（机械电子工程专业论文）机场特种车辆作业过程碰撞预警系统研究.pdf

中国民航大学硕士学位论文摘要随着机场飞机数量的迅速增加，为飞机服务的特种车辆也越来越多。为了避免机场特种车辆与飞机之间发生碰撞，有必要研究机场特种车辆碰撞预警系统。本文针对机场特种车辆作业过程中出现的飞机与特种车辆可能发生的碰撞问题，设计了机场特种车辆碰撞预警系统。该系统以g p s 、g p r s 和g i s 技术为基础，根据距离跟踪原理对即将发生的碰撞进行检测与预警。文中对特种车辆的碰撞预警系统进行了碰撞检测的建模，在碰撞检测过程中，采用了改进的g j l ( 算法，对动态信息进行预处理，降低了碰撞检测的计算量，提高了碰撞检测的效率，改善了碰撞检测的实时性。通过实验，验证了该碰撞预警系统的可行性。为了实现对特种车辆的精确定位，本文采用差分g p s 定位系统来提高定位精度，此外，还利用了基于m a p x 组件的g i s 开发，实现了对特种车辆的动态监控。针对实际应用中需要满足不同类型飞机碰撞预警的要求，本文根据不同类型飞机的实际大小尺寸建立了不同的飞机坐标数据库。最后，本文对特种车辆上移动终端的报警单元进行了硬件设计。设计出了以单片机a t 8 9 s 5 2 和语音芯片i s d 2 5 1 2 0 为核心的语音报警电路，实现了特种车辆的碰撞预警。关键词：碰撞检测；距离跟踪；g i s ；g p s ；差分定位；g j k 算法中国民航大学硕士学位论文a b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea i r c r a f ts c a l e ，m o r ea n dm o r ea i r p o r ts u p p o r tv e h i c l e sa l en e e d e dt ow o r ko nt h ea i r p o r ta n da i r p o r ts u p p o r tv e h i c l e sb e c o m eb u s i e rt h a nb e f o r e i no r d e rt oa v o i dt h ec o l l i s i o na c c i d e n tb e t w e e na i r c r a f ta n da i r p o r ts u p p o r tv e h i c l e s ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c hc o l l i s i o nd e t e c t i o na n dp r e d i c t i o ns y s t e mf o ra i r p o r ts u p p o r tv e h i c l e ac o l l i s i o nd e t e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e di no r d e rt or e d u c et h ec o l l i s i o na c c i d e n tb e t w e e na i r c r a f ta n da i r p o r ts u p p o r tv e h i c l e sw h e nt h ea i r p o r ts u p p o r tv e h i c l ei ss e v e r i n ga i r p l a n eb a s e do nd i s t a n c et r a c k i n g g p s ，g p r sa n dg i st e c h n o l o g i e sa r eu t i l i z e di nt h es y s t e m i ts e t su pam o d e lf o rt h ec o l l i s i o nd e t e c t i o ns y s t e mi nt h ep a p e r i nt h ec o l l i s i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m , t h ea d v a n c e dg j ka l g o r i t h mi sa d o p t e da n dt h ed y n a m i ci n f o r m a t i o ni sp r e p r o c e s s e db e f o r ec o l l i s i o nd e t e e t i o n ，w h i c hr e s u l t si nt h er e d u c i n go ft h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dt h er a i s i n go ft h ec o l l i s i o nd e t e c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h er e a l - t i m ec h a r a c t e ro fa l g o r i t h m t h es y s t e mi sv e r i f i e dt ob ef e a s i b l eb ye x p e r i m e n t s t h es y s t e mu s e sd i f f e r e n t i a lg p st oe n h a n c et h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o nf o ra i r p o r ts u p p o r tv e h i c l e s i na d d i t i o n , i tr e a l i z e sd y n a m i cs u p e r v i s i o no fa i r p o r ts u p p o r tv e h i c l e sb ym a k i n gu s eo fg i sb a s e do nm a p xc o m p o n e n t i no r d e rt or e a l i z et h ec o l l i s i o nd e t e c t i o nf o rd i f f e r e n tt y p eo fa i r p l a n e ，d i f f e r e n ta i r p l a n ep o s i t i o nd a t a b a s ea l ed e s i g n e di nt e r m so ft h ef u l ls i z eo ft h ea i r p l a n e f i n a l l y ，t h ec i r c u i to fw a r n i n gu n i ti sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , w h i c hi sf i x e da tt h em o t i o nt e r m i n a lo na i r p o r ts u p p o r tv e h i c l e sa n dm a i n l yc o m p o s e do fa t 8 9 s 5 2a n di s d 2 512 0 t h ew h o l es y s t e mr e a l i z e st h ef u n c t i o no fm a k i n gc o l l i s i o nd e t e e t i o na n dp r e d i c t i o n k e y w o r d s ：c o l l i s i o nd e t e c t i o n ；d i s t a n c et r a c k i n g ；g i s ；g p s ；d i f f e r e n t i a lp o s i t i o n i n g ；g j ka l g o r i t h mh中国民航大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个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或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国民航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了谢意。研究生签名：日期沙埸争日期：竺：里! ! ，中国民航大学学位论文使用授权声明中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国民航大学研究生部办理。研究生签名：导师签名：邋日期：兰堕! 竺7 中国民航大学硕士学位论文1 1 课题来源及背景意义第一章绪论随着我国国民经济的快速发展，民航运输业进入了一个高速发展时期。2 0 0 7 年上半年，民用航空行业完成运输总周转量、旅客运输量和货邮运输量1 6 7 亿吨公里、8 6 6 9 9万人和1 8 2 8 万吨，比2 0 0 6 年同期分别增长1 9 7 、1 6 7 和1 5 3 。在飞机数量上，2 0 0 7年民航在册飞机已经超过1 0 0 0 架，预计2 0 1 0 年将达j ! u 1 5 0 0 至1 6 0 0 架，净增约5 0 0 至6 0 0 架，至u 2 0 2 0 年将达 ! u 3 0 0 0 架。在机场数量上，目前中国共有民航运输机场1 4 4 个，并且很多机场正在扩建i l j 。随着机队规模的迅速扩大，机场飞机起降密度逐渐加大，为飞机服务的机场特种车辆也越来越多，且作业工作越来越繁忙。首都机场平均每天起降飞机1 0 0 0 多架次，在作业时间内平均每1 分钟就起降1 次。大约有2 3 0 0 多台机场地面特种车辆在机场繁忙作业，为起降的飞机服务。机场特种车辆在机场内为飞机服务作业，目前还存在着一些问题。数量众多的机种车辆在机场的有限空间内行驶，为体积庞大、价格昂贵的飞机服务作业，驾驶人员的视野受到很大影响。驾驶操作稍有不慎，就会导致特种车辆与被服务飞机发生碰撞，或特种车辆与特种车辆之间发生碰撞，结果损坏飞机或特种车辆，造成严重的经济损失。为此，有必要开发机场特种车辆作业过程碰撞预警系统，在实现对机场特种车辆进行实时监控的同时对特种车辆进行碰撞预警，以此来减少特种车辆与飞机、特种车辆与特种车辆的相互碰撞，提高特种车辆作业效率，减少经济损失和航班延误。机场特种车辆作业过程碰撞预警系统解决的是对机场场区内运行特种车辆的有效监控，对特种车辆运行过程中可能出现的碰撞发出及时的预警，避免发生碰撞事故，确保机场场区内的运行安全。1 2 国内外同类系统发展现状在国际上，各个国家都在竞相发展本国的智能交通系统( i t s ) 。i t s 是将信息技术、导航定位技术、数据通信技术、自动控制技术和计算机网络等现代电子技术有效结合在一起，全方位发挥作用的实时、准确和高效的综合智能系统。车辆的安全保障技术是智能交通系统( i t s ) 的重要组成部分，要实现车辆的安全保障，车辆碰撞预警系统起到至关重要的作用。世界各国都在加强车辆碰撞预警方面的研究，日本的先进安全车( a s v ) 项目计划发展具有良好主动安全性和被动安全性的先进安全车。开发这种车的主要目的是避免车辆事故的发生，主要技术措施是大量使用先进的安全预警系统。美国也加强了车辆安全保障技术的应用研究，美国的i v i 计划与通用汽车合作，研究开发一套自动碰撞预警与防止的实验系统。目前在美国，已经有超过5 0 0 0 0中国民航大学硕士学位论文套碰撞预警系统用于重型车辆。在民航方面，由于欧美等地区的民航事业发展较快，美国肯尼迪机场、英国伦敦希思罗机场、德国慕尼黑机场已经使用机场特种车辆安全监控系统。亚洲的新加坡机场也已开始使用机场特种车辆安全监控系统。在国内，民航事业是在近几年才得到快速发展的，还没有一个机场全部采用机场特种车辆安全监控与碰撞预警系统，但多数机场都已具有该方面的需求。为了实现车辆的碰撞预警，需要利用碰撞检测技术。碰撞检测及其相关问题有很长的研究历史，特别是刚体间碰撞检测的研究，已经形成了一些比较成熟的技术。包围盒方法是目前进行碰撞检测的一个常用方法 2 1 【3 】，其基本思想是通过建立对象的包围盒树状层次结构来逐渐逼近对象的几何模型，从而用体积略大而形状简单的包围盒代替复杂的几何对象参加碰撞检测，通过包围盒间的相交测试快速地排除不相交的基本几何元素对，以减少相交测试的次数。由于包围盒形状比较简单，计算容易，一旦发现包围盒没有碰撞就可以排除两物体之间的碰撞，比直接用两物体进行计算节省了大量的时间，所以提高了碰撞检测的效率。当然检测到包围盒发生了碰撞，并不意味着物体之间一定发生了碰撞，若此时系统欲得到精度更高的检测结果，还需对物体之间的位置关系进一步计算，即进行碰撞的精确检测。采用包围盒进行碰撞检测的最大好处是可以实现快速碰撞检测，包围盒树可以按照自下而上的方式或者自上而下的方式构造，这要取决于包围盒的种类和算法的意图。大多数层次结构都采用自上而下的方式，即首先建立模型的包围盒，作为包围盒树的根节点；然后按照一定的规则将模型分成两个或者多个部分，建立每个部分的包围盒和相应的节点，将这些新节点作为根节点的子节点；依次按照第二步的方法分裂每个子节点对应的模型，递归地建立包围盒树。典型的包围盒有轴向包围盒( ? o , b b ) 、基于方向包围盒( o b b ) 和球形包围盒。对于碰撞检测的包围盒有两方面的评价标准：简单性和紧密性。简单性就是包围盒应该是简单的几何体，至少应该比被包围的几何对象简单；紧密性就是包围盒应该尽可能地贴近被包围的几何对象。u b b 包围盒法简单性好，紧密性差，当物体旋转之后需要对从b b 进行同样的旋转并更新；球形包围盒简单性好，无论几何体还是相交测试都很简单，但是紧密性太差，物体旋转之后球形包围盒不用更新，物体变形之后球形包围盒树要重新计算；o b b 4 是g o t t s c h a l k 在1 9 9 6 年实现的r a p i d 系统中首先使用的，当时该系统声称是最快的碰撞检测系统，曾一度作为评价碰撞检测算法的标准。o b b 的计算相对复杂，其关键是寻找最佳方向，并确定在该方向上包围对象的包围盒的最小尺寸，它的紧密性是最好的，可以成倍地减少参与相交测试包围盒的数目和基本几何元素的数目，在大多数情况下其总体性能要优于a a b b 和球形包围盒。1 3 系统组成机场特种车辆作业过程碰撞预警系统是车辆监控和碰撞检测的集成系统。由g i s 监2中国民航大学硕士学位论文控平台、移动终端和g p r s 通讯网络三个部分组成。g i s 监控平台是整个系统的核心，由g i s 监控平台计算机、电子地图组成。它主要完成机场特种车辆的动态监控、各种信息指令的转发及进行碰撞检测。一方面，g i s 监控平台接收移动终端上传的车辆位置信息，并且对这些位置信息进行处理后在电子地图上显示，以实现对车辆的动态监控。另一方面，g i s 监控平台响应系统碰撞检测应用程序发出的对车载设备的报警指令，并且把这些报警指令下发到相应的车载设备上来触发报警单元，实现对机场特种车辆进行碰撞预警。移动终端由g p s 接收单元、g p r s 模块、g p s 天线和报警单元等组成。移动终端通过g p r s网络和监控中心进行双向的信息传输，它接收g p s 定位信号，并将车辆的位置和状态信息传送到监控中心，同时接收监控中心的指令数据，来触发报警单元对特种车辆进行碰撞预警。系统结构组成如图1 - 1 所示。图1 - 1 系统组成图1 4 论文主要研究内容及安排本文主要对机场特种车辆作业过程的动态监控和碰撞预警进行研究，论文主要研究内容如下：( 1 ) 机场特种车辆精确定位技术研究目前通用的定位技术是采用g p s 定位，系统的单点定位精度在8 米左右，针对机场运行的特种车辆，这样的精度是远远不够的。为了得到高精度的定位结果，还需要研究差分定位技术，通过差分基准站提供偏差信息，提高定位精度。同时，为了降低无线通讯的数据量和分散差分运算计算量，采用前向差分技术，将差分运算分散到各个车载终端上，减少无线通信的数据量。( 2 ) 机场特种车辆动态监控与碰撞预警数据通信技术研究在机场特种车辆的运行作业过程中，要实现监控中心对特种车辆的动态监控以及车辆本身的碰撞预警，需要安装在特种车辆上的移动终端实时将位置数据发送回监控中心，遇到车辆的可能碰撞情况时，监控中心将报警指令发送给移动终端，触发报警单元。因此，有必要对整个系统的数据通信方式进行研究。中国民航大学硕士学位论文本系统采用无线数据通信方式。选择无线数据通信方式时，应对各种方式的可靠性、通信容量、调制方式、覆盖面积、投资使用成本和制约条件等因素进行研究。监控中心向移动终端发送的信息包括差分广播信息、报警指令信息等，移动终端向监控中心发送的信息包括车辆位置信息、车辆综合信息等。为此，需要研究这些信息的信息容量和机场的特殊需求，选择适合的无线数据通信方式。( 3 ) 机场特种车辆碰撞检测系统研究为了实现机场特种车辆与飞机之间以及特种车辆之间的碰撞预警，我们需要对作为碰撞对象的飞机和特种车辆进行建模，设计有效的碰撞检测算法，还需要g i s 平台软件的设计为整个碰撞检测提供运行环境。此外，在碰撞预警系统中考虑到飞机的不同型号，要针对不同型号的飞机建立不同的g i s 数据库，实现针对不同型号飞机停靠停机位情况下的碰撞检测。( 4 ) 机场特种车辆碰撞报警单元的设计在机场特种车辆的作业过程中，如果检测到与飞机的距离在预警距离范围内，g i s平台立即通过无线数据通信网络向移动终端发送报警指令，指令能够启动报警单元，实现碰撞预警。针对上述研究内容，本文作了如下安排：第一章介绍了课题来源及背景意义，在此基础上简要介绍了国内外同类系统的发展现状，并指出了本文所研究的系统组成。第二章介绍了机场特种车辆碰撞预警系统的硬件系统设计，包括差分g p s 定位系统和无线数据通信系统。阐述了g p s 定位系统的组成和定位原理，以及无线数据通信系统通信方式的选择。第三章阐述了组件式g i s 系统的开发。结合本文所研究系统主要介绍了基于m a p x组件的开发，此外还提到了电子地图以及地图数据库的概念和组成结构，具体分析了机场特种车辆如何在电子地图上实现动态监控，最后对系统的移动目标数据库和飞机位置数据库进行了设计。第四章对机场特种车辆的碰撞预警系统进行了碰撞检测的建模和软件设计。本章使用距离跟踪算法对机场特种车辆和飞机进行碰撞检测的软件设计，并得到了仿真实现。第五章讲述了报警单元的硬件设计。本章设计了以单片机a t 8 9 s 5 2 和语音芯片i s d 2 5 1 2 0 为核心的语音报警单元电路，实现了机场特种车辆的碰撞预警。4中国民航大学硕士学位论文第二章机场特种车辆动态监控及碰撞预警系统分析2 1 动态监控及碰撞预警系统总体构成机场特种车辆动态监控及碰撞预警的硬件系统由监控中心硬件系统和车辆上的移动端硬件系统组成。移动端硬件系统主要包括g p s 接收设备、无线数据通信终端以及报警单元等。系统实时的将车辆的位置信息发送给监控中心的g i s 监控平台，实现监控中心对车辆的动态监控。当检测到特种车辆接近飞机时，监控中心通过无线数据通信终端向移动端发送指令启动报警单元，实现机场特种车辆的碰撞预警。监控中心硬件系统主要包括g i s 服务器、g i s 监控平台、通信接口以及电子地图等。特种车辆的位置信息通过无线数据通信终端传送到监控中心以后，g i s 监控平台立即将其显示在电子地图上，完成对车辆位置的监控。当系统检测到车辆位置即将接近飞机时，立即向移动端的报警单元发送指令，对机场特种车辆进行碰撞预警。图2 - 1 和图2 - 2 分别为移动端硬件系统构成图和监控中心硬件系统构成图。图2 - 1 移动端硬件系统构成图图2 - 2 监控中心硬件系统构成图2 2 机场特种车辆动态监控系统为了加强对机场特种车辆的有效管理，提高特种车辆的工作效率，有必要对特种车辆的作业过程进行实时动态监控。对特种车辆进行动态监控的目的在于实时掌握特种车辆所处的地理位置，因此，系统需要借助对运行中的特种车辆进行定位的方式来实现。目前，通用的车辆定位方式是采用g p s 定位。中国民航大学硕士学位论文全球定位系统( g p s ) 是2 0 世纪7 0 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。g p s 全球定位系统主要包括三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分【5 j 。( 1 ) g p s 空间星座部分g p s 系统星座由2 4 颗卫星组成，其中包括三颗备用卫星。工作卫星分布在6 个轨道面内，每个轨道面内分布有4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为5 5 。，轨道平均高度为2 0 ，1 8 3 k m ，卫星运行周期为1 l 小时5 8 分。同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4 颗，最多为1 1 颗。g p s 卫星的空间配置，保证了在地球上任何地方、任何时刻均至少可以同时观测到4 颗卫星。空间部分的三颗备用卫星，将在必要时根据指令代替发生故障的卫星，从而保证g p s 空间部分正常而高效地工作。每颗卫星装有2 台铷钟和2 台铯钟( 一台工作三台备用) ，为g p s 卫星提供高精度的时间标准。g p s 卫星产生两组电码，一组称为c a 码( c o a r s e a c q u i s i t i o nc o d e l l 0 2 3 m h z ) ，一组称为p 码( p r o c is ec o d ei o l 2 3 m h z ) 。p 码频率较高不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。c a 码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。g p s 卫星的基本功能有：1 ) 接收和储存地面监控站注入的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；2 ) 卫星上的微处理机，进行必要的数据处理；3 ) 通过星载高精度原子钟提供精密的时间标准；4 ) 向用户发送导航和定位信息；5 ) 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。( 2 ) g p s 地面监控部分g p s 地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成，分布于地球的五个地点。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后传送到主控站，主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到三个注入站。注入站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星，这种注入对每颗g p s 卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。( 3 ) 用户设备部分用户设备部分h g g p s 接收机。g p s 的空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航定位的基础，而用户只有使用g p s 接收机才能实现其定位、导航的目的。g p s 接收机的主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间6中国民航大学硕士学位论文等信息。接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包构成完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源，设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测，在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为r a m 存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接收机被广泛地应用于交通、大地测量、勘探和地球物理等领域，而且接收机的体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。2 3 机场特种车辆动态监控系统定位原理本文系统对机场特种车辆的动态监控采用g p s 的定位方式。利用g p s 进行定位的基本原理是：以g p s 卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬间坐标，来确定用户接收天线所对应的位置。g p s 定位方法的实质是空间距离后方交会。因此，在一个测站上，只需要3 个独立距离观测量。但是，由于g p s 定位采用的是单程测距原理，同时卫星时钟与用户接收机时钟又难于保持严格同步，实际上观测的是测站至卫星之间的距离，由于受卫星时钟与用户接收机时钟同步差的共同影响，故又称为伪距离测量。当然卫星钟差是可以通过卫星导航电文中所提供的响应钟差参数加以修正的，而接收机的钟差一般难以预先准确测定。所以，可以将其作为一个未知参数与观测站坐标在数据处理中一并解出。因此，在一个测站上，为了实时求解4 个未知参数( 3 个点位坐标分量及1 个钟差参数) ，至少应有4个同步伪距观测量，即至少必须同步观测4 颗卫星。如图2 - 3 的g p s 定位原理图所示，假设t 时刻在地面待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机的时间a t ，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：图2 - 3g p s 定位原理图744 ，z 4 )中国民航大学硕士学位论文l ( 五一刁2 + ( m y ) 2 + ( 毛一z ) 2 三+ c ( 圪一圪) = 珥t ( 而一刁2 + ( 兕一y ) 2 + ( 之一z ) 2 了+ c ( 圪一圪) = 唬l ( 屯一x ) 2 + ( 乃一y ) 2 + ( 乃一z ) 2 i + c ( 一圪) = 以l ( - 一x ) 2 + ( 儿一少) 2 + ( 乙一z ) 2 - + c ( _ 一圪) = 以( 2 1 )( 2 2 )( 2 3 )( 2 4 )上述四个方程式中待测点坐标x 、y 、z 和k 为未知参数。其中z = c ( i = i 、2 、3 、4 ) 。4 ( i = i 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 n 接收机之间的距离，( i = 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信号到达接收机所经历的时间，c 为g p s 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 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。五、弘、毛( i = 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。形( i = i 、2 、3 、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。形为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差k 。即在定位的同时，还就地定时。所求得的钟差，是接收机钟相对g p s 时间的钟差，其精度优于3 0 n s 。2 4 机场特种车辆精确定位系统由于受到多种因素的影响，像其它类型的观测值一样，g p s 观测值也包含有系统误差和随机误差。g p s 观测值受公共误差、传播误差和接收机误差的影响，本身不具备有较高的精度。g p s 单点定位精度在8 米左右，这对于机场运行的特种车辆是远远不够的。为了得到高精度的定位结果，目前广泛采用的是差分g p s 技术p 1 。差分g p s 技术很早就被人们所应用。它实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。差分g p s 根据其系统构成的基准站个数可分为单基准差分、多基准差分、多基准的局部区域差分和广域差分。而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。无论何种差分，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的结果。8中国民航大学硕士学位论文差分g p s 定位的基本原理是：在地面选择一处位置精确已知的点作为基准站( 或称差分台) 。将一台g p s 接收机设置在此基准站，其余g p s 接收机则分别设置在需要测定其位置的载体上。设置于已知位置上的g p s 接收机跟踪视场中所有的可见卫星，以便与所有运动着的载体上的g p s 接收机能实现同步观测。根据基准点的已知精确坐标，可以求出定位结果的坐标改正数( 位置差分法) ，或距离观测值的改正数( 距离差分法) 。通过基准站和流动着的用户之间的数据链，将这些改正数实时传送给运动的用户，使得用户能对其g p s 接收机的定位结果或伪距观测值进行改正，以获得精确的定位结果。基准站发送改正数的内容不同( 比如：位置改正数，伪距改正数，相位平滑伪距改正数或相位改正数) ，其流动载体的差分定位精度也不同。本文研究的机场特种车辆作业过程碰撞预警系统所采用的是位置差分的g p s 定位方法，提高了机场特种车辆的动态定位精度。下面简要介绍位置差分原理以及定位数据格式。2 4 1 位置差分原理位置差分是一种最简单的差分方法。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( x ，y ，】，) 。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( x ，y ，z ) 不一样，存在误差。即x = z x 1y = y 一】，( 2 5 )z = z z ，上式中，赵、】，、a z 为坐标改正数，基准站利用数据链将坐标改正数发送给用户站，用户站用接收到的坐标改正数对其坐标进行改正为：xi=xi + ax 、y 七= y 七+ a 】，【( 2 6 )zj = zt + azi如果考虑数据传送时间差而引起的用户站位置的瞬间变化，则可写为：t = x 七+ a x4 - 望! 垒竺a 攀t ( f 一岛) ll = l + y + 望半( f f 。) ( 2 7 )a lt弘z k + a z + 掣a t”ulfi式中，t 为用户站时刻；t 。为基准站校正时刻。经过坐标改正后的用户坐标已消除了基准站与用户站的共同误差，如卫星星历误差、卫星钟差、大气折射误差等，提高了定位精度。9中国民航大学硕士学位论文在机场特种车辆动态监控及碰撞预警系统中，整个差分定位系统由差分站和移动终端组成。其组成框图如图2 - 4 所示。差分站设置在监控中心，用于向机场特种车辆上的移动终端广播差分定位修正信息，来提高机场特种车辆的定位精度，差分站由g p s 接收机、通信接口以及差分服务器组成；移动终端设置在机场特种车辆上，用于接收差分站广播的差分定位修正信息，再与设置在机场特种车辆上的g p s 接收机所接收到的位置信息进行差分解算，得到了高精度的位置信息回送到监控中心。移动终端由g p s 接收机、通信接口以及g p r s 模块组成，g p r s 模块用于差分信息和位置信息的传输。差分站和移动站之间的信息传输通过g p r s 网络来实现。图2 4 差分定位系统组成框图系统采用单基站的构成方式来组成差分站，在监控中心用一个g p s 接收机与差分服务器相连来为系统提供差分定位修正信息。差分服务器上装有单基站差分信息广播软件，用于向移动终端发送差分定位修正信息以及对各个移动终端进行管理。软件能够实时显现机场特种车辆的在线信息以及车辆本身的备注信息( 比如车辆司机姓名、车辆车牌号等) ，方便系统对所有的机场特种车辆进行有效管理。图2 5 为单基站差分信息管理软件运行界面。l o中国民航学i 学位镕立幽2 - 5 单基站差分信息管理软件2 4 2g p s 定位数据格式g p s 固定数据输出语句( s g p g g a ) 是一帧g p s 定位的主要数据，也是使用最广的数据。$ g p g g a 语句包括1 7 个字段：语句标识头，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球。定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分g p s 数据期限。差分参考基站标号，校验和结束标记( 用回车符和换行符 ) ，分别用1 4 个逗号进行分隔。该数据帧的结构及各字段释义如下：$ g p g g a ， ， ， ， ， ，( 7 ， ，( 9 ，m ， ，m 1 1 ) ， * x x $ g p g g a ：起始引导符及语句格式说明( 本句为g p s 定位数据) ： u t c 时间，格式为h h r m n s s s s s ： 纬度，格式为d d m mm m m ( 第一位是零也将传送) ： 纬度半球，n 或s ( 北纬或南纬) ； 经度半球，e 或w ( 东经或西经) ： g p s 状态指示，0 = 定位无效，i = 无差分定位，2 = 带差分定位： 使用卫星数量，从0 0 到1 2 ( 第一个零也将传送) ； 水平精确度，05 到9 99 ： 天线离海平面的高度，9 9 9 99 到9 9 9 99 米：m指单位米： 大地水准面高度，9 9 9 99 到9 9 9 9 9 米：m指单位米； 差分g p s 数据期限( r t c ms c 0 4 ) 。最后设立r t c m 传送的秒数量： 差分参考基站标号，从0 0 0 0 到1 0 2 3 ( 首位0 也将传送) ：中国r 航大学硕士学位论文语句结束标志符；x x 从$ 开始到 之间的所有a s c i i 码的异或校验和； 回车： 换行。本文所开发系统中的6 p s 定位数据格式对上述格式略做改变，在$ g p g g a 输出语句之前加上了两个字节的i d 号，可用来对机场特种车辆碰撞预警系统中的特种车辆进行编号，实现对不同特种车辆进行识别。实验中得到的一组数据( 十六进制) 如下：0 00 l2 44 75 04 74 74 12 c3 03 83 l3 03 23 72 e3 03 02 c3 33 93 03 62 e3 63 13 33 33 22 c4 e2 c3 l3 l3 73 23 02 e3 53 13 23 53 02 c4 52 c3 22 c3 03 72 c3 12 e3 12 c3 03 l 3 12 e3 3 3 62 c4 d2 c2 d3 52 e3 02 c4 d2 c2 c2 a3 43 5o do a译成a s c i i 码为：0 1 $ g p g 6 a ，0 8 1 0 2 7 0 0 ，3 9 0 6 6 1 3 3 2 ，n ，1 1 7 2 0 5 1 2 5 0 ，e ，2 ，0 7 ，1 1 ，0 1 1 3 6 ，m ，一5 0 ，m ，* 4 5 c r y 数据在6 i s 监控平台的定位结果如图2 - 6 所示。图2 _ 6 特种车辆动态定位图2 5 机场特种车辆数据通信系统机场特种车辆动态监控及碰撞预警系统中，仅实现了对机场特种车辆的精确定位还是远远不能够满足的。还需要依靠数据通信系统将特种车辆的位置信息以及报警指令在系统中顺利传输，才能实现系统的预定功能。在机场特种车辆动态监控及碰撞预警系统中，通信数据的传输过程为；设置在基准站的差分g p s 接收机接收到卫星的定位信息后，不间断的解算出差分数据传输到用来广播差分数据的计算机，连接着网络的计算机通过无线数据通信系统将差分数据发送给各中国民航大学硕士学位论文个机场特种车辆上的移动终端。移动终端然后将接收到差分数据和自身g p s 接收机收到的卫星定位数据进行差分修正，得到了高精度的定位结果。最后移动终端将所得到的高精度定位数据再通过无线数据通信系统回传到监控中心的g i s 监控平台，这样就可以实现对机场特种车辆的监控。此外，g i s 监控平台在对机场特种车辆监控的过程中，碰撞检测软件如果检测到特种车辆的位置接近飞机或者其它的特种车辆时，立即通过无线数据通信系统向移动终端发送报警指令，触发移动终端的报警单元，完成机场特种车辆的碰撞预警。图2 - 7 为机场特种车辆碰撞预警无线数据通信系统的数据流向图。i 二兰兰竺竺兰竺r - 1 兰竺竺兰竺li-一i-一矧 一报警指卜二电子地图图2 - 7 无线数据通信系统数据流向图2 5 1 机场特种车辆数据通信方式的选择g p s 技术解决了移动目标机场特种车辆的定位问题，要实现对机场特种车辆的监控必须通过无线数据通信系统将位置数据发回到监控中心的g i s 监控平台。因此，无线数据通信方式的选择显得尤为重要。通常采用的通信方式包括专用通信网络( 如常规电台通信和集群通信，简称专网) 和公网通信网络( 如g s m 短消息和g p r s 数据服务，c d m a三种方式) ，实现数据从移动终端到监控中心的无线传输。无线数据通信系统作为基准站、监控中心与各个移动目标进行信息交换的枢纽，是整个机场特种车辆碰撞预警系统的重要组成部分。合理选择并很好应用无线数据通信系统成为了一个关键。选择通信方式的标准是：1 ) 该通信方式是否能够满足实时可靠性、通信容量以及调制方式的要求；2 ) 取决于该通信方式覆盖面积、有效范围；3 ) 该通信设备的投资成本和使用成本。综合以上因素，g p r s 通信网络具有覆盖面积广、通信容量大、可靠性强、无投资成本等优点，此外，考虑到机场所要求的特有通信环境，本文设计的机场特种车辆碰撞预警系统选择g p r s 通信方式。中国民航大学硕士学位论文2 5 2g p r s 网络的优势g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是一种新的分组数据承载业务。它是作为第二代移动通信技术的g s m 网络向第三代过渡的技术，是一种基于g s m 的移动分组数据业务。有人认为g p r s 是一种崭新的网络，甚至称它会完全取代目前g s m 网络支持的s m s ( 短消息) ，这是一种误解，g p r s 仅是对g s m 网络的升级。g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用【9 ji l o j 。g p r s 数据传输具有透明性。透明数据传输是指在g p r s 模块完成与g p r s 网络的附着，并与上位机建立数据传输连接后，在上位机与模块间有持久的数据传输通路。即依据t c p i p 协议将数据直通地传向上位机，帧的封装和校验完全由协议自动完成。在上位机和终端看来，模块发出的数据会原封不动地被上位机收到，这一过程是完全透明的。这也可以被理解为常说的“永远在线 ，更通俗地讲，g p r s 网络中的终端随时与网络保持联系。g p r s 网络具有较高的数据传输速率。g p r s 理论数据传输速率为1 7 1 2 k b p s ，巨大的的吞吐量改变了以往单一面向文本的无线数据应用，使得包括图片、话音和视频在内的多媒体业务成为现实。虽然实际速率典型值远远低于理论值，但由于本质机理上的革新使g p r s 数据传输速率远高于s m s 。此外，g p r s 用户只有在发出请求时才真正占有无线资源来收发数据，计费按真实的传输比特数，而不是在线时间。这优于传统的s m s ，降低了车载g p s 系统的运行费用。2 5 3t c p i p 体系结构及传输层协议t c p i p 体系已经发展成为计算机之间最常应用的组网形式，它是一个真正的开放系统。t c p i p 协议不是单个协议而是一组协议，它们用分层的方式开发，以协作方式完成在具体物理介质上的通信功能。t c p i p 协议体系得到了广泛的认可成为事实上的网络协议体系标准。( 一) t c p i p 体系结构网络协议通常分为不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。t c p i p 协议采用了4 层的层级结构，每一层负责不同的功能。图2 - 8 为t c p i p 的参考模型图。图2 - 8t c p i p 参考模型1 4中国民航大学硕士学位论文网络接口层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的接口卡，它们一起处理与电缆或其他任何传输媒介的物理接口细节。该层包含的协议主要有地址解析协议( a r p ) 和反向地址解析协议( r a r p ) ；互联网层主要负责解决路由跨网络传送等问题，把i p 报文从源端传送到目的端。该层协议采用非连接传输方式，不保证i p 报文顺序到达。互联网层是由网际协议( i p ) 、i n t e r n e t 控制报文协议( i c m p ) 以及i n t e r n e t 组管理协议( i g 即) 等组成；传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议体系中有两个互不相同的传输协议t c p 和u d p 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信，它保证源端发送的字节流毫无差错地按顺序到达目的端。u d p 则为应用层提供一种非常简单的服务，它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但不保证该数据报能到达另一端，任何必需的可靠性必须由应用层来提供；应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的t c p i p 实现都会提供下面这些通用的应用程序：远程连接服务的标准协议t e l n e t 、文件传输协议( f t p ) 、简单邮件传输协议( s m t p ) 和简单网络管理协议( s n m p ) 。( 二) 传输层协议( 1 ) u d p 协议u d p 协议提供的是一种不可靠的、无连接的数据报传输服务。u d p 提供协议端口，可以为一台机器上的多个应用程序提供数据传输的多路复用，同时也提供用户数据报端到端的数据验证。u d p 利用i p 协议来传送报文，它既不对所传送的报文实行端到端的确认，也不保证报文按序到达，同时也没有提供流量控制等手段来控制两站点间数据传输的流量。不管怎样，u d p 仍然具有相当广泛而且相当灵活的应用。实际上现代通信网络具有很高的可靠性，u d p 为此提供了尽可能的最小控制开销。有时为了可靠地传递少量的数据而浪费大量的控制信息是很不值得的。即使由于某种原因通信质量下降也能够由程序控制重传，或者切换到另一个可能的服务器上。此夕b u d p 还具有实时传递数据的特性。正因为如此