（计算机软件与理论专业论文）基于gpsgsm双模移动定位技术的研究与实现.pdf

摘要 目前，定位技术得到了快速的发展，特别是基于o p s 的定位技术得到普遍的应j ，出 现了很多成熟的车载导航产品。但随着社会的发展，企业管理模式的进步，人们对定位应埘 的需求正发生着巨大的变化，由传统的车载导航发展到人用，物用的便携式无线监控的新型 位置服务。通过与其他手持终端例如智能手机，p d a 等的整合，应用领域也有原来的交通 导航逐步向物流，考勤，基于位置的信息检索等人众化应用领域发展。 本文讨论的定位系统是由g i s 系统，定位终端，中心定位服务器等系统组成的一个行业 和个人用户定位的解决方案。通过这个系统，用户可以通过手机，电脑终端p d a ，网站， b p - 等方式来获得定位终端的位置，以及该终端附近的相关位置信息。这些信息的提供将会 给家庭，个人生活，企业资源管理雨i 决策带来极火的便利。 本文讨论了g p s ，g s m 网络以及基于g s m 定位的基本原理。实现了一个基于g p s g s m 的双模定位系统。本系统主要依靠联通g s m 网络，通过联通的全网短信号米接收平i i 发送短 消息，数据通信采用短消息和g p r s 的方式来进行。通过对定位终端发送各种短信命令来对 定位终端进行控制和定位。定位服务器在l i n u x 平台下开发，集成了短信网关，g i s 系统 等功能模块。关键技术和我们所完成的工作如下： 1 完成与联通公司短信网关的连接，实现s g i p 协议，可以利用联通公司提供的 全网短信号码来收发短信，计费等。 2 讨论了定位终端的功能接口和基本结构。系统可以通过发送短信命令来提取定 位器的g p s g s m 数据完成定位，也可以发送短信来对定位终端进行控制和功 能设置。 3 系统和g i s 系统的连接。利用g i s 系统提供的x m l 接口，在g i s 系统中取出 相应的地图或者地点的描述信息。为了提高g i s 系统的利用率，实现对g i s 系 统的并发访问。 4 实现了与行业控制中心的接口。行业控制终端可以通过定义好的接1 3 来向定位 系统请求位置服务。定位系统完成终端的身份验证，一次请求过程的控制，以 及用户的连接超时等管理。 5 数据备份及计算服务器的实现。实现了在定位终端无g p s 信号时的定位。当定 位服务器收到的定位终端的答复中只有g s m 信号，此时交给此服务器完成定 位及数据备份。此服务器的定位过程主要完成了n m r 数据的分析以及跟模型 库中大量数据模型的匹配。 6 接受处理来自手机用户的请求。根据手机发送过来的短信命令内容。定位系统 在获得了所请求的定位终端的经纬度后向g i s 系统请求具体位置的描述，然后 将文字信息反馈给手机用户。 7 一个并发服务器的设计和实现。解决各个线程之间的分工，以及共享数据的同 步和互斥处理。 本文设计的目的是给各行业和个人提供一个位置服务的平台。为用户提供多种途径的位 置服务。 本系统已经与中国联通总公司在全国范围内运营，论文工作期间，作者已在电脑与信 息技术上发表论文一篇。 关键字：g p s ，位置服务，地理信息系统，网络测试报告短信网关 中图分类号：t p 3 1 i 5 2 3 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h el o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo b t a i n e dt h ef a s td e v e l o p m e n t ，s p e c i a l l yo b t a i n st h e u n i v e r s a la p p l i c a t i o nb a s e do nt h eg p sl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , a p p e a r e dk i n d so fm a t u r e n a v i g a t i o np r o d u c t v e h i c l ec a r r i e d 。h o w e v e r , a l o n gw i t hs o c i e t y s d e v e l o p m e n t ，b u s i n e s s m a n a g e m e n tp a t t e mt sp r o g r e s s ，p e o p l e sd e m a n df o rl o c a t i n ga p p l i c a t i o na r eo c c u r r i n gt h eh u g e c h a n g e f r o mt h et r a d i t i o n a lv e h i c l ed e v i c ed e v e l o pt op o r t a b l ew i r e l e s sd e v i c eu s e di nm a na n d t h i n g ，t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o nw i t ht h eo t h e ri n t e l l i g e n c eh a n d s e ts u c ha sp d a ，i n t e l l i g e n c e p h o n ea n ds oo n ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l d sd e v e l o p e dg r a d u a l l yt of r e i g h t ，c h e c ko nw o r ka t t e n d a n c e ， i n f o r m a t i o ns e r v i c eb a s e do nl o c a t i o ns e r v i c ef r o mv e h i c l en a v i g a t i o n t h el o c a t i n gs y s t e md i s c u s s e di n t h i sp a p e ri si n d u s t r ya n du s e rl o c a l i z a t i o ns o l u t i o n c o m p o s e do fg i s ，l o c a t i n gt e r m i n a l ，a n dl b sc e n t e rs e r v e r t h r o u g ht h es y s t e mu s e rc a ng e tt h e l o c a t i o ni n f o r m a t i o nb ym o b i l ep h o n e ，p d a ，c o m p u t e r ，w e b s i t e ，a v ra n ds oo n 1 1 1 i si n f o r m a t i o n w i l lb r i n ge n o r m o u sc o n v e n i e n c et of a m i l y , p e r s o n a ll i f e ，e n t e r p r i s er e s o u r c em a n a g e m e n ta n d d e c i s i o n t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dg p s ，t h eg s mn e t w o r ka sw e l la st h eb a s i cp r i n c i p l eb a s e do nt h e g s ml o c a l i z a t i o na n da c t u a l i z e do n ep o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do ng p s g s mp o s i t i o n i n gs y s t e m n i i ss y s t e mm a i n l yd e p e n do nc h i n au n i c o mg s mn e t w o r k ，t h r o u g ht h ew h o l en e t w o r ks m s c o d ep r o v i d e db yc h i n au n i c o mr e c e i v e sa n dt r a n s m i t st h es m s t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nu s e s t h es m sa n dg p r sc a r r i e so n c o n t r o la n dl o c a t i n gt e r m i n a lb ys e n d i n ge a c hk i n do fs m s i n s t r u c t i o nt ol o c a t et e r m i n a l l b ss e r v e rd e v e l o p su n d e rt h el i n u xp l a t f o r m ，i n t e g r a t e dt h e s m sg a t e w a y , g i ss y s t e ma n ds oo n t h ee s s e n t i a lt e c h n o l o g ya n dt h ew o r kw ec o m p l e t e da s f o l l o w s ： 1 c o m p l e t et h ec h i n au n i c o ms m se n t r yp r o t o c o l ，s e n d ，r e c e i v es m sb ys m s c e n t e r c o d e a n dc o u n tf e e 2 d i s c u s s e dt h ef u n c t i o n a li n t e r f a c ea n db a s i cs l r u c t u r eo fl o c a t i n gt e r m i n a l 。t h e s y s t e mc a nc o m p l e t et h el o c a t i n ga n dc o n t r o lb ys e n d i n gs m s i n s t r u c t i o nt ol o c a t o r a n dg e tg p s g s md a t a 3 t h ec o n n e c t i o nl b ss y s t e mw i t hg i ss y s t e m 。u s i n gx m lc o n n e c t i o ni n t e r f a c e p r o v i d e db yg i ss y s t e m ，g e tt h ec o r r e s p o n d i n gm a po rt h el o c a t i o nd e s c r i t ) t i o n i n f o r m a t i o ni nt h eg i ss y s t e m i no r d e rt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fg i ss y s t e m ， c o m p l e t e dt h eg i ss y s t e mc o n c u r r e n tv i s i t 。 4 c o m p l e t et h ec o n n e c t i o nt oi n d u s t r ym o n i t o rs o f t w a r e ，c o m p l e t et h ec o n n e c t i o n i n t e r f a c e 。w i t hm i si n t e r f a c e t h ei n d u s t r ym o n i t o rs o f t w a r ec a na c c e s st h el b s s e r v e rg e t t i n gl o c a t i o ni n f o r m a t i o n 。t h el b ss y s t e mm a n a g et h ea u t h e n t i c a t i o no f t h ei n d u s t r ym o n i t o rs o f t w a r e ，t h ec o n t r o lo f o n er e q u e s tp r o c e s s ，a n dt h et i m e o u to f c l i e n tc o n n e c t i o n 。 5 c o m p l e m e n to fc a l c u l a t i o na n dd a t ab a c k u ps e r v e r 。c o m p l e t et h el o c a t i n gw i t hn o g p sd a t a 。w h e nt h ea n s w e rf r o ml o c a t et e r m i n a lh a v eg s m p a r a m e t e r so n l y , t h e n t h i ss e r v e rc o m p l e t et h ec a l c u l a t i o na n dd a t ab a c k u p 。t h es e r v e rm a i n l yc o m p l e t e d t h en m rd a t aa n a l y s i sa sw e l la st h em o d e lm a t c h i n gi nt h em a s s i v ed a t am o d e li n d a t a b a s e 。 4 6 a c c e p ta n dt r e a tt h er e q u e s tf r o mp h o n eu s e r s 。a c c o r d i n gt ot h es m sr e c e i v e df r o m m o b i l ep h o n e ，l b ss e r v e rg e tt h el a t i t u d e ，i o n g t i t u d eo f l o c a t et e r m i n a la n dt a k eo u t t h ec o r r e s p o n d i n gd e s c r i p t i o na b o u tt h i sl o c a t i o n a n dt h e ns e n dt h ed e s c r i p t i o nt o m o b i l ep h o n e 。 7 c o n c u r r e n tl b ss e r v e rd e s i g na n di m p l e m e n t 。m o d u l ed e s i g n ，a sw e l la ss h a r i n g d a t as y n c h r o n i z a t i o n 。 t h eg o a l o f t h i s a r t i c l e i s t o p r o v i d e a l o c a t i o ns e r v e r p l a t f o r m t o i n d u s t r i a la n d p e r s o n a l u s e r s p r o v i d el o c a t i o ns e r v i c et ou s e r sb yk i n d so f w a y t h es y s t e mh a v eb e e nr u n n i n gi nc h i n au n i c o r nn e t w o r ki nt h en a t i o n a ls c o p e d i s s e r t a t i o n p e r i o d ，t h ea u t h o rh a v ep u b l i s h e dap a p e ri n “c o m p u t e r a n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：g p s ，l b s ，g i s ，n m l ls m sg a t e w a y c l a s s i f l c a t i o nn o ：t p 3 11 5 2 5 1 定位技术的现状 第一章现代定位技术介绍 无线定位技术的研究始丁2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位系统，随后该技术在公共交 通，出租车调度以及公安追踪等范围内广泛应用随着人们对基于位置的信息服务的需求增 多，无线定位技术得到更多研究者的关注，全球定位系统( g p s ) 的出现更使得无线定位技 术产生了质的飞跃，定位精度得到大幅度的提高，可达到1 0 m 以内虽然直接利用g p s 可以 达到一种较为理想的定位效果，但是他需要专门的接收设备，对大多数用户来说并不是很方 便近年来，随着蜂窝移动系统的普及，定位技术开始用于蜂窝系统设计，切换，服务区确 定，交通监控等方面。目前，无线定位可分为卫星无线定位年i l 地面无线定位，卫星定位利用 g p s ，g l o n a s s 以及我国的北斗双星等卫星系统实现移动目标的三维定位，地面无线定位 则通过测量无线电波的传播时间，信号场强，相位，入射角度等参数实现移动目标的二维定 位。蜂窝无线定位属于地面无线定位系统。现有的蜂窝移动通信网中的无线定位系统按移动 通信结构分为基于移动通信网络的无线定位，基于移动台的无线定位，混合定位等。近年来， 随着移动用户的快速增加，对位置服务的需求也大大增加当前的蜂窝无线定位系统中，为 了避免对移动终端增加额外开销，多采用的是基于网络的定位方案，由多个基站同时接收检 测移动台发出的信号，根据测量到的参数由网络对移动台进行定位估计移动终端往往是普 通手机，这就需要对基站安装监测设备，测量移动台发出的信号参数，再通过适当的算法估 计出移动台的大致位置，而信号的传播很大程度上取决于移动通信信道特性，使定位精度受 到很大的影响。 在现在流行的几种基于移动台的定位技术中，各个技术各有优劣。i ，基于小区c e l l i d 的定位。该技术无需对手机和移动台进行修改，适合于各种空中接口g s m g p r s 。定位速 度非常快。但是定位精度很低，而且取决于小区的半径。2 ，t o a ( u p l i n kt i m eo fa r r i v a l ) 是一种基于信元技术的系统，测量移动设备把三个或者更多的l m u s ( l o c a t i o n m e a s u r e m e n tu n i t ) 的时间来计算出移动设备的位置。该技术也无需对手机进行修改， 运营商可以直接对用户提供服务。定位精度也比c e l l i d 高。主要缺点为所有l m u 都需要时 间同步，响应的时间比较长。3 ，e o t d 方式也是g s m 规范中增强的功能定义。它利用g s m 网络中o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e 功能。手机对邻近的多个b t s 发送的无线脉冲到达的时间 进行测量计算，并将测量结果以短消息或其他方式返回给网络中的定位服务器。所有的基站 需要精确测量时间间隔r t d ( r e a lt i m ed i f f e r e n c e s ) ，这样才能对脉冲到达时间差进行精密 计算。对各个基站的时间差的测量一殷通过手机完成，因此手机中的相关硬件需要更新。4 ， a - - g p s 把移动台和服务器对g p s 的信号处理区分开来，它在网络阻塞的环境下也能工作以 及处理较弱的信号。此项技术能够提供较高的定位精度，但是要求用户购置具有a g p s 的 手机。 o s m 手机定位方式通常可分为基于网络方式和基于终端方式两种。从技术上可分为到 达时间 ( t o a ) 、增强测量时间差( e - - o t d ) 和g p s 辅助( a g p s ) 3 种方式。 1 t o a 定位技术 t o a 定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。 具体实现步骤： ( 1 ) 要定位的手机发出一已知信号，三个或多于三个l m u 同时接收该信号，已 6 知信号是手机执行异步切换时发山的接入突发信号： ( 2 ) 各l m u 得到信号到达时的绝对g p s 时间后，可得到相对时间著( r t d ) ： ( 3 ) 根据前两步的信息，s m l c 进行两两比较，计算突发信号到达时间著( t d o a ) ， 得出精确位置， 并同到廊埘中。要通过三角计算得山手机精确位置，必须知道另外两个参 数：l m u 的地理位置和各l m u 之间的时间偏移姑。例如各l m u 必须提供的绝对g p s 时 间，或在已知位置的地点放置参考l m u 可得到实际时间差( r t d ) 参数。l m u 用接入突 发信号确定t o a 。当定位请求发出时，l m u 被选定，且配置正确的频率，以便接收接入突 发信号。此时，手机在业务信道( 可能会处于跳频方式) 上，以特定功率发送达7 0 个接入 脉冲( 时长3 2 0 m s ) 。各l m u 通过多种方式实现和改善t o a 的测量结果。利用收到的突发 信号可提高测量成功概率和测量精度。采用分集技术( 如天线分集和跳频) ，可降低多径效 应的影响，提高测量精度。当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向s m l c 发出请求， 同时告知手机号码和定位精度要求。被测量的t o a 参数及其误差值一同被采集并发送到 s m l c ，根据该数据，s m l c 可计算出应用所需要的手机位置，再将位置信息和误差范围发 送回应用。t o a 定位方式需要附加硬件( l m u ) ，以达到精确计算突发信号到达时间的目的。 实现方式有多种：l m u 既可集成在b t s 内，也可作为单独设备。l m u 作为单独设备时， 既可有单独的天线，也可与b t s 共享天线，通过空中接口实现网络间通信。 2 e - - o t d 定位技术 e - - o t d 定位方式是从测量时间差( o t d ) 发展而来的，o t d 指测量所得的时间量， e - - o t d 指测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对于同步网，手机测量 几个b t s 信号的相对到达时间；对于非同步网，信号同时还需要被一个位置已知的l m u 接 收。确定了b t s 到手机的信号传输时间，则可确定b t s 与手机之间的几何距离，然后再根 据此距离进行计算，最终确定手机的位置。 实现步骤如下： ( 1 ) 手机收到各基站发来信号，得到t o a 参数：l m u 得到r t d 参数； ( 2 ) 手机将t o a 和r t d 参数传送到g s m 网。 ( 3 ) o t d 测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。当b t s 发送的1 9 贞未被同步时， 网络需要测量b t $ 之阃的r 皿i 。为了进行精确的三角测量，o t d 测量和r t d 测量( 非同 步b t s 时) 均需要3 个b t s 。获得o t d 参数后，手机位置既可在网络中计算，也可在终 端计算( 要求手机具备各种必要信息) 。前者称为手机辅助方式，后者称为手机自主方式。 通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。 3 a - - g p s 原理 g p s 辅助定位方式实现步骤如下：( j s m 网收到g p s 辅助信息；g s m 网将辅助信息 发送到手机：手机得到g p s 信息，计算并得出自身精确位置；手机将位置信息发送到g s m 网。该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种： ( 1 ) 手机辅助g p s 定位方式 这种解决方案是将传统g p s 接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。该方式 需要天线、r f 单元和数据处理器等设备。g s m 网向手机发送一串极短的辅助信息，包括 时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数有助于内置g p s 模块减少g p s 信号获得时间。辅助数据来自经手机g p s 模块处理后产生的伪距离数据，且 可持续数分钟。收到这些伪距离数据后，相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手 机的位置。g s m 网增加必要的修正后，可提高定位精度。 ( 2 ) 手机自主g p s 定位方式 这种手机包含一个全功能的g p s 接收器，具有( 1 ) 方式中手机的所有功能，再加 上卫星位置和手机位置计算功能。运算开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据 7 能够持续4 小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验 参数等。如果某些席川需要更高的精度，则必须持续( 间隔约3 0 s ) 向手机发差分g p s ( d g p s ) 信号。d g p s 信号在1 f 常宽的地域范围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域 范嗣。展终位置信息由手机本身计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中 2 定位技术的应用和前景 手机定位服务有着极广泛的用途。目前移动定位技术己经使一系列激动人心的无线应 用成为可能。我们可以设想到的应用在以下方面。 1 野外作业的探险家、采矿或地质勘探人员、登山运动员可以利用手机定位服务作为安 全方面的技术保障措施之一。一旦发生意外的情况，便于救援人员及时救护。如美国的e 9 1 l 计划和欧洲的e 1 1 2 计划，以及类似1 1 0 或1 2 0 的救助业务。 2 一些具有流动特性的工作，如警察可以随时与总部保持联系，并可通过互联网查询信 息，而总部可以随时知道每个警察的位置，便于总体上盼警力调度。 3 开通了移动定位服务，手机用户就可以方便地获知自己目前所处的位置，并用手机查 询或收取他附近公共设施的分布状况等。如离我最近的医院在哪几、我周围有哪些银行。总 之，移动位置服务的魅力在于能在正确的时间、正确的地点、把正确的信息发送给需要相关 信息的人。 4 定位商务将是电子商务的新宠，它会使许多服务业的服务质量和水平大大提高。如美 国的i n f o m o v e 公司主要为无线上网的汽车提供互联网服务，包括提供汽车所在地附近的实 时交通状况报告。 5 广告作用。许多商家考虑将定位装置作为商店扩大影响、联系顾客的工具。此外，他 们还预测移动电话和定位技术将与网上即时聊天系统结合起来，这样，人们不仅能知道自己 的伙伴是否在网上，而且可以知道他们正在世界的哪个角落里。 四、手机定位服务的市场前景 近几年全球移动电话用户突飞猛进，预计到2 0 0 5 年超过3 亿用户。除了传统的语音业 务外，手机的增值业务成为这两年的热点，必将为信息产业发展带来巨大商机。 我们日常使用的大部分信息都与位置存在某种关系，据英国剑桥a n a l y s i sr e s e a r c h 公布的一份报告预测，移动位置服务的收入将从2 0 0 2 年的2 0 亿美元增至2 0 0 6 年的1 8 5 亿 美元。预计到2 0 0 6 年，全球半数移动用户将同时成为移动位置服务用户。 我国定位服务虽然刚刚起步，但也取得了很好的市场效益和社会效果。需要提出的是， 中国电信的移动梦网计划，计划把电子地图系统纳入到统一平台中来，使更多的应用提供商 得以进入移动定位服务领域。未来几年中，我国移动定位业务规模很快会达到1 0 亿元以上 的规模，而且会加速度的持续增长。 e r i c s s o n 、n o k i a 、m o t o r o l a 、s i e m e n s 等移动巨头纷纷推出自己的移动定位系统并进 军中国市场，福建移动、广东移动已经推出或正在测试其移动定位服务，而中国移动也在天 津、长春、沈阳、大连等城市推出了基于s t k 卡的定位服务。移动定位服务在中国呈现出蓬 勃发展的势头。 1 g p s 的发展 第二章g p s 在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。 1 ) 无线电导航系统( 钱天爵等，g p s 接收机使用与维修，1 9 9 6 ) 罗兰c ：j 作在1 0 0 k h z ，由三个地面导航台组成，导航一r ：作区 域2 0 0 0 k m ，一般精度2 0 0 3 0 0 m 。 o m e g a ( 奥米茄) ：i ：作在十儿千赫。由八个地面导航台织成，可 覆盖全球。精度儿英里。 多h 勒系统：利用多h 勒频移原理，通过测量其频移得到运动物 参数( 地速和偏流角) ，推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程 增加而累加。 缺点：覆盖的j ：作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高 2 ) 卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统( t r a n s i t ) ，1 9 5 8 年研制，6 4 年正式投入使用。 由于该系统卫星数目较小( 5 6 颗) ，运行高度较低( 平均1 0 0 0 k m ) ，从地面站观测到卫星 的时间隔较长( 平均1 5 h ) 因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1 9 7 3 年美国国防部制定了 g p s 计划。 3 ) g p s 发展历程 g p s 实施计划共分三个阶段； a ) 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1 9 7 3 年到1 9 7 9 年，共发射了4 颗试验卫星。 研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 b )第二阶段为全面研制和试验阶段。从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，又陆续发射了7 颗试验卫星， 研制了各种用途接收机。实验表明，g p s 定位精度远远超过设计标准。 c )第三阶段为实用组网阶段。1 9 8 9 年2 月4 日第一颗g p s 工作卫星发射成功，表明g p s 系统进入工程建设阶段。1 9 9 3 年底实用的g p s 网即( 2 1 + 3 ) g p s 星座已经建成，今后 将根据计划更换失效的卫星。 2 g p s 系统的组成 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座：地面控制部分一地面监控系统：用户 设备部分一g p s 信号接收机。 1 、g p s 卫星星座( 王解先，g p s 精密定轨定位。1 9 9 7 ) 9 由2 l 颗l ：作卫星雨i3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，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著6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相著9 0 度，轨道 平面上的卫星比两边相邻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，它们绕地球运行二周，即 绕地球一周的时间为1 2 恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4 分钟见到同一 颗g p s 卫星。位丁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。在川g p s 信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4 颗 g p s 卫星，称为定位星座。这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影 响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间 间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测 量。g p s 工作卫星的编号和试验卫星基本相同。 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。星的位置是依据卫星发射的星历描述 卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗g p s 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供 的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设 备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准g p s 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。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控站、三个注入 站和五个监测站。 3 、g p s 信号接收机 g p s 信号接收机的任务是：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，对所接收到的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 卫星所发送的导航电文，实时地计算出 测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。 g p s 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋 和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量g p s 信号的接收设备，即 g p s 信号接收机。可以在任何时候用g p s 信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同， 用户要求的g p s 信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产g p s 接收机，产 品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。 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，接收机高精度地测 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。而动态定位则是用g p s 接收机测定一个运动物体的运行轨迹。g p s 信号接收机所 位于的运动物体叫做载体( 如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等) 。载体上的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( 瞬间三维位置和三维速度) 。 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大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分 成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方， 用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将 其安置在测站点上。 g p s 接收机般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目 0 的在丁更换外电池时不中断连续观测。在刚机外电池的过程中，机内电池自动充电。芙机后 机内电池为r a m 存储器供电，以防l l 丢失数据。 近几年，国内引进了许多种类型的g p s 测地型接收机。各种类型的g p s 测地型接收机州 丁精密相对定位时，其舣频接收机精度可达5 m m + i p p m d ，单频接收机在一定距离内精度 可达1 0 m m + 2 p p m d 。刚丁筹分定位其精度可达米级至厘米级。 目前，各种类型的g p s 接收机体积越米越小，重量越来越轻，便于野外观测。g p s 和 g l o n a s s 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。 3 g p 8 定位原理 2 4 颗g p s 卫星在离地面l 万2 千公里的高空上，以1 2 小时的周期环绕地球运行使得 在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观n - n4 颗以上的卫星。由于卫星的位置精确 可知，在g p s 观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利 用3 颗卫星，就可以组成3 个方程式，解出观测点的位置( ) ( ，y ，z ) 。考虑到卫星的时钟与接 收机时钟之间的误差，实际上有4 个未知数，x 、y 、z 和钟差，因而需要引入第4 颗卫星， 形成4 个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。如图7 所示： 卫星2i 篁3 ( x a x ) 2 + 锄y p + ( 五- z 、h 一( t b l 卜即 ( x a - x ) 2 + ( 免y ) h 龟2 产 一吒t 一乜0 印 c - 琦2 + ( 弱州巧- z h 一吒t b ) t 窜 伍两2 y 4 - y ，叶耳z ) 一吒t b i 刈户 求解未知数 c t l z 1 ) 定位触t 图3g p s 定位原理 事实上，接收机往往可以锁住4 颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成 若干组，每组4 颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。由于卫 星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的s a 保护 政策，使得民用g p s 的定位精度只有1 0 0 米。为提高定位精度，普遍采用差分g p s ( d g p s ) 技术，建立基准站( 差分台) 进行g p s 观测，利用己知的基准站精确坐标，与观测值进行比较， 从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去 大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分g p s ，定位精度可提高到5 米。 4 g p s 定位的特点 l 、全球，全天候作： 能为心户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。 2 、定位精度高： 单机定能精度优于2 5 米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。 3 、功能多，应用广： 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 j h 泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 4 ，但是g p s 定位在室内，立交桥，地下室无法完成定位。这也是我们采用g s m 来辅助 g p s 定位的原因。 2 第三章g s m 规范及定位原理 3 1g s m 基本原理及规范 3 1 1g s m 系统历史背景 g s m 数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计 出来的它是在蜂窝系统的基础上发展而成。 蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其 复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集 成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现 提供了技术基础。直到1 9 7 9 年美国在芝加哥开通了第一个a m p s ( 先进的移动电话业务) 模 拟蜂窝系统，而北欧也于1 9 8 1 年9 月在瑞典开通了n m t ( n o r d i c 移动电话) 系统，接着欧溯 先后在英国开通t a c s 系统，德国开通c 一4 5 0 系统等。 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率 并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上 述模拟系统有四大缺点： 1 各系统问没有公共接口； 2 彳r 难开展数据承载业务； 3 频谱利用率低无法适应大容量的需求； 4 安全保密性差，易被窃听，易做“假机”： 尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。 g s m 数字移动通信系统史源于欧洲。早在1 9 8 2 年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统 在运营，例如北欧多国的n m t ( 北欧移动电话) 和英国的t a c s ( 全接入通信系统) ，西欧 其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲 统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1 9 8 2 年北欧国家向c e p t ( 欧洲邮电行政大) 提 交了一份建议书，要求制定9 0 0 m h z 频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了 一个在欧洲电信标准学会( e t s i ) 技术委员会下的“移动特别小组”( g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) 简称“g s m ”，来制定有关的标准和建议书。 1 9 8 6 年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8 个建议系 统进行了现场实验。 1 9 8 7 年5 月g s m 成员国就数字系统采用窄带时分多址t d m a 、规则脉冲激励线性预 测r p e - - l t p 话音编码和高斯滤波最小移频键控g m s k 调制方式达成一致意见。同年，欧 洲1 7 个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录( m o u ) ，相互达成履行规范的协议。与 此同时还成立了m o u 组织，致力于g s m 标准的发展。 1 9 9 0 年完成了g s m 9 0 0 的规范，共产生大约1 3 0 项的全面建议书，不同建议书经分组 而成为一套1 2 系列。 1 9 9 1 年在欧洲开通了第一个系统，同时m o u 组织为该系统设计和注册了市场商标，将 g s m 更名为“全球移动通信系统”( g i o b a ls y s t e m f o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 。从此移动通 信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1 8 0 0 m h z 频段的公 共欧洲电信业务的规范，名为d c s l 8 0 0 系统。该系统与g s m 9 0 0 具有同样的基本功能特性， 因而该规范只r 叶g s m 建议的很小一部分，仅将g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 之间的羔l l l i 以描述， 绝大部分二二者是通 的，二系统均可通称为g s m 系统。 1 9 9 2 年人多数欧洲g s m 运营者开始商州业务。到1 9 9 4 年5 月已有5 0 个g s m 网在世 界上运营，1 0 月总客户数已超过4 0 0 万，国际漫游客户每月呼叫次数超过5 0 0 万，客户平 均增长超过5 0 。 1 9 9 3 年欧洲第一个