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利用GSM网络实现移动目标GPS跟踪定位

2/14/2005来源:卫星通信人气:11846


□ 华中科技大学电子与信息工程系 胡兰馨

    目前,随着社会的进步,以及人们物质生活和精神生活质量的不断提高,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,在民间廉价的应用奠定坚实的基础。因此,GPS和GSM这两个当今热门技术结合的产物,将最大程度的满足人们对移动目标的跟踪需求。
    一、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55o,各个轨道平面之间夹角为60o,同一轨道平面上的卫星之间的升交角距相差90o,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30o。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64o,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55o,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15o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30o的两个L波段的信号。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卫星的作用主要有三点:
    1. 用L波段的两个无线载波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。
    二、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,是位于科罗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个分别分布在夏崴夷、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。
    三、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、补充业务等就很少有人知道了。而正是这些功能,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、电子信箱内、电子地图上等,以供需要者使用。
    目前GPS在我国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,我们完全有必要把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。