与位置有关的信息，并能根据位置信 息开展多种相关的应用，主要应用有城市信息查询应用、追踪定位服务、商业广播服 务以及相关行业应用等。国内些城市也初步提供了“定位之星”移动定位服务，和 手机定位特色服务。 3 g 时代的无线定位服务近几年在国外的发展非常快，美国、欧洲相继开通并提供 3 g 手机服务的c d m a 或w c d m a 网络，定位精度可达到5 5 0 m 。例如：美国高通 公司几年前就已经推出了内嵌定位功能的为i s 。9 5 系统服务的m s m 3 3 0 0 和为 c d m a 2 0 0 0 1 x 系统服务的m s m 5 1 0 0 系列芯片，大部分新型的c d m a 手机都可以支 持高精度的定位技术。截至今年5 月，欧洲已经开通并提供3 g 手机服务的w c d m a 网络一芡有1 1 个，分别由意大利、英国、瑞典、丹麦和奥地利的5 家公司提供。但是 在国内3 g 网络的建构和相应的增值业务的开展才闷起步，还没有一个完善的3 g 商用 网络。 g p s 与g i s 技术的集成在“3 s ”的研究和应用得到了突飞猛进的发展。“3 s ”即 地理信息系统g i s 、全球卫星定位g p s 和遥感r s 的通称。“3 s ”技术的集成应用已广 泛应用于工业、农业、环境监测、交通运输、导航、公安和消防行业，产生越来越大 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的市场价值”3 。尤其是g p s g i s 集成，在车辆定位、导航和监控管理中更是得到了普 遍应用。从6 0 年代的车辆自主导航系统开始，到现在集成定位模块和车辆跟踪软件的 开发。例如，n a v s t a rg p s 已成为车辆导航系统的基础，系统由2 4 颗卫星组成。美国 得克萨斯州的m a n n i n g n a v c o m p 公司最近推出了一种名为r a s t r a c e 的车辆跟踪软件， 该软件可供局域多计算机连接或广域网络和i n t e r a c t 使用。它可使用户通过商用无线 电、网络电话、网络数字包数据和卫星通信的方法，同时跟踪车辆，自动记录所有车 辆的运作情况，也可使用户向车辆发送文本信息和图像信息。 我国的车辆定位管理应用研究虽然起步较晚，但发展迅速。在“九五”提出双星 定位导航系统，其工程代号为“北斗一号”，该系统是我国自主研制开发的第一代卫星 导航定位通信系统。系统可为服务区内的用户提供全天候、高精度、快速实时定位服 务，具有快速定位、简短通信、精密授时三大功能。而且国内一些公司如神州数码利 用现代化的技术手段，结合g p s 卫星定位、电予防盗和网络通信等技术开发的出租车 g p s + g p r s c d m a1 x 定位监控系统，为用户提供从车载终端、通信组网、中心调度 软件开发、监控电子地图制造的全面解决方案。同时，g p s g i s 集成技术也是各大学 科研研究的热点。而目前伴随着智能交通系统逐渐投入使用，车辆导航定位技术必将 面临一个飞速发展的阶段。 我们课题的背景项目，消防通信指挥中的定位技术应用也是目前广受关注的热点 研究，它是消防智能化的重要组成部分。我国已将全国消防信息化建设列为“十五” 发展规划，提倡建设一套先进、科学、高效的1 1 9 消防综合指挥系统，加快城市消防 工作信息化进程。目前，国内也有不少成功的案例。“，如北京天汇万博开发的1 1 9 消 防通信指挥系统，成都应急联动警务o p s 系统，其中都实现了基于g p s g i s g s m 的 车辆定位、监控和报警处理。这些成功案例大多采用g p s 定位，g s m 网络作为通信 信道，以g s m 短消息方式传送数据，但是没有考虑到g p s 定位的盲区问题和短消息 发送的延迟问题，而将q p s 定位与蜂窝网无线定位相结合的案例就更少见了。 在今后很长一段时间内，g p s 和蜂窝网定位仍将是无线定位中的主流，并且两种 技术将结合的更加紧密。无线定位技术的应用将贯穿于我们生活的点滴之中，大到环 境监测、应急联动指挥、智能交通管理等，小到琳琅满目的手机定位服务。另一方面， 具有定位功能的移动终端的研制开发依旧是各电信产品商争夺的领域，例如集成了 g p s 芯片的手机，3 g 手机，集跟踪、导航、通信、上网功能于一身的车辆导航仪，还 有p d a 装置等。 1 3 课题研究的主要内容和主要成果 论文主要研究了无线定位技术原理及其在应急指挥系统中的应用。论文的研究内 容主要包括以下几个方砸： 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 、无线定位技术研究 研究目前应用较广的无线定位技术，重点介绍g p s 卫星定位和蜂窝网无线定位， 及它们的系统组成和定位原理。分析目前各种主要无线定位技术的特点，提出将g p s 与蜂窝网相结合的定位方法，并给出设计方案。 2 、g p s ( 3 i s 集成的关键技术研究 研究g p s g i s 集成中的关键问题，包括g p s 使用的w g s 8 4 地球坐标系到地图 直角坐标系的变换；采用差分g p s 、g p s d r 航位推算算法和地图匹配的方法来消减 或纠正g p s 定位误差；g p s 信号的接收和处理；g p s ，g i s 集成方式的选择和监控中心 串口通信程序中m s c o m m 控件的使用，以及b s 、c s 相混合的g i s 网络体系结构设 计。 3 、通信信道的选型 研究当前应用广泛的g s m 、g p r s 、c d m a 网络，重点研究g p r s 网络的数据传 输特点，在此基础上对课题中通信信道的选型进行深入分析，得出选型依据。 4 、g p r s 通信实现方案的设计 研究车载终端与监控中心的通信流程，及相关的通信协议，给出g p r s 网络接入 消防通信指挥中心内部网络的方案。 5 、城市应急系统中定位服务技术的综合应用 以消防通信指挥系统为背景，研究火场地址定位和消防车辆定位监控系统中定位 服务的具体实现方案，各子系统的体系结构、软硬件选型、模块功能设计。 论文研究的成果主要体现在以下几个方面： l 、消防通信指挥中，在接警阶段设计了固定电话查询系统和移动电话定位系统， 能快速准确的实现对报警电话的定位，从而确定火场地址，在电子地图上显示出火场 位置。 2 、针对消防处警中对消防救援车辆定位导航和实时监控的需求，对无线通信系统 的选型、车载终端设计、监控中心子系统的系统结构和各功能模块的实现进行了深入 分析和详细论述。研究了定位技术、通信技术和g i s 技术集成中的关键问题，最终设 计并实现了g p s 和蜂窝网相结合定位的消防车辆定位管理系统。 综上所述，课题给出的定位方案满足了消防指挥通信中各阶段的定位需求，具有 一定的先进性、实用性、可移植性强，可推广应用到1 1 0 、1 2 0 等应急系统联动系统 中。 1 4 论文的组织结构 本文共分五章，各章的内容和组织如下： 第一章绪论。主要介绍论文的研究背景、研究现状、论文研究的主要内容和主要 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 研究成功，以及论文的组织结构。 第二章无线定位技术研究。介绍g p s 卫星定位系统组成，g p s 定位原理与应用； 蜂窝网无线定位系统结构，蜂窝网定位基本方法，以及3 g 时代的移动定位技术。分 析目前存在的无线定位方法的特点，在此基础上，提出了一种g p s 和蜂窝网无线定位 相结合的定位方案。 第三章g p s g i s g p r s 集成技术研究。在g i s 技术概述的基础之上，分析了g i s 在位置服务领域的应用；研究了g p s g 1 s 集成中的关键技术，包括地球坐标变换、g p s 定位误差的纠正、系统中g i s 网络体系结构设计和g i s 软件选型；接着介绍了g p r s 网络结构及通信原理，比较了g p r s 、g s m 和c d m a 移动通信的优缺点，为通信子 系统的选型提供了依据。最后给出了系统中g p r s 通信的设计方案。 第四章定位服务技术在应急指挥系统中的应用设计。本章以城市消防通信指挥系 统建设为应用背景，对其定位需求进行分析，设计了报警阶段1 1 9 固定电话定位系统、 移动电话定位系统和消防救援车辆定位管理系统，给出相应系统的设计方案，体系结 构和具体实现方法。 第五章结论与展望。对论文的工作进行总结，并对下一步需要继续研究的工作进 行了展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章无线定位服务技术研究 目前，无线定位可分为卫星无线电定位和地面无线电定位。其中卫星定位是利用 g p s 、g l o n a s s 、北斗双星等卫星系统的多个卫星实现移动目标的三维定位；地面无 线电定位是通过测量无线电波从发射机到接收机的传播时间、时间差、信号场强、相 位和入射角等参数来确定移动终端的二维定位。1 。本章主要研究g p s 定位和蜂窝网无 线定位技术的基本原理，并在此基础上提出一种g p s 、蜂窝网无线定位相结合的定位 模型。 2 1g p s 定位技术 全球定位系统g p s 是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，美国第二代卫 星导航系统，它采用了子午仪系统的成功经验，具有在海、陆、空进行全方位实时三 维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。如今，g p s 已经成为当今世界上最 实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 2 1 1g p s 系统组成 g p s 系统主要由三部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。 6 】 o 1 、g p s 卫星星座的构成，按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用的是2 4 颗高度约为2 0 2 0 0 k m 的卫星组成卫星星座，其中3 颗是在轨的备用卫星。2 4 颗卫星均 为近圆形轨道，运行周期约为1 1 小时5 8 分，分布在6 个轨道面上，卫星轨道面相对 地球赤道面的倾角为5 5 。，各个轨道平厦之间相距6 0 ，在相邻轨道上，卫星的升交距 相差3 0 。 在2 万千米高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说白转l 周时，它们绕地球运行2 周，即绕地球1 周的时间为1 2 恒星时，这样，对于地面观测者来说，每天将提前4 分钟见到同一颗卫星。每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上，同时位于地平线以 上的卫星数目随时间和地点而异，最少可见到4 颗，最多时可见到1 l 颗。在用g p s 信号定位导航时，为了计算测站的三维坐标，至少要观测到4 颗卫星，这4 颗卫星在 观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。g p s 卫星空间星座的分布保证 了在地球上任何地点、任何时刻至少有4 颗卫星被同时观测，而且卫星信号的传播和 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5 个地面站组成，包括卫星监控站、主控 站和信息注入站。 卫星监控站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频g p s 接收 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对g p s 卫星进行 连续观测，以采集观测数据和监控卫星工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感 器收集有关当地的气象数据。监控台实质是监控和调度目标运行的计算机终端，是一 个能接收并显示动态信息的g i s 平台。它的功能主要是将目标定位信息动态显示在电 子地图上，同时提供空间信息和属性信息检索查询，进行地图基本操作，查询并回放 目标运行轨迹，发布调度信息等。 主控站负责协调和管理地面监控系统，其主要任务是：根据本站和其它监测站的 所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些 数据传送到注入站；提供全球定位系统的时间基准。各测站和g p s 卫星的原子钟，均 应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送 到注入站；调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；启用各用卫星，以代替失 效的工作卫星。 注入站的主要功能是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、 导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。 3 、g p s 接收机，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号， 并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出 g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解析出导航电文，实时地计算出测站的三 维坐标。接收机主要由g p s 接收机天线、g p s 接收机主机及电源组成。主机由变频器、 信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。 g p s 接收机按用途可以分为导航型接收机( 导航型接收机又可以分为车载型、航 海型、航空型、星载型) 、测地型接收机和授时型接收机；按接收机的载波频率可以分 为单频接收机、双频接收机；按接收机通道数可以分为多通道接收机、序贯通道接收 机和多路多通道接收机：按接收机工作原理可以分为码相关接收机、平方型接收机、 混合型接收机和干涉型接收机；按接收码可分为民用型接收机( c a 码) 和军用加密 型接收机( p 码或者y 码) 。 2 1 2 基本g p s 定位原理 g p s 系统采用高轨测距体制，以观测站至g p s 卫星之间的距离作为基本观测量。 按定位方式，g p s 定位分为基本g p s 定位( 绝对定位) 和差分g p s 定位( 相对定位) 两大类。单点定位是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采 用伪距观测量。相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对 位置的方法，既可采用伪距测量也可采用相位观测量。差分定位又分为位置差分、伪 距差分和载波相位差分。 绝对g p s 定位的基本原理是围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经过 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 编码调制后的连续波信号，编码中载有卫星信号准确发送时间和卫星在不同时间的空 中位置即星历。用户接收机接收到卫星无线信号后，只要有与卫星时钟准确同步的时 钟，便能测出信号到达时间，并算出信号在空中传播的时间，该传播时间乘以信号在 空中的传播速度，即可得到接收机的位置( x o ，y 0 ，z o ) 与卫星位置( x l ，y j ，z 1 ) 之间的 距离r l ，从而得出”“： 尺? = g 。一x 1 ) 2 + 。一y 。) 2 + 一z 。) 2 ( 2 1 ) 当用户使用g p s 接收机在某一时刻同时接收三颗以上的g p s 卫星信号，测量出 测站点( 接收机天心中心) p 至三颗以上g p s 卫星的距离并解算出该时刻g p s 卫星的 空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站p 的位置。如图2 1 所示，设在时刻t i 在 测站点p 用g p s 接收机同时测得p 点至三颗g p s 卫星s l ，s 2 ，s 3 的距离分别为r l ，r 2 ， r 3 ，通过g p s 电文解译出该时刻三颗g p s 卫星的三维坐标分别为b ，j ，f ，z ，jj = 1 ，2 ，3 。 用距离交会法求解p 点的三维坐标x ，弘z ) 的观测方程组为： 月。2 = 0 一x 。) 2 + m ) 2 + g z 。) 2 - 7 r ：2 = g x ：) 2 + 一y 2 ) 2 + ( z 一2 2 ) 2卜 ( 2 2 ) r ，2 = g 一而) 2 + 一乃) 2 + g 一乃) 2 j 在g p s 定位中，g p s 卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化，需要 实时的由g p s 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时的由卫星导航电文解算出 卫星的坐标值，并进行测站点的定位。 图2 1 g p s 定位原理 2 1 3 差分g p s 定位原理 差分g p s 技术是目前使用较广的g p s 定位技术，根据信息的发送方式又可分为伪 距差分、相位差分及位置差分等。无论哪种差分，其工作原理基本相同，都是由用户 接收基准站发送的改正数，并对其测量结果进行改正以获得精密定位结果。它们的区 别在于发送改正数的内容不同，其定位精度不同，差分原理也就不同。 i 、伪距差分，是目前用途最广的g p s 定位技术，几乎所有的商用差分g p s 接收机 第8 页 芦k 爹、黎 匙 国防科学技术大学研究生院学位论文 都采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的r t c ms c 一1 0 4 也采用了这种技术。 它的定位原理是在基准站上的接收机求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的 距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个q b 滤波器将此差值滤波并计算出偏 差，然后将所有卫星的测距误差传给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距， 最后利用改正后的伪距来解算出本身的位置，这样就可以消去公共误差，提高定位精 度。但是伪距测量也存在系统误差，因此用户和基准站之间的距离对精度有决定性的 影响。 2 、位置差分，是一种简单的差分方法。安置在已知点基准站上的g p s 接收机，经 过对4 颗或4 颗以上的卫星观测，便可实现定位，求出基准站的坐标。由于存在着卫 星星历、时钟误差、大气折射等误差的影响，该坐标与已知坐标不一样，存在着误差， 这时需进行坐标改正。经改正后的用户坐标已消除了基准站与用户站的共同误差，提 高了定位精度。 坐标差分的优点是需要传输的差分改正数较少，计算方法较简单，任何一种g p s 接收机均可改装成这种差分系统。但它的缺点主要是：要求基准站与用户站之间必须 保持观测的是同一组卫星，由于基准站和用户站接收机配备不一定完全相同，并且两 个观测环境也不一定完全相同，因此很难保证两个站观测的是同一组卫星，将导致定 位误差的不匹配，从而影响定位精度。另外坐标差分定位效果不如伪距差分好。 3 、载波相位差分，载波相位差分g p s 定位与伪距差分g p s 定位原理相类似，其基 本原理是：在基准站上安置一台g p s 接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电设 备实时的将观测数据及测站坐标信息传送给用户站；用户站一方面通过接收机接收 g p s 卫星信号，同时通过无线电接受设备接受基准站传送的信息，根据相对定位原理 进行数据处理，实时的以厘米级的精度给出用户站三维坐标。 载波相位差分定位有两种定位方法，一种与伪距差分相同，基准站将载波相位的 改正量发送给用户站，以对用户站的载波相位进行改正实现定位，这种被称为改正法： 另一种是将基准站的载波相位发送给用户站，并由用户站将观测值求差进行坐标解算， 这种称为求差法。 差分定位具有设计简单，定位精度高，初次定位快等特点，所以国外一些先进国 家已经应用该技术建立了成熟的车辆调度监控管理系统，在我国一些城市也开始建立 这一系统。通过车载g p s 接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体位置，通过车载电 台或g s m 网络将定位信息发送给调度中心，调度指挥中心便可及时掌握各执勤车辆的 位置、状态，并在大屏幕电子地图上显示出车辆行驶路线，向执勤车辆发布调度命令。 目前，用于公安、消防、交通系统的g p s 主要有：车辆g p s 定位与无线通信系统相结 合的指挥管理系统；应用g p s 差分技术的指挥管理系统。在本论文中的后继章节将进 一步介绍采用集中差分g p s 技术设计的车辆管理系统。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 蜂窝网无线定位 蜂窝网无线定位是通过测量无线电波从发射机到接收机的传播时间、时间差、信 号场强、相位或入射角等参数来实施目标移动终端的二维定位。 2 2 1 蜂窝网无线定位系统 在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位置、定位主体及采用的设备的不同可将对 移动台的无线定位方案分为三类：基于移动台的定位方案，基于网络的定位方案及g p s 辅助定位方案”“。 1 、基于移动台的定位方案，移动用户接收不同基站的信号，通过测量t d o a ( 信 号到达时间差测量) 进行定位运算。采用这种方案的定位系统包括基于移动台( m o b i l e b a s e d ) 的定位系统和网络辅助( n e t w o r ka s s i s t e d ) 定位系统。 基于移动台的定位系统的操作过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机 发射信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息( 如场强、传播时间、时间差等) 确定其与各发射机之间的几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算功能( p c f ： p o s i t i o nc o m p u t i n gf u n c t i o n ) ，根据有关算法计算出移动台的位置。 网络辅助定位系统的定位过程是由网络中多个固定位置接收机同时检测移动台发 射的信号，然后将各接收机携带的某种与移动台位置有关的特征信息由空中接口传递 回移动台，由移动台中的位置计算功能求出移动台的位置。 由其定位过程可见，基于移动台的定位方案中对现有蜂窝网和移动电话均需做相 应的改进，在移动电话中需采用抗多径算法和定位算法来精确测量t i ) o a ，还需增加必 要的软硬件设备，如集成6 p s 接收机或能同时接收多个基站信号并进行自定位处理的 软硬件，还必须通过空中接口将定位信息传送回蜂窝网络。因此，这种定位方案不适 用于在现有的g s m 网络中增加定位服务功能；但由于这种方案的定位精度较高，在 w c d m a 及c d m a 2 0 0 0 网络中将得到广泛应用。 2 、基于网络的定位方案，由不同的基站接收移动用户发射的信号，进行参数测量， 实现对移动用户的定位，在基站中增加定位接收单元，处理来自移动用户业务信道的 突发信息，以进行t d o a 测量并送往定位中心，计算t d o a 值，求解定位点。这种定 位方式属于被动定位方式，指从一个被定位点发出的原始信号被一个或多个地方的定 位接收机接收，测量出定位物理量，汇总到中心站进行处理，解算出被定位点位置。 采用这种定位方案的系统也包括基于网络或移动台辅助的定位系统。 基于网络的定位系统也称为远距离定位系统或反向链路定位系统。其定位过程是 由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动 台位置有关的特征信息送到网络中的移动定位中心( m l c ：m o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) 进 行处理，由p c f 计算出移动台的位置。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 移动台辅助定位系统的定位过程是由移动台检测网络中多个固定位置发射机同时 发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息由空中接口传送 回网络，再由集成在网络中的p c f 计算出移动台的位置。 基于网络的定位方案只需对蜂窝网络设备作适当扩充、修改，不需要对现有移动 台进行任何修改，能充分利用现有的各种蜂窝网络系统，保护用户已有资源不造成浪 费，而且实现相对容易，且精度较高，因此这种