（信号与信息处理专业论文）基于gps和gsm混合定位系统的设计与实现.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 本文叙述了基于g p s 和g s m 混合定位系统的设计和实现。 文中首先介绍了国内外定位技术的发展状况及其应用领域，接着系统地 概述笔者设计的基于g p s 和g s m 混合定位系统的系统结构及其优点。然后从 移动定位终端出发，详细地介绍了定位终端的硬件设计结构，+ 终端中使用的 单片机的性能，1 2 c 总线技术及软件结构，给出了硬件和软件的模块化设计思 路。 由于g p s 定位是本系统的主定位，所以本文也简明地概述了g p s 定位系 统的组成原理，并对本系统中所采用的g p s 接收机，在硬件特性和软件操作 方法上做了详细的说明。在本定位系统中，中心站与移动定位终端之间的通 信是通过g s m 网络的短消息进行无线接入的。因此本文也讨论了g s m 网络的 短消息无线接入技术，并对短消息的编码技术和g s m 网络所支持的短消息模 式进行详细地叙述。另外，还对西门子g s m 短消息无线接入模块做了详细的 说明。 在本论文的最后讨论了在系统中所采用的场强定位算法，即最大似然估计 算法。该算法从统计学的角度出发，具有相当高的定位估计精度。此外，在 进行场强定位估计中，蜂窝网络的场强损耗传播模型对定位精度的影响很大： 笔者通过实际测得的大量数据反复实验，建立了适合本移动定位终端的传擢 模型一o k u m u r a h a t a 修正模型。使模型计算的场强损耗中值更加接近实际值。 最后，还给出了系统外场测试结果，并对测试结果进行了分析。 关键词：g p s ；场强；定位；短消息；t c 3 5 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h isp a p e rp r o p o s e dat e c h n o l o g yo fd e s i g n i n g s y s t e m ，w h i c hi s b a s e do ng p sa n dg s m f i r s t ，t h i sp a p e rr e p r e s e n t sb o t hd e v e l o p m e n a n da p p l i c a t i o nf i e i d o f1 0 c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ew o r l d a sf o l l o w e d ，t h ea r c h i t e c t u r ea n d a d v a n t a g eo ft h i ss y s t e ma r ea l s od e s c r i b e d a n dt h e ni td e s c r i b e st h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fm o b il e l o c a t i o nt e r m i n a l ，p e r f o r m a n c eo f s i g n a lc h i pt h a t i su s e di nt h i st e r m i n a l ，t e c h n o l o g yo f1 2 cb u sa n d s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e i nd e t aj1 a c c o r d i n gt ot h e s e ，t h ei d e ao f m o d u l a r i z a t i o no fb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r o p o s e d b o t ht h et h e o r ya n dt h ec o m p o s i t i o no fg p sa r ed e s c r i b e db e c a u s e g p sp o s i t i o nt e c h n o l o g yi st h em a i nl o c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h i ss y s t e m c e r t a i n l yb o t hc h a r a e t e r i s t i co fh a r d w a r ea n do p e r a t i o no fs o f t w a r e o fg p sr e c e i v e t ，w h i c hisu s e di n t h is s y s t e m ，a r ed e s c r i b e dt o o a s f o rt h isl o o a t i o ns y s t e m c o m m u n i c a ti o nb e t w e e nc o n t r o l c e n t e ra n d m o b i l el o c a t i o nt e r m i n a l i sb a s e do ns m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) w i r e l e s sa c c e s so fg s mn e t w o r k s ot h es m sw i r e l e s sa c o e s st e o h n o l o g y ， i n e l u d ee n c o d i n ga n dm o d eo fs h o r tm e s s a g e ，i sd i s c u s s e d m o r e o v e r ， w i r e l e s sa c o e s sm o d u l eo fs i e m e n se e l l u l a re n g i n ei si l u m i n a t e di n d e t a i l ， i nt h el a s tp a r to ft h isp a p e r ，a r i t h m e t i c o f s i g n a ls t r e n g t h l o c a t i o n ，w h i c hi sa p p l l e di nt h i ss y s t e m ，i sd i s c u s s e d t h i sa p p l je d a r i t h m e t i cisb a s e do nm a x i m u m1 i k e l i h o o df u n c t i o n a c c u r a c yo fl o c a t i o n ish i g hb e c a u s et h i se s t i m a t i o nm e t h o di sb a s e do ns t a t i s t i c s m o r e o v e r ， l o s so f 。p r o p a g a t i o no fs i g n a ls t r e n g t hi sv e r yi m p o r t a n t t o c o m p u t i n g l o c a t i o n ，i no r d e rt om a k et h er e s u l tm o r ea c c u r a t e ，ap r o p a g a t i o nm o d e l o fr a d i 0w a v e ，w h i c hi sc a l l e dc o r r e c t e da k u m u r ah a t ap r o p a g a t i o nm o d e l e d u c e df r o mm u c hr e a ld a t a ，i sp r o p o s e d a n d s om e a n l o s so fs i g n a l s t r e n g t he d u c e df r o mt h i sm o d e lw a sc l o s e rt or e a ld a t a a tt h ee n do f t h i sp a p e r ，l o c a t i o nr e s u l t i sl i s t e da n ds o m er e a t i v ep r o b l e m sa r e a n a l y z e d ， k e y w o r d s ：g p s ：s i g n a ls t r e n g t h ：l o c a t i o n ：s m s ：t c 3 5 i i y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得电子科技大学或 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。 签名：鱼幺垒：垫日期：2 ，哆年岁月b 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：缢益：毡导师签名：圭i ! ：兰 e l 期：& 矾矿年，月i e l 电子科技大学硕士论文 1 1 课题背景 1 1 1 无线定位概述 第一章引言 无线定位技术是保障人类交通安全和从事军事活动的有效手段，在现代 的社会生活中发挥越来越重要的作用。定位通常是指地球表面某种物体在某 一参考坐标系中的位置。传统的定位技术和导航密不可分，导航是指引交通 工具或其他物体从一个位置移动到另一个位置的过程，这个过程通常需要定 位进行辅助。除了传统的应用外，近年来定位技术开始用于蜂窝系统设计、 信道分配、切换、小区服务区域确定、e 一9 1 1 紧急援助、交通监控与管理等 等。目前，可以采用的定位方法通常有三类：推算定位、接近式定位和无线 定位，其中无线定位又可以分为卫星无线定位和地面无线定位。推算定位是 基于一个相对参考点或起始点，借助地图匹配算法确定移动目标位置的一种 定位技术，适合于对运动目标的连续定位；接近式定位又称为信标定位，运 动目标的位置通过与之最靠近的固定参考检测点来估计位置；卫星定位利用 g p s 、g l o n a s s 、北斗双星等卫星系统的多个卫星来实现移动目标的三维定位： 地面无线电定位则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、相位或入射角度等参数来实施移动目标的二维定位。就当前的发 展趋势来看，近几年和将来将有越来越多的公司和科研单位投入到基于蜂窝 网络的地面无线定位领域。 1 1 2 蜂窝网络无线定位的研究进展 自e - 9 1 1 定位需求颁布以来，移动台定位技术在国内外受到高度重视和 进行了深入研究，在近年来i e e e 的有关期刊和会议，特别是v t c 上发表了大 量研究论文中，也出现了不少定位技术发明专利及一些专门从事定位技术研 究与开发的公司，如高通公司及其下属s n a p t r a c k 公司、g r a y s o nw i r e l e s s 公司、英国的c p s 公司、t r u ep o s i t i o r l 公司和重庆赛洛克公司等等。还有一 些跨国公司，如m o t o r o l a 、n o k i a 、s a m s u n g 等也积极开展对基于6 s m ，i s - 9 5 甚至第三代移动通信系统中的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等网络所采用的定位技术的 研究。 目前，在蜂窝网络中对移动台的定位需求主要是提供移动台的位置坐标 信息、定位精度估计及时戳等辅助信息，对速度、运动方向等信息还没有明 电子科技大学硕士论文 确要求。在定位功能的实施上也应充分利用蜂窝网络和g p s 等已有的系统资 源，并尽可能地减少影响网络的原有功能，选择适当的定位系统类型、相应 定位技术及实施方案。 蜂窝无线定位系统中对移动台的定位就是通过检测移动台和多个固定位 置收发机( 如基站) 传播信号的特征参数( 如场强，传波时间或时间差等) 来估计出目标移动台的几何位置。在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位置、 定位主体及采用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，与之对应有以 下几类定位系统。 ( 1 ) 基于移动台( m o b i l eb a s e d ) 的定位系统 这类系统也称为移动台自定位系统或前向链路定位系统。其定位过程是 由移动台根据接收到的多个已知位置发射机( 如基站) 信号携带的某种与移动 台位置有关的特征信息确定其与各发射机的几何位置关系，再由集成在移动 台中的位置计算功能( p c f ) 单元计算位置。 ( 2 ) 基于网络( n e t w o r kb a s e d ) 的定位系统 这类系统也称为远程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( 如基站) 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有关的特征信息送到网络中的移动台定位中心进行计算 定位。 ( 3 ) o p s 辅助定位系统 这类系统采用的是g p s 定位方案，由集成在移动台上的g p s 接收机和网 络中的g p s 辅助设备利用o p s 对移动台的自定位。 对于基于移动台的定位方法，目前主要有：应用于时分多址系统的下行 链路增强观测时间差技术( e - o t d ) 、应用于c d m a 系统的下行链路空闲周期观 测到达时间差技术( o t d o a i p d l ) 、基于g p s 的混合定位g p s o n e 技术等；对于 基于网络的定位方法，目前主要有：基于c e li d 定位技术、基于时间差( t d o a ) 定位技术、上行链路信号到达时间( t o a ) 定位技术以及上行链路信号到达角 ( a o a ) 定位技术等。 1 2 本课题的要求及意义 本项目是由四川省公安厅布署于公安部门的技侦专用多用途定位追踪系 统项目。其要求能做到对目标的跟踪定位具有全天候、高精度、无间断性的 要求，并且移动跟踪定位终端具有遮蔽性好、抗强磁场、体积小、易于伪装 电子科技大学硕士论文 的天线等特点，这样才能使公安部门利用此跟踪系统对罪犯或犯罪团伙实施 更加快速、准确、有效的打击，同时也可以提高公安部门的工作效率及树立 在入民群众中的形象。 虽然此定位跟踪系统是针对公安部门的，但是通过对终端的功能和外观 稍加修改将来就可以用于以下许多领域： 1 公益服务。业务提供商为公众提供基于位置的公共安全服务。如1 1 0 、 1 1 9 、1 2 0 、1 2 2 等紧急业务，以及向特定地区地理位置范围内的移动用户发布 洪水、台风和泥石流信息等等。 2 网络管理。对用户进行准确位置定位有助于提高系统蜂窝资源的合理 利用。通过对移动用户的观测统计可以对网络优化等提供重要的数据。 3 大众服务。其中包括： ( 1 ) 信息服务。 就近服务：就近采购、就近银行、就近就餐、就近加油等等。 移动黄页：移动黄页为用户终端提供最近业务点的位置以及换页 信息。 ( 2 ) 跟踪导航服务。跟踪导航服务可以带领终端用户找到目的地，比 如旅游景点路线的查找。跟踪服务可以跟踪老人、小孩、重要物 品等等。 ( 3 ) 娱乐服务。 ( 4 ) 智能交通。 因此，本课题的研究和工程实现具有很高经济效益和社会效益。 1 3 本文的主要内容 本文共分七章，其主要内容安排如下： 第一章介绍了无线定位技术的发展历史、应用及现状，并讨论了研究本 课题的意义。 第二章系统地介绍了本定位跟踪系统的整体结构及实现方法。 第三章介绍了6 p s 定位的基本原理，并对r o y l t e k 公司r e b 一1 2g p s 接收 模块在性能、结构，硬件接1 ：3 及其数据通信协议做了详细的介绍。 第四章介绍了无线接入原理并对g s m 网络的短消息( s m s ) 无线接入结构做 了详细叙述。另外也对西门子的t c 3 5 无线接入模块、短消息的编解码、短消 息模式( 文本、p i ) u 等) 以及相应的a t 命令做了详细的描述。 电子科技大学硕士论文 第五章首先介绍了在蜂窝网络中电波传播场强损耗衰减的数学模型，然 后在模型的基础上详细地叙述了基于场强的定位算法。 第六章给出了场强定位算法的理论实验仿真及本定位系统的外场实际测 试结果，并对测试结果作了分析并给出系统性能。 第七章是本文的结论，指出了本定位跟踪系统的优缺点，提出以后研究 中可以改进的方法。 电子科技大学硕士论文 第二章定位跟踪系统的结构及实现 2 1 定位跟踪系统概述 该定位跟踪系统是基于g p s 系统和g s m 网络场强实现组合定位的跟踪系 统，主要有两大部分组成：监控中心和跟踪定砬终端。系统的结构框图如下 图2 - 1 所示： 图2 - 1 跟踪定位系统框图 监控中心是一个智能化的管理中心，其拥有强大的数据运算能力。一方 面能够利用来自终端的场强信息和基站信息，并快速搜索基站数据库( 通常 包含了各个基站的经纬度、基站高度、发射功率等等) 得到相应的参数对终 端实行场强定位，并结合g p s 的定位信息，计算出终端的最后坐标；另一方 面还具备了快速查找电子地图数据库的能力，找出与终端坐标相匹配的电子 地图上的位置，以实现人性化管理。另外，监控中心还利用现有快速的互联 网技术，把目标的跟踪信息传递到各个子监控站，实现了信息共享。监控中 电子科技大学硕士论文 心是通过g s m 网络的短消息( s m ) 方式与跟踪终端进行通信，实施对所有跟 踪终端的无线操作。 跟踪终端主要由三大部分组成：g p s 模块、g s m 功能单元和m c u 控制电路， 其主要任务就是监听监控中心发来的各种指令和向监控中心发送各种数据 包，如跟踪终端当前的经纬度、速度、终端所在的g s m 网络的邻近周围各个 基站的c e l li d 和场强强度等信息。 该定位跟踪系统是一个双定位系统，通过两方面来实现对目标的定位跟 踪：一方面通过g p s 实现对目标的精确跟踪定位；另方面利用g s m 网络的 场强定位实现大范围的跟踪。后者主要是对g p s 定位的有效补充，主要是因 为g p s 卫星信号容易受到遮挡，特别是在高楼林立的大城市，通过与g s m 网 络定位相结合可以做到对目标跟踪的无间断性。 2 2 定位跟踪终端的硬件实现 由于考虑到终端在野外使用并使用电池供电，而且电池的电压波动幅度 较大( 般标准的手机3 6 v 电池，在充完电后一般电压可达4 1 v ) ，因此在终 端设计上要考虑降低功耗，并且所有的芯片要采用宽电压的芯片以保证能芯 片能稳定工作。 跟踪终端主要由三大部分组成：g p s 模块、g s m 功能单元和m c u 控制电路， 其结构图如下图2 2 所示； 图2 2 定位跟踪终端的结构图 电子科技大学硕士论文 下面对终端的硬件结构图中的单片机m c u 、配置存储器和1 2 c 总线作详细 的介绍，另外g p s 和t c 3 5 及其外围结构分别在第三章和第四章中作详细的描 述。 2 2 _ 1w 7 8 l e 5 4 单片机芯片 单片机是用来协调终端各个功能单元的，主要实现外部中断、实时数据 存储、发送接收数据、判别监控中心的指令并响应、报警( 电池低电压) 等功 能。在本系统终端中单片机采用的是华邦的w 7 8 l e 5 4 ，该芯片是与m c s 一5 1 系 列完全兼容的单片微处理器产品，它是一款宽电压低功耗的微处理器，能在 2 4 v 5 5 v 正常工作。 w 7 8 l e 5 4 的引脚如图2 - 3 所示： 0 丁i 2舶 e t 下 莓萎蟪 图2 3w 7 8 l e 5 4 引脚图 该芯片还具有如下特点： 全静态设计的8 b i t 微处理器 2 4 v 5 5 v 的宽电压输出 2 5 6 kb y t e 的内部r a m 采廿爹 。书尊澎 舞姐 瓠d 日 电子科技大学硕士论文 1 6 kb y t e 的可擦除可编程片内f a l s he p r o m 6 4 kb y t e 可访问程序存储器空间 6 4 kb y t e 可访问数据存储器空间 4 个8 b i t 双向端口 一个附加的4 h i t 双向端口，并附加两个中断i n t 2 i n t 3 3 个1 6 b i t 定时计时器 一个全双工的异步串口 一个看门狗计时器 8 个中断源，2 级中断能力 电磁干扰e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 降低模式 程序加密保护装置 w 7 8 l e 5 4 的内部结构图如下图2 - 4 所示 图2 - 4w 7 8 l e 5 4 结构图 电子科技大学硕士论文 2 2 1 1 芯片的低电磁干扰e m i 技术 由于单片机都有不同大小的片上f l a s he p r o m ，其基本上采用地址数据总 线复用技术，一般是通过地址锁存a l e ( a d d r e s sl a c he n a b le ) 信号线来实现 地址信号的锁存，而a l e 的信号高低转换就会引起芯片内部的噪声。在w 7 8 l e 5 4 芯片中。当要读取的指令和数据在片内e p r o m 或r a m 时，可以通过设定a u x r 寄存器( 地址8 e h ) 中的o b i t 位为1 来关闭a l e 引脚信号的输出，从而达到降 低芯片噪声的功能。 2 2 1 2 芯片的低功耗技术 由于该终端采用电池供电，如何尽可能地降低终端的功耗是设计时要考虑 的重要闻题。单片机的功耗往往是比较大耗能单元之一，在| j 5 7 8 l e 5 4 中有两 种降低功耗的模式：空闲模式和掉电模式。在空闲模式下提供给处理器的时 钟将关闭，但是外设和中断逻辑电路将继续工作，当有个中断产生或系统复 位时将退出空闲模式。掉电模式下所有的时钟和内部的振荡电路都将停止工 作，使处理器的功耗降到最低，但只有在外部复位产生时处理器才能退出此 模式。一般用户为了达到降低功耗，通常通过设定p c o n ( 地址8 7 h ) 寄存器的 i b i t 位为l ，使其进入低能耗的空闲模式，如表2 - i 所示： 表2 - 1p c o n 寄存器 p o f ：掉电标志位，当系统上电复位时该位由硬件置1 ，表示冷启动。如 果通过软件或看门狗复位，该标志位为0 ，通常称为熟启动。 p d ：掉电模式，通过软件置该位为1 ，系统进入掉电模式。 i d l ：空闲模式，通过软件置该位为1 ，系统进入空闲模式。 g f i ，g f o ：通用标志位，用户使用。 2 2 1 3 看门狗技术 当终端在某些情况下( 如强电磁干扰等) ，其单片机的程序容易跑飞，这 对终端来说是致命的，足可以使系统瘫痪。在这种情况下有时是可以通过在 软件上设置软件陷阱使程序能自动转入原来程序的入口，使程序正常工作。 但是在当不能用软件恢复时，那么终端只能用复位来恢复系统的正常工作。 本系统中利用了w 7 8 l e 5 4 所具有的看门狗技术来实现在这种特殊情况下终端 的自动复位功能。 w 7 8 l e 5 4 芯片内部有一个看门狗定时器，其在系统2 0 m h z 时钟频率的情况 下，最大定时为约z 5 秒，当看门狗使能和定时器计数计满时，芯片产生复 电子科技大学硕士论文 位。因此通常在软件设计中使能看门狗，并在程序中插入若干条看门狗定时 器清o 语句，使程序正常运行的情况下，在看门狗定时器计数计满前都能及 时地执行定时器清0 语句；反之，当程序跑飞时，程序就不能正常地执行看 门狗定时器清o 语句或在其定时时间内没有执行该语句，致使系统产生复位， 这样就达到了终端自动复位功能的目的。当然还要在程序初始化上识别是电 源启动复位还是系统不正常复位，使系统对不同的情况做不同的处理。看门 狗的逻辑电路图如下图2 - 5 所示： j 孵e r n r e 8 酊 图2 - 5 看门狗逻辑图 其中： e n w ：看门狗使能，即激活看门狗。 c l r w ：清除看门狗定时器和它的预设值。 w i i ) l ：在空闲模式下看门狗是否使能。 2 2 1 4 串口分配 由于v 7 8 l e 5 4 芯片只有一个全双工的异步串口，而6 p s 模块和t c 3 5 模块 都是通过串口来实现数据交换的，因此需要用到串口切换，在本设计中是通 过s n 7 4 h c 2 4 4 芯片来实现切换的。 2 2 21 2 0 总线 在上图2 - 2 中的配置存储器是用来保存监控中心号码、定时发送数据的 定时间隔、跨服务基站时是否发送数据等信息。采用的是a t m e l 公司的 a t 2 4 c 0 2 n 2 7 芯片，该芯片是采用1 2 c 总线结构，容量为2 k ( 2 5 6 x 8 ) b i t 的c m o s e 2 p r o m ，在完全断电的情况下能保存存储信息。该芯片能在2 7 v 5 5 v 稳定 工作，所有数据的读写通过一根时钟线s c l 和一个根数据线s d a 来实现的， 其读写协议符合1 2 c 总线标准，支持以字节和页( 1 2 8 个字节) 两种长度的方式 电子科技大学硕士论文 进行写操作，也可进行任何长度的连续读操作，其信号主要时序图如下： ( 1 ) 时钟线( s c l ) 和数据线( s d a ) 的变化规则 s d a 数据信号线在通常情况下由外部设备拉高。s d a 上的数据只能在s c l 为低的情况下改变状态。如果在s c l 信号线为高的情况下s d a 上的数据改变 状态，是表示一次数据传输的开始或结束，如图2 6 所示： 图2 - 6 正常数据改变时序图 ( 2 ) 数据读写的启动和结束条件 在s c l 信号高电平的情况下，如果s d a 上信号从高电平变到低电平表示 数据读写的开始。同样地，在s c l 信号高电平的情况下，如果s d a 上信号从 低电平到高电平改变表示数据读写的结束。启动和结束的时序图如下图2 - 7 所示。 图2 7 数据的启动和停止条件定义 ( 3 ) 应答信号a c k 当外部设备连续地以8 b i t 的方式将地址和数据分别写到e 2 p r o m 或从 e 2 p r o m 读出时，在每个8 b i t 后e 2 p r o m 就会在s d a 上产生一应答信号，如下 电子科技大学硕士论文 图2 - 8 所示 图2 - 8 数据输出的应答图 ( 4 ) 单个字节写操作的时序如下图2 - 9 所示 警 ：_ = 基：呈遵。謦。 亳。急8 善 。：害蔷薏。j 薯 ：毒：蕞鬣 图2 - 9 字节写操作时序图 ( 5 ) 一页写操作的时序如下图2 - 1 0 所示 图2 - 1 0 页写操作时序图 ( 6 ) 读操作的时序如下图2 - 11 所示： 图2 - 1 1 读操作的时序图 电子科技大学硕士论文 2 3 定位跟踪终端的软件实现 终端的硬件只是实现对g s m 模块、g p s 模块和存储器等的物理连接，只 能说在电气上实现了通路，但是终端的所有功能最终还是靠软件来实现。此 终端的底层软件由c 5 1 语言和5 1 单片机汇编语言来实现，其软件的总体框架 结构如下图2 一1 2 所示： 图2 一1 2 终端软件框架图 在程序设计中，存储空间的分配是非常重要的，在表2 2 中描述外部存 储器空间的分配： 表2 - 2 外部r a m 的地址分配 地址范围长度( 字节)分配名称 o x 0 0 0 0 0 x 7 5 c c2 9 9 5 3 参数区 0 x 7 5 0 0 o x 7 d f f2 0 4 8 r e c e i v e d a t a 数组 o x 7 e 0 0 o x 7 f f f5 1 2 p d u d a t a 数组 参数区：主要分别保存时间信息、g p s 导航数据( 目标的经纬度、速度) 、 基站参数( c e l li d ) 和收到的场强强度。其中不同时间段的信息可以用来对 运动目标位置的预测和平滑。 r e c e i v e d a t a 数组：主要用来做数据缓冲区，如接受的短消息数据，中 间数据存储等等。 p d u d a t a 数组：保存从收到的短消息中提取的p d u 编码段和发送的p d e 编码。 2 3 1 主程序模块 主程序主要负责整个终端系统的初始化工作和进入监听状态。终端的初 电子科技大学硕士论文 始化包括：冷热肩动处理、单片机各个寄存器定时器的初始化、串口波特率 的设定、g p s 模块的初始化、t c 3 5 模块的初始化和终端监听等等，其程序的 流程如下图2 - 1 3 所示。 系统的冷热启动处理是判别系统是正常启动还是非正常启动。当终端系 统接上电源从头开始工作时，就是终端的正常启动，称之为冷启动。如果当 终端出现异常但又没断电而导致非正常重新启动时，称之为热启动。 监听包括对终端自己工作状态的监听和对监控中心的监听。 图2 - 1 3 主程序流程图 电子科技大学硕士论文 单片机冷启动初始化和波特率设定的程序如下： e a = o ：e s = o ： e x o = o ：e x l = 0 ： e x 2 = o ：e x 3 = o ： e t o = o ：e t i = o ：e t 2 = o ： t r o = o ：t r i = o ： x i c o n = o x 0 0 ： a u x r = o x f f ： t 2 c o n = o x 3 4 ： r c a p 2 h = 0 x f f ： r c a p 2 l = o x b 8 ： t h 2 = o x f f ： t l 2 = o x b 8 ： s c o n = 0 x 7 0 ： t m o d = o x l l ： t c o n = o x 0 5 ； ，t h o = o x 2 8 ： t l o = o x 0 0 ： w d t c = c l r _ | 1 r d t c ： 2 3 2 数据采集与存储模块 关闭i n t 3 ，i n t 4 用作通用口 读内部程序时关闭a l e 线 计数器t 2 用于产生波特率 波特率设定为9 6 0 0 b p s 串口工作于1 0 个数据方式 t o ，t 1 工作于1 6 为定时方式 外部中断采用边沿触发方式 定时时间为3 0 m s 关闭看门狗并设定其定时2 2 s 左右 终端的数据采集主要包括g p s 导航数据和g s m 网络基站参数数据的信息 采集。对g p s 模块的数据采集相对比较简单，当g p s 接收机初始化后就可以 自动输出导航数据，只要在串口检测到有效的导航数据头( 在第三章做详细介 绍) 后便可读取正确的导航数据( 如经纬度、速度和方向等) 并存入相应地址的 存储空间。 对g s m 网络基站参数的采集主要是采集移动终端收到各个邻近基站的场 强强度及其相对应的基站号( c e l li d ) 。这些操作可以利用西门子公司自定义 增强型三条姆命令的组合来实现： a t “m o n i 采集服务基站的场强和c e l li b 。 a t 4 m o n c 采集邻近基站的c e l li d 和c h a r m 号。 a t4 m o n p 采集基站的场强和c h a r m 号。 在上述采集信息中c e l li d 是基站的唯一标识，c h a n n 号只有在附近相 邻的基站中其值是不同的，但在大范围内( 如一座城市) ，很多基站具有相同 电子科技大学硕士论文 c h a n n 值，因此还必须对相邻基站匹配c h a n n 号来得到与c e l li d 相对应的场 强值，基站参数采集、g p s 数据采集与数据存储的程序流程如图2 - 1 4 所示： 图2 一1 4 数据采集与存储流程图 电于科技大学硕士论文 2 3 3 监听监控中，b 模块 监听监控中心主要是实时监听中心站发来的各个指令，其主要包括( 以下 数据均指定位导航数据) ：发送数据、跨服务基站发送数据开关( 此开关的状 态决定当终端从一个服务基站进入另一个服务基站时是否发送数据) 、终端时 间设定、定时发送数据的定时间隔设定、监控中心站号码设定以及开启麦克 风监听功能等等。上述的各项指令都是由中心站通过短消息( s m ) 方式发送给 终端的，其程序的流程图如下图2 1 5 所示： 伍湍急中蛴 ， t 1 短捎慧裤鹂| f ， f _ _ 一级身赞确援 + ；提域播令栈褐 + 判剃指令健码 i i ijj ；i 发遴数踌区发送 徽誊 盏耐发送黢据： 蓄彝銎磊 中心站号 据命令 数据扦关。韵踅封黼龋5。码设定 + i 二级身 二缴身 ! = 缓赛一要缎浸。：二级身 l 份验证 份验证份骧证 ： 。精酸证；份验证 -i 、 i 数据压缩 存储开 设定时间 事强鼍建耐2 开启麦克 存锗号码 美状态闽问鞴风并定时_ 1 发送数据 ii r 1r 1t 1， ， r 清除短消息 图2 1 5 监听中心站的指令执行流程图 电子科技大学硕士论文 2 3 4 终端异状监听模块 终端的异状信息主要包括了电池电量不足、t c 3 5 模块温度过高或过低、 和干扰电话抑制，其流程如图2 1 6 所示： 图2 1 6 异状信息处理流程 2 3 5 其他信息处理模块 其他信息是处理终端的一些辅助功能，如当终端从一个服务基站进入另 一个服务基站时是否发送数据和自动关闭监听麦克风。自动关闭麦克风是指 在规定时间内中心站没有关闭麦克风而由终端自动关闭。 电子科技大学硕士论文 3 1g p s 系统概述 第三章g p s 接收机 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国2 0 世纪7 0 年代 开始研制，历时2 0 年，具有海、路、空全方位实时三维导航与定位能力的新 一代卫星导航和定位系统。g p s 具有全天候、自动化、高精度、高效益等显著 特点，广泛地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航等 等多种学科。随着其性能的不断改进，软硬件的不断完善，其应用领域也不 断的开拓，目前的应用也遍及国民经济的各个部门。 3 2g p s 的系统结构 g p s 系统按其在地域上可以分为三大部分：太空的g p s 卫星星座、陆地的 地面监控系统及用户的g p s 接收机。 3 2 1g p s 工作卫星及其星座 g p s 系统由2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成卫星星座，称之为2 1 + 3 g p s 星座。2 4 颗卫星均匀的分布在6 个轨道平面，轨道倾角为5 5 度，各个轨 道平面之间相距6 0 度，即轨道的升交点赤经各相差6 0 度。每个轨道平面内 各颡卫星之间的升交角相距9 0 度，一轨道平面上的卫星比西边相邻的轨道平 面上的相应卫星超前3 0 度。 在两万公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，他们绕地 球运行两周，即绕地球一周的时间为1 2 个恒星时。这样对地面观测者来说， 每天将提前4 分钟见到同一颗g p s 卫星。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，最多可见到1 l 颗。在用g p s 导航 定位时，为了计算测站的三维坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称之为定位卫 星。这4 颗的卫星在观测过程中的几何分布对定位精度有一定的影响。在某 地某时甚至不能测得精确点的位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。由于“间 隙段”是很短暂的，它并不影响全球绝大多数地方的连续高精度的导航定位 测量。 g p s 卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接 收机以及微处理器。而对于g p s 定位成功的关键在于高稳定的频率标准。这 种高稳定的频率标准由高精度的时钟提供。因为l o 。9 秒的时钟误差将会引起 3 0 c m 的站星距离误差。 电子科技大学硕士论文 3 2 2 地面监控系统 对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点，星的位置是一句卫星的发 射星历( 描述卫星运动及轨道的参数算得的) ，每颗g p s 卫星所播发的星历是 由地面监控系统提供的。地面监控系统的一个重要作用就是监控卫星上的各 种设备是否工作正常以及卫星是否沿着预定轨道运行。另一个重要作用就是 保持各卫星处于同一时间标准。这就需要地面监控系统检测各颗卫星的时间、 求时钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主空站、三个注入站和五个检测站。 3 2 3g p s 信号接收机 g p s 接收机的任务是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，解译出g p s 卫 星所发出的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收 机高精度的测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨的已知位置，解算 出接收机天线所在位置的三维坐标。 动态定位则是利用g p s 接收机测定一个运动物体的运动轨迹。g p s 信号接 收机所在的运动物体叫做载体( 例如航行中的船、飞行的飞机、行走的人等) 。 载体上g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用 g p s 信号实时地测得运动载体的状态参数。 3 ，3 关于g p s 的精度 g p s 的精度问题要归结于美国军方的s a ( s e l e c t i r ea v a i l a b i l i t y ) 军事 策略。s a 技术称为有选择可用性技术，即人为地将误差注入到卫星时钟和卫 星数据中，故意降低g p s 定位精度。因此g p s 卫星发射的无线电信号含有两 种不同的测距码，即所谓p 码( 也称精码) 和c a 码( 也称粗码) 。p 码的服务对 象是美国军事部门和其他特许的部门，而c a 码则用于民用。 为了提高g p s 的定位精度，利用差分g p s 定位技术是可行的。该技术将 g p s 接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基站 到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发出去。用户接收机 在进行g p s 观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改 正，从而提高定位精度。 电子科技大学硕士论文 3 4 g p s 接牧模块r e b 一1 2 g p s 接收机采用了r e b 一1 2g p s 接收模块，在该模块中集成了s i r fs t a ri 技术和专用的卫星导航算法，能够提供高精度的导航数据。s i r fs t a ri 技术 是由s i r f 公司开发的耘一代g p s 定位技术，其中包含了突发锁定技术( s n a p 1 0 a k ) 和多路径双重抑制技术( d u a lm u l t ip a t hr e j e e r i o n ) 。突发锁定技 术能够使g p s 接收机重新捕获卫星的时间降到十分之一秒，而多路径双重抑 制技术可以有效地消除接收到的杂散数据，提高g p s 的定位精度。另外，在 s $ r fs t a r 】技术中还采用了独特的单星导航技术，即使6 p s 接收模块在只能 捕获到颗卫星的情况下也能持续更新位置信息数据。相比之下，一般的g p s 接收机则需要3 4 颗卫星才能保证其数据精度，这种单星导航技术将大大提 高跟踪终端在城市中的跟踪灵敏度。此外，该g p s 接收模块在接收卫星信号 时采用的是单频c a 码伪距接收技术，可以接收载波频率为1 5 7 5 4 2 m h z 的c a 码( 粗码) ，其码频率为1 0 2 3 m h z 。 在数据接收上采用了1 2 个并彳亍接收通道。比那些双通道和多路复用的g p s 接收机更加具有跟踪和锁定卫星的能力。接收通道主要是把来自天线的微弱 信号，经放大、变频、滤波后，实现对g p s 信号的跟踪和锁定。其内部采用 了码延时锁相技术和载波相位锁定技术，前者是为了使本地伪随机码与卫星 伪随机码的锁定，后者则用于本地载波相位与卫星载波相位的锁定。 3 4 1g p s 接收模块系统结构 6 p s 接收模块主要包含了七大部分，见下图3 1 所示，其中g r f l l x 射频 i c 是把1 5 7 5 4 2 m h z 的l 1 射频信号转变为9 4 5 m h z 的中频数字信号供后端处 理，而g p s 2 e 数字i c 主要是完成对中频数字信号的解调，另外2 0 针的插孔 主要为外部提供接口。 图3 1g p s 模块框图 由于g p s 接收模块在启动过程中需要搜索卫星以及导航数据初始化等过 程，往往要消耗比较长的时间，这对目标跟踪的实时性产生了影响。而该g p s 接收模块提供4 种启动模式：突发启动( s n a p ) 、热启动( h o t ) 、警告启动( w a r n ) 电子科技大学硕士论文 和冷启动( c o l d ) ，不同的启动模式所消耗的时间差别很大，分别为2 、8 、3 2 和4 8 秒。这就使得跟踪终端可以根据其不同的状态来选择不同的启动方式， 以更短的时间来实现目标的跟踪。 3 4 2g p s 接收模块硬件接口 g p s 接收模块的对外数据通信主要是通过异步串口u a r t 来实现，其引脚接 口及特性如下表3 - i 所示： 表