（通信与信息系统专业论文）基于gprs的电动汽车车载通信终端及其通信协议的开发研究.pdf

中文摘要 为解决石油能源危机和污染问题 电动汽车得到了广泛的研究和发展 国家 启动了 8 6 3 电动汽车汽车专项 为了在电动汽车开发和运营阶段方便对车辆 进行调试 积累运营经验 提高电动汽车的性能 非常有必要开发电动汽车的远 程监控系统 能够在监控中心实时知道电动汽车的运行状态参数 了解车辆的故 障状况 能在监控中心调整车辆的运行参数 优化电动汽车的性能 并且还能知 道电动汽车的位置 实现对电动汽车的跟踪 本文作者主要参与了基于g p r s 的 电动汽车车载通信终端及其通信协议的开发研究 本文着重阐述了通信的过程 通信协议栈的设计与实现 车载通信终端的硬 件设计 数据的加密解密以及监控中心的功能与设计 通过设计应用层的协议 实现了数据的封装和链路的维护 实时对电动汽车监控 跟踪和标定 并且可以 很方便地设定要传输的数据及传送的频率 通过状态变迁 实现链路的可靠通信 链路通信中断时 能够很快重新建立连接 并对通信的所能达到的最高速率 影 响通信数据正确到达率和时延的因素进行了测试 通过测试通信最高通信速率达 2 0 k b i t s 数据的正确到达率主要与网络的状态有关 通信的时延主要与通信的 速率有关 在电动汽车监控时 通信速率达5 6 k b i t s 在此通信速率下 时延 在0 5 m s 左右 监控的实时性较好 本文所开发的基于g p r s 的电动汽车车载通信终端装车运行半年以来 运行良 好 通信可靠 操作方便 可扩展性强 本系统稍加修改就可以用于各种无线数 据采集和无线远程控制领域 具有很好的社会效益和经济效益 关键词 g p r s g p s 远程监控 车载通信终端 通信协议 a b s t r c t e l e c t r i cv e h i c l ea r ew i d e l yd e v e l o p e db e c a u s eo ft h es c a r c i t yo fo i la n dt h e p o l l u t i o no fc o m m o nv e h i c l e c h i n af o u n d e da n 8 6 3 p r o j e c tf o re l e c t r i cv e h i c l e i n o r d e rt of a c i l i t a t et h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e i t sn e c e s s a r yt od e v e l o pa r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o re l e c t r i cv e h i c l e t h er e m o t em o n i t o r i n gc e n t e rc a n m o n i t o rt h es t a t ed a t ao fe l e c t r i cv e h i c l ea n da l s oc a ns e n dc o m m a n d st oe l e c t r i c v e h i c l et om o d i f ys o m ep a r a m e t e r so fe l e c t r i cv e h i c l ei no r d e rt oo p t i m i z ee l e c t r i c v e h i c l e t h ew r i t e rh a sd e v e l o p e dt h er e m o t ec o m m u n i c a t i o nu n i tb a s e do ng p r sf o r e l e c t r i cv e h i c l e t h ep r o c e s so fc o m m u n i c a t i o n t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ls t a c k t h ed e s i g no fh a r d w a r ef o rc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l t h ee n c r y p t i o n a n dd e c r y p t i o no fd a t aa n dt h ef u n c t i o na n dd e s i g no fm o n i t o r i n gc e n t e ra r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n da l s ot h em o n i t o r i n gc e n t e rc a nc h o o s ed a t an e e d e da n d s e tt h e 仔e q u e n c yo fd a t a t h et r a n s i t i o no fs t a t em a c h i n ea s s u r e st h er e l i a b l e c o m m u n i c a t i o n w h e nt h el i n ki sd i s t u r b e d i tc a nb er e c o n n e c t e d t h ew r i t e ra l s o t e s t e dt h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n t h em a x i m a lc o m m u n i c a t i o nr a t ec a nr e a c h 2 0 k b s t h ed e l a yo fc o m m u n i c a t i o ni sa b o u t0 5 m s t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r sh a sb e e ne q u i p p e di ne l e c t r i c v e h i c l e s t h es y s t e mi sr e l i a b l ea n de a s yt om a n i p u l a t e t h es y s t e mc a nb ee a s i l y m o d i f i e dt oa p p l yi nt h er e m o t ed a t as a m p l ea n dc o n t r 0 1 k e yw o r d s g p r s g p s r e m o t ec o m m u n i c a t i o nu n i t c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 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和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得丕洼本堂或其他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了谢意 学位论文作者签名 格勋勇 签字日期 必口 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤盗盘鲎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 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 结勋曩 导师龋毖啦武 导师签名 灾q 酞 签字目期 二 年 月6 日 签字日期 a p f 年1 月7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前全球性的石油危机是人类2 1 世纪面临的重要问题 而在我国这一问题 显得更加严重 据国家权威部门提供的资料显示 2 0 0 0 年我国石油消费达2 亿 吨 假定今后1 0 1 5 年中国石油消费增长速度比过去1 0 年的增长速度低1 个百 分点 即按4 钡j l 算 预计2 0 0 5 年 2 0 1 0 年和2 0 1 5 的原油消费量将分别达到2 4 3 亿吨 2 9 6 亿吨和3 6 亿吨 且需求弹性不大 我国从1 9 9 3 年成为纯石油进口 国以来 进口量逐年增加 1 9 9 9 年净进口量达到4 0 0 0 万吨 2 0 0 0 年净进口量达 5 0 0 0 万吨 2 0 0 1 年增至7 0 0 0 万吨 这使中国成为第九大进口国 专家分析指出 即使需求按下限估计 石油产量按上限估计 预计到2 0 1 0 年 中国石油净进口 量将增至1 亿吨 2 0 2 0 年将增至2 亿吨左右 成为仅次于美国的第二大石油进 口国 根据国际能源机构预测 2 0 1 0 年中国石油消费的6 1 2 0 2 0 年石油消费 量的7 6 9 要依靠进口 汽车的大量使用带来能源消耗等很多负面影响 进一步使用传统的内燃机技 术发展汽车将会给我国能源问题带来巨火的压力 据国家统计局统计 截至2 0 0 2 年底 我国私人汽车达9 6 5 万辆 未来2 0 年 中国汽车的保有量 尤其是私家车的保有量可能会增长5 倩 目前 汽车的 主要动力塬还是队石油为主 汽车已成为大气污染的主要来源 特别对于汽车密 集 交通拥挤的大城市 汽车的频繁起停和内燃机的怠速 急加减速运行造成高 油耗和严重的尾气排放 同叫 噪声污染也是传统的燃油汽车的另外一种污染 有关资料得知城市8 0 的噪声污染是汽车造成的 而电动汽车以电能为能源 通过电动机将电能转化为机械能 是零污染汽车 是解决能源和环境问题的重要途经之一 同时电动汽车与传统汽车相比 虽然因 汽车行驶而引起的噪音和震动无显著差别 但电机比内燃机的噪声要小得多 特 别是大功率下显得更为明显 在国家十五 8 6 3 项目的支持下 天津大学与天津清源汽车有限公司等多 家单位以夏利2 0 0 0 作为平台 开发x l 纯电动汽车 电动汽车的开发和推广可 以分为三个阶段 样车的研制阶段 电动汽车的示范运营阶段 技术的推广和成 品化阶段 而为了在电动汽车的研制和示范运营阶段 方便地对车辆进行调试 积累运营经验 提高电动汽车的性能 非常有必要开发电动汽车的远程监控系统 第章绪论 能够在监控中心实时知道电动汽车的运行状态参数 了解车辆的故障状况 能在 监控中心凋整车辆的运行参数 优化电动汽车的性能 并且还能知道电动汽车的 位置 实现对电动汽车的跟踪 中国移动建设的6 p r s 网络适合于无线数据传输 把g p r s 网络 因特网和 g p s 全球卫星定位系统 车辆c a n 总线系统结合起来 就能把电动汽车的运行状 态参数及位置信息参数传到因特网上的监控中心 实现对电动汽车的实时远程监 控 标定和跟踪 1 2g p r s 系统简介 1 2 1g p r s 的基本工作原理 1 2 1 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 通用无线分组业务 作为第二代移动 通信技术g s m 向第三代移动通信 3 g 的过渡技术 是由英国b tc e l l n e t 公司 早在1 9 9 3 年提出的 是g s mp h a s e 2 1 9 9 7 年 规范实现的内容之一 是一种基 于g s m 的移动分组数据业务 面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络 同时在网络上增加一些硬件设 备和软件升级 形成了一个新的网络逻辑实体 提供端到端的 广域的无线i p 连接 通俗地讲 g p r s 是一项高速数据处理的科技 它以分组交换技术为基础 用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务 包括收发e m a i l 进 行i n t e m e t 浏览等 g p r s 采用分组交换技术 每个用户可同时占用多个无线信 道 同一无线信道又可以由多个用户共享 资源被有效的利用 g p r s 技术 1 6 0 k b p s 的极速传送几乎能让无线上网达到公网i s d n 的效果 实现 随身 携带 互联网 使用g p r s 数据实现分组发送和接收 用户永远在线且按流量 时 问计费 迅速降低了服务成本 1 2 2g p r s 的系统结构 g p r s 网是在g s m 电话网的基础上增加以下功能实体构成的 s g s n 服 务g p r s 支持节点 g g s n 网关g p r s 支持节点 p t m s c 点对多点服务中 心 共用g s m 基站但基站要进行软件更新 采用新的g p r s 移动台 g p r s 要 增加新的移动性管理程序 通过路由器实现g p r s 骨干网互联 g s m 网络系统 要进行软件更新和增加新的m a p 信令和g p r s 信令等 g p r s 骨干网的逻辑结 构如图2 1 所示 下面对图l 1 中相关实体进行说明 1 g p r s 服务支持节点 s g s n 第一章绪论 能够在监控中心实时知道电动汽车的运行状态参数 了解车辆的故障状况 能在 监控中心调整车辆的运行参数 优化电动汽车的性能 并且还能知道电动汽车的 位置 实现对电动汽车的跟踪 中因移动建设的g p r s 网络适合于无线数据传输 把g p r s 网络 因特网和 g p s 全球卫星定位系统 车辆c a n 总线系统结台起来 就能把电动汽车的运行状 态参数及位置信息参数传到冈特阿上的监控中心 实现对电动汽车的实时远程监 控 标定和跟踪 1 2g p r s 系统简介 1 2 1 g p r s 的基本工作原j e i l 2 1 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 通用无线分组业务 作为第二代移动 通信技术g s m 向第三代移动通信 3 g 的过渡技术 是由英国b tc e l l n e t 公司 早在1 9 9 3 年提出的 是g s mp h a s e 2 1 9 9 7 年1 规范实现的内容之一 是一种基 于g s m 的移动分组数据业务 面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的刚络 同时在网络上增加一些硬件设 各和软件升级 形成了一个新的网络逻辑实体 提供端到端的 广域的无线i p 连接 通俗地讲 g p r s 是 项高速数据处理的科技 它以分组交换技术为基础 用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务 包括收发e m a i l 进 行i n t e r n e t 浏览等 g p r s 采用分组交换技术 每个用户可同时占用多个无线信 道 司 无线信道又可以由多个用户共享 资源被有效的利用 g p r s 技术 i 6 0 k b v s 的极速传送几乎能让无线上网达到公 矧i s d n 的效果 实现 随身1 携带 互赋m 使用g p r s 数据实现分组发送和接收 用户永远在线且按流量 时 间计费 迅速降低了服务成本 1 2 2g p r s 的系统结构 g p r s 网是在g s m 电话埘的基础上增加毗下功能实体构成的 s g s n 服 务g p r s 支持节点 g g s n 网关g p r s 支持节点 p t m s c 点对多点服务中 心 共用g s m 基站但基站要进行软件更新 采用新的g p r s 移动台 g p r s 要 增加新的移动性管理程序 通过路由器实现g p r s 骨干网互联 g s m 网络系统 要进行较件更新和增加新的m a p 信令和g p r s 信令等 g p r s 骨干网的逻辑结 构如图2 1 所示 下面对图1 1 中相关实体进行说明 1 g p r s 服务支持节点 s g s n 1 g p r s 服务支持节点 s g s n 第一章绪论 信令和佶辅接口 图1 1g p r s 骨干网的逻辑结构图 g p r s 支持节点称为g s n 它包含能够支持g p r s 的所有功能 在一个p l m n 内 可能有多个g s n 它相当于传统g s m 系统中的m s c v l r 主要功能是对 移动台鉴权和移动性管理 进行路由选择 建立移动台到g g s n 的传输通道 接收基站子系统透明传来的移动台数据 进行协议转换后通过g p r s 骨干网传送 给g g s n 或反向工作 并进行计费和业务统计 s g s n 通过g b 接口 为移动台提供服务 在g p r s 附着时 s g s n 建立m m 移动场景 包含与移动台移动性和安全性有关的信息 在p d p 移动场景激活时 s g s n 与g g s n 建立一条p d p 移动场景 用于路由目的 s g s n 通过可选的g s 接口 将位置信息发送给m s c v l r 从m s c v l r 接收寻呼信息 2 g p r s 网关支持节点 g g s n g g s n 是接入外部数据嘲络的节点 对外部网络来说 它就是一个子网路由 器 g g s n 接收移动台发来的数据 选路到相应的外部网络 或接收外部网络的 数据 根据其地址选择g p r s 网内的传输信道 传给相应的s g s n 此外 g g s n 还有地址分配和计费功能 根据点对点地址的分析 外部分组数据网接入g g s n 该地址包含附着g p r s 用户的路由信息 此路由信息用来将p d u 隧道传输给移动台的当前点 即s g s n g g s n 也可以通过可选的g c 接口从h l r 获得位置信息 g g s n 又是p d n 与支 持g p r s 的g s mp l m m 互连互通的第一个入口点 即由g g s n 支持的g j 参考 点 第一章绪论 s g s n 和g g s n 的功能可以在一个物理节点内实现 也可以放置在不同的物 理节点内 s g s n 和g g s n 均包含i p 路由功能 并且它们可以与i p 路由器互连 当s g s n 和g g s n 处于不同的p l m m 内时 它们通过g p 接口互连 g p 接口提 供g n 接口的功能 并且还具有不同p l m m 之间通信所需的安全功能 安全功 能建立在运营商之间的相互协议基础之上 3 移动台 g p r s 移动台由移动设备 m e 和用户识别模块s i m 卡构成 m e 又包含 移动终端 m t 支持各种终端适配器 和终端设备 t e g p r s 移动台分为3 类 a 类g p r s 移动台 b 类g p r s 移动台 c 类g p r s 移动台 a a 类g p r s 移动台 a 类g p r s 移动台能同时连接到g s m 和g p r s 系统 能在两个系统中同时 激活 同时监听两个系统的信息 并能同时启用 i 刊时启用g p r s 业务和g s m 电路交换业务 包含短消息业务 a 类g p r s 移动台用户能在两种业务上同时发 起和 或接收呼叫 自动进行业务切换 p s c s p s 其中p s 指分组数据业务 c s 指电路交换语音或数据业务 例如 当a 类手机在分组数据传送期间 用普 通手机拨打a 类手机 a 类手机应能应答并通话 通话过程中继续保持数据传 送 b b 类g p r s 移动台 b 类g p r s 移动台能同时连接到g s m 系统和g p r s 系统 可用于g p r s 分 组数据业务和g s m 电路交换业务 但两者不能同时工作 即在某一时刻 要么 使用电路交换业务 要么使用分组交换业务 b 类g p r s 移动台也能自动进行业 务切换 p s c s p s 类似地 当b 类手机在分组数据传送期间 普通手机也 可拨打b 类手机 b 类手机会有相应的提示 应答后就切换至语音业务 而分组 数据业务被悬置 待语音业务结束后 又可切换为分组数据业务 c c 类g p r s 移动台 c 类g p r s 移动台要么用于g s m 业务 要么用丁g p r s 业务 只能轮流使 用 如果它同时支持g p r s 和电路交换两种业务 只能人工进行业务切换 没办 法同时进行两种操作 4 基站子系统 b s s b s s 由一个基站系统控制器 b s c 和一个或多个基站收发信机 b t s 组 成 g p r s 共用g s m 系统的基站 但b s c 需要增加处理分组数据及无线分组管 理的p c u 分组控制社元 模块 同时b s c 中还要增加新的移动性管理软件 部分厂家采用的是在b s c 中插入单元的方式 有的厂家则是采用分离设备 并 且由于g p r s 采用新的编码方案 还需对现有g s m 网络的b t s 进行改造 对于 第一章绪论 c s 1 和c s 2 编码方式 大多数厂家采用无需b t s 硬件改造 只需版本升级的 作法 但对于c s 一3 和c s 4 编码方式 均需对现有b t s 就硬件改动 b t s 将在 空中接口采用支持分组数据的新协议 并增加新的时隙和信道资源分配功能 5 移动交换管理中心 m s c m s c 负责其管辖范围内移动台的所有交换和信令功能 如果需要m s c 与 s g s n 之问的g s 接口 则需要对现有g s m 网的m s c 进行软件升级 以实现 m s c v l r 与s g s n 联合进行移动性管理 并利用g p r s 信道进行电路性业务的 寻呼 如果不采用g s 接口 则m s c 无需改造 6 网关m s c g m s c 7 归属位置寄存器 l r 它存储用户预置数据和路由信息的数据库 对g p p s 来说 它与存储移动台 当前登记的s g s n 号等位置信息 移动用户的各种标识 以及有关业务的信息 8 拜访位置寄存器 v l r 它用来存储用户预置数据 有关标识以及移动台位置信息的数据库 9 设备表示数据库 它存储g s m 系统的1 m e i 移动设备标识 1 0 s m s c 短消息服务中心 1 1 s m s g m s c 短消息业务网关 1 2 s m s i w m s c 短消息业务互通m s c 将短消息由m s 传送给短消息服 务中心 1 3 p d n 外部数据网络 g p r s 网上增加了一些接口 主要包括 g b 口 s g s n 通过g b 口与基站b s s 相联 为移动台m s 服务 通过逻辑 控制协议l l c 建立s g s n 与m s 之间的连接 提供移动性管理 位置跟踪 和安全管理功能 s g s n 完成m s 和s g s n 之间的协议转换 即骨干网使用的i p 协议转换成s n d c p 和l l c 协议 并提供m s 鉴权和登记功能 g n 口 s g s n 通过g n 口和g g s n 相联 通过g p r s 隧道协议 g t p 建 立s g s n 和外部数据网 x 2 5 或i p 之间的通道 实现m s 和外部数据网的互 联 g s 口 用于s g s n 向m s c r l r 发送地址信息 并从m s c v l r 接收寻呼 请求 实现分组型业务和非分组型业务的关联 箢一章绪论 g r 口二h l r 保存o p r s 用户数据和路由信息 i m s s g s n 地址 每个i m s 还包含分组数据协议p d p 信息 包括p d p 类型 x 2 s 或i p p d p 地址及其q o s 等级以及路由信息 g i 口 g g s n 通过g i 口实现g p r s 网和外部数据网 p d p 的互联 g g s n 实际上是两个互联网网关 g p r s 本身属于i p 领域网络 g i 口支持x 2 5 和l p 协议 从p d n 网看g g s n g g s n 可看作是一个路由器连到p d n 网 g g s n 包 含用于连接g p r s 用户的路由信息 为外部数据网的p d u 送到m s 提供通道 通过g g s n 与g p r s 网互联的分组数据网p d n 可以是p s p d n 网 这时 g p r s 支持i t u tx 1 2 1 和i t u te 1 6 4 编号方案 提供x 2 5 虚电路及对x 2 5 快速选 择 还支持网问的x 7 5 协议连接 也可以是l m e m e t 刚 基于i p 协议 在i p 数 据报传输方式中 g p r s 支持t c p i p 头的压缩功能 1 2 3g p r s 的传输平面 传输半面由分层的协议结构组成 它能提供用户信息传递 采用信息传递控 制过程 例如 流量控制 差错检测 差错纠正和错误恢复等 g p r s 的传输平 面如图1 2 所示 传输平台通过底层无线接口和阿络子系统 n s s 平台连接 这 种独立性是通过保留g b 接口来实现的 a p p l i e a t i o j i p x 2 5 i p x 2 5 g 些 s n d c po t p l l c l l cu d p u d t c pt p r l cr l cb s s g pb s s g p i pi p n e v o r kn e t w o r k m a cm a cl 2l 2 s e r v i c e r v i g s m r fg s m r fl l b i sl 1 b i sl 1l 1 m su m 其中 3 bs g s ng ng g s ng i 图1 2 g p r s 的传输平台 第一章绪论 1 g p r s 隧道协议 g t p g f r s 骨干网中g s n 间的用户数据和信令利用g t p 进行隧道传输 所有的点对 点p d p 协议数据单元 p d u 将由g t p 协议进行封装 g t p 是g p r s 骨干网中g s n 节 点之间的互联协议 它是为g n 接口和g p 接口定义的协议 在g s d 0 9 6 0 中对g r i p 作了规范 2 t c p 在g p r s 骨干网中需要一个可靠的数据链路 如x 2 5 进行g t pp d u 的传输时 所用的传输协议是t c p 协仪 如果不要求一个可靠的数据链路 如i p 就使用 u d p 协议来承载g t pp d u t c p 提供流量控制功能和防止g t pp d u 丢失或破坏的 功能 u d p 提供防护g t pp d u 受到破坏的功能 3 i p 这是g p r s 骨干网络协议 用以用户数据和控制信令的选路 g p r s 骨干网最 初是建立在i p v 4 协议基础上的 随着i p v 6 的广泛使用 g p r s 会最终采用i p v 6 协议 4 子网相关融合协议 s n d c p 这个传输功能将网络级特性映射到底层网络特性中去 它的主要作用是完成 传送数据的分组 打包 确定t c p i p 地址和加密方式 在s n d c 层 移动台和 g g s n 之间传送的数据被分割为一个或多个s n d c 数据包单元 s n d c 数据包单元生 成后被放置到l l c 帧内 s n d c p 在g s m 0 4 6 5 中有说明 5 逻辑链路控带o l l c l l c 是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线链路协议 能够提供高可靠的 加密逻辑链路 l l c 层负责从高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成l l c 地址 帧 字段 从而生成完整的l l c 帧 另外 l l c 可以实现一点对多点的寻址和数据帧 的重发控制 l l c 独立于底层无线接口协议 这是为了在引入其他可选择的g p r s 无线解决方案时 对网络予系统n s s 的改动程度最小 g s m 0 4 6 4 对l l c 进行了 规范 6 中继转发 r e l a y 在b s s 中 这项功能中继转发u m 和g b 接1 5 间的l l cp d u 在s g s n n 中 这 项功能是转发g b 和g n 接口间的p d pp d u 7 g p r s 基站系统协议 b s s g p 这个层用来传输在1 3 s s 和s g s n 之间与选路服务质量有关的信息 b s s g p 没有 纠错功能 g s m 0 8 1 8 对b s s g p 进行了规范 第一章绪论 8 网络服务f n s 这个层传输b s s g pp d u n s 以b s s 和s g s n 之间的帧中继连接为基础 而且 有多跳功能 并能横贯有帧中继交换节点的网络 g s m 0 8 1 6 对n s 进行了规范 9 无线链路控制 r l c 价质访问控 0 m a c 这个层具备两个功能 一是无线链路控制功能 它能提供一条独立于无线解 决方案的可靠链路 二是介质访问控制功能 它的主要作用是定义和分配空中接 口的g p r s 逻辑信道 使得这砦信道能被不同的移动台共享 y a c 除了控制着信 令传输所用无线信道外 还将l l c 帧映射到g s m 物理信道中去 g s m 0 4 6 0 对 r l c m a c 进行了规范 1 0 g s mr f u m 接口的物理层为射频接口部分 而逻辑链路层则负责提供空中接口的各种 逻辑信道 c s m 空中接口的载频带宽为2 0 0 k h z 一个载频分为8 个物理信道 如 果8 个物理信道都分配为传送g p r s 数据 则原始数据速率可达2 0 0 k b i t s 考 虑前向纠错码的开销 最终的数据速率可达1 6 4 k b i t s 左右 1 2 4g p r s 的业务与应用 g p r s 网为移动数据用户主要提供突发性数据业务 能快速建立连接 无建 立连接时延 g p r s 特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量数 据 g p r s 除能提供p t p 点对点 和p t m 点对多点 数据业务外 还能支持 补充业务和短信息业务 g p r s 网提供的承载业务 1 点对点面向无连接网络业务 p t p c l n s p t p c l n s 属于数据报类型业务 各个数据分组彼此互相独市 用户之间的 信息传输不需要端到端的呼叫建立程序 分组的传送没有逻辑连接 分组的交付 没有确认保护 主要支持突发非交互式应用业务 是由i p 协议支持的业务 2 点对点面向连接的数据业务 p t p c o n s p t p c o n s 属于虚电路型业务 它为两个用户或多个用户之间传送多路数据 分组建立逻辑虚电路 p v c 或s v c p t p c o n s 业务要求有建立连接 数据传 送和连接释放工作程序 p t p c o n s 支持突发事件处理和交互式应用业务 是面 向连接网络协议 如x 2 5 协议支持的业务 在无线接口 利用确认方式提高可 靠性 3 点对多点数据业务 p n 第一章绪论 g p r s 提供的点对多点业务可根据某个业务请求者要求 把信息送给多个用 户 又可细分为点对多点多信道广播业务 p t m m 点对多点群呼业务 p t m g i p 广播业务 i p m 1 4 其它业务 包括g p r s 补充业务 g s m 短消息业务 匿名的接八业务和各种g p r s 电信业 务 1 3 g p s 简介1 3 l 1 3 i 什么是g p s 全球定位系统 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s 是美国从本世纪7 0 年代开 始研制 历时2 0 年 耗资2 0 0 亿美元 于1 9 9 4 年全面建成 具有在海 陆 空 进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统 经近1 0 年 我国测绘等部门的使用表明 g p s 以全天候 高精度 自动化 高效益等显著 特点 赢得广大测绘工作者的信赖 并成功地应用于大地测量 工程测量 航空 摄影测量 运载工具导航和管制 地壳运动监测 工程变形监测 资源勘察 地 球动力学等多种学科 从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命 全球定位系统 g 1o b a lp o s i t i o n n gs y s t e m 缩写g p s 是美国第二代卫星导 航系统 是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的 它采纳了子午仪系统的 成功经验 和子午仪系统一样 全球定位系统由空间部分 地面监控部分和用尸 接收机三大部分组成 按目前的方案 全球定位系统的空间部分使用2 4 颗高度约2 0 2 万千米的卫 星组成卫星星座 2 1 3 颗卫星均为近圆形轨道 运行周期约为1 1 小时5 8 分 分布在六个轨道面上 每轨道面四颗 轨道倾角为5 5 度 卫星的分布使得在 全球的任何地方 任何时间都可观测到四颗以上的卫星 并能保持良好定位解算 精度的几何图形 d o p 这就提供了在时间上连续的全球导航能力 地面监控部分包括四个监控间 一个上行注入站和一个主控站 监控站设有 g p s 用户接收机 原子钟 收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计 算机 监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站 主控 站设在范登堡空军基地 它对地面监控部实行全面控制 主控站主要任务是收集 各监控站对g p s 卫星的全部观测数据 利用这些数据计算每颗g p s 卫星的轨道和 卫星钟改正值 上行注入站也设在范登堡空军基地 它的任务主要是在每颗卫星 运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星 这种注入对每颗g p s 卫星每天进行一次 并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入 第一章绪论 全球定位系统具有性能好 精度高 应用广的特点 是迄今最好的导航定位 系统 随着全球定位系统的不断改进 硬 软件的不断完善 应用领域正在不断 地开拓 目前己遍及国民经济各种部门 并开始逐步深入人们的日常生活 1 3 2g p s 定位原理 g p s 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息 用于预报未来 几个月内卫星所处概略位置的预报星历 用于计算定位时所需卫星坐标的广播星 历 精度为几米至几十米 各个卫星不同 随时变化 以及g p s 系统信息 如 卫星状况等 g p s 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离 由于含有接收机卫星 钟的误差及大气传播误差 故称为伪距 对c a 码测得的伪距称为c a 码伪距 精度约为2 0 米左右 对p 码测得的伪距称为p 码伪距 精度约为2 米左右 g p s 接收机对收到的卫星信号 进行解码或采用其它技术 将调制在载波上 的信息去掉后 就可以恢复载波 严格而言 载波相位应被称为载波拍频相位 它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号 市h 位之差 一般在接收机时钟确定的历元时刻量测 保持对卫星信号的跟踪 就 可记录下相位的变化值 但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知 道的 起始历元的相位整数也是不知道的 即整周模糊度 只能在数据处理中作 为参数解算 相位观测值的精度高至毫米 但前提是解出整周模糊度 因此只有 在相对定位 并有一段连续观测值时才能使用相位观测值 而要达到优于米级的 定位精度也只能采用相位观测值 按定位方式 g p s 定位分为单点定位和相对定位 差分定位 单点定位就 是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式 它只能采用伪距观测 可用于车船等的概略导航定位 相对定位 差分定位 是根据两台以上接收机的 观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法 它既可采用伪距观测量也可采用 相位观测量 大地测量或t 程测量均麻采用相位观测值进行相对定位 在g p s 观测量中包含了卫星和接收机的钟差 大气传播延迟 多路径效应等 误差 在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响 在进行相对定位时大部 分公共误差被抵消或削弱 因此定位精度将大大提高 双频接收机可以根据两个 频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分 在精度要求高 接收机间距离 较远时 大气有明显差别 应选用双频接收机 在定位观测时 若接收机相对于地球表面运动 则称为动态定位 如用于车 船等概略导航定位的精度为3 0 1 0 0 米的伪距单点定位 或用于城市车辆导航定 位的米级精度的伪距差分定位 或用于测量的厘米级的相位差分定位 r t k 第一章绪论 实时差分定位需要数据链将两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算 在 定位观测时 若接收机相对于地球表面静止 则称为静态定位 在进行控制网观 测时 一般均采用这种方式由几台接收机同时观测 它能最太限度地发挥g p s 的定位精度 专用于这种目的的接收机被称为大地型接收机 是接收机中性能最 好的一类 目前 g p s 已经能够达到地壳形变观测的精度要求 i g s 的常年观测 台站已经能构成毫米级的全球坐标框架 1 3 3g p s 系统构成 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 g p s 工作卫星及其星座由2 1 颗工作卫星和3 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 个轨道平而内 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差6 0 度 每个轨道平而内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 度 一轨道平面上的卫星比西 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 位于地平线以上的卫星颗数随着时问和地 点的不同而不同 最少可见到4 颗 最多可见到1 1 颗 在用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 连续实时导航定位 测量 g p s 工作卫星的编号和试验卫星基本相j 司 2 地面监控系统 对于导航定位来说 g p s 卫星是一动态己知点 星的位置是依据卫星发射的 星历一描述卫星运动及其轨道的参数算得的 每颗g p s 卫星所播发的星历 是 由地面监控系统提供的 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 刚间系统 这就需要地而站监测各颗卫 星的时间 求出钟差 然后由地面注八站发给卫星 卫星再由导航电文发给用户 设备 g p st 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 第一章绪论 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c 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 甚至三维速度和时间 静态定位中 g p 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 接收机一般用蓄电池做电源 同时采用机内机外两种直流电源 设置机 内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测 在用机外电池的过程中 机 内电池自动充电 关机后 机内电池为r a m 存储器供电 以防止丢失数据 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 用于精密相对定位时 其双频接收机精度可达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 用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级 目前 各种类型的g p s 接收机体积越来越小 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 1 4 c a n 总线原理 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与 测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议 4 圳 它是一种多主总 线 通信介质可以是双绞线 同轴电缆或光导纤维 通信速率可达1 m b p s c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能 可完成对通信数 据的成帧处理 包括位填充 数据块编码 循环冗余检验 优先级判别等项工作 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码 而代之以对通信数据块 进行编码 采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制 数据 第一章绪论 块的标识码可由1 l 位或2 9 位二进制数组成 因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的 数据块 这种按数据块编码的方式 还可使不同的节点同时接收到相同的数据 这一点在分布式控制系统中非常有用 数据段长度最多为8 个字节 可满足通常 工业领域中控制命令 工作状态及测试数据的一般要求 同时 8 个字节不会占 用总线时间过长 从而保证了通信的实时睦 c a n 协议采用c r c 检验并可提供 相应的错误处理功能 保证了数据通信的可靠性 c a n 卓越的特性 极高的可 靠性和独特的设计 特别适合上业过程监控设备的互连