无线列调机车定位技术的研究毕业论文.doc

无线列调机车定位技术的研究毕业论文 目 录 摘摘 要要 I I 第第 1 1 章章 无线列调及无线列调及 GISGIS 技术的机车实时动态跟踪系统技术的机车实时动态跟踪系统 1 1 1 1 基于无线列调技术的 机车实时动态跟踪系统 1 1 1 1 无线列调技术简介 1 1 1 2 无线列调系统的功能和制式 1 1 1 3 铁路的无线列调系统 2 1 2 基于 G IS 技术的列车运行定位系统 3 1 2 1 GIS 技术简介 3 1 2 2 列车定位系统 3 1 2 3 列车运行定位系统的组成 4 第第 2 2 章章 基于基于 ZIGBEEZIGBEE 无线传感网络的机车定位系统无线传感网络的机车定位系统 7 7 2 1 ZIGBEE无线技术简介 7 2 1 1 ZigBee 无线技术的概念 7 2 1 2 Zigbee 的技术特点 7 2 1 3 ZIGBEE 的自组织网 8 2 1 4 标准制定 8 2 2 基于 ZIGBEE技术的无线消防报警定位系统 8 2 2 1 无线火灾报警系统 8 2 2 2 无线消防报普定位系统总体设计 8 第第 3 3 章章 基于基于 GPSGPS 定位系统的机车定位系统定位系统的机车定位系统 1212 3 1 GPS 原理概述 12 3 1 1 GPS 技术简介 12 3 1 2 GPS 的信号 14 3 1 3 导航信息 14 3 1 4 GPS 的误差 15 3 1 5 GPS 定位的基本原理 15 3 1 6 观测值 16 3 1 7 定位模式 17 I 3 1 8 运动状态 17 3 1 9 在汽车跟踪中的应用 17 3 1 10 GPS 汽车跟踪器 17 3 1 11 GPS 定位平台 18 3 1 12 使用注意事项 18 3 1 13 影响因素 19 3 2 GPS 技术在机车头灯自动寻迹中的应用 19 3 2 1 机车头灯自动寻迹的可行性分析 19 3 2 2 系统整体解决方案 20 3 2 3 机车头灯自动寻迹系统的工作原理 20 3 2 4 机车头灯自动寻迹系统的软件构成 21 致致 谢谢 2424 参考文献参考文献 2525 0 第第1 1章章 无线列调及无线列调及GISGIS技术的机车实时动态跟踪系统技术的机车实时动态跟踪系统 1 1 1 1 基基于于无无线线列列调调技技术术的的 机车实时动态跟踪系统机车实时动态跟踪系统 1 1 11 1 1 无线列调技术简介无线列调技术简介 列车无线调度电话 简称无线列调 是重要的铁路行车通信设备 号称列车行车 三大件 之一 在保证列车正点运行 降低机车能耗 提高通过能力 通告险情 防止事故 救援抢险等各方面都具有重要的 作用 无线列调系统负责列车的位置和运行方向 其工作成员包括行车 调度员 车站值班员 助理值班员 机车司机 运转车长等 机车司机和运转车长 一般是客运 均处于运行的列车上 共同负 责列车的运行 在每个车站 有一名车站值班员和若干名助理值班员 负责本车站管辖范围内的列车运行 助理值班员一般工作在室外 而车 站值班员在车站室内操作指挥 行车调度员位于调度所 一般一个调度 所管理多个车站 因而行车调度员的管辖范围大于车站值班员的管辖范 围 1 1 1 1 2 2 无无线线列列调调系系统统的的功功能能和和制制式式 无线列调系统的主要问题是解决 大三角 和 小三角 通信 大三角 通信是指行车调度员 车站值班员和机车司机之间的通信 小三角 通信是指车站值班员 机车司机和运转车长之间的通信 归 纳起来有一下主要功能 1 行车调度员按车次号个别呼叫司机并通话 2 行车调度员能够对该调度区段内的所有机车进行全呼 通话 以及发出通告 3 行车调度员可呼叫某个车站的车站值班员和该车站管辖范围内 的所有司机 紧急情况下 行车调度员可优先与司机通话 4 司机可呼叫当前所在调度区段的行车调度员 5 紧急情况下 司机可向行车调度员发出紧急呼叫并通话 6 司机呼叫行车调度员时 调度所设备能够存储机车呼入 7 司机与临近机车司机之间可组呼通信 8 相邻车站值班员之间可进行通话 9 车站值班员 助理值班员 司机 运转车长之间可以通话 10 调度总机 车载台和机车台具有录音功能或录音接口 11 行车调度员向司机发送调度指令并在机车台显示 司机向行车 1 调度员发送报告并在调度台显示 非话音信息由调度所设备和机车设备 分别打印记录 12 调度所设备 车站台和机车台之间具备双向数据传输功能 可 以传送实时数据 短数据或报文数据 13 调度所设备应具有人工转接铁路电话交换网的功能 根据组网方式及设备功能的不同 铁路现有列车无线调度通信系统 采用 A B C 三种制式完成上述功能 三种制式均采用有线 无线相结 合的组网方式 车站台和机车台 便携台之间的通信采用无线方式 调 度台至车站台之间采用有线方式 数字电路或四线制音频话路 A 制式的通信方式是 调度员 车站值班员与司机之间采用双工通 信方式 车站值班员 助理值班员 司机 运转车长之间采用半双工或 单工通信方式 移动用户之间采用异频单工通话时 由车站台 区间中 继设备转信 B 制式的通信方式分 B1 和 B2 两种 B1 制式 调度员与司机之间 采用双工通讯方式 车站值班员 助理值班员 司机 运转车长之间采 用双工 半双工 单工方式 移动用户之间采用异频单工通话时 由车 站台 区间中继设备转信 B2 制式 调度员 车站值班员与司机之间 采用半双工通信方式 车站值班员 助理值班员 司机 运转车长之间 采用单工通信方式 移动用户之间采用异频单工通话时 有车站台转信 C 制式通信方式 调度员 车站值班员 助理值班员 司机 运转车长 之间的通话采用单工方式 1 1 31 1 3 铁路的无线列调系统铁路的无线列调系统 1 调度总机 调度总机是列车无线调度通信系统中的地面固定设备 设置在调度所 通过四线制有线线路与车站台连接 2 车站电台 B 制式车站台是专门为铁路车站设计的通信设备 该设备采用了最新 技术 操作简便 具有很多的专用功能 3 便携式车站电台 便携式车站设备 主要用于与机车电台 车站电台及手持台进行通话 便携台可通过内置电池供电 电池容量为 12 安时 在无外接电源的情 况下 可保证正常工作 8 小时以上 电池电量不足时有声光提示 便携台 可用专用的外接充电电源对内置电池充电 电池充满后充电器有相应提示 此外 便携台还设有按键及指示灯 便于测试和使用 4 通用机车台 本电台是通用式无线列调机车电台 它兼容 B C 制式机车台的所有 工作模式 安装在列车机车上 供司机使用 可用于机车与调度 车站 2 其它机车 车长之间通信联系 利用 GPS 全球卫星定位系统 按机车的运 行位置 适时控制机车电台的通信方式的变更 使之改变到与地面通信设 备一致的工作模式上 从而实现与地面通信设备正常通信的目的 当机车 在 GPS 的弱场区 如山区或隧道内 运行时 不能通过 GPS 定位来进行工 作模式的切换 该电台可以通过人工选择通信模式 保证机车可以与地面 通信设备进行正常通信 1 21 2 基于基于 G G ISIS 技术的列车运行定位系统技术的列车运行定位系统 1 2 11 2 1 GISGIS 技术简介技术简介 地理信息系统 GIS 技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息 分析技术 在资源与环境应用领域中 它发挥着技术先导的作用 GIS 技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息 对资 源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试 便于制定决策 进 行科学和政策的标准评价 而且可以有效地对多时期的资源环境状况及 生产活动变化进行动态监测和分析比较 也可将数据收集 空间分析和 决策过程综合为一个共同的信息流 明显地提高工作效率和经济效益 为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持 随着我国铁路的不断发展和提速 对运行列车进行实时定位和调度变 得越来越重要 为此开发了列车运行定位系统 采用 GPS 定位和 GSM 等 先进新技术 提高了数话兼容无线列调和定位的功能和可靠性 使我国的 无线列调的功能和作用加强 在系统技术上登上了一个新的台阶 1 2 21 2 2 列车定位系统列车定位系统 它是一种集全球卫星定位技术 GPS 地理信息技术 GIS 和现代 GSM 通信技术于一体的高科技系统 它将列车的动态位置 经度 纬度 时 间 状态等信息 实时地通过 GSM 传送至监控中心站 而后在具有地理信 息查询功能的电子地图上进行移动目标的显示 并可以对列车的位置 速 度 运动方向 车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询 为调度管 理提供了可视化依据 列车定位监控系统的结构如图 1 1 所示列车通过配 备的 GPS 接收机获取当前的位置 时间等信息 并把列车当前运行的状态 信息通过 GSM 通信链路向监控中心站发送列车当前位置和状态信息 在监 控中心站 接收机接收各次列车或各子监控中心的信息 有系统监控软件 对信息进行处理 通过通信控制器送往电子地图 显示监控区域内各次列 车的运行轨迹 系统由监控软件实现状态监控 并可利用 GSM 对各次列车 进行调度指挥 这样就实现了对各次列车的定位监控管理 列车定位监 控系统的功能 1 列车车次 地点位置信息的实时数据传输 2 调度指令 机车报告信息的短数据传输 3 图 1 1 列车运行定位系统示意图 3 机车工况 运况信息的长数据传输 4 调度选站呼 全呼机车 并可向机车发通告 5 机车紧急呼叫调度并通话 6 监控中心可以对全局或全国范围内的所有运行列车进行监控和 调度 1 2 31 2 3 列车运行定位系统的组成列车运行定位系统的组成 1 车载设备构成 GPS 列车监控系统的车载设备包括定位装置 数据传输装置 显示 语音接口等 如图 1 2 其功能主要是传输列车车次 位置实时信息 列 车状况 机车工况等数据信息 在电子地图上显示本次列车的实际位置和 相关参数 到达下一车站时 可提示司机与车站联系 图 1 2 车载设备组成 2 列车定位技术实现 列车定位装置采用 GPS 差分技术和 INU Ini tial Navigating Unit 组合的方法 GPS 差分技术的精度可以达到 10m 由车载设备接 4 收 GPS 卫星发来的信号并解算出定位信息 INU 此处为角速度传感器 陀螺仪和车速传感器 的信号能够保证定位的连续性 使得 GPS 接受基因 卫星跟踪不到或卫星数不够时系统仍能定位 GPS 接收机和 INU 工作完全 是自动切换 利用 INU 进行航位推算以 GPS 的定位数据作为起始位置 航位推算的基本原理如图 1 3 所示由于列车的运动可以看作是在二维平面 X Y 上的运动 如果已知列车的起始位置和初始方位角 与北向的夹 角 顺时针为正 再通过实时测量列车行驶的距离和方位角的变化 就 可以推算出列车下一时刻的位置 图 1 3 航位推算图 数据传输装置利用 GSM 和 GSM MODEM 组合的方式 实现短信息的安 全 可靠传输 显示器用于显示对列车导航的相关信息 语音接口实现监 控中心与司机或列车长进行通话 3 定位系统的通信组网 我国目前已建成了覆盖全国的 GSM 数字蜂窝移动通信网 是我国公众 陆地移动通信网的主要方式 它提供多种业务 主要有话音业务 短消息 业务 数据业务等 选择那一种业务传送 GPS 列车定位数据对整个系统的 性能有很大的关系 在列车运行定位系统中选择了它的短消息 数据业务 GSM 的短消息业务分为两种 点对点短消息业务和短消息小区广播业务 点对点短消息业务能够使 GSM 数字移动通信网的用户可以发出或接收长度 有限 不超过 140 个字节 的数字或文字消息 并且短消息的收发不影响 通话 可以保证列车运行时的数话兼容 短消息业务可以使网络端知道被 叫方是否已经收到短消息 如果传送失败 被叫方没有回答确切消息 网 络一侧会保留所传的消息 一旦网络发现被叫方能被叫通时 消息能被重 发以确保被叫方能收到 短消息每次限制在 140 个字节以内 这对实时传 输列车的定位数据来讲是足够的 当监控调度中心需要列车在运行中的实时位置信息 列车运况 机车工况 等数据信息时 由于数据量比较大 可选用 GSM 的数据业务一起发送到监 5 控中心站 对于 GSM 的数据业务作为查询模式时的通信方案 在确定 GSM 的业务后 监控中心通过 GSM 通信网与移动或静止中的列车进行通话 短 息传输 4 调度中心监控软件 监控软件的主要功能是对每一局内或全国范围内运行的列车进行监控 和调度 统计每时刻车辆和线路的情况 具有强大的地图及 GIS 软件功能 完全数字化的地图 如图 1 4 包含精确的路网信息 点状要素 面状要 素和详细的属性信息 地图的无级放大 缩小 恢复和拖动 中国地图与 当地各地图之间的任意转换 每图各层之间的转换 地名模糊查询等 管 理功能强大 操作及为方便 图 1 4 调度中心电子地图 具有数据库管理及查询打印功能 采用 SQLSERVER 7 0 大型数据库管 理列车资料数据库 报警数据库 终端操作数据库 系统参数库等 6 第第 2 2 章章 基于基于 ZigBeeZigBee 无线传感网络的机车定位系统无线传感网络的机车定位系统 ZigBee 技术是一种近距离 低复杂度 低功耗 低速率 低成本的双 向无线通讯技术 主要用于距离短 功耗低且传输速率不高的各种电子设 备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据 间歇性数据和低反应时间 数据传输的应用 2 12 1 ZigBeeZigBee 无线技术简介无线技术简介 2 1 12 1 1 ZigBeeZigBee 无线技术的概念无线技术的概念 蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的 食物源位置等信息 这种肢体语言就是ZigZag 行舞蹈 是蜜蜂之间一 种简单传达信息的方式 借此意义Zigbee 作为新一代无线通讯技术的 命名 在此之前 Zigbee 也被称为 HomeRF Lite RF EasyLink 或 fireFly 无线电技术 目前统称为 Zigbee 简单的说 Zigbee 是一种高可靠的无线数传网络 类似于CDMA 和 GSM 网络 Zigbee 数传模块类似于移动网络 基站 通讯距离从标准 的 75m 到几百米 几公里 并且支持无限扩展 Zigbee 是一个由可多到 65000 个无线数传模块 组成的一个无线数 传网络平台 在整个网络范围内 每一个Zigbee 网络数传模块之间可 以相互通信 每个 网络节点间的距离可以从标准的 75m 无限扩展 与移动通信的 CDMA 网或 GSM 网不同的是 Zigbee 网络主要是为 工业现场自动化控制数据传输而建立 因而 它必须具有简单 使用方 便 工作可靠 价格低的特点 而 移动通信网 主要是为语音通信而建 立 每个基站价值一般都在百万元人民币以上 而每个Zigbee 基站 却不到 1000 元人民币 每个 Zigbee 网络节点不仅本身可以作为监控 对象 例如其所连接的 传感器直接进行数据采集和监控 还可以自动 中转别的网络节点传过来的数据资料 除此之外 每一个Zigbee 网 络节点 FFD 还可在自己信号覆盖的范围内 和多个不承担网络信息中 转任务的孤立的子节点 RFD 无线连接 2 2 1 1 2 2 Z Zi ig gb be ee e 的的技技术术特特点点 ZigBee 是一种无线连接 可工作在 2 4GHz 全球流行 868MHz 欧洲流行 和 915 MHz 美国流行 3 个频段上 分别具有最高 250kbit s 20kbit s 和 40kbit s 的传输速率 它的传输距离在 10 7 75m 的范围内 但可以继续增加 作为一种无线 通信技术 ZigBee 具 有如下特点 1 低功耗 由于 ZigBee 的传输速率低 发射功率仅为 1mW 而且 采用了休眠模式 功耗低 因此 ZigBee 设备非常省电 据估算 ZigBee 设备仅靠两节 5 号电池就可以维持长达 6 个月到 2 年左右的使 用时间 这是其它无线设备望尘莫及的 2 成本低 ZigBee 模块的初始成本在 6 美元左右 估计很快 就能降到 1 5 2 5 美元 并且 ZigBee 协议是免专利费的 低成本对 于 ZigBee 也是一个关键的因素 3 时延短 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短 典型的 搜索设备时延 30ms 休眠激活的时延是 15ms 活动设备信道接入的时 延为 15ms 因此 ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制 如工 业控制场合等 应用 4 网络容量大 一个星型结构的 Zigbee 网络最多可以容纳 254 个从设备和一个主设备 一个区域内可以同时存在最多 100 个 ZigBee 网络 而且网络组成灵活 5 可靠 采取了碰撞避免策略 同时为需要固定带宽的通信业务 预留了专用时隙 避开了发送数据的竞争和冲突 MAC 层采用了完全确 认的数据传输模式 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息 如果传输过程中出现问题可以进行重发 6 安全 ZigBee 提供了基于 循环冗余校验 CRC 的数据包完整 性检查功能 支持鉴权和认证 采用了 AES 128 的加密算法 各个应 用可以灵活确定其安全属性 2 2 1 1 3 3 Z Zi ig gb be ee e 的的自自组组织织网网 ZigBee 技术所采用的 自组织网是怎么回事 举一个简单的例子就 可以说明这个问题 当一队伞兵空降后 每人持有一个ZigBee 网络 模块终端 降落到地面后 只要他们彼此间在网络模块的通信范围内 通过彼此自动寻找 很快就可以形成一个互联互通的ZigBee 网络 而且 由于人员的移动 彼此间的联络还会发生变化 因而 模块还可 以通过重新寻找通信对象 确定彼此间的联络 对原有网络进行刷新 这就是自组织网 2 2 1 1 4 4 标标准准制制定定 ZigBee 联盟对 ZigBee 标准的制定 IEEE802 15 4 的物理层 MAC 层及数据链路层 标准已在 2003 年 5 月发布 ZigBee 网络层 加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展 V1 0 版本已经发布 其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布 由于ZigBee 不仅 只是 802 15 4 的代名词 而且 IEEE 仅处理低级 MAC 层和物理层协议 因此 ZigBee 联盟对其网络层协议和 API 进行了标准化 完全协议用于 8 一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K 字节或者作为 Hub 或路 由器的协调器的 32K 字节 每个协调器可连接多达 255 个节点 而几 个协调器则可形成一个网络 对路由传输的数目则没有限制 ZigBee 联盟还开发了安全层 以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识 而且 这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得 2 2 2 2 基于基于 ZigBeeZigBee 技术的无线消防报警定位系统技术的无线消防报警定位系统 消防一直是关系社会安定和公众安全的重要问题 随着现代化城市布 局的扩大和经济的发展 建筑物内人口的增加 煤气 家用电器设备和公用 电器设备使用中出现的可燃气体泄露 电气设备过载 过热 短路等不安 全因素 均具有火灾隐患 重特大火灾发生几率呈上升趋势 现代火灾已呈 现出立体化 复杂化 多样化的趋势 对人民的生命和财产造成很大的威 胁和损失 2 2 12 2 1 无线火灾报警系统无线火灾报警系统 无线火灾报警系统与传统的有线系统的区别在于 前者是通过无线信 号而不是用导线将各个装置连成一个系统 这就使得硬件系统的安装简单 而快速 最大限度减少对客户的干扰和对建筑物的破坏 无线火灾报警系 统借助于无线电信号而不是导线传输数据 并用电池为系统组件提供工作 电源 当传感器监测到异常信号 短波无线电在 1 秒之内将所得数据传送 到控制面板 由天线完成系统的主要输入输出 如今 几乎所有布线连接的电器装置都可以改由无线电信号来控制 同 时随着电器元件的成本 自动化装配成本的下降 无线火灾报警系统的成 本也随之大幅度降低 并且随着系统整体性能的提高 无线火灾报警系统在 很多情况下与有线系统相比 无论是在性能上还是价格上 都具有相当大的 竞争力 同时由于安装速度快 对建筑物损毁小 无线火灾报警系统的优势 日趋明显 应用场所日益广泛 其潜在市场正在被打开 2 2 22 2 2 无线消防报普定位系统总体设计无线消防报普定位系统总体设计 ZigBee 协调器 中继器 路由器 和终端设备以边缘为星型的网状拓扑 方式连接 当网络中某处物理位置发生火警时 其附近传感器节点感测到 火警并将其通过网络传播出去 进入火灾现场的消防人员随身携带嵌入了 无线模块的移动装置 视为网络中的移动节点 它通过向其周围固定安装的 位置已知的节点发送测量命令消息 接收到消息的节点通过其中所包含的 信息可为位置未知的移动节点估算出所在位置 网络协调器可将网络信息 传送到 PC 中 从而可了解网络节点工作情况以及消防人员的位置 一 硬件总体设计方案 根据国内无线频谱管理相关规定 基于 ZigBee 标准的产品只能选择 2 4GHz 频段的器件 目前已经推出了 MCU 与 RF 集成的 射频 SoC 例如 Chipcon 公司 2006 年第一季度推出的 CC2431 它由 2 4GHzDSSS 射频收发 9 器核心和增强型工业标准的 8 位 8051 微控制器组成 是目前世界上仅有的 带有 128K 闪存的 8051 内核的 ZigBee 无线单片机 并带有定位跟踪引擎 从本设计的功能要求和性能指标来看 此类器件无疑是非常理想的选择 低 复杂度 低功耗 低速率 体积小 并能同时方便地满足组网和定位的需要 但是经过市场调研后发现 物美 却不 价廉 无论是芯片还是开发工 具都价格不菲 出于符合要求又兼顾成本的综合考虑 经过对不同方案的研究和对比 决定还是采用独立 MCU 与 RF 器件的硬件架构 MCU 采用 Microchip 公司的 PIC18LF2620 它是 8 位微控制器 低电压供电 28 个管脚包含 3 组双向 1 0 中 断和定时器资源都很丰富 并且很容易将程序功能扩展移植到 40 脚的 PIC18LF4620 RF 采用 Chipeon 公司的 Ce2500 它的工作频带范围为 2400 2483 5GHz 采用 0 18 微米 CMOS 工艺 外形小 需要的外部元件数量 少 而且价格十分低廉 低电压供电 高接收灵敏度 属于超低成本 ZigBeeRF 芯片 其余的器件比如传感器 串口通信器件等 以及必要外围器件如 LED 均 考虑了体积与功耗因素 二 软件总体设计 要组建一个基于 ZigBee 技术的无线消防报警定位系统 首先要对数据 进行采集和处理 例如环境感测数据 然后要实现节点间的通信 才能将获 得的信息从一个节点传送到其他节点 最后要进行组网以及定位估计 才能 最终实现一个自组织网络并对移动未知节点进行定位 1 数据采集与传输 这一部分主要包括传感器信息的采集 所使用的几种通信方式 数据 传输机制 传感器信息的采集 其实就是处理传感器和微控制器的接口 传感器 将采集来的模拟量转换成数字量 送进微控制器 微控制器根据所得数据进 行相应处理 IEEE802 15 4 规定所有的通信是基于包的 在数据通信部分 RF 芯片 已经对一些功能例如 CCA LQI 同步字探测 地址校验 自动 CRC 等给予 了硬件支持 这些减少了软件设计时对于数据包形成和接收检验的工作量 本设计是采用非信标使能的网状拓扑结构 它的通信机制在 IEEE802 15 4 规范中有详细的定义和说明 设计时应按照规范 采用无时隙的 CSM CA 算 法 实现设备到协调器 协调器到设备以及对等实体之间的可靠数据传输 系统信息汇集在网络协调器 协调器通过 RS 232 串口可与监控主机 进行通信 从而可在 PC 上更直观和方便地了解网络节点工作情况以及消防 人员的位置 2 组网及路由 这一部分主要包括 协调器如何建立网络 节点如何向父设备请求加入 10 网络 协调器如何处理其它节点发送的入网请求 允许节点加入 以及消息 在网络中如何进行路由 3 定位算法 这一部分主要包括定位估算的原理 给出 RSSl 数据采集机制 门限设 置和位置估算方法 CC250o 带有 RSSl 接收信号强度指示 的数字输出 由于该消防报警 系统是安装在建筑物内 其定位即属于室内定位 通过对大量文献中关于 无线传感器网络定位算法的研究 同时结合 CC25oo 的此一特性 决定采用 基于 RSSl 的最大似然估计方法进行定位估算 相比许多其他的方法 用此 种方法进行物理定位的精度并不是非常理想 但由于室内节点的密度相对 较密集 故精度所产生的影响不会太大 并且还可以利用符号定位提供位置 参考 同时 采用较简单的算法也降低了系统实现的复杂度 如果要将系 统应用在精度要求很高的场合 也可对现有算法进行一些修正以提高精度 例如自适应迭代法 距离加权估计算法等 ZigBee 技术以其优越的特性在无线通信领域异军突起 应用日趋广泛 本文基于 ZigBee 技术 设计了可对楼宇内火警进行实时监控并追踪消防人 员位置的无线消防报警定位系统 该设计方案已应用于实践 同时对其他 设备或人员的无线监控和定位追踪也具有借鉴意义 基于 ZigBee 技术的 消防报警定位系统 必将在未来的智能楼宇中得到更普遍的发展和应用 11 第第 3 3 章章 基于基于 GPSGPS 定位系统的机车定位系统定位系统的机车定位系统 GPS Global Positioning System 即全球定位系统 是美国研制的 卫星导航定位系统 今采用 wgs84 坐标系统 因地球在天球空间中的位置 是不稳定的 故协议用 wgs84 某一可的北极点指向位置 3 3 1 1 G GP PS S原原理理概概述述 3 1 13 1 1 GPSGPS 技术简介技术简介 GPS Global Positioning System 即全球定位系统 是由 美国建 立的一个卫星导航定位系统 利用该系统 用户可以在全球范围内实现 全天候 连续 实时的三维导航定位和测速 另外 利用该系统 用户 还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位 例举 星眼 GPS 定位终端 携诚科技 现实生活中 GPS 定位主要用于用于对移动的人 宠物 车及设备 进行远程实时定位监控的一门技术 GPS 定位 以上海市连图信息科 技 GPS 车载终端设备为例 是结合了 GPS 技术 无线通信技术 GSM GPRS CDMA 图像处理技术及 GIS 技术的定位技术 主要可实现 如下功能 1 跟踪定位 监控中心能全天侯 24 小时监控所有被控车辆的实时位置 行驶方 12 向 行驶速度 以便最及时的掌握车辆的状况 2 轨迹回放 监控中心能随时回放近 60 天内的自定义时段车辆历史行程 轨迹 记录 根据情况 可选配轨迹 DVD 刻录服务 3 报警 报告 3 1 超速报警 车辆行驶速度超出监控中心预设的速度时 及时上 报监控中心 3 2 区域报警 电子围栏 监控中心设定区域范围 车辆超出或 驶入预设的区域会向监控调度中心给出相应的报警 3 3 停车报告 调度中心可对车辆的历史停车记录以文字形式生成 报表 其中描述车辆的停车地点 时间和开车时间等信息 并可对其进 行打印 4 地图制作功能 根据查看需要 客户可以添加修改自定义地图线路 以更好服务企 业运行 5 里程统计 系统利用 GPS 车载终端的行驶记录功能和 GIS 地理系统原理对车 辆进行行驶里程统计 并可生成报表且可打印 6 车辆信息管理 方便易用的管理平台 提供了车辆 驾驶人员 车辆图片等信息的 设定 以方便调度人员的工作 7 短信通知功能 将被控车辆的各种报警或状态信息在必要时发送到管理者手机上 以便随时随地掌握车辆重要状态信息 8 车辆远程控制 监控中心可随时对车辆进行远程断油断电 锁车功能 9 车载电话 车载电话可以象普通手机一样拔打电话 调度中心可对此电话进行 远程权限设置 即呼入限制 呼出限制 只能呼叫指定的若干电话号码 10 油耗检测 实时监控车辆的油耗变化 并生成历史时段油量变化报表或油量曲 线图 进而直观反映出油量的正常消耗与非正常消耗及加油数量不足等 现象 达到油耗高水平管理 杜绝不良事件的发生 需搭配油量传感 器 11 车辆调度 调度人员确定调度车辆或者在地图上画定调度范围 GPS 系统自 动向车辆或者画定范围内的所有车辆发出调度命令 被调度车辆及时回 应调度中心 以确定调度命令的执行情况 GPS 系统还可对每辆车成 13 功调度次数进行月统计 GPS 计划始于 1973 年 已于 1994 年进入完全运行状态 GPS 的 整个系统由空间部分 地面控制部分和用户部分所组成 空间部分 太空部分 GPS 的空间部分是由 24 颗 GPS 工作卫星所组成 这些 GPS 工作卫 星共同组成了 GPS 卫星星座 其中 21 颗为可用于导航的卫星 3 颗为 活动的备用卫星 这 24 颗卫星分布在 6 个倾角为 55 的轨道上绕地 球运行 卫星的运行周期约为 12 恒星时 每颗 GPS 工作卫星都发出用 于导航定位的信号 GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的 控制部分 GPS 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 根据其作用的不同 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 Colorado 的法尔孔 Falcon 空军基地 它的作用是根据各监控站对GPS 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 监控站有五个 除了主控站外 其它四个分 别位于夏威夷 Hawaii 阿松森群 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 Kwajalein 监控站的作用是接收卫星 信号 监测卫星的工作状态 注入站有三个 它们分别位于阿松森群岛 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 Kwajalein 注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的 改正数等注入到卫星中去 用户部分 地面接收 GPS 的用户部分由 GPS 接收机 数据处理软件及相应的用户设备如 计算机气象仪器等所组成 它的作用是接收GPS 卫星所发出的信号 利用这些信号进行导航定位等工作 以上这三个部分共同组成了一个 完整的 GPS 系统 3 3 1 1 2 2 G GP PS S的的信信号号 GPS 卫星发射两种频率的载波信号 即频率为1575 42MHz 的 L1 载波和频率为 1227 60MHz 的 L2 载波 它们的频率分别是基本频率 10 23MHz 的 154 倍和 120 倍 它们的波长分别为 19 03cm 和 24 42cm 在 L1 和 L2 上又分别调制着多种信号 这些信号主要有 C A码 C A 码又被称为粗捕获码 它被调制在L1 载波上 是 1MHz 的伪 随机噪声码 PRN 码 其码长为 1023 位 周期为 1ms 由于每颗卫 星的 C A 码都不一样 因此 我们经常用它们的PRN 号来区分它们 14 C A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号 P码 P 码又被称为精码 它被调制在 L1 和 L2 载波上 是 10MHz 的伪 随机噪声码 其周期为七天 在实施AS 时 P 码与 W 码进行模二相加 生成保密的 Y 码 此时 一般用户无法利用 P 码来进行导航定位 图 3 1 卫星示意图 3 3 1 1 3 3 导导航航信信息息 导航信息被调制在 L1 载波上 其信号频率为 50Hz 包含有 GPS 卫星的轨道参数 卫星钟改正数和其它一些系统参数 用户一般需要利 用此导航信息来计算某一时刻 GPS 卫星在地球轨道上的位置 导航信 息也被称为广播星历 SPS 和 PPS 是 GPS 系统针对不同用户提供两种不同类型的服务 一 种是标准定位服务 SPSStandard Positioning Service 另一种是精 密定位服务 PPSPrecision Positioning Service 这两种不同类型 的服务分别由两种不同的子系统提供 标准定位服务由标准定位子系统 SPSStandard Positioning System 提供 精密定位服务则由精密定 位子系统 PPSPrecision Positioning System 提供 SPS 主要面向全世界的民用用户 PPS 主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户 在 GPS 定位中 经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理 以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量 L1 载波相位观测值 L2 载波相位观测值 半波或全波 调制在 L1 上的 C A 码伪距 调制在 L1 上的 P 码伪距 调制在 L2 上的 P 码伪距 L1 上的多普勒频移 L2 上的多普勒频移 实际上 在进行 GPS 定位时 除了大量地使用上面的观测值进行 15 数据处理以外 还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些 特殊观测值 如宽巷观测值 Wide Lane 窄巷观测值 Narrow Lane 消除电离层延迟的观测值 Ion Free 来进行数据处理 3 3 1 1 4 4 G GP PS S的的误误差差 我们在利用 GPS 进行定位时 会受到各种各样因素的影响 影响 GPS 定位精度的因素可分为以下四大类 SA 美国政府从其国家利益出发 通过降低广播星历精度 技术 在 GPS 基准信号中加入高频抖动 技术 等方法 人为降低普通用户 利用 GPS 进行导航定位时的精度 卫星星历误差 在进行 GPS 定位时 计算在某时刻 GPS 卫星位置所需的卫星轨道 参数是通过各种类型的星历 7 提供的 但不论采用哪种类型的星历 所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异 这就是所谓的星历误 差 卫星钟差 卫星钟差是 GPS 卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS 标准时间 之间的误差 卫星信号发射天线相位中心偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS 卫星上信号发射天线的标 称相位中心与其真实相位中心之间的差异 3 3 1 1 5 5 G GP PS S 定定位位的的基基本本原原理理 GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起 算数据 采用空间距离后方交会的方法 确定待测点的位置 如图所示 假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机 可以测定 GPS 信号到达 接收机的时间 t 再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以 确定以下四个方程式 16 上述四个方程式中待测点坐标 x y z 和 Vto 为未知参数 其中 di c ti i 1 2 3 4 di i 1 2 3 4 分别为卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 到接 收机之间的距离 ti i 1 2 3 4 分别为卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 的 信号到达接收机所经历的时间 c 为 GPS 信号的传播速度 即光速 四个方程式中各个参数意义如下 x y z 为待测点坐标的空间直角坐标 xi yi zi i 1 2 3 4 分别为卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 在 t 时刻的空间直角坐标 可由卫星导航电文求得 Vt i i 1 2 3 4 分别为卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 的 卫星钟的钟差 由卫星星历提供 Vto 为接收机的钟差 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x y z 和接收机的钟 差 Vto 3 3 1 1 6 6 观观测测值值 伪距定位 伪距定位所采用的观测值为 GPS 伪距观测值 所采用的伪距观测 值既可以是 C A 码伪距 也可以是 P 码伪距 伪距定位的优点是数据 处理简单 对定位条件的要求低 不存在整周模糊度的问题 可以非常 容易地实现实时定位 其缺点是观测值精度低 C A 码伪距观测值的 精度一般为 3 米 而 P 码伪距观测值的精度一般也在 30 个厘米左右 从而导致定位成果精度低 另外 若采用精度较高的P 码伪距观测值 还存在 AS 的问题 载波相位定位 载波相位定位所采用的观测值为 GPS 的载波相位观测值 即 L1 L2 或它们的某种线性组合 载波相位定位的优点是观测值的精度 高 一般优于 2 个毫米 其缺点是数据处理过程复杂 存在整周模糊度 的问题 3 3 1 1 7 7 定定位位模模式式 绝对定位 绝对定位又称为单点定位 这是一种采用一台接收机进行定位的模 式 它所确定的是接收机天线的绝对坐标 这种定位模式的特点是作业 方式简单 可以单机作业 绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应 用中 相对定位 17 相对定位又称为差分定位 这种定位模式采用两台以上的接收机 同时对一组相同的卫星进行观测 以确定接收机天线间的相互位置关系 3 3 1 1 8 8 运运动动状状态态 动态定位 所谓动态定位 就是在进行 GPS 定位时 认为接收机的天线在整 个观测过程中的位置是变化的 也就是说 在数据处理时 将接收机天 线的位置作为一个随时间的改变而改变的量 动态定位又分为 Kinematic 和 Dynamic 两类 静态定位 所谓静态定位 就是在进行 GPS 定位时 认为接收机的天线在整 个观测过程中的位置是保持不变的 也就是说 在数据处理时 将接收 机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量 在测量中 静态定 位一般用于高精度的测量定位 其具体观测模式多台接收机在不同的测 站上进行静止同步观测 时间由几分钟 几小时甚至数十小时不等 3 3 1 1 9 9 在在汽汽车车跟跟踪踪中中的的应应用用 GPS 利用全球导航系统 可以通过接收卫星信号来适时确定地面位 置 现代科技通过 GSM 无线网络 将 GPS 确定的地面位置传递到一些 专业的定位平台 目前物流等行业存在的货物遗失 被盗或发送错误等 情况 该定位装置可作为财产跟踪器 使行业用户 个人用户及政府用 户实时掌握移动资产的地理信息 全面提高移动资产管理效率和安全监 控系数 该跟踪器有助于客户更加有效的利用移动资源进行高效运作 提高企业竞争力 实现客户的利益最大化 3 3 1 1 1 10 0 G GP PS S汽汽车车跟跟踪踪器器 汽车跟踪器 平台上标注出当前位置 用户可以用此方法很方便的得 到目标的位置 GPS 在汽车跟踪器中的应用 已经应用到了生活的方方面面 在警 用调查中 GPS 汽车跟踪器是决对不可缺少的一部分 警察将GPS 定 位器放到犯罪分子的行动工具上后 可以在警用监控中心很方便的看到 犯罪分子所有的区域和行动路线 达到及时发现犯罪窝点 解决治安隐 患 GPS 在汽车跟踪中 平台是必不可少的 目前在国内有很多这样的 平台 里面内置有各种最新的 电子地图和 GOOGLE 卫星图片 时时的标 注 GPS 汽车跟踪器上传定位平台的位置信息 让用户一目了然的了解目 标的位置 3 3 1 1 1 11 1 G GP PS S定定位位平平台台 中心端采用固定 IP 接入 用来接收和处理 GPS 终端通过移动网络 18 提交上来的各种数据 如终端当前位置信息 终端的各种报警信息等 同时处理客户端提交上来的各种查询请求 中心端由硬件和软件组成 软件技术则包含数据库技术 GIS 技 术 负载均衡技术 网络协议技术等 GPS 定位平台根据不同应用分以下几种 1 出租车 长途客车 货运车辆的监控调度指挥系统 2 物流车辆的监控 调度指挥系统 3 交通管理等政府部门车辆的调度指挥系统 4 保险公司值勤车辆的监控 调度指挥系统 5 公安 交警值勤车辆的监控 调度指挥系统 6 银行运钞车辆的监控调度指挥系统 7 邮政 120 急救车辆调度监控系统 8 机关 企业四人车辆的定位控制等等 9 小孩 老人定位 10 v ern ment 职能部门处置紧急突发事件 对具体负责人行动 小组进行远程监控调度管理 11 军警演习操控调度指挥监控管理 12 检调追踪 公务车辆管理监控等 13 高科技安全防护紧急救援礼品 14 私人侦探工具等 15 老年痴呆症患者及盲人随身携带 避免走失 16 精神病患者随身携带避免走失 17 公安对犯毒进行跟踪 1 18 婚姻家庭出现问题 第三者 19 盲人行走不便进行跟踪 20 自行车 电动车 摩托车防偷跟踪 21 老鹰放飞路线跟踪 22 运动员训练路线跟踪 3 3 1 1 1 12 2 使使用用注注意意事事项项 1 在家不能搜星 GPS 靠直接接收美国 GPS 卫星信号工作 需要在 室外看到天空的地方才能接收到卫星信号 室内不能接收 2 电池 使用时间短 所有车载型 GPS 电池连续使用时间都不长 因车上有点烟 器电源 设计者认为没有机会需要长时间用电池待机 电池只做备用 不插电源连续使用一般只有 40 分钟 1 5 小时 型号不同 使用不同 还会有较大差异 需要注意的是汽车点火发动的瞬间 启动电流很大 有冲击烧毁车充保险丝的风险 最好在汽车启动的时候 不要在点烟器 上插车充 启动后再连接 3 定位不准 GPS 正常平面定位误差在 10 20 米以内 受到如天气 美国 GPS 政策等诸多因素影响 有时还会 19 更大 如果地图指示位置没有很准确在路上 原因可能是信号不良导致 延滞造成误差 也可能是地图数据偶尔偏差 也有可能是路很宽 所以 看起来 GPS 好像稳定偏移路面 4 不能搜星或者搜星慢 遇到不能搜 星或者搜星慢的情况不要着急 请换地点改时间再试试 不要用一两次 或一两天就决定 GPS 的好坏 由于卫星状态每天都不同 也许同一个地 方 上午信号满格 但晚上信号差点 3 3 1 1 1 13 3 影影响响因因素素 1 美国国防部 SA 卫星信号干扰 卫星信号受美国控制 偶尔有 可能会中断信号服务 2 天气因素 如 太阳黑子 恶劣天气 降 低讯号强度 但不影响定位 3 电气电磁干扰 遮蔽物下 建筑物 里 山谷 峡谷 隧道 4 汽车挡风玻璃 上的隔热膜 隔热纸 金 属成份遮蔽等 降低讯号强度 但不影响定位 时间显示不正常 GPS 上的日期时间是专门用来显示卫星时间的 GPS 收到卫星信号才显 示正常 没信号时不正常 它不是常用的电子表 不能调整不能保存 GPS 定位原理 卫星定位系统共有 24 颗人造卫星分布在工作 6 个轨道 上运转 每个轨道间互成 120 度角 使得 GPS 使用者在任何时间 地 点都可接收到卫星信号加以定位 且不受天气的影响 受地形或建筑物 遮蔽影响 也就是在室内或公交车上较难收到卫星信号 3 23 2 GPSGPS 技术在机车头灯自动寻迹中的应用技术在机车头灯自动寻迹中的应用 3 2 13 2 1 机车头灯自动寻迹的可行性分析机车头灯自动寻迹的可行性分析 在我国 机车头灯是不能旋转的 它被固定在机车头部 当机车进入 弯道时 机车头灯照射的方向和铁轨线路相切 也就是说 机车头灯不能 始终照射在轨道的中心线上 因此 机车在夜间高速行驶中带来了安全隐 患 GPS 定位技术的工作原理是 GPS 接收机从