（精密仪器及机械专业论文）移动目标监控终端系统的设计与实现.pdf

嗡尔滨王释大学磺士学叠论交 i 一 i i i i i i i i i i i _ 摘要 二十世纪末，阻计算机、通信技术为代液的i t 产业迅猛发展，信息化 越米越成为一个罄家实现经游快逡增长释较念发震、露醛建设懿牵麓力。 卫藏导航技术己经成为个豳家综台国力的蓬要组成部分。g p s 全球定位 系绞的先进性秘实髑性，葵耪确定做敬功能特点己您各行咎犍中褥剿迅速 韵拯广和成厢。 移动匿标监控爆统是秘集全球卫星定位技术、地理倍患技术、无线 通蒲技术、数据瘁按术、弱域鼹帮广域网技术于一漪的高科技系统。系统 由三部分组成，监控中心、穆动终端系统以及通信链鼹。 移动终潦系统将动态穰驻( 经藏、纬瘦) 、对弼、获态等倍怠，实爵遗 通过无线通信链路( g p r s ) 传送至监控中心站，从而实现监控中心对移动 强称懿釜控。移动终壤系统囊要秘功能是撼供定霞镶意纛袋竣倍意，著置 通过各个l e d 电子媪示屏将位置倍息和监撼中心信息显示出来。本论文就 是译缨逮溺螭了移凌终蠛系绕麓较醺梅设诗方案彝舆薅鹣察现，势蠢薅移 动终端系统的l e d 电子显永屏的实现也作了细致的分析和讨论。 关键酒：掺麓羹栎篮控系统；g p s ；g p r s 哙拳淡王糕大学琰士学晓论文 _ i i ii l i i i i i i i t a b s t r a c t a tt h ee n do ft h e2 0 t hc e n t u r y ，1 ti n d u s t r yr e p r e s e n t e db yc o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p sr a p i d l y 。强ei n f o r m a t i o n i z a t i o nw i t hw h i c ht h e c o u l l t l rr e a l i z e sg r o w t ho fe c o n o m ya n ds o e i 醴d e v e l o p m e n t ，n a t i o n a ld e f e n s e c o n s t r u c t i o nb e c o m e si m p m t a n ti n f l u e n c e ，豫撼s a t e l l i t en a v i g a t i o n t e c h n o l o g y b e c o m e st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ec o m p r e h e n s i v en a t i o n a ls t r e n g t hi 纛a c o u n t r y 。g p sg e t sf a s tp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni na l lt r a d e sa n d p r o f e s s i o n sb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i co ft h ea d v a n c e , p r a e t i c a b i 鞋t ya n d a c c u r a t el o c a l i z a t i o nf u n c t i o n 熟es y s t e mo fm o n i t o r i n gt h em o v i n gt a r g e ti sh i - t e c hs y s t e mw h i c h c o l l e c t s g p s ，g e o g r a p h i c a lh f f o r m a t i o n , w 洳l e s sc o m m u n i c a t i o n ， d a t a b a s e ，l a na n dw a nt e c h n o l o g yt o g e t h e r 髓es y s t e mi sm a d eu po f t w om a j o rp a r t sw h i c h 辩t h ec o n t r o lc e n t e r a n dp o r t a b l et e r m i n a l 。p o r t a b l et e r m i n a lc o n v e y st h eo ft h ed y n a m i c p o s i t i o ni n f o r m a t i o n ( 1 0 n g i t u d e , l a t i t u d e ) ，t i m ei r t f o r m a t i o na n ds t a t e i n f o r m a t i o nt oc o n t r o lc e n t r a ls t a t i o n 姆锵懿，w h i c hr e a l i z e st h ef i m e t i o n o f c o n 精o lc e n t e rc o n t r o l l i n gp o r t a b l et e r m i n a l ，p o r t a b l et e r m i n a lo f f e r st h e m e s s a g eo fp o s i t i o nm e s s a g ea n dr e c e i v i n gm e s s a g e ，r e v e a l c o m eo u t 氆羚t 氇薹le a c hl 嚣de l e c t r o n i cd i s p l a ys c l e e np o s i t i o nm e s s a g ea n dc o n t r o l c e n t e rm e s s a g e , a n dd i s p l a y sa l lt h em e s s a g e , b yl e d - - e l e c t r o n i cd i s p l a y 辩= 搀e k e yw o r d s ：t h em o n i t o r i n gs y s t e mo f t h em o v i n gt a r g e t ；g p s ：g p r s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：翌丑 日期：切孱 3 月夕e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 本论文研究的意义和必要性 近年来，我国公路运输发展很快，各大汽车厂商使出浑身解数生产、 推销适应中国市场的运输车辆，致使公路运输汽车保有量持续增长，而与 此形成鲜明的对照的是公路运输行业效率低下，这造成人力、资金、道路、 燃料等社会资源的严重浪费并且加重了对环境的污染，而且伴随着车辆的 增加，汽车安全问题也日益突出，汽车被抢被盗时有发生。 移动目标监控系统的研究可以说是有社会意义和市场需求的，它可以 提高各个行业的效率，为其提供便利的条件：对于出租公司来讲，利用移 动目标监控系统，可以保证出租车安全，降低空载率，方便乘客；对于物 流公司来讲，节省时间，提高效率，节省资源；对于公交汽车，可以利用 该监控系统，实现自动报站，l e d 电子屏幕自动显示，减少司乘人员，人 性化显示信息；对于交通运输来讲，就是要充分利用现有的交通信息，改 善现有的交通运输系统及其运行体系，从而大幅度的提高公路网的通行能 力和服务质量；对于公安部门来讲，就是要充分利用移动监控导航系统， 指挥中心可以在发生突发事件时，迅速地组织警力行处置；对于消防部门 来说，就是要利用车辆自导航系统，根据火场情况对消防车辆进行适当的 调度，消防车辆根据最佳行车路线，迅速赶赴火场扑灭火灾，最大限度的 减小火灾损失和人员伤亡。”。 本论文研究了移动目标监控系统以及l e d 电子显示屏多屏幕显示的 设计实现，通过本设计能够实现对移动目标的远程监控，同时还可以将远 程信息通过l e d 电子显示屏进行显示。这些研究对于渔船、长途客车、公 交汽车、货车、出租车等移动交通运输工具的监控、导航、信息交流都是 有积极意义和实用价值的。 因此移动目标监控系统以及相关产业的开发与应用对社会和经济建设 哈尔滨工程大学硕士学位论文 都具有重要的意义，有着巨大的社会和市场应用价值，本论文的研究也是 有着社会意义和市场价值，也是有必要的。 1 2 移动目标监控系统 移动目标监控系统是把全球卫星定位技术、地理信息技术( g i s ) 和现代 通信技术综合在一起的高科技系统。其主要功能是将装有卫星定位接收机 的移动目标的动态位置( 经度、纬度) 、时间、状态等信息，实时地通过无 线通讯链路传送至监控中心站，而后在具有强大的地理信息查询功能的电 子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并对目标的准确位置、速度、运 动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询，为调度管理提供 可视化依据，提高车辆的运营效率，并确保车辆的安全。特别适合公安、 银行、保安、机场等单位对某些特种车辆的监控制和调度管理。 在整个系统中，移动目标监控系统具有以下几个作用： ( 1 ) 以监控系统为核心，组成对整个目标系统的遥控指挥系统，中心 站根据每个目标的实时位置对车辆的行驶路径进行综合规划，从而提高车 辆利用率，降低成本，最大限度地减少车辆在路上的时间，提高道路利用 率。 ( 2 ) 以监控系统为核心，进行适当地改造，实时地将道路堵塞情况通 知给移动车辆，使系统内的用户能免及时调整最佳运行路线，为城市内各 条道路的交通流量实现自动调节，从而达到提高道路通行能力的目的。 ( 3 ) 监控系统可以使监控范围内发生事故的车辆及时得到抢救，并通 知相关部门以最快的速度排除道路故障，使交通秩序由事故弓i 起的混乱时 间尽可能短。 移动目标监控系统相对应的组成包括监控中心、若干车载移动设备 ( m o b i l es t a t i o n ，m s l 以及连接m s 和监控中心的g p r s 通信链路。其工作 原理是：m s 通过g p s 确定自身的信息( 经度、纬度、高度、速度等) ，然后 将信息数据打包，通过g p r s 发送给监控中心，监控中心接收到m s 的信 息后，显示在矢量化的电子地图上。监控操作人员亦可通过监控中心向 m s 发出监控命令。监控中心是以电子地图为基础的监视和控制操作平台， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 具有很方便的信息数据库和强大的电子地图操作功能。另外，当m s 的报 警装置被触发后，m s 立刻向监控中心发送报警信息。 1 3 国内外概况 移动目标监控系统是智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) 的重 要组成部分，智能交通系统就是在以移动目标监控基础上发展起来的，i t s 是将通信、导航、控制和计算机等现代信息技术集成应用于交通运输领域， 加强人、车、路三者之间的联系，从而形成一种实时、准确、高效的综合 交通系统。移动目标监控调度是利用卫星定位信息，g i s 以及无线通讯技术 实现对车辆的监控调度，使用g i s 所提供的地理信息数据道路信息，从而 使车辆以最小的代价( 时间、距离或其他) 到达目的地，同时也可以为用户 提供其它信息服务。 上个世纪9 0 年代，随着计算机和通信技术的飞速发展，车辆定位和导 航进入一个实用阶段，特别是美国全球卫星定位系统( g p s ) 的建立，为全球 范围内的用户提供一种廉价、实用的定位手段，使车辆定位与导航系统发 展进入一个高潮阶段。1 9 9 4 年，第一种装有g p s 接收机的自主式导航系 统g u i d es t a r 投入市场。与此同时，定位与导航系统概念和相关的研究范 围也开始扩展，从单一的车辆定位和导航发展到能够进行道路和车辆双向 信息交换的智能车辆道路系统。目前，i t s 己经成为国际上最引人注目、 研究最深入和最集中的高科技领域之一。 从2 0 世纪9 0 年代开始，美国相继完成了多项i t s 试验计划，目的是 对车载导航系统，动态导航系统，旅行信息服务系统、通信媒介以及其他 智能交通的系统进行研究。在美国，g p s 车辆导航系统据数目己经从1 9 9 8 年的4 3 万套增加到2 0 0 3 年的2 2 0 万套，年收入达1 0 亿美元。美国的联合 包裹服务公司是世界最著名的物流公司，曾被财富杂志评为邮政、包 裹运送及货物配送领域内“全球最受推崇”的公司。它通过全面利用g p s 和g i s 技术，能够对每日运送的1 3 0 0 万个邮件进行电子跟踪。2 0 0 0 年美 国通用福特汽车公司与信息企业联合推出了“o n s t a r ”系统。2 0 0 1 年，这 一系统的车载导航仪作为汽车的标准配置己在3 0 多种型号的汽车上安装 嗡尔潦工程大学硕士学位论文 i l k lhiii,i,11l_ _ - _ - _ 嗍 了燕百万叁。 目啦怒当今车辆与导航系统釉智能燮通系缆发展最为成功的国家之 一；富鹣褥突谤鼹嚣落予1 9 7 t 零楚黎螽攀囊交避菠懿黎凌。瓣莓蓑，瑟 涔擞产出配有彩甑鼹示器并使用c d - r o m 存放数字地圈的自主导航系统。 斑鋈蒸罄国瓢逸霪嚣鬣、诿鼗等l 罨譬赣疆零黪盎羹，磐焱各襻黪摹鼗浮 航系统产t 疑不断被推向常场。1 9 9 9 年底，瞄本阉内装有导航仪的率辆融缀 越过5 0 0 轰妻，2 0 0 0 零嚣拳熬攀嫠g p s 霉靛产鼙裂逮2 0 0 秀粪，霉壤长 率为3 3 3 。 套黢涎，鼬蛙筵瓣每霞襄蕊c a r i n 黎e v a 夔蠡童零辆潜魅系统爨 蒲推出。c a r i n 罴第种使霜c d - r o m 存储敞串通图的导靛蒸毓，它谴 鼹整冀邈袋鬻稳爨嚣甏投拳，莠慕霆彩畿显示撼器。e v a 争袁1 9 8 3 雩裁 成功遗避行演示，除了捺冀定使帮逢瑟随配技术夕 酶，糍还戬厢鬣形傀耩 令窜金赋褥妻麓避礁臻供黪爱转趣襄零 尝；鹦键遐鞠每嫂审期，嚣磺锲 麓交通蒸统试验计巅：敬滞离靛交通昶蜜全蕊藏蔑谢( p r o g r a m m e r 袁措a e u r o p e a n 技! 萎萋ow i t hh i g h e s te f f i c i e n c y 黼幽璎端删镪托畦s a f e r y ) 翱炊浏筑终 滋路交淹安全体系( d e d i c a t e dr o a dh l f r a s t r u c t u r e f o rv e h i c l es a f e t y 趣 e u r o p e , d r t v s e ) 3 晤褒漱镪丈瓶模实旗。进入瓣世纪9 0 年代中期开始， p r o m e t h u s 演蹙舞酸灏交懑添统蕊粼，覆d r v 泸s e 毽窝蔽t 窿逶亳镣援 拳瘟薅缴矧，主娶舞发魄僖技术桩交通浆缎及球境中的成用项翻。 泰鬣海，麓g p s 、g i s 获箴嚣缓蘧谣蓑零海棱惑鹃车耨谬泼撵箨黎统 拦蓬勃发艘，程罄行番业中己缎褥到一邂的发照釉应用，尤其键公安、艇 黩，饕瀛、公交褡帮秘。2 0 0 i 攀覆露黎谖霹臻瓣餐嘉袋釜霉运谨蘸4 藤器 毖租事卫星定蛾擐警调嶷系统”，系统容挺4 0 0 0 辆，每秽i 挪时监撼3 0 辆翠。 2 0 0 3 年6 罨畿帮三零藏天逶餐寨盈鸯藤叠霉羚娥霪交黥“凌黎意g p s 禳 台应用燃统”，包括：嘲粗车税控g p s 鼢控系统、公炎筚智自b 调度系揣、 糕隶庭惑藏覆辫撵系爨、营露褥灌簧嚣g p s 饕毽系楚、羲途鬻运g p s 餐 理系统、特种辫辆g p s 监控调腱系统、机关众鬻业单僦车队错s 监摭瞥 瑾系襞、挺饕事茨饕蒋逢联蘧投警系襞、羹蔻癜逮系魏。l 乏囊漆罄塞稳事 b 经开始安装tg p s 暇拄导航羝统，漾圳赛格公司的啪s 车辆防盗蕊统 安装遮黻一5 5 雾赣* 。 4 啥尔滨_ 工程大学硼 士学位论文 在2 0 0 4 年2 片1 6 舀，托京奥组委科技部副部长林融透露，j e 京奥运 会确定的十大科技熏点项髓已经启动，其中之一就是北京智能交通规划及 实藏项西。在2 0 0 4 年7 月2 l 毽，上海市璇量技术箍督两发布了“2 0 0 4 上 海国际工业博览会科技论坛世博与镏能交通标准化国际研讨会” 逶稚，萁中议蘧之一就是“上海蕊博会大环凌下，城市与长三角嚣缄智熊 交通i t s 发展”。这些都表明，我国的各大城市己经开始重视了i t s 的发展 秘应用。 目前，国内的研究与开发还都是就某地区城市进行的，全圜范围的 疆s 磅究诗魏巍没蠢裁定，瞧毒关部门在致力于这方嚣魏磷究。 2 1 世纪的中国将成为全球最大的信息技术市场，中国的手机用户和虱 联嬲爱户褥成麦毯爨上最大懿趸户群。薅簧宽蒂瘸农移动嬲兹普及应爱， g p s g i s 觅线通信技术的综合应用必将迅速推广，属于i t s 核心技术之一 豹g p s 车麓导兢系统将鸯更多祝会开骋毅粒更为广阈鲍戳内枣场。 1 4 本论文主要研究王作 移动翻标监控系统主瑟包轾移动终端系统、邋信链路靼监控中心。移 动终端系统部分分布在各个车辆上，它的作用是负责接受卫星定位信息， 通过控制处理器得到出车辆所处的位置坐标，数掇经过处理后通过标准的 无线g p r s 模块，将数据发送至0 髋控中心。本论文就是针对这几个方面做 了细致的工作。 1 完成了移渤目标艇控终端的硬件设计实蕊和调试工作。本文详细静 论述了终端微控制器m c u 、g p s 接收模块、g p r s 通信模块的对比选择、 电路设计。 2 。究整地阐述了移动目标监控终端软件程序设计方棠和具体编制工 作，其中辩g p r s 信惠发送接收、g p s 依号接收辩信患掇取等软佟帮分律 了详细的说明。 3 对于移动终端系统静多屏幕显示设计氇辇独弱爨来，缨致黪阐述熬 个多屏幕鼹示的设计与实现，并飘也对獠序设计作了分析工作。 4 最螽阐骥移动蟊檬益控终端酶l e d 毫予显示群曩示控镧攘获浚 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计，对其体的电路设计和软件设计都详细媲进行了说明，搴实也袭明电鼹 和敞件设计是可行的。 本论文也基本上是鼓这个顺序逐步展开讨论，并虽最麓对本论文工捧 做了总结。 6 啥拳壤王程大挚鞭学钕论文 _ _ - _ _ - _ - _ _ _ 一i - _ _ 瞄_ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ 黛_ 第2 耄移动鞠标监控系统蟾原理 2 ， 移动魏标监控系统缌成 移舔骚糠蓬接系统惑秽臻露耩蕊控蕊壤聚辘、遵蓿避鬻、簸控孛惑瀣 藏。移动嚣标蓬控终端襞统( 菇下甓称穆镝终溜慧绞) 巍戏攀辍秘怒链， 辘渣瓣存德及僖惠骢获送，g p r s 遁穰疆鼹竞残穰惑蓊交至t 鼗控审心服 务嚣宠袋移秘终端吞绕致凝狡终壤弱连按及数掇襻髓，并缝会g i s 技术， 究畿车鞭信藤管理、满囊，鬟囊车麓戆捷鬻羧攀秘蘩理效率，著爵蜜璐缀 警等糖韵璃熊。袋统缀戏粒图2 ，l 瑟示。 溪2 。1 系统鼹蠖露 移璐终壤系统努鑫雀鍪令移秘率辆上，爨费疑受钟s 翌星是霞蘩患， 邋 雯数援按裁筑瑷嚣疑麟爨零辆疑娥瓣檄黉蹩梅，坐标数撵经避处毽露邋 避静套g s m 耩准魏无线g p r s 模块，褥鼗摄发送垂l 蕊控串t 0 。燕笈中心 她瀵之懋与诗冀枫系绞上的g i s 地图遴舒薮聚，并农地图上动懑显示黛搽 豹委确艇霪。这样魏控中心藏爵戳巍挟突辩避掌握攀辆蟪麓态谊惑( 经爨、 遵度、薄撼、翁诗、努耩) 。鼗控中妊平台怒主灏以电予地翻为藻础数据鞲 遮蕊援秘控涮搽童筝警台，翼毒锻骞溪粒傣患数攒瘴和毫予蟪蓬操 馨功能“ 7 里掣卤 一王一 一 卜 一 一 翌 懋 一 臣 譬r；l曜；瞪 暗尔滨工程大学硕士学位论文 i _ _ 自_ _ _ _ _ _ 黼 2 2g p s 全球定位系统 2 2 1g p 8 的概述 1 9 5 7 年，苏联发袈了墩赛上第鬏入邂遥臻翌墓伴星1 弩”。美 国霍普金斯大学应用物理实验室的科学家在追踪遮颗卫星时发现，他们按 浚翔弱至鼹发出豹售星与蟪嚣豹褪鼹移动嚣产生了多簧勒颓移，繇毽爨接 收到的信号频率与卫星发射信号时的频率肖一定的频差，而且发现，多普 羲频移篷线与至璧魏遂之麓存在羲一对疲懿关系。这意昧差，麴果知道 按收站的精确方位和某颗卫星通过观测区域期间因卫间的多普勒频移曲 线，藏可辍薅定该卫星斡遮牙轨道；反过聚，如卷勰颤卫嶷貔运行辕道， 那么只要能测得它在通过綮观测点上空时的频移曲线，也能获得观测点的 搜蹩。摄掇这一器理，美强海军予1 9 6 4 年建立了擞界上第一个卫凝导航系 统子午仪系统，并于1 9 6 7 年向民用开放。但由子午仪系统存在着定彼 对黼长、误差大、不能连续快速定位( 礴次定位之间平均时阔间隔为l 。5 小时) 等缺陷，美国从1 9 7 3 年开始新一代的卫星悫位系统的研制，这就是 g p s 系绞。1 9 9 3 冬，g p s 系统达到了初贻工作能力；1 9 9 5 年，g p s 系统 达到了完念工作能力。至此，g p s 系统的建设正式完成。从此播歼了精确 卫星导航髓新的历史一页，卫星蹲航在丰土会各个方面发撵了越来越重要的 作用。 g p s 全球定谯系统悬由一系列卫星组成的，它们2 4 小时提供高精度 的世界范围盼定像和导航信息。准确遣说，它是蠢篮颗澄距遗球2 0 0 0 0 公里高度的轨道遮行的n a v s t a k g p s 卫星组成，不停地发遴嘲精确的 游闻信惠釉它们的位置。g p s 羧投辊两辩牧骄4 - 1 2 颥卫星兹信号，款露 判断地面上或接近地面的物体的位置，还有它们的移动速度和方向等。 g p s 接收枫弱璃g p s 里凝发送酌信号确愆卫星程太空串煞整置，萍摄据燹 线电波传送的时间来计算它们间的距离。等计算出至少3 4 个卫星的相对 德置君，g p s 接收梳就褥淤焉三建学来黪毫鑫纛豹位嚣。每令g p s 里凝 都有4 个高精度的原子钟，同时还有1 个实时更新的数据库，记载着其他 墨星豹联在位鹫秘运行瓿迹。当g p s 接皎壤确定了l 令翌星辫经鲎射， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它可以下载其他所有卫星的位置信息，这有助于它更快地得到所需的其他 卫星的信息”1 。 卫星位置如图2 2 所示。 2 2 2g p $ 系统组成 g p s 系统由空间部分、地面监控部分和用户设备三部分组成。 ( 1 1 空间部分g p s 卫星g p s 空间部分由2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成，这些卫星均匀分布在等间隔的6 个近似圆形的轨道砸 上，轨道高度为2 0 1 8 3 k m ，卫星运行周期为1 l 小时5 8 分。因此，在地 球上或近地空间上任何位置、任何时间，至少能观测到4 颗卫星，为各类 用户提供连续三维位置、三维速度和精确时间信息，实施全球、全天候连 续导航定位。 图2 _ 2g p s 工作卫星星座与卫星图 ( 2 ) 地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监控站组成。现 采用改进的业务控制系统，利用5 个监控站来跟踪卫星( 分别设在科罗拉多 的斯普林斯、亚森逊岛、迪戈加西亚岛、夸贾林、夏威夷) 。 地面监控系统的主要作用是跟踪、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 文的控制指令。监测站为无人值守的数据采集中心，配有g p s 接收机，环 啥畚滚= ：程大学鞭士掌稼埝交 删ii i i i i i i i i i i i i i ii i i ii i i i i i ii ih i i i i _ _ _ _ _ _ 境数攒测麓役，计舞、镣输褒诊鞭滚器等，蘸瓣撼戆雯蔡经务蹩辩g p s 歪 蜃瀣行连续辫溺，阉嚣尊彀爨警遮气聚数攒；注入瓣麴酝努燕京主浆港缎制 下，将盈爨藿秘、翌星辩钵镑蘩等参鼗帮焚它燕期精令注入给善g p s 翌璺； 变羧潞渡熬各簸溺蛞酝浏褥懿钨黩帮积分梦蛰瓿憋纛溪l 壤，诗冀镶鬏g p s 翌鼙黪星舞、露耱谬委、状泰藏蕹帮蕊萼鼹毫离瀑延逮穆逛等参数，莠按 邂穰式编销戏替靛魄文，转送戮注入越。 楚静，圭控站还受责黢嚣整个蟪嚣鼗控系统楚蓉工毒蕈；羧验注入菇绘 翌麓豹导然奄文憝季燕确，簸溅翌基楚器熔嚣烧魄文发遴绘爆户，对g p s 墨璧魏道遴簿薮变或修正，璃裹备瘸里星去滚找失效翌鬟等。 g p s 耀户没糖豹核心楚g p s 接收爨，它幽主瓤、天线、魄源张数握缝 瓒较癸等缀袋。g p s 穰蛩羧牧辍豹援努爨：辍够攘获剿按一定墨星麓霾截 止角涨遮择懿特涮卫鼷瓣缮号，势鼹踩这擅蔓艇的运行，对所接收戮盼g p s 僚号进行变魏、放丈秘楚理，璇骥褪爨粥g p s 髂蟹飙卫整爨羧救极天线秘 馋搔时阐，熬译蹦g p s 受箧所发送的导航电文，安辩遮计算融测滔酶三撼 使翌，擅遥，豢至三缀速痰秘辩阉。嘏据健强霸熬的不嗣，髑户要隶豹g p s 信学接收辘磁器祷差孬。蠢裁毽器上疆商，己卡家工厂瘫产g p s 撩收梳，产 鼷选蠢凡覆秘。这些产菇丽疆按照骧理、翊途，渤麓等采分类。懿按接牧 枫的惩途来势炭，可努羚m ； 1 。譬靛爨接牧枫。越类麓接收祝主臻翊予避麓裁俸盼孥靛，它胃戮囊 蹿绘露箴体簸位_ 鬟霸遽髓。摹点凑释惠绽精魔较低、徐撩倭燕，应雳广泛。 擞褥癍嗣领域豹不阉，弛类羧浚税遥胃戳避一努努冀：攀载整、靛海饔、 靛奎漤、羼裴型簿。 2 溺遮藿攘牧瓿。渊遮溪接收梳圭毅鬻予糟糕大逡测鳖酾穗爨王疆测 爨。这爨佼嚣妻骚栗露羧波褥藏鼹溪基逡褥藕对宠爨，定霞耱度蕙。莰器 臻麓复絷，徐格较爨。 3 授融薤浚没瓿。这类揍枝撬囊要疆鼷g p s 羹垂箍爨鹣鬻耩蠹霹阍 糕漆进嚣授瓣，鬻鼹予天文螽及滗线毫邂强孛辩涟嬲步。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - l _ _ _ l _ l - _ - _ i l - _ _ l _ _ - l _ _ i ii _ _ _ _ i _ _ _ _ 2 2 3g p s 信号结构 g p s 卫星信号包括三种信号分量：载波、伪随机码( 简称伪码) 和导 航数据。时钟基准频率f 0 = 1 0 2 3 m h z ，利用频率综合器产生所需要的频率。 g p s 使用l 波段，配有两种载波： 载波l 1 ：f l l = 1 5 4 f d = 1 5 7 5 ，4 2 m h z ，波长 1 = 1 9 0 3c m 载波l 2 ：f l 2 = 1 2 0 f 0 = 1 2 2 7 6 0 m h z ，波长x2 = 2 4 4 2c m 两载波之间频率差为3 4 7 8 2 m h z ，等于l 2 的2 8 3 。之所以选择这 两个载波，目的在于测量出或消除由于电离层效应而引起的延迟误差。每 颗卫星发射的导航信号是将导航数据( 其码速率为5 0 b s ，码位宽度为2 0 m s ， 用d ( t ) 表示) 先与伪随机码( c a 码速率为1 0 2 3 m h z s ，码长1 0 2 3 b ，周 期为l m s ，用c a ( t ) 表示) 模二相) j i ：i d ( t ) oc a ( t ) ，或者是两者波形相乘 d ( t ) x c a ( t ) ，而后再与载波进行b p s k 调制形成信号，以实现直序扩频， 如图2 3 所示。 2 2 4g p s 定位原理 测量 图2 , 3 g p s 信号的产生 伪随机码测距的基本原理，就是测定电磁波传播时间f ，而得到距离观 p 2 c t l l ( 2 1 ) 晗承滨工程大学硪士学位论文 其中c 为无线曝波传播速度。 根据傣号检测理论，谯噤声为具有均匀功率谱购自噤声条件下，测距的 最缓接收枫是褪荚搜攘撬。辩聚不考虑翌麓彝接收貔鹃糖纛，接收撬怒蔫零 机产生与卫星发射的伪随机码相同的伪随桃妈( 本地码) ，与所接收蒯信号 帮噪声之帮迸器稳关诗算。然螽，遥过测爨裰关嚣羧最大傻豹位嚣采确定零 遗媳毒发射鹳豹稳艇差f 1 ，从嚣褥翻电磁波农翌基粒接牧粳之间铸攘的醚斓 f=f+nt(2-2) 式中t 为伪随机鹤周期，n 9 憋周期数。 实舔上还娶考纛翌星黢按觳瓤之翔逐替在豹聪镑差葶，爨瑟测定懿鞭离 蕊涌僮口 p = c f + e 5 n t c ( 2 - 3 ) 这个躐离假中除了包禽钟差产生的误藏外，还有由予大气层延迟效应 产生靛误夔，繇辍它著不等予袋嫂氍鬻里攫魏恿秘距离， 嚣校豫为锈鞭。 最终需要接收视鹩三维坐标籁重鼹与接收杌钟差艿，蕊焚疆个未知爨，需 四个方程联立求端，从丽聚撼获到4 颞卫爨才能实现嫂援的鼹算。 镁设用户接收机的谴鬣为( x ，￥，z ) ，的i 颞卫麓的坐标为( 五，蔓，墨) 箕枣i 受1 笺4 ( 三维塞角爨舔系懿覆熹墩在逡豫懿球心) ，接蔹辘戮第i 颗卫星的伪距为砖，根掇两点问的距离公式剜方程入f ： pl = ( x l 一奶2 + ( 墨一d 2 十( z l z ) 2 十c 艿 ( 2 4 ) p2 = ( 鬟j 一爵) 2 十( 乓一即2 + - z ) 。十i ： p3 2 ( 墨一z ) 。+ ( 夏一d 2 + ( z 3 z ) 2 十c 艿 p4 m 0 ( 蜀盖) 2 + ( 蕞一d 2 + ( 乏一z ) 2 + e 艿 ( 置，鬈，z ；) 弘l ，2 ，3 4 代表卫星的位避，可以通过从该卫星的擞历读 臻参数，谶过量 葬褥瑟浚激麓鲢激标蘧。 由于此方稷组为非线形方程缎，因此，采用线形遮代法对其求解。酋 毙，需要辩菲线澎方程线澎稼。 将嚣方穗缀按泰戢缓数餐绕接故识鼹诗谴爨( x 蝴，c 8 ) 鼹舞： 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a p , = 坐盟氅兰堡二堡鲥+ g ( x , - x ) 2 + g - r ) 2 + g - z ) 2 缸 a ra y 一 + 丛生生錾兰型业+ 删 比 其中i = l ，2 ，3 ，4 。( 2 5 ) 卸。：产。：圣三! 曼：一r + ，：兰三! 二：一r 舰2 而i 萨雨翥丽寡矛鲥+ 而i 萨雨高霜寡矛盯 + 1：i 量三墨ii z + a ( c o ) ，一抑2 + 一y ) 2 + ( z ，一z ) 2 由一= ( 置一工) 2 + 一1 0 2 + ( z ，一z ) 2 可得 印，：塑蚪+ 生羔r + 生互z + a ( c s ) ( 2 6 ) p ip。pt 由上式可以建立方程组( 写成矩阵形式) ： 舰 p 2 印， a p 4 y a z a ( c a ) y i n r 一只 p 2 y k p 3 l r e p 4 y z n y 一 p 2 y k 岛 】，一e p 4 1 3 y z a ( c 6 ) p l 户2 p 3 内 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 碣一n心一nm一岛丝nhn一一n一一见盟反 鱼n喝一戊喝一岛玉成丝n心一戊心一岛丝成 h一岛一一岛m一岛一一风 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用 ( 麟，y ，z ，( c 占) 】来校正接收机三维坐标值( x ，y z ) 以及时钟偏 差估计值a ( c a ) 得到一组新值。把各所得新值作为己知数据代入上述过程 进行迭代运算。 ( j ，】，z ，c 8 ) = ( x + 麟，y + a y ，z + a z ，c 8 + a ( c s ) ) ( 2 9 ) 矿= r 2 + r 。+ a z 2 + ? o ? j ) ( 2 - 1 0 ) 设当矿小于某个门限时，可以结束迭代运算。此时，经校正过的接 收机三维位置和接收机时钟偏差即为所求。这一迭代过程收敛很快，迭代 次数由所选定a f 的门限决定。但一般而言，迭代次数不超过1 0 次即可获 得比较良好的定位精度。 2 3g p r s 通用无线分组业务 2 3 1g p r s 的简介 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 ) 是通用分组无线业务的简称。它是 g s m p h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高 的数据率。g p r s 用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制 标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此，在g s m 系统的基础上 构建g p r s 系统时，g s m 系统中的大部分部件都不需要作硬件改动，只需 作软件升级，系统组成如图2 4 所示”。 图2 4 g p r s 系统组成 1 4 咯容滨王程大学硬士攀整论文 i 皇一i i i i l l 瞄_ 置掣赫脚墨_ 篁萱置暑禹 构成g p r s 系统的方法鼹： f i ) 在g s m 系统中亏 入3 个主要缀徉。 g p r s 服舞支持绺点( s g s n ，s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) g p r s 弼关支持缭点( g g s n ，g a t e w a yg p r ss u p p o r t n o d e ) ； 分组控制单元( p c u ) 。 稼) 对g s m 戆穗哭都终逡行软锌秀缀。 e t s i 指定了g s m 9 0 0 ，1 8 0 0 和1 9 0 0 三个工作频段用于g s m ，其中 g s m 9 0 0 频段逐毒g i ( e - g s m ) ：频段秘p 频段。据应蟪，g p r s 瞧工佟予这 三个频段，包括g s m 9 0 0 的g 1 频段和p 频段，当然，g p r s 可以限制每 个小聪只工馋予p 频段。 2 。3 2 & p r s 的主簧特点 ( 1 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输离速或低速数摧和信令，优化 了对阚终资源秘无线资源的利用。 ( 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧 霹分瓤l 到8 个无线接日对隙。对隙能为活动用户所共享，鼹向上镳路和 向下链路的分配是独众的。 ( 3 ) 支持中、高逮率数攒传辕，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速 率隋 用户) 。g p r s 采用了写g s m 不同韵信道编码方案，定义了c s 1 ， c s 2 ，c s 3 釉c s - 4 赠种编码方案。 “) g p r s 两络接入速度侠，提供了与现有数据阏的无缝连接。 ( 5 ) g p r s 支持熬于标准数据通傣协议的应用，可以和m 网、x 2 s 网 互联豆通。嶷持特定的点蓟赢和点劐多点黢务，戳实现一些特豫应丽如远 程倍息处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线俗道传输。 ( 6 ) g p r s 豹设计使得它既能支持润歌静瀑发式数据传输，又憝支持祸 尔的大量数搬的传输。它支持四种不同的q o s 级。g p r s 能在0 5 - 1 秒之 内浚复数据酌藿薪佟输。g p r s 鹃诗费一羧戮数瑟佟黢羹为猿摇。 ( 7 ) 在g s mp l m n 中，g p r s 引入两个新的网络节点：一个是g p r s 服 务支持节点( s g s n ) ，它蟊m s c 在麓一等级承平，并跟踪擎令m s 熬存诺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 单元，实现安全功能和接入控制。节点s g s n 通过帧中继连接到基站系统。 另一个是g p r s 网关支持节点g g s n ，g g s n 支持与外部分组交换网的互 通，并经由基于i p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 ( 8 ) g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密 功能由s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前 g s m 中的一样，不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过 的。g p r s 移动设备( m e ) 可通过s i m 访问g p r s 业务，不管这个s i m 是否 具备g p r s 功能。 ( 9 ) 蜂窝选择可由一个m s 自动进行，或者基站系统指示m s 选择某 一特定的蜂窝。m s 在重选择另一个蜂窝或蜂窝组( 即一个路由区) 时会通知 网络。 ( 1 0 ) 为了访问g p r s 业务，m s 会首先执行g p r s 接入过程，以将它 的存在告知网络。在m s 和s g s n 之间建立一个逻辑链路，使得m s 可进 行如下操作：接收基于g p r s 的的s m s 服务、经由s g s n 的寻呼、g p r s 数据到来通知。 ( 1 1 ) 为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分组数据地址。这 个操作使m s 可被相应的g g g s n 所识别，从而能开始与外部数据网络的 互通。 ( 1 2 ) 用户数据在m s 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g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传输。这种透明的传输方法缩减了g p r sp l m n 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。用户数据能够压缩，并有重 传协议保护，因此数据传输高效且可靠。 ( 1 3 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( ( q o s ) 的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 ( 1 4 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层款可使用多种传输技术， 很方便地实现与高速发展的网无缝连接。 1 6 跨尔滨二程犬学鹾士攀蹙埝文 j i11 i i 薯自# 2 。3 3g p r $ 麓饿势翱存在的淘麓 i 。g p 鬏s 熬技本镶游 瓷滚裁鼹率荔 g p r s 弓 a 了分缀交换辩糖魏旗浅，馊褥添寒慕趣魄游交抉骥靛鹣 g s m 传簸数擐方式发擞了壤零蠖靛变傀，遮程澄线炎澡稀缺数愤蕊下受缮 茏兔嚣蒙。技魄鼹交疑模式米说，在熬个连接灏蠹，髓户恶谂鼹爱蹙避数 摁郝婚独蠡占鸯嚣线馈邋。藤辩予分缎交换模袋，鼹户只蒋在发遴或接牧 数舔鬻闻方若鼹资源，遮意昧麓多个瘸户可离效率遗凝享翔无线蘩邋， 从嚣掇怒了资源敕攀熙率。g p r s 麓户熟诗费默通信的数擐量魏主要依据， 舔疆了”褥到多少、炱糖多少”静嚣烫 l 。实际上，g p r s 趱户麴述搂瓣目 可髓妖遮鼗小鲢，郁只覆炎 尊糨对低壤的涟接赛焉。 辑输速率藕 g p r s 可撼侠簖遮1 1s k n f f s 静传输速率( 竣高傻势1 7 1 。2 k b i f f s ，不像攥 f e c ) 。逶爨曝羲逶蓬攥携藏魄精，g p r s 薅户戆帮t s d n 蕉户一稃捩漶地 上藏浏燕，鬻瓣畿使整辩镑输逮率敏感静移糖多媒体应掰成为霹能。 接入嚣孪阕瘫 分耀交换攘入辩麟禳缀为步予l 秽，缆撼供俊遗帮嚼髂连接，穴禳 壤撬鬻一黧事务( 翡籍耀卡竣辩、淫程整燕等麴效攀，势爵整基_ 释羲k n t e m e t 褒耀( 鲻e - m a i l 、瓣夏瀵燕等) 搽终斐皴馕穗、滚赫。 2 + 毒囊豹游麓 g p r $ 套发生魁丢失戮藩 交予势缀交羧涟袋嫩邀黯交换连接要蓑一鉴，疆藏，谴溺6 p r s 会发 生墼毽丢失璐象。裁屋，蠹予诿学鞠g p r s 髓务无法犀簿蹙攫鞠露瓣瓣 络瓷源，爨魏，麓予专门挺袋g p r s 镬焉瓣辩隙数麓越多，筑够撼供给诿 啻遴臻粒瓣络辩源凝越少。黠爝户涞说蔟雾羹密隈g p r s 醵宴对爨缮凝毒 熬枣嚣密爨产生嚣嚷，瓣予不怒蘸攘途嚣蠢一只套骞限的爱线资滚可供使 用。锻翱，话蠹和e 蹬凝s 孵嘲酆馒矮糖霜斡鼹媾资滚，速势必会摆基产生 一熬予羧。其慰照务影响靛狴庹主要取决予对禳的数鬣。巍然，g p r s 霹 驭； 幸穗道采墩秘态餐礴，势豆糍够通过在g p r s 信道土发送愆髂惑寒减少 1 7 晗尔滨工程大学联士学位论文 _ i ll i i i i i i i 一 高峰时的信令倍道数。 实际速率比理论值低 g p r s 鼗瓣传输速率要遮翊理论上懿簸大僮1 7 2 2 k b p s ，藏必矮哭旖一 个用户占用所荫的8 个时隙，并且没有任何防错保护。遥营商将所谢的8 个时隙都给一个用户使用显然是不太可能的。另外，最初的o p r s 终端预 诗可辘坟支持1 个、2 个或3 个霹蒎，一个g p r s 麓户戆警宽强戴将会受 到严重的限制，所以，理论上的g p r s 最大速率将会受到网络和终端瑗实 条件的制约。 调每方式不是最优 g p r s 采麓基于g m s k ( g a u s s i a nm i n i f l u 1 一s h i f tk e y i n g ) 嚣烫裁技寒， 相比之下，e d g e 基于一种新的调制方法8 p s k ( e i g h t - p h a s e s h i f t k e y i n g ) ， 它允许无线接嗣支持更高的速率。8 p s k 也用于u m t s 。网络营运商如果 想过渡到繁三代，必须在慕一除段改嗣毅熬调专l 方式。 存在转按时延 g p r s 分缀通过不同的方向发送数搬，最终达到桶间的目的地，那么 数据在通过天线链路传输的过程中就可熊发生一个或几个分组丢失躐地错 豹馕猿。 2 4g i s 地理信息系统 2 。4 1g i s 的概述 地理信