【转载】浅析GPS原理及应用

2009年07月04日 23:07    原野之狼
关键词: GPS , 浅析 , 应用 , 原理

浅析GPS原理及应用

提起Gps我们中间有些人可能对这个名词比较陌生,提起伊拉克战争大家应该都比较熟悉。

2003年3月20日,伊拉克战争爆发。大批轰炸机、战斗机猛扑向伊拉克首都巴格达,用炸弹准确地将一座建筑彻底摧毁,行动代号:“斩首行动”;4月,一架B-1B“枪骑兵”轰炸机临时接到任务,用炸弹摧毁了另一座建筑。他们的目标都是一个人:萨达姆.侯赛因,他们所使用的炸弹都是一种:联合攻击炸弹(JDAM),这些炸弹之所以都能够精确的打击目标,是因为他们都是通过卫星定位来实现定位,提供这种定位服务的正是由24颗美国卫星组成的全球定位系统--GPS。

GPS是英文GLOBAL POSITIONING SYSTEM 的缩写。原名为“导航星”(NAVSTAR),是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统,是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机之后第三大航天工程。1994年全面建成,历时20年,耗资300亿美元。

GPS全球定位系统是一个无线电空间定位系统,它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候﹑高精度﹑连续﹑实时的三维坐标(纬度,经度,海拔)﹑三维速度和定位信息,地球表面上任何地点均可以用于定位和导航。

GPS系统包括三大部分:空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机。

空间部分—GPS卫星星座

GPS空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座,其中由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55度,各个轨道平面之间相距60度, 即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90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30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(DOP)。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

地面控制部分—地面监控系统

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GPS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GPS卫星的全部观测数据,利用这些数据计算每颗GPS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GPS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。

用户设备部分—GPS信号接收机

GPS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GPS系统信息,如卫星状况等。

GPS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0A码测得的伪距称为UA码伪距,精度约为20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。

GPS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相位之差。一般在接收机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,GPS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量,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,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS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。

如:某品牌车载终端技术参数
(1) 电源:12VDC,300mA(待机状态下典型值); 24VDC,150mA(待机状态下典型值),省电模式下小于33mA。
(2) 电源抗反接特性:<28V
(3) 尺寸:170mm × 110mm × 55mm
(4) 重量:0.5kg
(5) 数字信号传输指标:
传输方式:GPRS
传输速率:9600bps
传输频段:900 MHz /1800 MHz
GSM通信模组:SONY-ERICSSON 工业级模组 GR47
使用频段:900MHz/1800 MHz
输出功率:2W
电流消耗:发射:150mA 平均
空闲:35mA 平均
工作温度:-20~60℃
支持GPRS功能
GPS性能指标
接收板结构:美国SIRF 车载级模组 12通道 C/A码 L1波段
定位精度:<25米(无SA)在差分下达到10米以内
最大加速度:4g
最大速度:545米/秒
热启动时间:<8秒
典型重俘获时间:1秒
天线:有源微带扁平天线
接收板电源要求:25mA 5VDC.
工作温度:-40~85℃
(7) 工作温度:-20~60℃
(8) 储存温度:-40~85℃
(9) 相对湿度:≤93 %

GPS不仅用于导弹、飞船的导航定位,更是广泛用于飞机、汽车、船舶的导航定位,公安、银行、医疗、消防等用它建立监控、报警、救援系统,企业用它建立现代物流管理系统,农业、林业、环保、资源调查、物理勘探、电信等都离不开导航定位,特别是随着卫星导航接收机的集成微型化,出现各种融通信、计算机、GPS于一体的个人信息终端,使卫星导航技术从专业应用走向大众应用,成为继通信、互联网之后的IT第三个新的增长点。以GPS为代表的卫星导航定位应用产业越来越吸引众多人的关注。有关专家预测,到"十五"末期,我国的卫星导航定位应用市场的总产值将超过100亿元,导航定位运营服务产值超过30亿元。卫星导航定位产业在国内是一个具有巨大发展空间的朝阳产业。

以上讲的是GPS原理,下面我们再来讲GPS系统在实际应用中是如何实现?GPS系统只是一个单一的定位系统,需要结合GSM等通讯网络系统来实现定位信息的传递。

GSM(Global System for Mobile Communications环球移动通讯系统),是一个开放、不断演变改进的系统。这个系统最强的优点之一在于拥有国际漫游的功能,消费者可以凭一个号码,在全球超过159个国家不受阻各地接受同等质量的电话服务。

GSM标准将会继续演变改进,与无线、卫星和移动系统配合下提供大幅增多的服务,包括高速多媒体数据服务、为同步使用该项服务而设的内置支援,以及将互联网与固网完美结合。

传统的定位信息是靠短信息SM方式来传递,现在又出现了一种新的分组数据承载业务,即GPRS,GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称。我们先来介绍传统的SM方式传递定位信息的方式。

①移动交换中心(MSC)同公众有线网(PSTN)、短消息中心(SMS)、监管维护通过有线方式连接;同蜂窝基站(BSS)通过有线或无线(如微波)方式连接。
②蜂窝基站(BSS)同移动单元(MS)通过无线方式进行相互连接,无线工作频段为900M。
③ 短消息中心(SMS)是实现短讯收发的信息平台。其在基站与移动单元之间的数据传输是通过无线信令信道进行传输。

GPS系统工作流程
 
移动目标—监控中心
①移动目标接收GPS卫星信号,并解算出所在位置的定位信息;
②移动目标将解算出的位置信息通过无线信令信道传送至蜂窝基站;
③蜂窝基站接收移动目标发射的信息,并将数据信息通过短消息中心传至监控中心;
④监控中心利用短消息中心传来的数据信息实现对移动目标的定位监控。

监控中心—移动目标
①监控中中心执行相关监控指令;(如:询位置指令、监听指令、断电指令等)
②监控指令通过短消息中心传至蜂窝基站;
③蜂窝基站将监控指令信息进行调制发射,通过信令信道传至移动目标;
④移动目标接收蜂窝基站发射的信息并执行相关指令。

监控中心由数据库服务器、短信接口机、通信中心管理机、数据中心管理机、监控座席构成,可以增加GPRS接口和全国联网接口,还可以增加分中心和远程座席。关于GSM方式和GPRS方式的比较我们在后面会讲到。

刚才我们介绍了监控中心的组成,当车在马路上行使时,我们可以通过监控座席来监控车辆的位置,要在监控地图上看到监控车辆,必须要安装MapX软件。

MapX是MapInfo公司向用户提供的具有强大地图分析功能的ActiveX控件产品,能够把基于位置信息的数据以高清晰可视化效果的显示与分析,使车辆位置清晰准确的在计算机中反映出来,更好的服务于用户。在监控座席中它起到了调用地图的功能。

MapInfo Professional
        世界领先的绘图和地理分析软件,使用它可以创建高度精密、准确的地图,你可以随意的修改地图软件,可以自己添加新建的道路和地图中绘制不详细的地点。在监控座席中它起到了修改地图的功能。

GSM定位应用系统与GPRS定位应用系统的比较

技术
        GSM传统的数据通信方式,包括短信息SM方式和DATA方式。SM方式存在延时大(一般在6—8秒)、通道有阻塞等缺点;DATA方式存在拨号时间长(10秒左右)、通信费用高等缺点。GSM属于移动通信中的2G(第2代)技术。

与GSM传统的电路交换技术不同,GPRS采用分组交换技术,具有“永远在线”、“自如切换”、“高速传送”等优点,属于移动通信中的2.5G(2.5代)技术,它能全面提升移动数据通信服务,目前下行传输速率理论上可达到40kbit/s,上行传输速率可达9.6kbit/s,特别适用于象GPS系统那样具有突发性、每次数据流量小、总体数据流量大、实时性要求高等特点的移动数据通信的应用。

覆盖范围
        GPRS依托于GSM系统,需要在GSM系统上进行改造,才能实现GPRS。目前,国内只有中国移动采用了GPRS技术(中国联通选用了CDMA技术)。根据中国移动的网络铺设计划,大中城市已经普及GPRS,GPRS网络的质量也一直在优化中。在某些地区,还没有开通GPRS业务。

通信费用
        GPRS采用包月+流量计费,可以一直在线,按照接收和发送数据包的数据量来付费,也可以采用包月方式计费。


        由于可以自由选择计费方式,对需要密切跟踪的车辆可以选择包月方式,而对于不需要密切跟踪的车辆可以采用按流量计费方式,从而降低整个系统的使用费用。

GPS数据根据不同的指令,其长度不完全一样,平均按60个字节计算,加上打包数据,每传一次在100个字节左右。如果一辆车要求每天监控10个小时,每分钟自动回传一次位置信息,每月30天,则每月的GPRS信息量为:
100字节*10小时*60分钟*30天=1,800,000字节=1.8M,采用包月20元时,约一个月28元。
但如果选择SM方式,则费用为:
1条/分钟*60*分钟*10小时*30天*0.1元/条=1800元
因此,GPRS特别适用于需要频繁地发送数据、数据总流量较大的场合。

系统设备
        GPRS的系统设备相对复杂一些。与GSM方式的GPS系统相比,需要增加GPRS通信接口;因为必须考虑系统在GPRS通信出现故障的情况下,仍能与车台保持联系,还须增加GSM/GPRS通信的切换程序。

在接入方式上,GSM系统可以采用点对点、DDN、INTERNET等方式;GPRS系统则要看当地中国移动的接入条件,有的需要固定IP,有的只须接入INTERNET即可,目前,以后一种方式越来越普及。

车载终端

 

   来源:阿里互联电子
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