（电路与系统专业论文）数字对讲型车载监控终端的设计与实现.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st l e s i s 摘要 随着国内外智能交通系统迅速发展，人们对车辆监控系统的要求也越来越高， 各类车辆监控产品也不断更新发展，从传统的以g s m 短消息作为数据通信方式的 监控产品到现在以g p i 峪技术来进行实时数据通信的监控产品，在性能上有了很大 改善。 本文通过对市场需求的认真分析，综合日益发展成熟的g p r s 现代通信技术， 利用g p s 全球卫星定位系统和目前流行的g i s 技术以及微计算机技术提出了一套 数字对讲型监控调度终端系统方案。 本套系统在车载监控终端以m s p 4 3 0 单片机为核心，利用嵌入式c 语言编程， 充分利用单片机资源，完成g p r s 网络传输所需要的适配驱动、链路控制、网络传 输以及业务应用，从而实现g p r s 技术在车载g p s 卫星定位系统中的应用。在显 示屏端利用凌阳单片机强大灵活的语音功能完成了语音的采集压缩，语音数据可通 过车载监控终端的g p r s 模块进行无线传输，通过监控中心的转发，实现终端与终 端之间，终端与中心之间的语音对讲。 系统的功能多，可裁剪性与可扩展性强，可根据不同的客户需要进行配置，既 满足用户需求，又为用户节约成本。通过g p r s 无线网络来实现数字语音对讲，不 受地域限制，可以在大范围进行语音对讲和语音广播，而且价格低廉。 关键词：g p s ；g p i 坯；车载监控终端；数字对讲 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t a st i l er 印i dd e v e l o p m e mo fi n t e l l i g e n t 仃a 1 1 s p o r t a t i o ns y s t e m s ，p e o p l e 啪tt h e p e 怕】1 a n c eo ft h ev e l l i c l em o m t o r i n gs y s t e mb e c o m em o r ea n dm o r eb e t t e r v 撕o u s t ) ，p e so fv e h i c l em o i l i t o r i i 唱s y s t e ma r ed e v e l o p p i n gc o n t i n u o u s l y ，丘o mt h et r a d i t i o n a l m o l l i t o r i n gs y s t e mb a l s e do ng s ms h o r tm e s s a g es e r v i c ea st l l ed a 诅c o m m 砌c a t i o n m o d et 0t h en e wm o i l i t o r i n gs y g t e m s ，w h i c hu s eg p r st 0r e a l i z er e a l - t i m ed a t a c o m m u 伍c a t i o n ，a n dt h ep e d - o m = l a j l c ei sg e t t i n gb e t t e r 卸db e t t e r t h i st h e s i sa n m y z e dt h em 砌ti o 彻a t i o n ，u s e dt h eg p sg l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ， t h em i c r oc o m p u t e rs c i e n c ea i l di n t e g r a t e dt 1 1 em o d 锄g p r st o d e v e l o pad i g i t a l w a l l d e t a u ( i em o n i t o r i n gt e m l i l l a ls y s t e m 1 1 1 i sm o i l i t o r i n gs y s t e m st e 肌i r l a lo nc a ru s e dt h em i c r oc 0 砷吣l l e rm s p 4 3 0 弱t h e c o r e ，a n dt l l ee m b e d e dcp r o 留a mt oa c c o m p l i s ht h ea d a p t e rd r i v i n g ，l i n kc o n n 0 1 ，n e t w o r k 仇i n s 吐s s i o n锄ds e r v i c e 印p l i c a t i o n w 1 1 i c hi s r e q u 沁db yg p r s n e t v v o r k t r a n s 血s s i o n ，a n dc o n s e q u e n t l yr e a l i z e du s i n gg p r st e c l l l l o l o g ) ，洫g p ss a t e l l i t ep o s i t i o n s y s t e mo nc a lt h es o u n ds 锄p l i n ga i l dc o m p r e s s m gw e r ea c c o m p l i s h e db ys u i l p l i l s r i l i c r oc o n 仃0 l l e r sn e x i b l es o m l d 劬c t i o n s o w l dd a t ac 肌b e 仃a m m i t t e d 谢r e l e s s l yb y m o l l i t o r i n gt c 眦i n a lo nc a r ，s ot 1 1 a t 仃a n s m m i t t i l l gv i am o m t o r i n gc e n t e rc 锄r e a l i z e t a u b a c kb e 撕e e nt e m i r l a ：ia i l dt e n l l i n a lo rt e m l i n a la i l dm o m t o r m gc e m e r t i l i ss y s t e mh a sm a i l yn m c t i o n s ，a i l dc a i lb ec l i p p e do re x t e n d e de a l s i l y ，i tc a nb e c u s t o m i z e da c c o r d i n gt od i 恐r e n tn e e d so fc u s t o m e r s ，nc a nn o t0 1 1 l ys a t i s 母t h e c u s t o m e r s ，b u ta l s os a v em ec o s tf o rc u s t o m e r s u s eg p r sw i i e l e s sn e t 、v o r kt or e a l i z e d i g i t a js o u n dt a l l b a c ki sn o tc o n f i n e db ya r e 4 s oi tc a na c c o m p l i s hs o u n dt a j l - b a c ko r s o m l db r o a d c a s th ll 锄翟e 骶如a l s o ，i t sc o s ti sl o w k e yw o r d s ：g p s ，g p r s ，v e m c l em o l l i t o r i n gt e m i n a l ，d i g i t a lw a 瞄e - t a l 姑e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范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：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：同曷日同 日期：知叼年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：同曷日日 日期：2 羽年6 月6 日 导师签名： 日期：年 月日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞握交卮迸卮；旦圭生；旦二生；旦三生发生! 作者签名：氓曷日日 日期：m 年e 月日 导师签名： 日期：年 月日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 一、绪论 1 1 研究背景 随着我国社会经济的迅猛发展，人们物质生活水平以及汽车生产能力不断提 高，作为国民经济基础的交通运输业得到了快速的发展，汽车已经开始进入千家万 户，在一个相当长的时期内，我国汽车市场将呈现一片蓬勃发展的繁荣景象。随着 交通系统的不断发展，交通的紧张状况也不断加剧，发生交通拥挤、堵塞、事故 的情况也与同俱增，交通状况和物流调度管理日益成为现代社会关注的热点问题。 在交通运输行业和野外作业中，一能完善的监控调度系统将大大提高工作 效率，降低运输成本，并且提高车主和i 的安全性。 首先，集团车辆和物流车辆在调度1 由于不明确所辖车辆中离目的地最近的 空闲车辆，容易造成调度远距离的车辆来完成运输任务，而近距离的却有车辆处于 空闲状态，出租车在调度的过程中存在同样的问题，造成汽车的空驶率上升，既浪 费了资源也增加了环境污染。随着经济一体化，长途客货运输日益繁荣，促进了地 区经济贸易的发展，由于长途运输司机和车辆都处在长时间疲劳工作状态，安全隐 患不容忽视，一些犯罪分子在偏僻路段抢劫更是危害到司机旅客的人身财产安全。 有效的提高长途客货运输的安全性，成为运输单位和交通管理部门急需解决的问 题。 其次，由于城市规模的扩大和人民生活水平的提高，私家车的拥有量也直线上 升，为了解决城市的交通问题，各大城市都在大力建设以公交车为主的公共交通体 系，对于公交车的有效调度不但能方便乘客的出行，而且可以有效缓解道路承载的 压力。 特种车辆一般都有特殊的管理需求，对于押运车辆、消防车、野外勘探车辆、 医疗急救车，管理者一般都需要适时的知道车辆所在位置，并能进行有效的调度， 这就使管理者需要拥有一套有效的监控调度管理系统。 除此之外，私人汽车的拥有者，也都想想随时知道自己的汽车在哪里，即使出 了意外被盗，车主也希望有能即使的对自己的车辆进行保护，锁定车辆并迅速清楚 汽车的位置以便报警处理。 在研究交通问题的过程中，智能交通系统( i t s ) 也就应运而生。它作为一种解 决交通问题的全新方式，在国内外迅速发展起来【2 1 。它的主要功能体现在交通优化 控制、管理调度、快速反应和救援等方面。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 作为智能交通系统重要组成部分的监控产品也显现出很大的市场需求，目前市 面上已经开始出现各种类型的g p s 车载监控产品，普通的监控产品大多没有对讲功 能，少数有对讲功能的产品，也只能在一定区域内实现对讲，对长途车，或者跨省 运营的物流集团来说，很难满足要求。因此市场需要出现一种功能齐全，可以不受 地域限制来实现廉价语音对讲的产品。 1 2 研究的目的和意义 智能交通调度管理系统是一个综合性的科学，本项目综合了g p s 卫星定位技 术、g p r s 无线网络技术，以及g i s 等多种技术，研究并努力构建基于车载监控终 端、g p r s 无线网络、互联网以及g i s 服务器的监控服务平台。使得在世界的任何 地方，就可以使用浏览器，通过i n t e m e t 实现对车辆的跟踪定位，同时可以实现双 方或者多方通信，将所有车辆的情况都显示在监控中心的电子地图上。 本文提出的数字对讲型车载监控终端正是基于上述思想构造出来的，它具有如 下特色： ( 1 ) 在显示屏端采用了有强大灵活语音功能的单片机，实现了语言的采集压缩。 ( 2 ) 语音数据的传输使用g p r s 网络，保密性高、漫游性能好，可不受地域限 制的实现数字对讲和语音广播。 ( 3 ) 系统的功能多，可裁剪性与可扩展性强，可根据不同的客户需要进行配置， 既满足用户需求，又为用户节约成本。 ( 4 ) 定位速度快，有力地保障了企业在业务运作上提高反应速度，降低车辆空 驶率，降低运作成本，满足客户需要。 ( 5 ) 系统平台构筑在互联网上，具有开放度高、资源共享程度高等优点。 1 3 国内外技术现状 车载监控系统一般主要由g p s 车载监控终端、通信网络、监控中心三部分组 成。全球卫星定位系统( g l o b a jp o s i t i o ns y s t e m ，简称g p s ) 是美军7 0 年代初在 “子午仪卫星导航定位”技术上发展起来的具有全球性、全能性( 陆地、海洋、航 空与航天) 、全天候优势的导航定位、定时、测速系统。g p s 接收设备的开发生产， 技术比较完善，己经标准化、系列化，可以作为一个模块来使用。 通信网络有多种可选方案，如微波网、集群通信网和g s m 网等。我国先后利 用g s m 网和集群通信网分别建立了几个车辆监控调度系统，但是在实际运营中， 由于容量小和通信实时性差的缺点，实际运用效果很差。由于技术的发展，造成容 量小、实时性差的通信链路问题已经有所改进，随着g s m 向3 g 过渡，出现g p r s 2 f p 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 业务，g p r s 以分组模式在p l m n 和外部网络互通的内部网上传输，与其它通信 网络相比，g p r s 一个最吸引人的特点就是“永远在线”。g p r s 采用的是分组交换 技术，用户只有在发送或接收数据时才占用资源。g p r s 资源利用率高、传输效率 高、接入时问短、支持协议和x 2 5 协议从而能提供i n t e m e t 和其它分组网络 的全球性无线接入。 另一方面，由于嵌入式p c 、单片机和d s p 技术的发展使车载g p s 设备的体 积和造价也大幅下降。同时计算机和网络技术的发展，相关软硬件设备的性价比有 大幅度的提高，使得建立一个性价比高的g p s 综合服务系统成为可能。 1 4 所做的主要工作 本项目是结合g p s 、g p r s 、g i s 和嵌入式系统等相关技术，根据市场需求提 出的一种工程实践方案。在设计中，笔者的工作主要车载监控终端系统的软硬件设 计，研究内容涉及g p s 卫星定位系统，g p r s 无线通信网络，单片机应用等多个领 域。在工作中主要有相关技术资料学习、方案论证和工程设计三个阶段。相关资料 主要有g p s 卫星定位系统、g p r s 无线通信、单片机原理、语音采集压缩。方案 论证主要是根据功能需求提出系统整体方案并划分模块，工程设计主要任务是以t i 单片机为核心，通过g p r s 无线通信模块、g p s 等外围模块来实现g p s 定位信息 的实时传输，同时提供多种监控管理调度服务。同时设计出与车载监控终端配套使 用的显示屏端来实现调度、车载信息的显示以及语音采集压缩，完成数字语音对讲 功能。 论文从硬件设计和软件设计两个方面阐述如何完成工程设计的。硬件方面主要 是t i 单片机以及凌阳单片机的嵌入式系统设计、g p s 卫星采集模块和g p r s 无线 通信模块的运用，软件方面主要是嵌入式c 语言编程，在现有的资源下实现系统各 功能。 1 5 小结 本章主要根据技术现状和存在的问题，围绕问题并根据市场需求确定了本课题 的主要研究内容。 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s l s 车载监控系统相关技术 本章主要介绍项目的技术基础：g p s 全球卫星定位系统和g p r s 无线通信技 术，包括g p s 全球定位系统的系统组成、定位原理；g p r s 的特点、工作原理、 逻辑结构和应用现状与局限性。 2 1g p s 全球卫星定位系统 2 1 1g p s 系统及构成 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o l l i n gs y s t e m ) ，简称为g p s ，它是随着现代化科学 技术的发展而建立的新一代精密卫星定位系统，系统由美国国防部为军事目的而研 制的导航定位授时系统，旨在彻底解决陆地、海上和空中运载工具的导航和定位问 题。该系统从1 9 7 3 年开始设计研制，耗资数百亿美元，历时2 0 年，经过了方案论 证、系统试验后，于1 9 8 9 年开始发射工作卫星，1 9 9 4 年全部建成并投入使用。全 球定位系统的成功，解决了地球及其周围空间的导航定位问题，特别是运用到民用 之后，在人类的活动中起到了非常重要的作用。 g p s 系统的组成可分为： ( 1 ) 空间卫星星座部分； ( 2 ) 地面监控部分； ( 3 ) g p s 接收机部分。 前两部分是用g p s 进行定位的基础，用户只有借助于接收机设备才可实现定位 的功能。空间卫星星座由均匀分布在6 个轨道面内的2 4 颗卫星组成( 其中有3 颗 是备用卫星) ，每个轨道上分布有4 颗卫星，轨道的平均高度约为2 0 2 0 0 k m ，偏心率为 o 0 1 ，轨道相对地球赤道倾角约为5 5 度，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。g p s 卫星 的这种空间分布使得同一观测点上每天出现的卫星分布图相同，只不过每天的时间 提i j i 约4 分钟；并且每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上，同时出现于地平线以 上的卫星数目最少为4 颗，多达1 1 颗，随时间和地理位置而异；因卫星信号的传播和 接收不受天气影响，故g p s 是一种全球性全天侯的连续实时定位系统。从1 9 7 9 年 开始至今已有三代g p s 卫星，分别为b l o c ki ，b 1 0 c ki i 和b 1 0 c k 。第一代( b l o c ki ) 为g p s 实验卫星，现已停用；第二代( b l o c k i i ，i ia ) 为g p s 工作卫星，至1 9 9 4 年已发 射完毕；第三代( b l o c k ) j 下在设计中。g p s 卫星的主体呈圆柱形，直径为1 5 m ， 重约7 7 4 k g ( 包括3 1 0 k g 燃料) ，两侧设有两块双叶太阳能电磁板，它能自动对日定向， 以保证卫星工作供电。每颗卫星装有4 台高精度原子钟( 两台铷原子钟和两台铯原 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 子钟) ，为g p s 定位提供高精度的时间标准。g p s 卫星的基本功能为： ( 1 ) 接收和储存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； ( 2 ) 卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作； ( 3 ) 通过星载的高精度铷钟和铯钟提供精密的时间标准； ( 4 ) 向用户发送定位信息； ( 5 ) 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。地面 监控部分包括卫星监测站，主控站和信息注入站，主要由分布于全球的5 个地面站构 成。卫星监测站设有双频g p s 接收机，高精度原子钟，计算机和环境( 气象) 数据传感 器。该站在主控站直接控制下自动采集数据，对g p s 卫星连续观测，并监控卫星工作 状况。观测资料经初步处理后存储并传送给主控站，以便确定卫星的轨道。 主控站设在美国的c o l o m d os p 血g s ，除协调和管理所有地面监控系统外，其主要 任务是： ( 1 ) 由本站及其他监控站的所有观测资料，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； ( 2 ) 提供全球定位系统的时间基准； ( 3 ) 调整偏离轨道的卫星并使之沿预定轨道运行； ( 4 ) 启用备用卫星以代替失效的工作卫星。注入站由分设在印度洋的d i e g o g a r c i a ，南大西洋的a s c e n c i o n 和南太平洋的k 、删a j e i n 三个站组成。其主要设备包 括天线( 直径3 6 m ) ，c 波段发射机和计算机。注入站的作用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、导航电文和其他控制指令等注入到相应卫 星的存储系统中，并监测所注入信息的正确性。用户设备部分用来接收g p s 卫星发 射的无线电信号，以获得必须的卫星轨道信息及观测量，经数据处理而得到定位结 果。随着g p s 应用领域的日益扩大，用户设备依用途不同而异，主要由g p s 接收机 硬件，数据处理软件，微处理机及其终端设备组成；硬件又分为主机、天线和电源。 2 1 2g p s 定位的基本原理及系统运作方式 ( 1 ) g p s 卫星星历及坐标系统 g p s 定位处理中，卫星轨道通常是已知的。卫星轨道信息用卫星星历描述，具体 形式可以是卫星位置( 和速度) 的时间列表，也可为一组以时间为引数的轨道参数。 按提供方式又可分为预报星历( 广播星历) 和后处理星历( 精密星历) 。卫星的位置( 和 速度) ，及用户定位计算的点位( 未经坐标转换时) 都是在协议地球坐标系( 或叫地固 系( e c e f ) ) 中表示的，其原点在地球质心，正z 轴指向协议平均地极( c t p ) ，正工轴 指向赤道上的经度零点( 格林尼治平均天文台) y 轴与z 轴和x 轴构成右手坐标系。 硕士学位论文 m a s t e r 。st i i e s i s g p s 定位中的w g s 8 4 坐标系和i t r f 坐标系均属地固系。另外g p s 系统主控站 维持有专门的时间系统，称为g p s 时，这是一种连续且均匀的时间系统，原点为1 9 8 0 年1 月6 日0 时u t c ，单位同国际单位制( s i ) 时间的秒定义，其后g p s 时不受跳秒 影响。g p s 卫星中采用了现代数字通讯技术，运用多级反馈移位寄存器产生伪随机 噪声码( p s e u d o 黜m d o mn o i s e ，p i 之，这种伪随机码形成各g p s 卫星的两种测距码， 即c a 码和p 码( 或y 码) ；此外g p s 卫星所播发的信号中还包括载波信号和数据 码( 或称d 码) 。这三种信号分量都是在1 0 2 3 m h z 的基本频率控制下产生的。其 中数据码包含有关卫星星历、卫星工作状态、时间、卫星钟运行状况、轨道摄动改 正等导航信息【4 1 。g p s 卫星以l 波段中的两种不同频率的电磁波为载波： l 1 载波频率为1 0 2 3 1 5 4 m h z = 1 5 7 5 4 2 m h z ； l 2 载波频率为1 0 2 3 1 2 0 m h z = 1 2 2 7 6 m h z ； p 码频率为1 0 2 3 m h z ： c a 码频率为1 0 2 3 1 0 = 1 0 2 3 m h z ： 数据码频率为1 0 2 3 1 0 1 0 2 3 2 0 = 5 0 h z 。 三 曼兰竺堕三二：i 图2 1g p s 信号的产生 g p s 定位中的基本观测量包括伪距和载波相位【5 1 。接收机在跟踪卫星信号时， 机内同时产生被跟踪卫星的码信号的复制码。为将该复制码和进入到接收机内的卫 星信号对齐( 相关) ，码跟踪环路产生时移和多普勒频移；至两信号对齐时所需的时移 乘以光速，即为所谓的伪距。其中包含了卫星和接收机时间系统的偏差，以及卫星信 号在电离层和对流层中传播引起的时延，因而伪距的基本观测方程 为：p = 【( 施一必) 2 + ( 陈一h ) 2 + ( 历一压) 2 】 + ( 硌一所) c 其中卫星压、蛞、压、玩分 别为观测时刻的卫星坐标和卫星钟差，均可由观测时间和卫星历星求出；所为接收 机钟差【3 1 。 6 硕士学位论文 m a s t e r 。st e s l s + j ! 蟹l ( x i ，y l ，z i ) 星2甲星： ( x 2 ，y 2 ，z 2 )( x 3 ，y 3 。z 3 ) 图2 - 2 g p s 定位原理 由于p 中已作了电离层和对流层的延迟改正，因而上式中只包含妊、烁、磊和 阶等4 个未知数。欲通过g p s 定位观测求得妊、弥、石，必须同时有4 颗卫星 的观测量p 1 ”p 4 ：由g p s 定位系统中卫星的布设可知，任何时刻于任何地点均可获 得至少4 颗卫星的观测量，因而通过该系统的伪距观测量随时可获得空间定位结果。 这种定位称为单点定位或绝对定位，其实质是测量学中的空间距离后方交会，由此可 说明g p s 定位的基本原理。载波相位是指接收到的具有多普勒频移的载波信号与 接收机产生的参考载波信号之间的相位差。由于无法直接测定载波信号在传播路线 上的相位变化的整周数，故存在整周不定性问题。另外由于观测环境等影响因素，其 中还会产生整周跳变，因而与伪距观测定位相比，数据处理变得复杂，往往难以实现单 次观测定位，不过由于相位观测量的精度比伪距观测值的精度高得多，它被用作相对 定位，即精确地求定一点相对于另外一点的位置和精度。相对定位是指给定至少一个 已知点坐标，用两台或多台g p s 接收机的观测数据推求其余未知点坐标参数的定位 方法。它与绝对定位一起构成了g p s 定位的两种基本模式。由于绝对定位可直接 实时地获取观测点的地理坐标，因而该方法被广泛地应用于飞机、船舶及车辆等运动 载体的导航和调度，以及在g i s ( 地理信息系统) 中用作点位数据的采集等。相对定位 由于其精度高，因而在大地测量、地球动力学和许多其它应用场合中需要采用这种定 位模式。 ( 2 ) 美国政府的g p s 政策及用户的措施 鉴于g p s 定位技术在军事上的重要性，美国政府在该系统的设计及运行中均采 取了一些措施来限制非经美国特许的用户利用g p s 定位的精度，因此将定位服务分 为精密定位服务( p p s ) 和标准定位服务( s p s ) 。前一种针对美国军事部门及其特许用 户，其实时单点定位精度可达1 0 m ；后一种则针对非特许用户，实时单点定位精度则 降为1 0 0 m ( 水平) 和1 5 0 m ( 垂直) ，这是因为其中采取了s a 技术( s e l e c t i v ea v a i l a b i l i t ) r ) 7 石页士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 和a s 技术( a n t i s p o o f i n g ) 。a s 包括人为降低广播星历精度和在卫星钟频信号中加 入钟频抖动；a s 技术则将p 码与保密的w 码相加形成y 码，这种码严格保密，以防 敌方干扰和电子诱骗。有鉴于此，目前普通用户普遍采用差分g p s 技术来消除s a 技术和a s 技术对g p s 定位的影响。经实施差分改j 下后的实时定位精度可达2 5 m 或 更好( 水平) 。使用载波相位观测时，采用i 玎k 差分技术可得到厘米级的实时定位精 度。为从根本上消除这类影响，可建立地区g p s 卫星跟踪网，采用广域差分g p s 技 术自行确定g p s 卫星精密轨道和差分改正数，以达到精确定位和导航的目的。 ( 3 ) g p s 应用概况 g p s 是现代空间技术，计算机技术与现代通信技术发展的结晶。这种空间定位 与导航系统成为2 0 世纪后期人类科技进步的里程碑。同时它将更广泛地渗透到地 球物理学、海洋学、天文学、航空航天与遥感、交通及通信、气象科学等领域，并不 断推动科学技术的发展与进步。 g p s 的典型应用包括： ( 1 ) 大地测量，工程测量，城市规划及资源管理中的定位。 ( 2 ) 地壳板块运动监测，地表沉降，建筑物形变及灾害的监测和预报。 ( 3 ) 飞机着陆，公路、铁路车辆运行监控与管理。 ( 4 ) 大气电离层变化分析，大气水汽含量及变化，遥感，天气预报。 ( 5 ) 旅游，渔业和探险中的定位和定向。 ( 6 ) 授时，通信网络与电力网络等时间同步服务。 ( 7 ) 飞行器的轨迹及空间姿态的测定和预报。 2 2g p r s 移动通信技术及运用 2 2 1g p i 峪无线通信技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e t 聊i os e i c e ) 是通用分组无线业务的简称【1 2 】，是g s m 向3 g 过渡的产物，属于2 5 代移动通信系统。g p r s 业务是在现有的g s m 数字 移动通信网路上增加一些硬件设备和软件升级而构成的无线数据传输系统。它以分 组交换技术为基础，采用i p 数据网络协议，使现有的g s m 移动通信网的数据业 务突破了传统业务的速度，它的基本功能是在移动终端、g p r s 网内以及和i n t e n l e t 网络的路由器之间传输分组数据。和传统的g s m 的拨号方式的电路交换数据传送 方式相比，它具有“高速”和“永远在线”的优点。 g p r s 是在数据无线传输需求和移动通信系统迅猛发展的双重作用下产生的， 主要体现为以下两方面： 8 、- _ ， 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s ( 1 ) 随着移动多媒体业务的迅速增长以及3 g 标准的出台，g s m 网络正逐渐向 3 g 过渡，但这个过渡的过程是不能一蹴而就的。随着i n t e m e t 应用的迅速增加，用 户对移动数据通信的需求也迅速增长，这也使得在g p r s 技术的产生。 ( 2 ) 传统的g s m 网是采用电路交换的方式来进行传输数据，传送速率受限于 9 6 k b p s 这个很低的水平，而且通信费用很高。随着高速移动数据传输业务的增长， g s m 开始推出移动数据规范：h s c s d ( 高速电路交换数据业务) 和g p r s ( 通用 无线分组业务) ，其中g p r s 从开始推出就表现出很好的应用前景。g p r s 是g s m p h a s e2 + 引入的非常重要的内容之一，与g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的 优点是引入了分组交换能力。 2 2 2g p r s 以及用g p r s 进行数据传输的主要特点 ( 1 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络 资源和无线资源的利用。 ( 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 帧可分配 1 到8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向上链路和向下链路的分配 是独立的。 ( 3 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 1 2 k b i 以的数据传输速率( 每用 户) 。是当前g s m 网络中电路数据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 ，完全可以满足用户应用需求；g p r s 采用了与g s m 不 同的信道编码方案，定义了c s 1 、c s 2 、c s 3 和c s 4 四种编码方案。 ( 4 ) g p r s 网络接入速度快，g p r s 接入等待时间短，建立连接，平均耗时为两 秒，提供了与现有数据网的无缝连接。 ( 5 ) g p i 峪支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。 支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 ( 6 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量 数据的传输。它支持四种不同的q o s 级别。g p r s 能在o 5 1 秒之内恢复数据的重 新传输。g p r s 的计费一般以数据传输量为依据。 ( 7 ) 在g s mp l 心中，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 ，它和m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的存储单元，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。 9 硕士学位论文 m a s t e r 。st i e s i s ( 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 卡是否具备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 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 i 峪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，用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，用户在线，但没有数据传送 时，是不收费的，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i p 网无缝连接。 ( 1 5 ) 切换自如，用户在进行数据传送时，不会影响语音通信。数据业务和语音 业务的切换有两种方式：手动和自动，具体形式依据不同终端而定。 2 2 3g p r s 系统工作原理 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，它采 用分组交换技术，能兼容g s m 网络并在网络上更加有效的高速传输数据和信令。 昏 分鸯i 突携 图2 3g p r s 系统原理图 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st e s i s s g s n g p r s 业务支持节点； p c u 一分组控制单元； g g s n g p r s 网关支持节点； p d n 一分组数据网。 g p r s 采用与g s m 相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的 无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此在g s m 基础上 构建g p i 峪系统时g s m 系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需作软 件升级。其过程为： ( 1 ) 在g s m 系统中引入三个主要组件，这三个主要组件是s g s n ( g p r s 业 务支持节点) 、g g s n ( g p r s 网关支持节点) 和p c u ( 分组控制单元) 。s g s n 、 g g s n 又合称为g s n ( g p r s 支持节点) 。 ( 2 ) 对g s m 系统中的相关部件进行软件升级。 2 2 4g p r s 分组数据路由 g p r s 移动分组数据路由可分为内部p l m n 数据传输路由和互联p l m n 数 据传输路由【6 】。 ( 1 ) 内部p l m n 数据传输路由 内部p l m n 数据传输路由下图所示。由下图可见，即使是在内部p l m n 中，分 组数据从一个m s 到另一个m s ，数据传送也是要经过g g s n 的。分组发送方和 接收方既可以是移动终端也可以是固定i n t e m e t 用户。 目皆图 国 务器群 图2 - 4 内部p l m n 数据传输路由 上图所示的是移动终端的传输路由。下面以发起分组传递的发送和接收均为移 动终端为例，叙述一下分组数据传递的路由。若两者有一方为固定网用户，则过程 相对简单一些。移动终端要发送一个i p 数据分组，它首先请求分配信道。系统预 留好时隙以后，给出应答。数据在预留的时隙内发送给b s s 中的b t s ( b s s 由 b t s 和b s c 组成) ，如果b t s 正确收到完整的大块数据，给出肯定应答。b t s 从 空中链路协议拆掉封装，将数据发送给s g s n 。s g s n 将数据封装成传送协议，并 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 发给g g s n 。g g s n 拆掉封装，检验分组的地址和协议，从而选择正确的路由。 数据分组到达接收方的g g s n ，g g s n 先检验接收的移动台是否登录g p r s 。如 果接收移动台处于空闲状态，那么移动台的分组业务会被拒绝，若移动台处于守侯 或活动状态，g g s n 再选择路由给s g s n ，s g s n 拆掉封装，最终到达接收移动台。 若接收方为固定的i i l t e m e t 网用户，则直接从i n t e m e t 路由到达目的用户。 ( 2 ) 互联p l m n 数据传输路由 互联p l m n 数据传输路由下图所示，源m s 发起一次分组传送，对送来的分 组，源s g s n ( s g s n s ) 进行封装，并选择路由送到相应的g g s n ( g g s n ，s ) ， g g s n s 检查目的地址之后，通过分组数据网( p d n ，b g 为边界网关) 路由到目 的g g s n ( g g s n d ) ，g g s n d 检查与目的地址有关的路由信息，确定服务s g s n ( s g s n d ) 的地址和隧道信息，然后将分组封装后转发到s g s n d ，由s g s n d 再 发送到目的m s ，数据的传递要经过两个g g s n 。同样，分组的发送或接收方也可 以是固定网上的用户。 营 目 图2 5 互联p l m n 数据传输路由 2 2 5g p i 垮应用现状与局限 以g p i 峪为基础的无线数据系统有很广泛的应用，g p i 峪网主要为用户提供突 发性的数据业务，g p r s 应用可分为面向个人用户的横向应用和面向集团用户的纵向 应用。对于横向应用，g p i 述可以提供网上冲浪、电子邮件、文件传输、数据库查询、 增强短消息等业务。对于纵向应用，它可以应用于车辆及智能调度、证券和商业、 p t m 业务、公共安全业、遥测、遥感、遥控，还可以提供v p n ( 虚拟专用网) 业 务，降低公司建设自己的广域网的费用。与当前非语音移动业务相比，g p r s 是一种 新型的授权移动业务，它可以在频谱效率、容量和功能等方面提供较大的改善。但是 g p i 塔尚有不少不足： ( 1 ) 小区总容量有限 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s g p r s 并不增加网络现存小区总容量。只存在非常有限的无线资源可以分配给 不同的用途，用于一种就不能用于另一种用途。例如，语音和g p r s 呼叫都使用 相同类型的网络资源。g p r s 对容量影响的程度取决于预留用于g p r s 使用的时隙 个数。g p r s 不能动态地管理信道分配，但是可以通过在g p r s 信道上发送短消 息来减轻高峰时间的信令信道负担。因此，需要s m s 这种使用不同类型无线资源 的承载作为补充。 ( 2 ) 实际速率要比理论值低得多 要获得g p r s 理论上17 1 2 k b p s 的最大传输速率，必须要求单一用户占用所有 8 个时隙，而且不能采取任何纠错措施。很显然，网络运营商不可能允许一个g p r s 用户占用所有的时隙。此外，初始g p r s 终端受到很大限制，只能支持一、两个或 三个时隙。因此g p r s 用户可用带宽是非常有限的。这样，g p r s 的最大理论速 度受到了网络和终端约束因素的限制，也就是说，移动网络的数据传输速度总要低 于固定网络。因此，相对较高的移动数据速率对于单个用户来说是不可行的。 ( 3 ) 支持g p r sm t ( m o b i l et e n l l i l l a t e d ) 终端得不到保证 目前，还没有一代g p r s 终端可以支持g p r sm t 呼叫( 即无线终止来电功 能) 。g p r sm t 是否可用是对g p r s 行业产生巨大影响的中心问题。从开始g p r s 会话，用户就已经确认同意对收到的业务内容付费，这可以通过使用集成在g p r s 终端内的w a p 微浏览器进行。然而，g p r sm t 呼叫可能会允许未经