（通信与信息系统专业论文）远程无线定位与多路数据采集传输系统.pdf

摘要 论文题目：远程无线定位与多路数据采集传输系统 学科专业：通信与信息系统 研究生：白红燕 指导教师：蒲红斌副教授 摘要 签名：鱼红垫 签名：蔼也然 现代科技的迅猛发展、交通智能化程度的不断提高，对车辆、船只等移动物体进行 实时定位与监控逐渐成为了一个新的话题。例如在智能交通领域对运钞车、公交、出租 等车辆的监控系统能够良好地解决汽车安全、城市交通拥堵、运输资源不当等问题。目 前，由于实际运输物品的特殊情况，货物的许多参数显得尤为重要，需要对这些重要参 数进行无线传输监控。针对移动目标上多个状态信息监控的要求，本文提出了一种远程 无线定位与多路数据采集传输系统，实现对移动目标的位置信息以及多路状态信息进行 无线监控，更加确保了安全性能。 本文深入研究了远程无线定位与多路数据采集传输系统所涉及的重要理论技术；设 计了系统总体方案，提出了一种以a t m e g a l 2 8 为核心控制器，配合g p s 、g p r s 等模块 构成监控系统移动终端的设计方案；文中给出了各个模块的具体选型及硬件电路，设计 了系统的硬件原理图并制作电路板；在i c ca v r 编译环境下进行了系统程序的开发，实 现了g p s 信息的解析、显示及发送等功能；在p r o t e u s 仿真环境下对采用可编程增益放大 器的多路数据采集系统进行了硬件及软件的仿真实验，得出正确结果；在v c 6 0 环境下 进行了监控中心的开发，实现网络通信、电子地图等功能。 本系统对于移动目标的位置和其它信息的远程监控有一定的参考及现实意义。 关键词：无线监控；g p s ；g p r s ；p g a 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：r e m o t ew i r e l e s sl o c a t l o na n dm u l t i c h a n n e ld a t a a c q u i s l t l o na n dt r a n s m i s s l 0 ns y s t e m m a j o r = c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：h o n g y a nb a i s u p e r v i s o r = a s s o c i a t ep r o f h o n g b i np u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m t e c h n o l o g y ，t h ei m p r o v e m e n to ft r a f f i ci n t e l l i g e n c e ， r e a l - t i m ep o s i t i o n i n ga n dm o n i t o r i n gf o rv e h i c l e s ，s h i p sa n do t h e rm o v i n go b je c t sh a sb e c o m ea n e wt o p i c f o re x a m p l e ，i nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n ，c a s ht r u c k ，b u sa n dt a x i m o n i t o r i n gs y s t e mc a ns o l v et h ep r o b l e m so fv e h i c l es a f e t y ，u r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o n ，i m p r o p e r u s eo ft r a n s p o r tr e s o u r c e sa n ds oo n a tp r e s e n t ，b e c a u s et h es p e c i a lc i r c u m s t a n c e so ft h ea c t u a l t r a n s p o r tg o o d s ，m a n yp a r a m e t e r so ft h eg o o d sa r ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t ，s ow en e e dt od e s i g n aw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mf o rt h e s ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s a i ma tt h er e q u i r e m e n to f m o v i n gt a r g e t s m a n ys t a t u si n f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，t h i sp a p e rp r e s e n t sar e m o t ew i r e l e s s l o c a t i o na n dm u l t i c h a n n e ld a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，r e a l i z i n g w i r e l e s s m o n i t o r i n gf o rl o c a t i o ni n f o r m a t i o na n dm u l t i c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o no fm o v i n gt a r g e t s ， a n dm o r et oe n s u r et h es a f e t y t h i sa r t i c l es t u d i e sd e e p l yt h ek e yt h e o r i e sa n d t e c h n i q u e so ft h er e m o t ew i r e l e s sl o c a t i o n a n dm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ；d e s i g n st h es y s t e mo v e r a l ls o l u t i o n ， p r e s e n t sad e s i g ns o l u t i o n ，i tt a k e sa t m e g a l2 8a st h ec o r ec o n t r o l l e r ，a n dt a k e sg p s ，g p r sa n d o t h e rm o d u l e st oc o m p r i s em o n i t o r i n gs y s t e mm o b i l et e r m i n a l ；t h i sp a p e rg i v e st h es p e c i f i c s e l e c t i o no fe a c hm o d u l ea n dh a r d w a r ec i r c u i t s ，d e s i g n st h eh a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h e s y s t e ma n dc o m p l e t e st h ec i r c u i tb o a r d ；d e v e l o p st h es y s t e mp r o g r a mi ni c ca v rc o m p i l e r e n v i r o n m e n t ，t h ef u n c t i o n so fa n a l y z i n g ，d i s p l a y i n ga n ds e n d i n gg p si n f o r m a t i o nh a v eb e e n r e a l i z e d ；s i m u l a t e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee x p e r i m e n t so fm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do np r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e ri np r o t e u ss i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，a n dt h e c o r r e c tr e s u l t sh a v eb e e ng o t ；d e v e l o p st h em o n i t o r i n gc e n t e ri nv c 6 0c o m p i l e re n v i r o n m e n t ， r e a l i z e st h ef u n c t i o n so fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o n i cm a p t h i ss y s t e mh a sc e r t a i nr e f e r e n t i a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rr e m o t em o n i t o r i n go f i i i 西安理工大学硕士学位论文 l o c a t i o na n do t h e ri n f o r m a t i o no fm o v i n gt a r g e t s k e yw o r d s ：w i r e l e s sm o n i t o r i n g ；g p s ；g p r s ；p g a i v 目录 目录 1 绪论1 1 1 论文的选题背景与意义l 1 2 国内外研究进展2 1 3 论文的主要内容及结构安排4 2 系统总体概述及相关技术5 2 1 系统功能需求5 2 2 系统概述5 2 2 1 远程无线定位系统5 2 2 2 多路数据采集传输系统6 2 3 相关技术7 2 3 1 全球定位系统g p s 7 2 3 2g p r s 无线通信方式9 2 3 3 可编程增益放大器1l 2 3 4g i s 地理信息系统13 3 移动终端硬件设计1 5 3 1 控制器部分。15 3 1 1 基本介绍1 5 3 1 2 相关电路。1 7 3 2g p s 模块1 9 3 2 1 基本介绍1 9 3 2 2 相关电路1 9 3 3g p r s 模块2 0 3 3 1 基本介绍2 0 3 3 2 相关电路2 1 3 4 多路数据采集模块2 5 3 4 1 基本介绍2 5 3 4 2 相关电路一2 7 3 5 显示模块2 7 3 6 电源部分2 8 3 7 移动终端总体电路图3 0 3 7 1 原理图3 0 西安理工大学硕士学位论文 3 7 2p c b 图31 4 移动终端软件设计3 3 4 1 开发环境3 3 4 1 1i c ca v r 。3 3 4 1 2 ，l 1 ，rs t u d i o 3 4 4 2 软件总流程3 4 4 。3 串口接收g p s 数据3 5 4 4g p s 模块相关程序设计及结果，3 6 4 4 1g p s 信息格式介绍及解析流程3 6 4 4 2g p s 信息解析及液晶显示结果3 7 4 5 采用可编程增益放大器的多路数据采集4 0 4 6g p r s 模块相关程序设计及结果4 2 4 6 1 数据传输格式4 2 4 6 。2a t 指令4 3 4 6 3 处理器控制模块程序设计4 4 5 监控中心4 7 5 1 总体设计4 7 5 2 功能实现4 8 5 2 1 网络通信4 8 5 2 。2 数据库4 9 5 2 3 电子地图5 0 6 总结与展望5 1 6 1 论文总结5 1 6 2 展望51 致谢5 3 参考文献5 5 绪论 1 绪论 1 1 论文的选题背景与意义 随着社会经济的飞速发展，车辆、船只等交通工具的数量迅速增加，导致许多领域 ( 如航海、公安、消防、公交、铁路等部门) 对这些移动目标进行实时定位与监控的需求 越来越普遍。与此同时，个人用户对移动目标的定位需求也大大增加。近年来，车辆数量 的迅速增长给人类生活提供了极大的便利，但同时也产生了很多问题。城市交通拥堵、运 输资源利用不当、汽车安全等相关问题愈来愈严重。运钞、公交、货运、出租、警用车的 监控、科学管理及合理调度已经成为交通系统中比较重要的问题，而针对这些问题最行之 有效的解决办法便是对移动目标进行定位跟踪并将目标的位置等信息实时地传输至监控 指挥中心，监控中心参考这些信息做出合理的指挥操作。因此，移动目标监控系统应运而 生，它主要由移动终端、监控中心及通信网络三个部分组成。移动终端负责完成终端的定 位及数据的发送，同时接收并执行监控中心发来的命令；通信网络实现移动终端和监控 中心之间信息的交互；监控中心主要负责接收并处理移动终端发来的有用数据，甚至能 够利用电子地图准确形象地显示终端的位置与状态，监控人员便可以根据实际需要进行 合理的指挥及调度【l 吲。 移动目标监控系统的社会意义、市场需求及应用前景不言而喻。它可以为各个行业 减少不必要的损失、提供极为便利的条件，进而大大提高企业运营效率。对于物流公司 来讲，可以节省时间、减少开支、提高效率【3 j ；对于公交汽车公司来讲，可以实现自动 报站、合理调度；对于露天矿卡车来讲，可以实现自动化调度卜6 】；对于私家车租赁车来 讲，可以保障安全、防止被盗；对于出租车来讲，可以保证安全、降低空载率、方便乘 客【lo 】。因此，移动目标监控系统的研究与开发有着不可比拟的价值与意义【7 叫。 监控与数据采集系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，简称s c a d a ) 是一种 能够对现场生产过程及设备状态进行监控、数据采集、参数测量控制的系统【】。随着现 代化技术与信息化产业的发展，许多工业及其它领域需要对生产过程及设备参数进行实时 检测、智能管理。s c a d a 系统的运用为这些企业提供了便利条件，提高了运营效率。该 系统最初主要由两部分组成：数据采集处理系统及微机系统，前者由单片机构成，后者由 p c 机构成。通信方式大都采用串行接口、有线m o d e m 等方式，成本低且实用性强。但 是，随着企业规模的逐渐扩大，先前的有线方式明显已经不能满足对遥远设备及生产现场 监测的要求，因此需要对数据进行无线传输【l2 1 ，随之便产生了无线通信方式的s c a d a 系统，即无线数据采集传输系统。 受以上移动目标监控系统、监控与数据采集系统的启发，考虑到现实中有时候需要 对移动目标上的多个信号进行采集并实现无线监控，比如在运输易燃、易爆、腐蚀、放 射性等危险品时，运输的风险大，事故造成的后果严重，因此必须保证运输安全，对所 西安理工大学硕士学位论文 运输的危险品的多个相关参数( 温度、湿度、压力等) 进行实时监控，遇到危险情况及时 采取有效措施避免事故发生；在运输特殊疫苗的时候，温度不当会导致疫苗失效，因此需 要对温度信息进行实时监控提高运输的高效性；目前用于检查酒后驾车的酒精含量探测器 一般都是为警察设计的执法检测工具，检查的主动性来自于警察，由于车辆之多交警不 可能对每辆车进行检查，因而设计一种车内放置的检测器，并对酒精含量进行实时无线 监控可以降低漏检率、提高效率、保障安全、降低事故发生率；对车内油量的监控可以 防止公车私用；对车内有害气体的监控可以保障车主安全等等。随着经济与科技的发 展，人们对移动目标相关信息的需求也越来越大，鉴于此，本文提出了一种远程无线定 位与多路信号采集传输系统，实现对移动目标的g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 定位信 息及其它多路信号进行无线传输监控。 1 2 国内外研究进展 移动目标监控系统是一种高科技系统，它包括g p s 、g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) 、无线通信技术以及计算机软件、通信网络等技术。其主要目的是实现对移动目 标的位置信息进行实时传输，然后监控中心借助其后台强大的数据库以及完善的电子地 图功能记录数据、显示目标的运动轨迹，并且对目标进行合理的调度管理，以提高工作 效率，保障安全【r j 。 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 ，i t s ) 是在此系统的基础上逐步发展起来 的，它将定位导航、通信、计算机等技术运用于交通领域，给人类社会提供了极大的便利 条件，有效地解决了困扰人类生活的社会交通问题【1 3 1 4 j 。 i t s 出现于2 0 世纪9 0 年代初，全世界每年都在为i t s 投入大量的人力、物力、财力 进行研究应用。当前，国际上i t s 已经形成三强鼎立的局面。美国以“智能车辆公路系 统”为代表，欧洲以“尤里卡”计划为代表，日本以“动态交通信息系统”为代表。目 前城市交通及高速公路两个方面的应用是国外对i t s 研究与开发的主要领域，智能交通 系统从单一运输逐渐向综合运输智能化发展【l 引。 然而，国内对先进技术的研究也不甘落后，在9 0 年代便开始研究将g p s 、g i s 技术 合理地应用于车辆定位、导航、监控等领域，其发展趋势总体上可以分为三个阶段： 1 9 9 4 1 9 9 8 年，当时先进的技术没有普遍成熟，应用市场也不够广阔，因此这一阶段没有 形成车辆监控系统的应用规模，理论研究多于实践，为后续研究建设做出了铺垫。 1 9 9 9 2 0 0 3 年，伴随着g s m 短消息业务的逐步成熟，系统的无线通信难题也随之解决， 与此同时，2 0 0 0 年5 月美国s a 政策的取消也极大地促进了该系统更大范围的研究，因 此这一阶段进入了以g p s 、g s m 、g i s 技术为基础的车辆监控系统的首次研发高潮。 2 0 0 4 年至今，随着通信技术的迅速发展，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 ) 、 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 网络的逐渐成熟完善为该系统提供了有利的通信支 2 绪论 撑条件，因此这一阶段开始了以g p r s 、c d m a 技术为基础的车辆监控系统的研究与应 用【1 6 1 。7 1 。然而目前国内对该系统的研究与开发仍然是针对某一单独地区进行的，形成的 系统较小，还没有在全国范围内形成智能交通系统的研究计划，不过相关部门正在投入精 力进行这方面的研究【_ 7 1 。另外，根据随机调查显示，国内的车载导航监控系统依然不够 普及，用户对该系统的认可度有待更进一步的提高，因此该系统只有不断继续完善才能 满足用户对其多样化的要求【1 8 】。 监控与数据采集系统( s c a d a ) 作为一种高科技系统也同样应用于广泛的领域。 s c a d a 发展至今已经经历了四代：2 0 世纪7 0 年代以专用计算机及操作系统为基础的 第一代s c a d a 。2 0 世纪8 0 年代以通用计算机为基础的s c a d a ，该系统主要采用 v a x 等计算机和u n i x 操作系统。前两代s c a d a 系统有一些共同点，比如，采用的计 算机系统都是基于集中式计算机、系统开放性较差、维护及升级比较困难。第三代2 0 世纪9 0 年代大范围联网的s c a d a ，该系统以分布式计算机网络及数据库技术为基础， 此阶段是我国s c a d a 发展最快的阶段。第四代s c a d a 系统主要采用移动通信、面向 对象、因特网、神经网络等技术，并且扩大s c a d a 与其它系统的集成应用【1 1 】【1 9 】。 9 0 年代我国的s c a d a 系统设备几乎完全靠国外进口。近年来由于国内对s c a d a 技术更进一步的研究，国产s c a d a 技术水平随之不断提高，从图1 1 国内外s c a d a 产 品的分布图【2 0 】中可以看出，目前已经有6 0 的用户采用国产s c a d a 产品，可见国内 s c a d a 系统在逐步的发展完善中。 图1 - 1 国内外s c a d a 产品分布 f i g 1 1s c a d ap r o d u c t sd i s t r i b u t i o na th o m ea n da b r o a d 国外s c a d a 产品主要是针对自己公司开发的s c a d a 系统，目的是为自己提供服 务，这些产品在性能、可靠性、灵活性等方面都占有很大的优势，但缺点是价格比较昂 贵，不易让人接受。国内s c a d a 产品大多具有现场数据采集、报表分析等基本功能， 然而与国外产品相比，在各方面还有很大的进步空剐2 0 1 。 本文是在总结已有系统经验的基础上，结合移动目标监控系统、监控与数据采集系 统的理论知识，从低成本、低功耗的角度出发，研究设计一种远程无线定位与多路数据 采集传输系统，实现对移动目标的g p s 卫星信息( 位置、速度、时间、航向) 及其它多 路信号进行无线传输监控。 西安理工大学硕士学位论文 1 3 论文的主要内容及结构安排 本文在结合车辆监控系统实际应用的基础上，提出了一种远程无线定位与多路数据采 集传输系统，设计了一种行之有效的系统方案，并进行了硬件及软件的设计。 论文共分为六章： 第一章绪论：主要论述了本文产生的背景以及车辆监控系统和无线数据采集传输系 统的发展状况，指出远程无线定位与多路数据采集传输系统的研究意义。最后对本论文 的主要工作及论文结构安排进行了介绍。 第二章系统总体概述及相关技术：从系统所需入手，阐述系统的组成及各部分要实 现的功能，并介绍了系统涉及到的主要相关技术，包括g p s 全球定位系统，g p r s 无线 通信方式，g i s 地理信息系统及可编程增益放大器。 第三章移动终端硬件设计：从硬件上对移动终端各个模块的划分，介绍了各个模块 的具体选型、相关使用介绍及涉及到的具体电路。 第四章移动终端软件设计及实验结果：介绍了软件开发环境，以及移动终端的整个 工作流程、各部分的具体软件设计，并给出了实验结果。 第五章监控中心：介绍了监控中心的功能、组成及模块划分，并对电子地图、数据 库、网络通信等模块采用的技术作以简单叙述，最后给出结果。 第六章总结与展望：对论文所做工作进行总结，并对系统存在的问题进行分析，对 今后的改进和发展作出了展望。 4 系统总体概述及相关技术 2 系统总体概述及相关技术 2 1 系统功能需求 针对移动目标上的多个信号进行监控的需求，本文设计远程无线定位与多路信号采 集传输系统，目的是实现对移动目标的g p s 信息及其它多路信息进行无线监控。 该系统的主要功能如下： ( 1 ) 移动目标g p s 信息的采集，即定位功能； ( 2 ) 移动目标所需的多路信息的采集； ( 3 ) g p s 信息及多路数据的处理； ( 4 ) 移动目标与监控中心之间的通信，即信息的发送接收功能。 g p s 信息的采集需要通过一个安装在移动终端上的g p s 接收机来实现定位，多路信 息的采集需要设计多路数据采集系统，g p s 信息及多路数据的处理需要控制器来进行数 据的相关处理，移动目标与监控中心之间通过g p r s 通信网络实现信息的交互。 2 2 系统概述 远程无线定位与多路数据采集传输系统按照传输的信息可以分为两个部分，远程无 线定位部分主要完成g p s 信息的采集与发送，由g p s 接收机、微控制器、g p r s 通信模 块组成；多路数据采集传输部分主要完成用户所需的多路数据( 如温度、湿度、压力等) 的采集与传输，由多个传感器、可编程增益放大器、a d 转换、微控制器、g p r s 通信模 块组成。两个系统只是前端采集的信息不同，实际应用中将二者合并为一个系统，采用 一个微控制器，一条通信链路，实现监控中心对移动终端定位及状态信息的无线监控。 2 2 1 远程无线定位系统 无线定位系统主要功能是对移动目标进行实时定位监控。该系统由移动终端、通信 网络、监控中心三部分组成。移动终端是本文的重点，终端的所有信息都通过该部分获 得，不仅能够接收g p s 信息，还要具备一定的数据处理能力及网络通信功能。 系统的整个工作过程为：移动终端通过g p s 接收机接收卫星信息，解析出目标当前 的经度、纬度、速度、时间等信息，由微控制器对信息进行解析、处理、封装，然后通 过g p r s 通信网络传输至监控中心，监控中心对数据进行接收、处理，可实现对移动目 标的实时监控、科学管理。 该系统的组成如图2 1 所示，移动终端完成定位信息的采集与发送，通信网络负责 移动终端与监控中心之间信息的交互，监控中心完成信息的接收与相关处理。 西安j l z 大学硕士学位论文 图2 1 远程无线定位系统组成 f i g 2 1c o m p o s i t i o no ft h er e m o t ew i r e l e s sl o c a t i o ns y s t e m 2 2 2 多路数据采集传输系统 数据采集系统是一种较为普遍应用的系统，其任务是采集前端传感器输出的模拟信 号，经过相关处理，将其转换为数字信号，送入计算机进行记录、处理等操作，以实现 对前端信号的监控6 1 。多路数据采集预处理系统一般由传感器、多路复用开关、信号调 理放大、模数转换组成2 1 1 ，如图2 - 2 所示。 l 传感器l 多 兰 1 日 路 县 模 | ；l 传感器2 复 卜调a数 用 沙 理 桂 十 开放换 辇 大 l 传感器n 图2 - 2 多路数据采集预处理系统组成框图 f i g 2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo fm u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o na n dp r e p r o c e s s i n gs y s t e m 而此处考虑到实际应用中多路信号因自身特点会有很大差异( 如幅值等) ，如果采用 固定增益的放大器件，即无论输入信号幅值大小都统一进行放大，由于a d 转换具有一 定的量程范围，因而会严重影响转换精度。因此必须对各路信号进行有区别的预处理， 对微弱小信号进行高增益放大，对强信号进行低增益放大，在此采用可编程增益放大 器，实现对多路信号的不同增益处理。 综上所述，此处多路数据采集传输系统由传感器、多路信号处理放大、a d 、控制 器、通信网络、监控中心组成，如图2 3 所示。 6 9 一 蚴 辩， 一o一 系统总体概述及相关技术 攀鲫加卜? 豢，函嗲 ! ；磐t j 氛 ” 、一一7 碡恧露i 势- - 一 移动终端 图2 3 多路数据采集传输系统组成 f i g 2 - 3c o m p o s i t i o no fm u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 2 3 相关技术 监控中心 该系统是一个融合了多种先进技术的高科技系统，涉及的主要技术有全球定位系统 ( g p s ) 、g p r s 移动通信技术、可编程增益放大( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ，p g a ) 、 地理信息系统( g i s ) 。各部分介绍如下。 2 3 1 全球定位系统g p s 全球定位系统( g p s ) ，是美国国防部于1 9 7 3 年组织海陆空共同研究建立的卫星导 航系统。该系统从提出到建成使用，一共历经2 0 多年，耗资数百亿美元。g p s 很大程度 上解决了实际应用中的导航与定位问题，不仅可以广泛应用于海陆空领域，而且能够成 功地应用于各种民用部门。该系统以卫星为基础实现无线电导航定位，具有全球性、全天 候、连续性、实时性等特点。 a g p s 系统组成 g p s 系统由3 部分组成，即空间卫星星座部分、地面监控部分和用户设备部分，各 部分相应功能如下 2 2 2 3 】。 ( 1 ) 空间部分 g p s 空间星座由2 4 颗卫星组成，这2 4 颗卫星平均分布在6 个等间隔的轨道上，即 每个轨道上均匀分布4 颗卫星。卫星分布在大约2 0 0 0 0 k m 的高空，运行周期为1l h 5 8 m i n 即大约1 2 h ，这样配置的目的是实现2 4 小时全球覆盖。因此用户不管在什么地方，都能 够同时接收到4 颗以上卫星发射的定位信号，以实现全球性、全天时、连续不断的定 位。空间卫星的主要作用是提供星历及时间等信息，发射伪距及载波信号。 ( 2 ) 地面部分 地面监控部分由1 个主控站、3 个注入站、5 个监控站组成，它们分布于地球上的5 个地点，形成一个全世界范围的地面监视网。该部分的主要作用是监视运行于高空的各卫 西安理工大学硕士学位论文 星的工作状态，控制整个卫星系统，以实现时间的同步及对跟踪卫星的定轨。 ( 3 ) 用户部分 用户设备通俗地说就是g p s 接收机，接收机主要完成的任务是接收卫星信号，以得 到必要的数据参数，进行处理后，实现导航定位功能。 b g p s 卫星信号 g p s 卫星信号就是卫星向用户发送的调制波，该信号含有3 种成分：数据码( d 码， 或称为基带信号) 、测距码( c a 码和p 码或y 码) 、载波信号( l 。、l ，) 。这些信号 都由频率为1 0 2 3 m h z 的时钟基准信号产生，利用频率合成器产生需要的频率【2 3 1 。 ( 1 ) 数据码 数据码中包含有卫星星历、测距时间标志等信息，是一组二进制序列。这些码元是 g p s 导航定位必不可少的数据基础，又称为导航电文。 ( 2 ) 测距码 甜o ) 为一组完全无规律的码序列，在某一，时刻，码元是0 或l 随机出现的概率均为 1 2 ，这种序列称为随机噪声码序列。g p s 信号就是利用这种序列良好的自相关性从而得 到成功定位的。 g p s 卫星根据其时钟发射出某种特定结构的测距码，经过时间f 该码元传播到接收 机，接收机在自己的时钟下产生相同结构的测距码( 称为复制码) ，并通过时延器延时f 时刻把这两组测距码进行相关运算，如果自相关系数r ( t ) 1 ，则继续调整f 直到 r ( t 1 = l ，此刻接收机的复制码与收到的测距码完全对齐，此时的时间f 便是信号从卫星 到接收机的传播时延f 。由于卫星发射的信号是一种无线电信号，传播速度等于光速 c ，因此卫星与接收机之间的距离就是f c 。 ( 3 ) 载波信号 g p s 使用l 频段的两种载频。l 。载波频率f l l = 1 5 4 xf o = 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长 k = 1 9 0 3 2 c m ；l 2 载波频率 2 = 1 2 0 f o = 1 2 2 7 6 m h z ，波长九2 = 2 4 4 2 c m 。l 1 载波上 调制c a 码、p 码和d 码，l ，载波上调制c a 码和d 码，因此g p s 卫星发射的信号是 将导航电文d ( t ) 经过第一级调制到高频c a 码和p 码，以实现对d ( t ) 的伪随机码扩 频，然后第二级调制到l ，和l ，上形成的信号。 c g p s 基本定位原理 g p s 定位方法有很多种，包括伪距定位法、多普勒定位法、载波相位定位法等。此 处以伪距定位法为例介绍g p s 定位原理。伪距定位法是测出接收机在t 时刻4 颗以上卫星 到接收机之间的伪距，在己知卫星位置的前提上，利用距离交会的原理求出接收机所处 位置的三维坐标。以4 颗卫星为例，定位原理如图2 4 所示【2 4 1 。 系统总体概述及相关技术 卫星1 ( x l ，y l ，z 1 ) | 影， 待测位置 ( x y z ) 图2 4 g p s 定位原理 f i g 2 - 4p r i n c i p l eo fg p sp o s i t i o n i n g 假设f 时刻在地面待测位置上放置一台g p s 接收机，可以测出各个卫星到达接收机 的传播时延缸，加上接收机收到的卫星星历等相关数据，能够得到以下4 个方程式，如 式2 1 所示： 瓜i 再百i k f 了+ c r v 加) ：d ， 瓜= 再石i 河瓦万+ c “：砜) ：d ： g - - x ，) 2 + c y y 3 ) 2 + ( z z ，) 2 + c ( v ，一y t o ) = d ， 1 厂。：= 一 ( 2 ) 瓜i 再石i 汇f 可+ c o 圹v ，。) ：d 。 式中： x ，y ，z ，( f = 1 , 2 ，3 ，4 ) 分别为由导航电文得到的4 颗卫星r 时刻的空间直角坐标。 v t i ( f = 1 , 2 ，3 ，4 ) 分别为卫星星历得到的4 颗卫星的时钟差。 d ，= c xa t ，( 江1 , 2 ，3 ，4 ) 分别为4 颗卫星与接收机之间的距离。 a t ，( f = 1 , 2 ，3 ，4 ) 分别为4 颗卫星发射的信号达到接收机经历的时间。 c = 3 x 1 0 8 m s 为g p s 信号传播速度。 通过求解此方程组，便可以得到待测位置的坐标g ，y ，z ) 及接收机的钟差v ，。1 2 4 】。 2 3 2g p r s 无线通信方式 无线定位系统需要通信网络的支持才能实现信号的无线传输，随着信息科学技术的 发展，通信领域的发展也异常迅速，从有线到无线，从语音传输到数据、图像的传输等 方面都实现了很大的跨越与突破【3 8 3 9 1 。目前在工业、交通等领域应用的无线数据传输技 术主要有3 种：超短波、g s m 短消息、g p r s 方式。现阶段最为常用的是g s m 短消息和 9 扰氐 嗡餐强甏 啭 西安理工大学硕士学位论文 g p r s 通信方式。三种方式各方面性能参数如表2 1 所示。 表2 1 三种通信方式性能比较 t a b 2 - 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f t h r e ek i n d so f c o m m u n i c a t i o n 超短波g s m 短消息g p r s 频率2 3 0 m h z 工业频段 9 0 0 m h z 18 0 0 m h z9 0 0 m h z 18 0 0 m h z 传输速率 1 2 0 0 1 9 2 k 每条1 4 0 b y t e s 高速 传输距离1 0 k m 内可靠传输不受限( 网络覆盖内) 不受限( 网络覆盖内) 传输费用 需加微波管理费用 按短信条数收费 按流量收费 一 一 实时性尚向高 一 可靠性 一般高局 组网方式适合小规模应用可作为备用通道灵活，可大规模应用 抗干扰性较好强强 本文设计中需要数据进行实时、高速传输，选用g p r s 作为无线传输方式。g p r s ( 通用分组无线业务) 通过升级第二代g s m 网络来实现。由于它介于第二代移动通信和 第三代移动通信之间，通常称为2 5 g 。g p r s 具有与g s m 相同的t d m a 帧结构，因此 在目前现有的基站子系统上就能够进行g p r s 网络的全面覆盖。g p r s 网络因具有接入速 度快、能够与现有数据网无缝连接等特点，特别适用于突发性、间断性数据的频繁或少 量传输。从目前的实际应用情况看，以g p r s 作为通信网络进行数据传输拥有很广泛的 应用范围以及广阔的市场前景。 a g p r s 网络结构 将现有的g s m 网络升级为g p r s 网络需要增加s g s n 、g g s n 两个主要单元，其中 s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n g n o d e ) 即g p r s 服务支持节点，主要负责分组的路由选 择及传输，将分组传递给移动台。g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 即g p r s 网 关支持节点，用于和外部网络进行连接，相当于g p r s 路由器，g g s n 能够把g s m 网络 中的g p r s 分组数据进行相应的协议转换，进而传送到其它网络【2 5 | 。 用 图2 5g p r s 网络结构 f i g 2 - 5g p r sn e t w o r ks t r u c t u r e g p r s 网络系统结构如图2 5 所示。与g s m 采用的电路