GPS車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)的應用

李星蓉、戚宇林、羅廣孝、蘇漢



　　摘要：當今，諸多部門，如公安、交通、電力和銀行等，都要求在城市環(huán)境中對車輛進行連續(xù)跟蹤和不間斷定位。在經(jīng)濟建設和科學技術(shù)的廣泛領(lǐng)域，都采用了GPS的精密定位技術(shù)。論文闡述了GPS定位的基本原理及其應用，重點介紹了車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)的應用，最后介紹了GPS的發(fā)展現(xiàn)狀以及在我國的發(fā)展狀況。并分析了它的發(fā)展前景以及我國發(fā)展GPS的對策。


　　關(guān)鍵詞：GPS；車輛定位；無線數(shù)據(jù)鏈路；衛(wèi)星導航；監(jiān)控中心


　　0前言


　　GPS（Gloal Pasitioning System）以其全球性、全天侯及被動式的定位原理等諸多優(yōu)勢無可爭議的成為現(xiàn)在最為廣泛使用的定位手段�，F(xiàn)在應用最廣泛的是大地測量、海上漁用、陸用導航以及車輛定位監(jiān)控、其中車輛定位監(jiān)控的市場增長最為迅速。針對美國的SA和AS技術(shù)政策，目前已有不少國家發(fā)展了DGPS和WADGPS系統(tǒng)，為GPS的發(fā)展開辟了新的領(lǐng)域。我國也有一些單位生產(chǎn)車載GPS系統(tǒng)。為發(fā)展我國的GPS產(chǎn)業(yè)，武漢已經(jīng)成為中國GPS工程技術(shù)研究中心。


　　1GPS簡介


　　1.1GPS全球定位系統(tǒng)的建立


　　GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天侯、連續(xù)性和實時性的導航、定位和定時功能。GPS是1973年12月美國國防部批準的海陸軍三軍聯(lián)合研制的新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，從1974年以來，GPS計劃已經(jīng)歷了方案論證（1974-1978）、系統(tǒng)論證（1979-1987）和生產(chǎn)實驗（1988-1993）共3個階段。整個系統(tǒng)分為衛(wèi)星星座、地面控制和監(jiān)測站、用戶設備等3大部分。


　　GPS衛(wèi)星星座的基本參數(shù)為衛(wèi)星顆婁21+3，即21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面的個數(shù)為6個，衛(wèi)星高度為20200km，軌道傾角為55°，衛(wèi)星運行周期為11h58min，載波頻率為1575.42MHz和1227.60MHz。衛(wèi)星通過天頂時，衛(wèi)星可見時間為5h，在地球表面上任何地點任何時間，高度角在15°以上時，平均可同時觀測到6顆衛(wèi)星，最多可達9顆。當衛(wèi)星入軌后，星內(nèi)機件靠太陽能電池和鎘鎳蓄電池供電。每個衛(wèi)星有一個推力系統(tǒng)，以便使衛(wèi)星軌道保持在適當?shù)奈恢谩?br>

　　1.2GPS系統(tǒng)組成及各部分的作用


　　GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分-GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分－地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分-GPS信號接收機。下面具體介紹各部分的作用：


　�。�1）GPS衛(wèi)星


　　1）用L波段的兩個無線載波（19cm和24cm）向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航定位信號。每個載波用導航信息D(t)和偽隨機碼（PRN）測距信號進行雙相調(diào)制。用于捕獲信號及粗略定位的偽隨機碼稱C/A碼，精密測距碼稱P碼。由導航電文可以知道該衛(wèi)星當前的位置和衛(wèi)星的工作情況。


　　2）衛(wèi)星飛越注入站上空時，接收由地面注入上用S波段（10cm）發(fā)送到衛(wèi)星的導航電文和其他有關(guān)信息，并通過GPS信號電路，適時地發(fā)送給廣大用戶。


　　3）接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，實時地改正運行偏差或啟用備用時鐘等。


　�。�2）地面監(jiān)控系統(tǒng)


　　地面監(jiān)控系統(tǒng)包括1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站。主控站的主要任務是收集、處理本站和監(jiān)測站收到的全部資料，編算出每顆衛(wèi)星的星歷和GPS時間系統(tǒng)，將預測的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣傳播改正編制成導航電文傳送到注入站。主控站還負責糾正衛(wèi)星的軌道偏離，必要時調(diào)度衛(wèi)星，使備用衛(wèi)星取代失效的工作衛(wèi)星。另外還負責監(jiān)測整個地面監(jiān)測系統(tǒng)的工作，檢測注入給衛(wèi)星的導航電文，監(jiān)測衛(wèi)星是否將導航電文發(fā)送給了用戶。注入站的任務是將主控站發(fā)來的導航電文注入到相應衛(wèi)星的存儲器。每天注入3次，每次注入14天的星歷。此外，注入站能自動向主控站發(fā)射信號，每分鐘報告一次自己的工作狀態(tài)。監(jiān)測站的主要任務是為主控站提供衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)。


　�。�3）GPS信號接收機


　　它能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設備。


　　1.3GPS衛(wèi)星定位基本原理


　　將無線電信號發(fā)射臺從地面點搬到衛(wèi)星上，組成一個衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，應用無線電測距交會的原理，便可由3個以上地面已知點交會出衛(wèi)星的位置，反之利用3個以上衛(wèi)星的已知空間位置就要以交會出地面示知點的位置。但是，除了位置上的三維坐標外，由于接收機鐘與衛(wèi)星鐘有一定的誤差，如果把這個接收機鐘差也作為未知數(shù)，則共有4個未知數(shù)，所以接收機必須同時至少測定4顆衛(wèi)星的距離才能算出接收機的三維卒標。


　　2GPS的應用現(xiàn)狀和展望


　　2.1GPS的應用現(xiàn)狀


　　GPS以其高精度的定位、測速和定時功能在20世紀70年代就已經(jīng)引起了極大的關(guān)注，現(xiàn)在更是在多個領(lǐng)域得到廣泛的應用。例如：GPS在大地控制測量中的應用；GPS在精密工程測量及變形監(jiān)測中的應用；GPS在航空攝影中的應用；GPS在線路勘測及隧道貫通測量中的應用；GPS在地形、地籍及房地產(chǎn)測量中的應用；GPS在海洋測繪中的應用；GPS在公安、交通系統(tǒng)中的應用；GPS在地球動力學級地震研究中心的應用；GPS在氣象信息測量中的應用；GPS在航空航海導航中的應用等。軍用GPS系統(tǒng)的熱點是將嵌入式GPS模塊裝入其他軍用系統(tǒng)和產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的能力。在民用中，目前，大地測量、海上漁用、陸用導航以及車輛定位監(jiān)控占有主要的市場。在電力系統(tǒng)中，GPS監(jiān)視電力負荷狀態(tài)、穩(wěn)定交流電流頻率及發(fā)電廠測定故障位置、實現(xiàn)各變電站的同步校時等發(fā)揮著越來越重要的作用，將是一個廣闊的市場。


　　2.2GPS的發(fā)展前景展望


　　GPS自身的優(yōu)點已經(jīng)為其展現(xiàn)了廣闊的應用前景�，F(xiàn)在和GPS類似的產(chǎn)品也出現(xiàn)了不少，如俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)也可以用于民用且沒有SA限制，西歐歐洲空間局（ESA）正在籌建的NAVSAT導航衛(wèi)星系統(tǒng)，是一種民用導航系統(tǒng)，他們都將跟美國的GPS展開競爭。另外，國際民航組織（ICAO）將建設純民用的GNSS系統(tǒng)，為了打破一個類似于INMARSAT公司的國際性衛(wèi)星導航工程公司，讓民間用戶擺脫受制人的不安心理，將GNSS系統(tǒng)的所有權(quán)、控制權(quán)和運營權(quán)實行國際化，貫徹“集資共建，資源共享”的方針。這些都將為GPS的發(fā)展打開廣闊的空間。


　　3GPS車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)


　　GPS車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)主要有自導航應用和中心監(jiān)控兩種方式。車輛監(jiān)控系統(tǒng)是集GPS技術(shù)、無線通信技術(shù)和GIS（Geologic Information System）技術(shù)于一體的綜合車輛管理系統(tǒng)。一般行業(yè)用戶的車船隊監(jiān)控都采用中心監(jiān)控方式，系統(tǒng)由監(jiān)控中心、位于監(jiān)控中心的主站和安裝在移動車輛上的子站等3部分構(gòu)成。系統(tǒng)的工作原理是：安裝在車輛上的GPS接收機根據(jù)收到的衛(wèi)星信息計算出車輛的當前位置，通信控制器從GPS接收機輸出的信號中提取出所需要的位置，通信控制器從GPS接收機輸出的信號中提取所需要的位置、速度和時間信息，結(jié)合車輛身份等信息形成數(shù)據(jù)報，然后通過無線信道發(fā)往控制中心。控制中心的主站接收子站發(fā)送的數(shù)據(jù)，并從中提取出定位信息，根據(jù)各車輛的車號和組號等，在監(jiān)控中心的電子地圖上顯示出來。同時，在控制中心的系統(tǒng)管理員可以查詢各車輛的運行狀況。根據(jù)車流量合理調(diào)度車輛。


　　3.1車載終端


　　車載終端設備包括：控制單元（CPU）、顯示單元（可選）、GPS接收機、GSM手機（或其他通信模塊）、防盜報警器（可選）。主要功能為：


　�。�1）防盜報警功能：當有緊急情況發(fā)生時，用戶可以觸發(fā)隱蔽的報警按鈕，車載單元會自動將GPS接收機中的位置數(shù)據(jù)通過GSM手機的短消息功能傳送給監(jiān)控中心；


　�。�2）導航功能：GPS提供移動目標的準確位置、速度和方向等數(shù)據(jù)，無差分的定位精度在10m左右，差分精度為3-5m。系統(tǒng)可以通過調(diào)度中心進行導航，也可以在終端上存儲電子地圖，顯示單元上可實時顯示移動目標在電子地圖上的位置。根據(jù)目的地，選擇行駛的最佳路線，并可以做到偏航報警；


　　（3）通話功能：車載GSM手機可進行語音通話，當用戶離車時還可將手機取下正常使用。幾種通信方式一般都要求數(shù)話兼容，可根據(jù)指揮中心的指令來控制，以達到數(shù)話轉(zhuǎn)換的功能。比如，采用集群通信，在車輛報警后，監(jiān)控中心將批出信道來監(jiān)聽車內(nèi)的情況。


　　3.2無線數(shù)據(jù)鏈路


　　無線數(shù)據(jù)傳輸設備作為基站與各移動目標進行信息交換的樞紐，是整個車調(diào)系統(tǒng)中的重要組成部分，其選擇方案包括以下幾種：


　　1）公網(wǎng)設備：如GSM；


　　2）集群通信：如公守上用的350MHz、800MHz集群系統(tǒng)；


　　3）常規(guī)電臺：采用專用信道和無線Modem。


　　當然，一些車調(diào)系統(tǒng)可以無通信系統(tǒng)，如長途貨運公司等不需要實時監(jiān)控和調(diào)度的應用，這主要根據(jù)系統(tǒng)的應用目的所決定。


　　選擇合適的無線數(shù)據(jù)傳輸設備關(guān)鍵要從以下幾點來統(tǒng)一權(quán)衡：


　�。�1）收發(fā)轉(zhuǎn)換時間


　　它和系統(tǒng)容量有直接關(guān)系，是選擇數(shù)據(jù)鏈時首先應考慮的方面。一些高檔數(shù)傳電臺的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間僅10-20ms；而常規(guī)話音電臺的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間一般較長，需要100-200ms。


　　（2）接入方式


　　1）網(wǎng)絡方式：調(diào)度中心通過專線接入無線通信網(wǎng)，系統(tǒng)容量大，但是運營和建設成本高，在建立大型的監(jiān)控網(wǎng)絡時是唯一選擇。
　　2）單機方式：調(diào)度中心通過無線收發(fā)信機接入通信網(wǎng)，系統(tǒng)容量小，但擴容方便，增加無線收發(fā)信機就可以增加系統(tǒng)容量，在系統(tǒng)容量不大時應用較多，建設和運營成本都比較低。


　�。�1）碰撞處理


　　對不同的系統(tǒng)有不同的要求。


　　1）常規(guī)電臺：終端的信息發(fā)送要做到時分復用，充分利用頻率資源。


　　2）集群和公網(wǎng)：通信系統(tǒng)針對終端的信息發(fā)送請求調(diào)配頻率資源。


　　對于要求覆蓋范圍廣的，比如防盜和郵政運輸、長途客/貨運車輛，一般選擇公網(wǎng)，可以有效地降低建設費用。集群通信頻道多，刷新率高，能夠?qū)崿F(xiàn)群呼、組呼和個呼，但建設成本高，在機場、港口碼頭等已有集群專網(wǎng)的場合應用比較好。


　　3.3監(jiān)控中心


　　監(jiān)控中心的組成包括數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控終端/GIS終端、業(yè)務處理終端、前端接入設備等。工作人員可通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控所有入網(wǎng)移動目標的運動。其關(guān)鍵是相應業(yè)務內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫建設、電子地圖以及和業(yè)務內(nèi)容密切相關(guān)的應用軟件MIS。實現(xiàn)的功能有：


　�。�1）車輛調(diào)度功能：監(jiān)控中心可在電子地圖上選定區(qū)域，發(fā)出廣播指令。凡行駛在該區(qū)域的車輛都自動回傳信息給監(jiān)控中心，工作人員即可通過GSM電話，根據(jù)需要調(diào)度車輛。


　　（2）監(jiān)控報警功能：在車輛遇到搶動的情況下，司機可以悄悄按下隱蔽的報警按鈕，監(jiān)控中心可以查詢出事車輛的位置，并實時監(jiān)聽車內(nèi)的動靜。


　�。�3）信息查詢功能：可通過數(shù)據(jù)庫查詢?nèi)魏稳刖W(wǎng)用戶的資料。


　　4GPS發(fā)展趨勢和市場前景


　　4.1全球GPS發(fā)展趨勢及市場預測


　　根據(jù)估計，目前世界上有超過100家的公司正在研制各種各樣的GPS用戶接收機。大批量的OEM板接收機的價格將從1995年標準定位服務（SPS）接收機的每片150美元降低到2003年50美元左右。隨著接收機價格的下降，GPS市場將會像PC機市場那樣呈指數(shù)增長的趨勢。


　　目前，GPS市場呈現(xiàn)兩種趨勢：一是硬件價格以每年30％的速度持續(xù)下降；二是用戶的各類應用軟件不斷增加。這也是為什么消費類GPS產(chǎn)品的價格下降得如此這快而功能眾多的商用和專用GPS設備仍保持在相當高的水平上的原因。特別是商用GPS市場中，各種各樣的軟件快速發(fā)展，數(shù)量不斷增加，這些都是GPS產(chǎn)量速增的根本動力。在消費類GPS產(chǎn)品市場中，軟件不是影響成本的主要原因，因而硬件價格不斷下降，是零售GPS產(chǎn)品的價格不斷降低的原因。美國國家公共管理研究院所進行的調(diào)查表明，到2001年，全球每年的GPS市場將達到120億美元，到2005年，將達到310億美元。其中55％的份額在美國以外。


　　4.2中國的GPS市場展望及發(fā)展對策


　　在我國，GPS已經(jīng)成為“地基”無線電跟蹤與測量系統(tǒng)的一種補充手段，但它在導航和航天測控領(lǐng)域的應用潛力卻令人矚目。例如，我國的導彈和航天測控系統(tǒng)用戶可根據(jù)所需測量精度、目標大小及動態(tài)特性要求，選擇導彈/航天器，裝載GPS轉(zhuǎn)發(fā)機或GPS接收及測量系統(tǒng)，以完成各類導彈、衛(wèi)星、飛機和炮彈，以及低空長弧段飛行目標等各種飛行體，甚至多個目標的精確跟蹤和定位。GPS亦可為一切航天器（衛(wèi)星、飛船等）精確定軌、定姿，定軌精度可達cm級；GPS也可為載人航天器提供實時入軌、返回來判斷信息；GPS還可為航天器的交匯、對接，提供高精度的相對位置、速度和姿態(tài)。此外，GPS可為一切用戶提供高精度的時間與頻率基準（時間精度灰ps）。十多年多，GPS在中國的應用發(fā)展勢頭迅猛，已從少數(shù)科研單位和軍事部門迅速擴展到各個民用領(lǐng)域。伴隨著GPS技術(shù)應用日趨廣泛，國內(nèi)GPS用戶正越來越多。隨著我國GPS市場的逐漸開發(fā)，市場容量會越來越大。GPS作為一種發(fā)展起來的高新產(chǎn)業(yè)，必將充滿著無限的商機。


　　但是，相對于國外，我們的水平還比較低，所以我們要有自己的發(fā)展對策：


　�。�1）在充分利用美國GPS系統(tǒng)的情況下，大力發(fā)展自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以免受到SA的限制。


　�。�2）開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片組和嵌入式軟件及專用數(shù)據(jù)產(chǎn)品和信息服務產(chǎn)品，變被動應用為主動出擊，實現(xiàn)我國從導航應用大國向應用強國的轉(zhuǎn)變。


　�。�3）加速完成衛(wèi)星導航系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。把研究所、大專院校與各公司建成紐帶，聯(lián)合開發(fā)，避免重復開發(fā)造成的資金、人才和時間的浪費，使我們自己的導航系統(tǒng)的發(fā)展實現(xiàn)規(guī)模化。


　　5結(jié)束語


　　綜上所述，GPS具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和應用前景。隨著各國GPS產(chǎn)業(yè)化進程的加快，GPS技術(shù)的發(fā)展將形成規(guī)�；�。GPS技術(shù)的應用將和人們的生活息息相關(guān)，它將在一定程度上改變我們的生活方式。隨著GLONASS/GNSS的加入，空間資源環(huán)境將變成多元化的局面，這將給GPS的發(fā)展應用創(chuàng)造一個前所未有的良好的國際環(huán)境。



摘自《電力系統(tǒng)通信》