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技术融合:GSM与GPS结合跟踪移动目标

发布: 2007-6-23 15:23 | 作者:   | 来源:   | 查看: 20次 | 进入软件测试论坛讨论

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  GPS和GSM,看似两个不同领域的东西,但如果巧妙地加以组合,它们将在许多方面改变人们的生活,影响人们的生活。
  

  目前,随着社会的进步,以及人们物质生活和精神生活水平的不断提高,人们越来越希望能即时、准确的知道某些物品、某些人的重要信息,如地理位置、移动目标的速度和方向等等,因此,能实现这种愿望的高科技产品,就越来越受到人们的关注和喜爱。GPS就是这样一种能实现高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、价格可接受的高科技定位产品。而GSM除了能够提供人们熟悉的语音信息以外,它还能在GPS和使用者之间,通过数据业务和短消息业务,很好的传递控制和定位信息,为GPS这种高科技定位产品,在民间廉价的应用提供基础。因此,GPS和GSM技术结合的产物,将最大程度的满足人们对移动目标的跟踪需求
  
  英文:“NAVSTAR/GPS”为“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”的缩写,简称GPS, 它的含义是利用卫星测时和测距进行导航,从而构成全球卫星定位系统。现在国际上已经公认:将这一全球定位系统简称为GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位定时系统,具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性。
  
  在很早以前,人们就已经开始了定位技术的研究,但直到1967年7月29日,美国政府宣布将海军导航卫星系统(NNSS),也称子午卫星(TRANSIT)系统的部分导航电文解密供民间应用后,GPS这种全球卫星定位系统才真正撩起神秘的面纱,被人们所结识、所利用,才显示出它巨大的经济价值和社会价值。
  
  80年代后,随着GPS实验卫星和工作卫星的先后升空,经过各国科学家和生产厂家的共同努力,GPS硬件(接收机及各种配件)和软件技术日趋成熟,使得GPS的定位精度越来越高,观测速度越来越快,自动化程度越来越完善,价格却越来越低,这为GPS的广泛应用,开拓了更广阔的前景。
  
  GPS系统包括三部分:GPS卫星星座(空间部分)、地面控制系统(地面监控部分)、GPS接收机(用户部分)。
  
  GPS卫星星座(空间部分):
  由24颗覆盖全球上空的卫星组成,它们均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角55度,各个轨道平面之间相距60度,同一轨道平面上的卫星之间的升交角距相差90度,任意轨道平面上的卫星比西边相邻平面轨道上的相应卫星超前30度。空间部分总投资200亿美元,它的实施分成三个阶段:
  
  第一阶段:1974~1978年为方案论证阶段,在美国加利福尼亚的范登堡空军基地,采用Atlas F火箭,从1978年2月22日发射第一颗GPS试验卫星起,到1985年10月9日发射完最后一颗卫星,共发射了11颗代号为BLOCK-Ⅰ的GPS试验卫星在轨道上,运行轨道呈椭圆形,长半轴为26560km,倾角为64°,轨道高度约20000km。目前仍有4颗卫星在工作。
  
  第二阶段:1979~1987年为系统论证阶段。
  
  第三阶段:1988~1993年为生产实验阶段。自1989年初开始,在美国佛罗里达州肯尼迪空间中心的卡纳维拉尔角基地,采用Delta火箭,发射了代号为BLOCKⅡR型的第三代GPS试验卫星,组成了GPS的卫星星座。它是由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成,称为(21+3)GPS星座。卫星轨道面有6个,长半轴为26609km,偏心率为0.01,倾角为55°,轨道高度约20200km,运行周期为11小时58分钟(恒星时12小时),载波频率为1575.42MHz和1227.60MHz,卫星能覆盖地面面积38%,通过天顶时可见时间为5小时。在地球表面上的任何时间和地点,在高度角15度以上,平均可同时观测到6颗以上卫星。由于卫星对地面的距离和波束覆盖面积基本不变,因此在覆盖区域内,接收机接收到的信号近似相等,这非常有利于定位精度的提高。
  
  GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的,卫星重774kg,使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构,主体呈柱形,直径为1.5m。两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板,全长5.33m接受日光面积为7.2m2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转,使板面始终对准太阳,为卫星不断提供电力,并给三组镉镍电池充电,以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有多波束定向天线,能发射张角大约为30度的两个L波段(19cm和24cm波)的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线,用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统,以便使卫星保持在适当的高度和角度,准确对准卫星的可见地面。GPS卫星的作用主要有3点:
  
  1. 用L波段的两个无线载波(19cm和14cm)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。
  
  2. 在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站用S波段(10cm波段)发送到卫星的导航电文和其他有关信息,并通过GPS信号电路,适时的发送给用户。
  
  3. 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,适时地改正运行偏差或者起用备用时钟等。
  
  地面控制系统(地面监控部分):
  全面负责监控全球定位系统的工作。它包括:主控站、监测站、注入站。
  
  主控站:1个,是位于科拉多州斯平士的卫星操作控制中心(CSOC),它的任务是收集各监测站送来的数据,计算卫星轨道、星历、时钟改正数、状态参数等,并按一定格式编辑为导航电文传送到注入站,再转发至各卫星;它还负责对地面控制系统的协调工作、对卫星状态的诊断、调整和发送工作。此外,这个主控站里还附设了一个监测站。
  
  监测站:5个,除一个附设在主控站内,还有4个分别分布在夏威夷、北太平洋的Kwajalein岛、印度洋的Diogo Garcia岛、大西洋的Ascension岛上。它们主要用配备的P码接收机和精密铯种,对每颗卫星进行连续不断的跟踪测量,并将所得数据传送到主控站。它是无人值守的数据采集中心,受主控站的控制。
  
  注入站:3个,分别附设在北太平洋的Kwajalein岛、印度洋的Diogo Garcia岛、大西洋的Ascension岛上的监测站内,其主要功能是每天用S波段(10cm波),将主控站传送来的卫星星历和时钟参数等发送到卫星的存储器中,让有关信息通过GPS卫星信号电路发给用户。还自动向主控站发信号。
  
  GPS接收机(用户部分):
  由于近十几年来,世界各国的企业公司和科研单位竞相开发出各种类型的接收机,因此GPS接收机的分类形式很多。常规分为两种:导航型和测地型。
  
  导航型接收机结构简单,体积小,价格便宜,采用C/A码伪距接收技术,定位精度一般可达100~20m,最高可达3~1m。若采用P码接收技术,达到的精度将更高。普通C/A码伪距接收机的价格大约在2-3千左右。
  
  测地型接收机结构复杂、精度高,它采用双频伪距和载波相位接收技术,测量基线的精度和高度都比导航型接收机高许多数量级。双频接收机可达5mm+1ppm•D,单频接收机可达10mm+2ppm•D,若用差分定位其精度可达亚米及厘米级。
  
  目前,GPS接收机的体积是越来越小,重量越来越轻,价格越来越低。
  
  随着GSM移动通信系统在我国的迅猛发展,它的电话业务功能对大多数人来讲,已不再陌生,但它的其他功能:如数据业务、短信息业务、补充业务,将有助于我们把GPS的应用扩展到跟踪移动目标方面。
  
  今年,我国电信业继续保持高速增长态势,截止5月底,移动电话用户总数已达到1.1亿户,其中新增用户2581万户.因此借GSM来传输GPS定位信息,有很好的基础。
  
  我们可以这样设想:将GPS固定到某个重要的物体如汽车或者带有特殊任务的人身上,在需要的时候,用GSM手机或其他通信方式,发一条短消息触发GPS,让GPS把它的三维位置信息,甚至三维速度和时间信息,以十进制ASCⅡ码或者二进制码输出,并通过有线和无线方式传输到GSM手机中,由GSM手机将此数据通过GSM网络传输到某个特定地方,比如某个报警中心或者以短信息的方式发给另一个GSM用户。或者转送到其他有关网络,再以特约的形式保存,比如存在指定的计算机内;或者电子信箱内;或者电子地图上。以供需要者使用。
  
  目前GPS在我国还主要应用在大地测量、工程测量、军事、交通、邮电、地质、矿产、气象、土地管理、金融、公安等部门,使用者大多自建系统,投资较大。也有一些单位安装了车载GPS系统,但都自成体系,不对外服务。因此让人觉得GPS离我们还很遥远。但事实上,美国在1995年车载GPS系统的销售量就已达到了3.1亿美元,日本在1996年车载GPS系统就已达到70万套。这些数据虽不能全面反映GPS在移动目标定位方面的业绩,但它也从一个侧面反映出GPS在民用方面的潜力。因此,我们完全有可能把GPS和GSM结合起来,为需求越来越多的各种移动目标的跟踪,增添一种强有力的技术手段。
  
  国际移动卫星组织是1979年在伦敦成立的,这是一个提供全球卫星移动通信的政府间国际合作团体,中国也是创始成员国之一。中国既积极参与全球导航系统(GNSS)和GPS卫星增强系统(WAAS)的建设,也开始建立我国自己的卫星导航系统(双星定位系统)。已在北京、上海、武汉、西安、拉萨、乌鲁木齐等地建成了永久性的GPS跟踪站,目的是对GPS卫星进行精密的定轨,为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密的星历服务。同时还致力于我国自主的广域差分GPS(WADGPS)方案的建立。
  
  我国在1995年成立了GPS协会,下设四个专业委员会,希望通过广泛的交流与合作,发展我国的GPS应用技术。
  
  今后,随着GPS逐步被认识和接受,GSM移动通信系统的不断完善和发展,我们完全有理由相信,GPS将同移动电话、计算机、互联网一样,逐步深入人们的生活,改善人们的生存空间,提高人们的生活品质。

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