（环境科学专业论文）基于gprs技术海上溢油跟踪gps浮标的研究.pdf

英文摘要 r e s e a r c ho f g p sb u o yf o rs p i l lo i lt r a c i n gb a s e do ng p r s t e c h n i q u e a b s t r a c t a tp r e s e n t t h ei n s h o r ep o l l u t i o nc a u s e db ys p i l l e d o i li sb e c o m i n gm o r es e r i o u s l y a v i a t i o na n ds a t e l l i t er e m o t es e n s i n ga r et h em o s tc o m m o nm e a s u r eu s e db ym a n y c o u n t r i e si nt h ew o r l dt om o n i t o rt h et r a c eo ft h es p i l l e d - o i li nd i s a s t r o u sa c c i d e n t b u t t h es u r v e i l l a n c ew i l lb ed i f f i c u l tw h e na v i a t i o na n ds a t e l l i t er e m o t es e n s i n ga p p l yi nt h e b a dw e a t h e r , t h e ya l ea l s ot o oe x p e n s i v e t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho ns e e k i n ga n e m e r g e n c yr e s p o n s et o o l f o rm o n i t o r i n g s p i l l - o i l w h i c hi s c h e a p ，a l l t i m e a n d a l l - w e a t h e r ag p s b u o yw h i c hf l o a ts y n c h r o n o u s l yw i t ht h eo i ls p i l li si n t r o d u c e di n t o t h i s r e s e a r c h i tc a nr e c e i v et h eg p si n f o r m a t i o na n ds e n dt h e mt h r o u g hg p r s t e c h n i q u e n o w , g p p r g p st e c h n i q u e sa r ew i d e l yu s e di nv e h i c l ep o s i t i o n i n gs y s t e m a tt h e $ a n l et i m e ，g p sb u o yi si m p o r t a n ti nt h ea r e ao fm e e n g i n e e r i n g t h i sp a p e r i n t r o d u c e sg p p r g p st e c h n i q u e si n t ot h eu s eo fs p i l lo i lt r a c i n gs y s t e m g p sb u o yi s t h ek e yo ft h ep a p e rw h i c hw a se x p l a i n e df r o mt w oa s p e c t s ：t h es t r u c t u r eo ft h e h a r d w a r ea n dr e a l i z eo ft h es o f t w a r e t h em a i np o i n ta r et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg p s m o d u l e ，a r mp r o c e s s o ra n dg p r sm o d u l e ，t h ec o n n e c to fg p r sn e tu s i n ga t c o m m a n d s ，s e r i a lp o r t sd e b u g g i n ga n dt h ew r i t eo ft h eg p sb u o y ss o f t w a r e t h es p i l l o i lt r a c i n gp l a t f o r mi sb u i l to nv b 6 0d e v e l o p e rt o o la n dm a p x 4 5 ：i tc a nr e a l i z e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t l lt h eg p r s i n t e m e tu s i n gw i n s o c kc o n t r o l l e ro fc o m p u t e r t or e c e i v et h eg p s d a t a , i n c l u d i n gl o n g i t u d e ，l a t i t u d ea n dv e l o c i t y t h ep a p e re l a b o r a t e st h ed e s i g no ft h es p i l lo i lt r a c i n gg p sb u o yb a s e do ng p r s p a c k e tn e t t h es y s t e mr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fs e n d i n gp o s i t i o nd a t at h r o u g hg p r s n e t a n dt h eb a s i cf u n c t i o no f t h es p i l lo i lt r a c i n gp l a t f o r m t h et e c he x p o u n d e db yt h i sp a p e r p r o v i d e sac h e a p ，a l l d a ym e t h o df o rd e p a r t m e n tw h e nm e e t i n gas p i l l e d - o i le m e r g e n c y k e yw o r d s ：g p sb u o y ；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 ) ；s p i l lo i lt r a c i n g ； 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王鱼b s 撞盎渔上鲎油盟跬q 堕翌拯的班究：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：江桶2 0 作专月2 4 t t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密d ( 论文作者签名：汪箱 日期： 基于( ；p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 海上溢油污染的现状与危害 2 1 世纪是海洋的世纪，海洋开发将成为当代我国重要的经济增长点。但是伴 随我国经济的持续发展，我国因海上交通事故引发大规模石油污染的潜在隐患也 随之严重起来。统计数字显示，1 9 7 3 年至2 0 0 3 年，我国沿海共发生船舶溢油事故 2 3 5 3 次，平均3 5 天就发生一起。特别是近几年来，重大船舶溢油污染事故屡屡 发生。这些事故给国家利益、海洋环境以及人民的生产生活带来极大损害。有专 家指出，我国近海海域面临着船舶污染高风险f l 】。 油类污染物质进入海洋后造成的污染对海洋环境和海洋生物资源的危害是相 当严重的，一起大规模溢油污染事故能引起大面积海域严重缺氧，使大量鱼虾、 海鸟死亡；浮油被海浪冲到海岸，污染海滩，造成海滩荒芜，破坏海产养殖和盐 田生产，污染、毁坏滨海旅游区；若清理不及时，还易发生爆炸和火灾，酿成更 严重的经济损失和人员伤亡，这些都是海上溢油产生的直接危害。海上溢油的油 膜会大大降低海水与大气的氧气交换速度，从而降低海洋生产力，破坏海洋的生 态平衡；石油中的芳香烃化合物极易进入水中并且停留很长时间，在生物体内长 期积累，最终必将危害人体健康1 2 1 ；溢油沉降到海底后，会危及底栖生物和甲壳类 生物的正常发育；而且沉降到海底的石油经微生物分解后，密度变小，会重新浮 到海面，一次大的溢油事故造成的影响会延续十年甚至更长的时间。 1 1 2 溢油跟踪监测的意义 因此，及时而准确的溢油跟踪监测为溢油应急部门做出准确的应急预案提供 了重要技术支持，不仅能够减小溢油事故造成的经济损失，更重要的是对于保护 海洋环境和海洋生物资源以及维持海洋生态系统平衡具有重大的意义。目前，世 界各地的海事国家都在积极参与溢油的跟踪监测。 1 2 国内外溢油跟踪监测的手段 第1 章绪论 由于海上溢油污染给海洋环境造成了很大的破坏，所以对海洋溢油进行实时 跟踪和监测便成为了溢油应急处理系统的重要部分。航空遥感和卫星遥感监视海 上溢油是日前世界各国普遍采用的方法。从现状调查资料分析发现，发达国家都 积极运用航空遥感监测海上溢油，其中大约有一半以上的国家同时运用卫星遥感 监测海上溢油【3 l 。由于溢油在广阔海面上的风、浪、流作用下，具有动态特性，现 场肉眼观察由于受到距离和天气条件的限制，遥感系统在溢油应急处理过程中起 主导作用。航空遥感则适合小而积、海岸( 石头、沙子、植物等) 上的溢油污染，特 别适合指挥清除和治理工作。卫星遥感主要在确定溢油位置和面积等方面能够提 供整个溢油污染水域宏观的图像，适合监测大而积的溢油污染。合成孔径需达 ( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r , s a r ) _ ：e 星是被部署用来执行跟踪监测海上溢油日常任务 的卫星【4 j 。卫星遥感虽可以用于探测海面溢油，但受到卫星经过时间和天气的制约 比较大，相关仪器也十分昂贵；航空遥感和雷达探测等也容易受到天气条件、气 候因素的影响【3 卅。为了节约人力财力，尽量争取时日j 以抑制污染的进一步扩大， 就需要一种相对廉价、全天候、实时的动态监测手段。 1 3 技术路线 本文正是在上一节所述问题基础上提出了基于g p r s g p s 技术的溢油跟踪 g p s 浮标的研究，并初步建立溢油跟踪监测系统，实现定位技术、移动通信技术 以及计算机技术的有机结合，为溢油监测系统提供一种实时、廉价、全天候的跟 踪工具。g p s 全球定位系统是空间实体快速、精密定位的现代化工具；g p r s 通用 分组无线业务是由第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 过渡的一个 桥梁，g p s 定位数据以g p r s 网络作为传输媒质，大幅度提高了系统的稳定性、 可靠性和实时性。地理信息系统g i s 是地域空间信息分析处理的有力武器。将g p s 定位技术、g p r s 无线通信技术以及包括g i s 在内的计算机技术有效结合和应用， 开辟了海洋环境工程研究方法的新领域。 本论文的技术路线主要分别从两个方面进行，一方面是终端g p s 浮标的研究， 其中包括浮标的硬件结构和软件实现1 5 】。在浮标的硬件结构中对论文所用的g p s 基于g p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 模块、g p r s 模块以及a r m 处理器的特性以及各模块之间的串口调试进行说明。 在g p s 浮标的硬件基础上要构建能实现接收和发送定位数据功能的软件，在用a t 指令测试g p r s 模块以建立无线连接之后，通过c 语言实现a r m 处理器接收定 位信息的功能和向g p r s 模块发送信息的功能。另一方面，对于溢油跟踪监测平 台的设计利用m a p x 控件和v b 结合的组件式g i s 开发，m a p x 控件完成地图基本 功能，溢油跟踪平台完成g p s 定位信息的处理、显示和存储功能。g p s 浮标与跟 踪监测平台之间的网络通信由g p r s i n t e m e t 网络完成，具体由计算机自带的 w i n s o c k 控件实现。本论文研究的技术路线如图1 1 所示。 lg p s 模块l ll 0 la r m 微处理器 ig p r s 模块 l 图1 1 研究技术路线 f i g 1 1s k i l ll i n eo f t h er e s e a r c h 1 4 论文研究内容 本文研究的内容集中在监测终端即g p s 浮标的研究以及功能实现，网络通信 一一一一 第1 章绪论 程序的编写，溢油跟踪平台上定位信息的处理、显示和存储等功能的实现。论文 的具体章节安排如下： 第一章，绪论。主要介绍论文研究的背景和意义、国内外溢油跟踪监测的手 段、并在现有监测方法存在不足的基础上提出了本论文的技术路线和主要研究内 容。 第二章，系统概述。阐明了g p r s 移动通信系统以及g p s 技术的理论基础， 介绍了g p r s g p s 技术在车载中的应用现状以及g p s 浮标在海洋工程领域中的应 用。最后提出基于g p r s g p s 技术的溢油跟踪g p s 浮标的研究，并初步建立溢油 跟踪监测系统，阐述了系统的总体构架、各部分的工作原理、主要功能。 第三章，监测终端g p s 浮标的研究。是本文的核心部分，针对本文的重点一 g p s 浮标，进行硬件结构设计和软件功能的实现。 第四章，溢油跟踪平台功能的实现。介绍了溢油跟踪平台与g p s 浮标之间网 络通信的实现，g p s 信息的处理、显示、以及存储等功能的实现。 第五章，对本论文做出了总结与展望。给出了论文中还存在的问题和解决办 法，指出了今后还应该进一步完成的工作。 一4 基丁二g p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 第2 章系统概述 本文提出了基于g p r s 技术的溢油跟踪g p s 浮标的研究，初步建立溢油跟踪 监测系统。基于g p r s 技术的溢油跟踪g p s 浮标的研究涉及多个方面的内容，包 括g p r s 技术、g p s 技术以及组件式g i s 技术等。本章首先介绍论文中应用到的 技术理论，其次介绍目前g p r s g p s 技术在车载监控调度系统以及g p s 浮标在海 洋工程领域中的应用，最后对系统总体设计进行阐述。 2 1g p r s 移动通信系统 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1 6 1 ，它是第2 5 代移动通信系统，是第二代全球通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 向第三代移动通信( 3 g ) 过渡的一个桥梁。它由英国b tc e l l n e t 公 司早在1 9 9 3 年提出，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一。g p r s 是在 g s m 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它的基本功能是在移 动终端和i n t e r a c t 网络的路由器之间传输分组数据。g p r s 经过g s m r e l e a s e 9 6 至 r e l e a s e 9 9 技术规范版本的不断完善，得到世界各国的广泛认同，其核心网络部分 也己经作为第三代移动通信w c d m a 规范中分组域的重要基础。与g s m 电路交 换相比，g p r s 非常重要的优点在于引入了分组交换能力，具有数据传输速率高、 “永远在线”和费用低等特点。 2 1 1g p r s 网络运行原理 g p r s 网络是通过在现有g s m 网络基础上增加新功能实体来实现的，无需对 现有g s m 网络作较大改造。在g s m 系统中主要引入了几个组件，主要有 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 ，服务g p r s 支持节点) 、g g s n ( g a t e w a y g p r ss u p p o r t i n gn o d e ，网关g p r s 支持节点) 、p c u ( 分组控制单元) ，使得用户 能够在端到端分组方式下发送和接收数据。g p r s 网络的运行原理如图2 1 所示1 7 l ， 移动台先与g s m 基站通信，接着g p r s 分组被基站发送到s g s n ( 与电路交换式 数据呼叫不同，电路交换式是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上) ，接着 s g s n 与g g s n 进行通信，g g s n 对分组进行相应的处理，再发送到目的网络， 第2 章系统概述 如i n t e r a c t 网络。来自i n t e r a c t ，标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接受，再转 发到s g s n ，继而传送到移动台上。 目 计算机无线电发射塔 图2 1g p r s 网络运行原理 f i g 2 1w o r k i n gp r i n c i p l eo f g p r sn e t g p r s 在无线信道、网络传输信道的分配上采用动态复用方式，并且仅在有数 据通信时占用物理信道资源，因此大大提高了频率资源和网络传输资源的利用率， 提高了数据传输速率，使得移动多媒体业务成为现实。 2 1 2g p r s 网络的特点 ( 1 ) 资源利用率高 在g s m 网络中，g p r s 引入了分组交换的传输模式，对电路交换模式来说， 在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。而对于分组交 换模式，用户只有在发送或接收期间才占有资源，这就意味着多个用户可以高效 率的共享同一无线信道，提高了资源的利用率。 ( 2 ) 支持i p 协议 g p r s 支持i n t e m e ! t 上应用最广泛的i p 协议，可使g p r s 能提供i n t e r a c t 和其 他分组网络的全球性无线接入。越束越多的公司将i n t e r a c t 作为职员访问公司的媒 介，因此支持i p 协议显得尤为重要。而且由于g s m 网络覆盖面广，通过g p r s ， 移动台可以在g s m 网络上实现对i p 网络的访问和应用，g p r s 也允许短信息业务 经g p r s 无线信道传输。 ， 曾璺 基于g p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 ( 3 ) 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网络上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以 方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 ( 4 ) 传输速率高 g p r s 的数据传输速度可达到5 7 6 k b p s ，最高可达到1 1 5 k b p s - 1 7 0 k b p s ，是常 用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路数掘交换业务速度的十 几倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到3 8 4 k b p s 。这意味着在数年内，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。 目前中国移动建成的g p r s 网络，用户接入速度大概在3 4 k b p s 4 0 k b p s ，支持 的理论上最高速率为1 7 1 2 k b p s 。 ( 5 ) 接入时间短 分组交换接入时间缩短为少于1 秒，实际连接时间一般是3 - - 5 秒，能提供快 速即时的连接，可大幅度提高一些事务( 如远程监控等) 的效率，并可使已有的 i n t e m e t 应用( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 ( 6 ) 永久的虚拟数掘连接 g p r s 将支持广泛使用数据通信协议特别是m ，用户端可以一直连接在网络 上，请求数据服务前不必重新进行连接。即提供实时在线功能或叫“永远在线”， 用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送，终端还一直与网络保持联系，这 将使访问服务变得非常简单、快速。 ( 7 ) 计费合理 g p r s 可以实现基于数掘流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功能， 用户只有在发送或接收数掘期间才占用无线资源，用户可以一直在线，计费方式 是按照用户接受和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上 也是不收费的。目前中国移动推出多种业务“套餐”供用户选择，漫游时无须支 付g p r s 漫游费用。 ( 8 ) 切换自如 第2 章系统概述 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收。依据不同终端，数据业务 和语音业务的切换也不同。 另外，g p r s 网络系统在无线数据传输安全性上具有较强的保密性和可靠性， 它支持向前纠错、自动反馈重发、全程加密等功能，它在终端设备安全上可采用 防伪登录办法，使g p r s 无线数据传输的安全性和可靠性明显地提高。 2 1 3g p r s 的应用及发展前景 g p r s 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源，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 据量的传输，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如 切换”的优点，以g p r s 为基础的无线数据系统的应用非常广泛【8 1 。 g p r s 面向个人用户提供的应用有：文件传输、e m a i l 收发、网上冲浪、视频 聊天、家居自动化、数据库查询等业务。 目前g p r s 的应用行业包括： ( 1 ) 工业遥测、遥控。如电力远程抄表系统，利用g p r s 传输模块进行现场数 据的监测。 ( 2 ) 远程维护管理系统：通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护( 如移 动通信基站、微波站、光纤中继站等) ；其他无人值守点( 如仓库、办公楼等) 监 控。 ( 3 ) 环境保护系统数据采集。 ( 4 ) 气象数据采集，气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和报警，远程 操作。 ( 5 ) 金融、零售行业，如无线a t m 、自动售货机。 ( 6 ) 移动车辆监控、智能调度系统，公安，l l o ，银行运钞车的监控调度。 ( 7 ) 城市公用事业实时监控维护系统：自来水、污水管网、热力系统、电力系 统实时监控和维护。 ( 8 ) 医疗卫生事业，利用g s m g p r s 通信技术进行医学诊断、处理、病人护 基t - g p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 理以及远程监视等h 。 2 0 0 0 年1 2 月2 1 日，中国移动通信集团公司在京宣布正式启动称为“移动梦 网”的g p r s 网络建设。2 0 0 1 年6 月，中国移动g p r s 一期工程已完成，2 0 0 1 年 1 0 月正式投入商用。目前全世界已有近百个运营商开通了g p r s 商用系统，较为 著名的有英国的b t c e l l n e t 、德国t o m o b i l e 和香港的s m a r t o n e 、台湾的t s l 等。 目前g s m 移动电话用户已经占到全球移动电话用户的四成以上，建立在g s m 网络上的g p r s 网络提供新型移动分组数据承载业务。随着g p r s 商用网络的不 断发展，预测到2 0 0 8 年，全球利用移动电话来传输数据的用户将达到2 5 0 0 万， 占移动电话用户总数的2 0 左右。 随着世界各大运营商g p r s 商用网络的启动，在公安、电力、电信、交通、 市政、铁路等部门，基于g p r s 技术的应用也蓬勃发展起来。由于中国拥有世界 上最大的g s m 网，g p r s 服务的使用者将不仅限于那些奔波在外的专业人士，普 通的消费者也将能够使用g p r s 在家实现对互联网的无线访问，g p r s 业务在中国 将有一个较快的发展。 2 1 4 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统又称3 g t l 0 1 ，是下一代移动通信系统的通称。3 g 系统致 力于为用户提供更好的语音、文本和数掘服务。与现有的技术相比较而言，3 g 技 术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利 用在不同网络间的无缝漫游技术，把无线通信系统和i n t e m e t 连接起来，从而可对 移动终端用户提供更多更高级的服务。 第三代通信网络的主要目标定位于实时视频、高速多媒体和移动i n t e m e t 访问 业务。利用先进的空中接口技术、核心包分组技术，再加上对频谱的高效利用， 实现上述业务。高速数掘传输能力是第三代无线网络的关键特征之一。 目前，随着3 g 运营牌照在世界各国的陆续发放，第三代移动通信系统的框架 己确定，将以卫星移动通信网与地面移动通信网结合，形成一个对全球无缝覆盖 的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数 第2 章系统概述 据和多媒体业务，实现人类个人通信的理想。在从2 g 走向3 g 过程中，g p r s 无 疑是不可或缺的一个步骤，它在现阶段是未来几年中3 g 的先头部队。 2 2 全球定位系统的组成和发展 全球定位系统【”1 ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是由美国国防部的陆海空 三军在7 0 年代联合研制的新型卫星导航系统，它的英文名称髟n a v i g a t i o ns a t e l l i t e t u n i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ”其意为“卫星测时测距导航全球定 位系统”，简称g p s 系统，历经2 0 年，于1 9 9 4 年投入使用。全球定位系统的建成， 从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航定位问题，从军用到民用，对人 类的活动产生了巨大的影响。全球定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益 等显著的特点，成功地应用于航空航天、军事、交通运输、通信、气象等几乎所 有的领域中，被作为一项非常重要的技术手段和方法【1 2 】。 2 2 1g p s 的组成 g p s 的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成【珏】。如图所示： ( 1 ) 空日j 部分 图z 2g p s 系统组成结构图 f i g 2 2c o m p o s i n gs t r u c t u r eo f g p s 1 0 基于g p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 g p s 系统的空间部分是由2 4 颗g p s 工作卫星所组成，这些g p s 工作卫星共 同组成了g p s 卫星星座，其中2 l 颗为可用于导航的卫星，3 颗为活动的备用卫星。 这2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，每条轨道与赤道面的交角为5 5 0 ，各个 轨道平面之间相距6 0 0 ，每条轨道上4 颗卫星，星座分布图如图2 3 所示。每个轨 道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 0 ，同一轨道平面上的卫星比西边相邻轨 道平面上的相应卫星超前3 0 0 。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同 而不同，最少可见到4 颗，最多可以见到1 1 颗。 图2 36 p s 卫星星座分布图 f i g 2 3g p s n o m i n a lc o n s t e l l a t i o n ( 2 ) 地面控制系统 g p s 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成， 根据其作用不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。 主控站有一个，位于美国克罗拉多( c o l o r a d o ) 的法尔孔( f a l c o n ) 空间基地。 它的作用是根据各监控站对g p s 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正 参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制， 向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星 工作；另外，主控站也具有监控站的功能。 ( 3 ) 用户设备部分 第2 章系统概述 g p s 的用户部分由g p s 接收机、数据处理软件及相应的用户设备所组成。它 的作用是接收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 接收机是用户设备的核心部分，主要包括天线、g p s 接收机和电源三部 分。目前，各种类型的g p s 接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。 其主要功能是接收g p s 卫星发射的信号，并对所接收到的g p s 信号进行变换、放 大和处理，以获取导航电文及必要的观测量，实时地计算出载体( g p s 信号接收机 所位于的运动物体叫做载体) 所在的三维位置、速度和时间。g p s 接收机的组成结 构见图2 4 ，主要包括： ( 1 ) 天线( 带i i 置放大器) ； ( 2 ) 信号处理器，用于信号识别和处理； ( 3 ) 精密振荡器，用于产生标准频率； ( 4 ) 微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算； ( 5 ) 用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存储器； ( 6 ) 电源。 掣罕卜 f 数据存储器i - 1 外部传输i 囱l 用户信息传输i一电源l 图2 4g p s 接收机结构示意图 f i g 2 4t a b l eo f g p sr e c e i v e r 接收机硬件和机内软件以及g p s 数掘的后处理软件包，构成完整的g p s 用户 基于g p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 设备。机内软件是与接收机融为一体的控制接收机信号，对卫星信号进行测量， 以及自动操作的程序等；g p s 数据的后处理的软件系统又称为机外软件。 g p s 接收机的软件接口协议采用美国国家海洋电子协会( n a t i o n a lm a r i n e e l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 制定的n m e a 0 1 8 3a s c i i 码协议，该协议为n m e a 0 1 8 3 的 2 0 版( 此协议是为了在不同g p s 导航设备中建立统一的r t c m 标准) 。所有的 n m e a 语句格式都是以a s c i i 码“$ ”开始，以“r ”( 回车换行符) 结束， 语句中的数掘字段以逗号分隔；每条语句末端都有校验符( h h ) ，该校验符是“$ ” 后的所有字节的8 个比特“按位异或”生成的，用户可以通过校验符验证得到的 结果。 在g p s 输出的数据语句有表示位置信息的g g a 定位语句，有表示当前g p s 卫星 状态的g s v 定位语句，有表示最简特性的r m c 定位语句。其中最常用的定位语 句是r m c 语句，其格式和各字段的含义如下，其q b $ g p r m c 代表r m c 语句的规 范表头。 $ g p r m c ， ， ， ，4 ， ， ， ，i ， ， ，宰h h 定位点的u t c ( u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e d ，世界协调时间) 时间，格式为： h h m m s s ( h h ：小时，m i l l ：分钟，s s ：秒) 电 状态，a - 有效定位，v = 无效定位 纬度，格式为d d m m m m m m ( d d ：为纬度的度数，m m i n l n n q 1 m ：为纬度的分数) 纬度半球，n ：北纬，s ：南纬 经度，格式为：d d d m m m m m m ( d d d ：为经度的度数，n l t n n l _ 1 l _ r n l i 为经度的 分数) 经度半球，e ：东经，w ：西经 相对于地面速度，单位为海里4 , 时 轨道相对于地面的夹角，0 0 0 0 3 5 9 9 0 u t c 日期，格式为：d d m m y y ( d d ：日i t u t i ：月y y ：年) 磁偏角，0 0 0 0 - - 1 8 0 0 。 磁偏角方向，e 为东偏，w 为西偏 第2 章系统概述 2 2 2g p s 的特点 g p s 定位系统是利用卫星作为导航台的无线电定位系统。它具有如下的几个 特点1 4 1 ： ( 1 ) 全球及全天候工作 g p s 导航卫星距离地面高度约为2 0 1 8 3 k m ，且处于近似圆的轨道上，其覆盖 区域之大是任何地面导航台所不可及的。其卫星数且较多且分布合理，所以地球 上任何地点都可以连续同步地观测到至少4 颗卫星，从而构成全球定位系统。另 外工作波段的电波传播受电离层、对流层的影响很少，气象因素及昼夜的影响也 不大，因此保障了全天候连续的实时导航与定位。 ( 2 ) 定位精度高 一个导航定位系统的重要性能指标是定位精度。g p s 系统采用卫星定位，可 以有效地修正因传播带来的误差。另外，空间技术、信息处理、信号的最佳接收、 精密时钟等各种先进技术都为卫星定位精度提供了保障条件。目前g p s 系统单点 实时定位精度可达5 1 0 m ，静态相对定位精度可达1 加1 p p m ，测速精度为0 1 m s ， 而测时精度约为数十纳秒。随着g p s 测量技术和数据处理技术的发展，其定位、 测速和测时的精度将进一步提高。 ( 3 ) 实时定位速度快 利用g p s 系统，在一秒至几秒钟内便可以完成一次定位和测速工作，这对高 动态用户来说非常重要。 ( 4 ) 抗干扰性能好，保密性强 由于g p s 采用了数字通信特殊编码技术，即伪随机噪声码技术，因而g p s 卫 星所发送的信号，具有良好的抗干扰性和保密性。 ( 5 ) 功能多，应用广 g p s 提供两种服务：标准定位服务( s p s ) 和精密定位服务( p p s ) 。s p s 是指 定为民用使用的，而p p s 是指定为美国的军方用户和政府部门用户使用的。g p s 可为用户连续地提供动态目杯的三维位置、三维速度和时间信息，可以利用卫星 通信和卫星广播技术，构成一种具有通信、导航定位、识别及授时的多功能系统。 基于g p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 随着人们对g p s 认识的加深，g p s 不仅在测量、导航、测速、测时等方面得到更 广泛的应用，而且其应用领域也会不断扩大。 2 2 3 中国全球卫星导航系统一北斗卫星导航系统 2 0 0 7 年2 月3 日零时2 8 分西昌卫星发射中心，中国用“长征三号甲”运载火 箭，成功将第四颗北斗导航试验卫星送入太空，并在运行至今工作稳定、状态良 好的北斗导航试验系统的基础上，开始着手建设拥有自主知识产权的全球卫星导 航系统一北斗卫星导航系统，这也是我国自主建立的第一代卫星导航定位系统。 中国北斗卫星导航系统空自j 段5 颗静止轨道卫星和3 0 颗非静止轨道卫星组成，提 供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、 测速和授时服务，定位精度为1 0 米，授时精度为5 0 纳秒，测速精度为0 2 米，秒。 授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务信息。专家称， 中国自行研制生产的北斗卫星导航系统，不仅具备在任何时间、任何地点为用户 确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创新。我国 计划在2 0 0 8 年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并将进行系 统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。 目前，世界上只有少数国家具备自主建设卫星导航系统的能力，正在运行的 有美国的g p s 系统和俄罗斯的g l o n a s s 系统( 俄国全球定位系统) 1 5 o2 0 0 2 年， 欧盟启动了伽利略全球卫星导航定位系统计划，将在2 0 0 8 年投入运营，预计投资 3 6 亿欧元。2 0 0 3 年，我国与欧盟签署了有关伽利略计划的合作协定，目自u 双方合 作项目已有1 4 个。鉴于多卫星导航系统的建立，今后用户接收机将从g p s 单星座 转变成多星座，现在市场上已有g p s g l o n a s s 兼容机，预计今后几年会研制出 g p s g l o n a s s 伽利略系统兼容机以及和北斗兼容的接收机，多星座兼容机的出 现将大大提高卫星导航定位的可靠性、精度和实时性。 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代开 始迅速发展起来的地理学研究技术，是一种特定而十分重要的空日j 信息系统，是 集计算机、地球科学和信息科学为一体的高新技术。它的特征是以地理空间数据 第2 章系统概述 库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对空间中的有关地理分布数据进行采集、 管理、操作、分析、模拟和显示并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和 动态的地理信息，为决策服务而建立的计算机系统。 2 3 组件式g i s 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代开 始迅速发展起来的地理学研究技术，是一种特定而十分重要的空间信息系统，是 集计算机、地球科学和信息科学为一体的高新技术。它的特征是以地理空间数据 库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对空间中的有关地理分布数据进行采集、 管理、操作、分析、模拟和显示并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和 动态的地理信息，为决策服务而建立的计算机系统。 随着地理信息系统应用领域的扩展，应用g i s 的开发工作日益重要。应用g i s 开发有3 种实现方式。 ( 1 ) 独立开发。不依赖任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的 处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计 语言，在一定的操纵系统平台上编程实现。 ( 2 ) 单纯二次开发。完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统开 发。g i s 工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如m a p i n f o 公司研 制的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言。用户可以利用这些宏语言，以原 g i s 工具软件为开发平台，开发出针对不同对象的应用程序。 ( 3 ) 集成二次开发。集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件，如a r c v i e w 、 m a p l n f o 等实现g i s 的基本功能，以通用的可视化开发工具，如v i s u a lc + + ，v i s u a l b a s i c 等为开发平台，进行二者的集成开发。集成开发目自口有两种方式，其中最主 要的一种是组件式g i s 【l “。即利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在o c x 技术 基础上的g i s 功能组件，如m a p l n f o 公司的m a p x ，在v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 等编 程工具编制的应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，使其实现g i s 的各种功能。 组件式g i s 的基本思想是，把g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完 1 6 一 基丁：g p r s 技术海上溢油跟踪g p s 浮标的研究 成不同的功能，各个控件之间以及g i s 控件与其他非g i s 控件之间，可以方便的 通过可视化的软件开发工具集成。组件式g i s 既可以充分利用g i s 工具软件对空 间数据库的管理、分析功能，又可以利用可视化开发语言具有的高效、方便等编 程优点，大大提高应用系统的开发效率，具有可靠性好、易于移植、便于维护的 特点。 2 4g p r s g p s 技术在车载监控调度系统中的应用 目前，g p r s g p s 技术结合应用最广的领域是车载监控调度系统。所谓车载 监控调度系统，就是集合全球卫星定位技术、现代移动通信技术、地理信息系统 技术于一身，具有对车辆位置和相关状态进行实时监控，具体防盗、报警、调度 等多种功能的系统。车载监控调度系统，属于智能交通系统( i t s ) 1 7 1 的分支，在 智能交通系统庞大的体系中，占有极其重要的地位。智能交通系统，是将先进的 信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术及计算机处理技术等有效的集成运 用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、 准确、高效的综合交通运输管理系统。 国外对于智能交通系统的研究，已经开展了三四十年。我国智能交通系统的 发展起步较晚，九十年代以后开始逐步应用g p s 车辆监控系统，1 9 9 4 到1 9 9 5 年 间是第一次发展高峰，当