基于GPS信息系統的構建

GPS(Global Positioning Navigation System，全球定位導航系統)是美國國防部在上世紀70年代研制的第二代衛(wèi)星導航系統。通過GPS專用的接收裝置，用戶可以接收該系統提供的運動載體的七維狀態(tài)參數和三維姿態(tài)參數信息。由于系統提供的參數信息為全天時、全天候、免費的測量信號，因而基于GPS測量信號所構建的信息系統在工業(yè)、農業(yè)、國防等行業(yè)，尤其是在野外作業(yè)、地質測量、交通運輸行業(yè)得到了廣泛的應用，取得了可觀的社會和經濟效益。本文主要介紹基于GPS的信息系統的構建方法。

1基于GPS信息系統的結構

基于GPS的信息系統是全球定位系統(GPS)、計算機技術、通信技術、數據庫技術等相結合的產物。該信息系統是利用GPS接收裝置提供的運動載體的狀態(tài)參數和姿態(tài)參數，對這些數據進行處理，從而為用戶提供有用信息的系統。

1.1基于GPS信息系統

通常，基于GPS信息系統由測控終端、通信系統和中心監(jiān)控系統3個相互關聯的部分組成，其構成結構如圖1所示。

1.2 系統各組成部分

在基于GPS信息系統中，測控終端是信息系統的基礎，通信系統是連接測控終端和中心監(jiān)控系統的紐帶，中心監(jiān)控系統是整個信息系統的核心。

1.2.1 測控終端

測控終端是整個信息系統的信息來源。測控終端包括GPS接收裝置、測控裝置和控制器構成，其各部分功能如下：

(1)GPS接收裝置

GPS接收裝置通過GPS天線獲取測控終端的GPS七維狀態(tài)參數和三維姿態(tài)參數信息，并將這些信息傳送到終端控制器。

(2)測控裝置

測控裝置由測量裝置和控制執(zhí)行裝置構成，主要完成兩方面的工作：

測量裝置通過傳感器等測量裝置獲取移動終端(被控對象)的工作狀態(tài)以及用戶所需的一切信息。例如在車輛監(jiān)控系統中車輛的報警信息、發(fā)動機狀態(tài)、油量消耗等信息。

控制執(zhí)行裝置則是執(zhí)行終端控制器根據移動終端自身或中心監(jiān)控系統發(fā)出的指令執(zhí)行相應的動作，以改變移動終端的工作狀態(tài)。

(3)控制器

控制器是移動終端的核心，多采用單片機實現。他所完成的工作如下：

數據處理功能 接收來自GPS接收裝置的移動終端的GPS狀態(tài)參數和姿態(tài)參數數據；接收來自測量裝置中測量裝置的數據；對異常數據的報警或提示；對以上數據進行處理后，傳送到信息發(fā)送裝置進行發(fā)送。

執(zhí)行功能 根據測裝置中的數據執(zhí)行相應的動作以改變移動終端(被控對象)的工作狀態(tài)；根據接收的監(jiān)控中心指令執(zhí)行相應的動作以改變移動終端(被控對象)的工作狀態(tài)。

通信功能 按照要求將發(fā)送裝置的數據發(fā)送到通信系統；接收來自通信系統的中心監(jiān)控系統的指令，并將其發(fā)送到執(zhí)行裝置。

1.2.2 通信系統

通信系統是在基于GPS信息系統中移動終端和中心監(jiān)控系統聯系的橋梁，通過通信系統移動終端和中心監(jiān)控系統進行數據的交互。根據信息系統的不同，有不同的通信方式供選擇。

(1)無線電集群通信

該種通信方式是通過共享頻率、共用設施、分擔費用、共享覆蓋區(qū)等手段達到提高信道利用率的無線通信系統。該系統具有投資小，運行成本低，系統實時性好的優(yōu)點，但由于電臺發(fā)射功率的限制，其監(jiān)控范圍較小，且系統容量較低，故適用于實時性強的小范圍信息系統通信。

(2)GSM通信

該種通信方式是利用目前建設完備的移動通信網絡作為通信系統，故覆蓋范圍廣且前期投資小�；�于GPS信息系統利用GSM系統的短消息(SMS)來實現數據通信。由于短消息(SMS)吞吐率低，故不適合實時性要求高的系統。

該種通信方式適用于大范圍信息系統的通信。

1.2.3 中心監(jiān)控信息系統

中心監(jiān)控信息系統是整個信息系統的核心。整個信息系統對相關數據進行交換、運算、保存、顯示等處理功能。他包括管理軟件、地理信息系統(GIS)和數據庫管理系統(DBMS)等。

中心監(jiān)控信息系統各個部分的主要具備的功能如下：

(1)管理軟件

管理軟件是中心監(jiān)控信息系統的數據處理中心。管理軟件應具備以下功能：

數據交換功能 通過接收裝置接收來自系統移動終端的數據；通過發(fā)送裝置將系統或用戶的指令發(fā)送到移動終端。

數據處理功能 對接收的數據按用戶需求進行處理，并能對異常數據向用戶提示、報警等，必要的話提供相應的控制指令以改變移動終端(控制對象)的行為。

(2)地理信息系統(GIS)

地理信息系統是整個信息系統的數據顯示平臺。地理信息系統主要完成如下的功能：

移動終端數據的顯示 移動終端的數據在地理空間上實時、直觀地顯示出來，使系統人機界面友好。

數據分析功能 根據用戶的要求，對移動終端的數據進行分析，給用戶以提示。常見的地理信息系統(GIS)有MapInfor，MapX，ArcInfor等，可供用戶選擇。

(3)數據庫系統(DBMS)

數據庫系統(DBMS)主要用來實現整個信息系統數據的保存功能。依照信息系統復雜程度、數據量大小的不同，可采用不同的數據庫系統。對于數據量較小，數據間結構簡單的系統可考慮采用微軟公司的ACCESS，而對數據間結構復雜的系統則可考慮選用微軟公司的SQt，Server，如系統龐大且須具備網絡通信功能則可選用Orical數據庫。

2應 用

由于GPS可向用戶提供的運動載體的七維狀態(tài)參數和三維姿態(tài)參數信息，因而對于需要測控與空間地理信息相關的行業(yè)，基于GPS信息系統有著廣泛的應用空間。隨著美國選擇應用(SA)政策的取消，GPS的定位精度在10 m的誤差范圍內，這就為構建基于GPS的信息系統提供了廣闊的空間。

基于GPS信息系統的應用主要集中在以下幾個領域：

(1)交通運輸領域：如車輛監(jiān)控，飛機機群的編隊飛行，車輛及飛行器的自主導航系統等；
(2)地理信息相關測量系統：地球物理資源的勘探，工程建設的施工放樣等；
(3)精細化農業(yè)；
(4)授時系統；
(5)航空航天領域。

目前在發(fā)達國家基于GPS信息系統已經在許多行業(yè)得到廣泛應用，并且取得的可觀的社會和經濟效益。我國基于GPS信息系統則處于起步階段，目前的主要應用領域為車輛監(jiān)控系統，地質測量等幾個有限的領域。因而，將GPS信息應用到更多的相關行業(yè)，構建基于GPS信息系統還有很大的空間。

3 結語

基于GPS的信息系統是一個將全球定位系統(GPS)、計算機技術、通信技術、數據庫技術相結合的產物，已經成為跨學科、跨行業(yè)、用途廣、高效益的綜合性高新技術。

作者：徐曉輝，柳向斌
(1．洛陽大學 機電工程學院 河南 洛陽 471023；
2．河南科技大學 電子信息工程學院 河南 洛陽 471003)