基于GPS信息系統(tǒng)的構(gòu)建

GPS(Global Positioning Navigation System，全球定位導(dǎo)航系統(tǒng))是美國(guó)國(guó)防部在上世紀(jì)70年代研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)GPS專用的接收裝置，用戶可以接收該系統(tǒng)提供的運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿態(tài)參數(shù)信息。由于系統(tǒng)提供的參數(shù)信息為全天時(shí)、全天候、免費(fèi)的測(cè)量信號(hào)，因而基于GPS測(cè)量信號(hào)所構(gòu)建的信息系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等行業(yè)，尤其是在野外作業(yè)、地質(zhì)測(cè)量、交通運(yùn)輸行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了可觀的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文主要介紹基于GPS的信息系統(tǒng)的構(gòu)建方法。

1基于GPS信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于GPS的信息系統(tǒng)是全球定位系統(tǒng)(GPS)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物。該信息系統(tǒng)是利用GPS接收裝置提供的運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而為用戶提供有用信息的系統(tǒng)。

1.1基于GPS信息系統(tǒng)

通常，基于GPS信息系統(tǒng)由測(cè)控終端、通信系統(tǒng)和中心監(jiān)控系統(tǒng)3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分組成，其構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)各組成部分

在基于GPS信息系統(tǒng)中，測(cè)控終端是信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通信系統(tǒng)是連接測(cè)控終端和中心監(jiān)控系統(tǒng)的紐帶，中心監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)信息系統(tǒng)的核心。

1.2.1 測(cè)控終端

測(cè)控終端是整個(gè)信息系統(tǒng)的信息來(lái)源。測(cè)控終端包括GPS接收裝置、測(cè)控裝置和控制器構(gòu)成，其各部分功能如下：

(1)GPS接收裝置

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

(2)測(cè)控裝置

測(cè)控裝置由測(cè)量裝置和控制執(zhí)行裝置構(gòu)成，主要完成兩方面的工作：

測(cè)量裝置通過(guò)傳感器等測(cè)量裝置獲取移動(dòng)終端(被控對(duì)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(tǒng)中車輛的報(bào)警信息、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jù)移動(dòng)終端自身或中心監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，以改變移動(dòng)終端的工作狀態(tài)。

(3)控制器

控制器是移動(dòng)終端的核心，多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。他所完成的工作如下：

數(shù)據(jù)處理功能 接收來(lái)自GPS接收裝置的移動(dòng)終端的GPS狀態(tài)參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)；接收來(lái)自測(cè)量裝置中測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)；對(duì)異常數(shù)據(jù)的報(bào)警或提示；對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，傳送到信息發(fā)送裝置進(jìn)行發(fā)送。

執(zhí)行功能 根據(jù)測(cè)裝置中的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作以改變移動(dòng)終端(被控對(duì)象)的工作狀態(tài)；根據(jù)接收的監(jiān)控中心指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作以改變移動(dòng)終端(被控對(duì)象)的工作狀態(tài)。

通信功能 按照要求將發(fā)送裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送到通信系統(tǒng)；接收來(lái)自通信系統(tǒng)的中心監(jiān)控系統(tǒng)的指令，并將其發(fā)送到執(zhí)行裝置。

1.2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是在基于GPS信息系統(tǒng)中移動(dòng)終端和中心監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系的橋梁，通過(guò)通信系統(tǒng)移動(dòng)終端和中心監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。根據(jù)信息系統(tǒng)的不同，有不同的通信方式供選擇。

(1)無(wú)線電集群通信

該種通信方式是通過(guò)共享頻率、共用設(shè)施、分擔(dān)費(fèi)用、共享覆蓋區(qū)等手段達(dá)到提高信道利用率的無(wú)線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有投資小，運(yùn)行成本低，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，但由于電臺(tái)發(fā)射功率的限制，其監(jiān)控范圍較小，且系統(tǒng)容量較低，故適用于實(shí)時(shí)性強(qiáng)的小范圍信息系統(tǒng)通信。

(2)GSM通信

該種通信方式是利用目前建設(shè)完備的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為通信系統(tǒng)，故覆蓋范圍廣且前期投資小。基于GPS信息系統(tǒng)利用GSM系統(tǒng)的短消息(SMS)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。由于短消息(SMS)吞吐率低，故不適合實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)。

該種通信方式適用于大范圍信息系統(tǒng)的通信。

1.2.3 中心監(jiān)控信息系統(tǒng)

中心監(jiān)控信息系統(tǒng)是整個(gè)信息系統(tǒng)的核心。整個(gè)信息系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、運(yùn)算、保存、顯示等處理功能。他包括管理軟件、地理信息系統(tǒng)(GIS)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)等。

中心監(jiān)控信息系統(tǒng)各個(gè)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(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。管理軟件應(yīng)具備以下功能：

數(shù)據(jù)交換功能 通過(guò)接收裝置接收來(lái)自系統(tǒng)移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)；通過(guò)發(fā)送裝置將系統(tǒng)或用戶的指令發(fā)送到移動(dòng)終端。

數(shù)據(jù)處理功能 對(duì)接收的數(shù)據(jù)按用戶需求進(jìn)行處理，并能對(duì)異常數(shù)據(jù)向用戶提示、報(bào)警等，必要的話提供相應(yīng)的控制指令以改變移動(dòng)終端(控制對(duì)象)的行為。

(2)地理信息系統(tǒng)(GIS)

地理信息系統(tǒng)是整個(gè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)。地理信息系統(tǒng)主要完成如下的功能：

移動(dòng)終端數(shù)據(jù)的顯示 移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)在地理空間上實(shí)時(shí)、直觀地顯示出來(lái)，使系統(tǒng)人機(jī)界面友好。

數(shù)據(jù)分析功能 根據(jù)用戶的要求，對(duì)移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給用戶以提示。常見(jiàn)的地理信息系統(tǒng)(GIS)有MapInfor，MapX，ArcInfor等，可供用戶選擇。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(DBMS)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(DBMS)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保存功能。依照信息系統(tǒng)復(fù)雜程度、數(shù)據(jù)量大小的不同，可采用不同的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。對(duì)于數(shù)據(jù)量較小，數(shù)據(jù)間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可考慮采用微軟公司的ACCESS，而對(duì)數(shù)據(jù)間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)則可考慮選用微軟公司的SQt，Server，如系統(tǒng)龐大且須具備網(wǎng)絡(luò)通信功能則可選用Orical數(shù)據(jù)庫(kù)。

2應(yīng) 用

由于GPS可向用戶提供的運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿態(tài)參數(shù)信息，因而對(duì)于需要測(cè)控與空間地理信息相關(guān)的行業(yè)，基于GPS信息系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用空間。隨著美國(guó)選擇應(yīng)用(SA)政策的取消，GPS的定位精度在10 m的誤差范圍內(nèi)，這就為構(gòu)建基于GPS的信息系統(tǒng)提供了廣闊的空間。

基于GPS信息系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域：

(1)交通運(yùn)輸領(lǐng)域：如車輛監(jiān)控，飛機(jī)機(jī)群的編隊(duì)飛行，車輛及飛行器的自主導(dǎo)航系統(tǒng)等；
(2)地理信息相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)：地球物理資源的勘探，工程建設(shè)的施工放樣等；
(3)精細(xì)化農(nóng)業(yè)；
(4)授時(shí)系統(tǒng)；
(5)航空航天領(lǐng)域。

目前在發(fā)達(dá)國(guó)家基于GPS信息系統(tǒng)已經(jīng)在許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并且取得的可觀的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)基于GPS信息系統(tǒng)則處于起步階段，目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檐囕v監(jiān)控系統(tǒng)，地質(zhì)測(cè)量等幾個(gè)有限的領(lǐng)域。因而，將GPS信息應(yīng)用到更多的相關(guān)行業(yè)，構(gòu)建基于GPS信息系統(tǒng)還有很大的空間。

3 結(jié)語(yǔ)

基于GPS的信息系統(tǒng)是一個(gè)將全球定位系統(tǒng)(GPS)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，已經(jīng)成為跨學(xué)科、跨行業(yè)、用途廣、高效益的綜合性高新技術(shù)。

作者：徐曉輝，柳向斌
(1．洛陽(yáng)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 河南 洛陽(yáng) 471023；
2．河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 河南 洛陽(yáng) 471003)