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;贕PS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)