【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 24 顆衛(wèi)星組成（21 顆工作衛(wèi)星；3 顆備用衛(wèi)星） ，它位于距地表兩萬(wàn)多千米的上空，運(yùn)行周期為 12h。衛(wèi)星均勻分布在 6 個(gè)軌道面上（每個(gè)軌道面有 4 顆衛(wèi)星） ，軌道傾角為 55176。在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到 4 顆以上的衛(wèi)星，衛(wèi)星中可以預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS 的衛(wèi)星因?yàn)榇髿饽Σ恋葐?wèn)題，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。 [3] GPS 的系統(tǒng)組成 GPS 系統(tǒng)通常由三個(gè)獨(dú)立的部分組成： (1)空間部分： 21 顆工作衛(wèi)星，3 顆備用衛(wèi)星。 (2)用戶設(shè)備部分：如車載終端。該部分用于接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，以獲得定位信息，完成導(dǎo)航和定位工作。 (3)地面支撐系統(tǒng)： 1 個(gè)主控站，3 個(gè)注入站，5 個(gè)監(jiān)測(cè)站。 GPS 的定位原理 GPS 定位的基本原理是把高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬時(shí)位置作為起始數(shù)據(jù)，利用空間距離交會(huì)的方法，確定測(cè)點(diǎn)的位置。如圖所示： 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5如果 T 時(shí)刻放置 GPS 接收機(jī)在地面待測(cè)點(diǎn)，可以測(cè)定信號(hào)傳播到接收機(jī)的時(shí)間△t，可以確定四個(gè)方程式：上述四個(gè)方程式中測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo) x、 y、 z 和 Vto 為未知參數(shù)，其中di=c*△ ti (i=4)。di (i=4) 分別為衛(wèi)星 4 與接收機(jī)的距離?！鱰 i (i= 4) 分別為衛(wèi)星 4 的信號(hào)傳播到接收機(jī)需要的時(shí)間。C 是 GPS 信號(hào)傳播的速度。 （等于光速）四個(gè)方程中各個(gè)參數(shù)意義如下： x，y，z：待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。 xi，y i，z i (i=l，2，3，4)：由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得的衛(wèi)星 4 在 t 時(shí)刻的空間位置坐標(biāo)。 Vti(i=l，2，3，4)：由衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星 1，2，3，4 的衛(wèi)星的鐘差。 Vto：接收機(jī)的鐘差。 由以上四個(gè)方程式即可以計(jì)算出接收機(jī)的鐘差 Vto 和測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)x，y，z。 [4] DGPS 定位原理和分類 DGPS 的定位原理DGPS 是英文 Difference Global Positioning System 的縮寫(xiě)，即差分全球定位系統(tǒng)，方法是在一個(gè)精確的已知位置（基準(zhǔn)站）上安裝 GPS 監(jiān)測(cè)接收機(jī)，計(jì)算得到基準(zhǔn)站與 GPS 衛(wèi)星的距離改正數(shù)。該差值通常稱為 PRC（偽距離修正值） ，基準(zhǔn)站將此數(shù)據(jù)傳送給用戶接收機(jī)作誤差修正，從而提高了定位精度。DGPS 是克服 SA 的不利影響，提高 GPS 定位精度的有效手段，可達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上精度。DGPS 一般可分為單基站 DGPS、多基準(zhǔn)站區(qū)域 DGPS、廣域DGPS 和全球 DGPS，全球 DGPS 正在醞釀中。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6 DGPS 的分類 根據(jù)發(fā)送信息方式的不同，差分 GPS 分為兩大類：位置差分和距離差分。距離差分又分為兩類：載波相位差分和偽距差分。工作原理是一樣的，都是從基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，用戶接收后經(jīng)過(guò)修改后，就獲得準(zhǔn)確定位的結(jié)果。不同的是，改正數(shù)的內(nèi)容變了，定位的精度也不相同。下面對(duì)三種定位系統(tǒng)原理分別介紹。 [5] 這是一種很簡(jiǎn)單的差分方法，用任何一種 GPS 接收機(jī)都可以改裝或組成這種系統(tǒng)。GPS 接收機(jī)觀測(cè) 4 顆衛(wèi)星的位置后便可進(jìn)行三維定位，智能算出基準(zhǔn)站的位置坐標(biāo)。由于存在著時(shí)鐘誤差、軌道誤差、大氣影響、SA 影響、多徑效應(yīng)等其它誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是有偏差的?；鶞?zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將改正值發(fā)送出去，用戶站接收并對(duì)用戶站坐標(biāo)值進(jìn)行修正。 △X=X 0Xl； △Y=Y 0Y1； △Z=Z 0Zl其中: X0，Y 0，Z 0：實(shí)測(cè)的坐標(biāo)； X1，Y l，Z 1：其它方法求得的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)； △X，△Y，△Z：基準(zhǔn)站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)修正值。 由該修正值，可用下式表示推算出車輛所在的實(shí)際坐標(biāo)。 X=X2+△X；Y=Y 2+△Y：Z=Z 2+△Z ；其中 X，Y，Z：修正之后車輛所在位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)。 X2，Y 2，Z 2：車載 GPS 接收機(jī)得到的實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)。 經(jīng)計(jì)算得到的坐標(biāo)已消去了用戶站和基準(zhǔn)站之間的誤差，這些誤差是由 SA影響、衛(wèi)星軌道誤差、大氣影響等造成的，從而提高了定位的精確度。差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位精確的前提條件是用戶站和基準(zhǔn)站觀測(cè)同一組衛(wèi)星。位置差分定位技術(shù)適用范圍是用戶與基準(zhǔn)站間的距離在 100km 以內(nèi)。 應(yīng)用最廣的一種差分。在基準(zhǔn)站上，觀測(cè)所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離。再由測(cè)得的偽距，算出偽距改正數(shù)，將其傳輸?shù)杰囕v接收機(jī)，以提高定位精度。這種差分，能得到米級(jí)定位精度，如沿海廣泛使用的“信標(biāo)差分” [6] 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7 載波相位差分技術(shù)又稱 RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。即是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。載波相位差分可使定位精度達(dá)到厘米級(jí)。大量應(yīng)用于動(dòng)態(tài)需要高精度位置的領(lǐng)域。 [7] 3G 技術(shù) 3G 概述第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3rdgeneration ，3G） ，指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿?dòng)通信技術(shù)。3G 服務(wù)能同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百 kbps 以上。3G 是指將無(wú)線通訊與互聯(lián)網(wǎng)等多媒體技術(shù)結(jié)合的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前3G 存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2022，WCDMA，TDSCDMA，WIMAX。3G 與 2G 的主要區(qū)別是在傳輸聲音質(zhì)量和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無(wú)線漫游，并處理音樂(lè)、圖像、視頻流等多種媒體形式，提供包括電話會(huì)議、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)，同時(shí)也要考慮與 2G的良好兼容性。為了提供這種服務(wù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，也就是說(shuō)在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少 2Mbps（兆比特/每秒） 、384kbps（千比特/每秒）以及 144kbps 的傳輸速度（此數(shù)值根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境會(huì)發(fā)生變化） 。 3G 發(fā)展歷程 3G 網(wǎng)絡(luò)是由 GSM/3G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展演變形成的，GSM/3G 核心網(wǎng)演進(jìn)的方向是：GSM 核心網(wǎng)演進(jìn)為 3G CS 域，3G 核心網(wǎng)演進(jìn)為 3G PS 域。在演進(jìn)的過(guò)程中，既要考慮充分利用現(xiàn)網(wǎng)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)，又不能影響業(yè)務(wù)運(yùn)行和業(yè)務(wù)質(zhì)量。GSM/3G 向 3G 的演進(jìn)可以分為三個(gè)階段：第一階段：3G 建設(shè)初期，新建 3G 網(wǎng)絡(luò)，即電路域新建 MSC Server、MGW，分組域新建 SGSN，此外共用 2G 的 GMSC、GGSN 和其他分組域設(shè)備。第二階段：3G 發(fā)展中期，2G、3G 共用核心網(wǎng)，升級(jí) 2G 的部分 MSC 為 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8MSC Server，GPRS SGSN 為 3G SGSN，支持 3G 用戶的接入；同時(shí)可以通過(guò)3G 設(shè)備的 A 接口和 Gb 接口將部分 2G BSS 接入 3G 核心網(wǎng)。這個(gè)階段，隨著3G 用戶數(shù)量的增加，2G 網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)余量，可以將具備升級(jí)條件的 2G 設(shè)備升級(jí)，降低資源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)效率。第三階段：3G 發(fā)展后期，無(wú)法升級(jí)的 2G 移動(dòng)交換中心、 GPRS 接口服務(wù)器逐步退網(wǎng)，形成統(tǒng)一的 3G 核心網(wǎng)。這個(gè)階段， 3G 無(wú)線覆蓋趨于完善，2G用戶數(shù)逐漸變少，核心網(wǎng)不需要提供對(duì) 2G 無(wú)線接入網(wǎng)的支持，可以逐步淘汰無(wú)法升級(jí)的設(shè)備，雙接入設(shè)備也無(wú)須再支持 2G 無(wú)線網(wǎng)的接入。 [8] 基于 3G 的通信結(jié)構(gòu)、協(xié)議及數(shù)據(jù)流程 根據(jù)無(wú)線接口技術(shù)的不同，現(xiàn)有 3G 技術(shù)可以分為聯(lián)通的 WCDMA 技術(shù)，電信的 CDMA2022 技術(shù)和移動(dòng)的 TDSCDMA 技術(shù)?？紤]到傳輸帶寬、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、實(shí)用性等因素，本系統(tǒng)采用電信 CDMA2022 作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸。 CDMA2022 簡(jiǎn)介CDMA2022 是由窄帶 CDMA(CDMA IS95）技術(shù)研發(fā)發(fā)展而來(lái)的，是一種寬帶 CDMA 技術(shù)，也稱為 CDMA MultiCarrier，是由美國(guó)高通北美公司為主導(dǎo)提出，摩托羅拉、三星和 Lucent 都有參與，韓國(guó)成為該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)者。這套系統(tǒng)可以從原來(lái)的 CDMAONE 結(jié)構(gòu)直接升級(jí)到 3G 結(jié)構(gòu)，建設(shè)成本低廉。 CDMA2022 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成cdma20221X 網(wǎng)絡(luò)主要有 BTS、BSC 和 PCF、PDSN 等節(jié)點(diǎn)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示: 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9圖 基于 ANSI41 核心網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中：BTS 基站收發(fā)機(jī)PCF 分組控制BSC 基站控制器PDSN 分組數(shù)據(jù)服務(wù)器 SDU 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元 MSC/VLR 移動(dòng)交換中心/訪問(wèn)寄存器BSCC 基站控制器由圖可見(jiàn)，與 IS95 相比，核心網(wǎng)中的 PCF 和 PDSN 是兩個(gè)新增模塊，通過(guò)支持移動(dòng) IP 協(xié)議的 AA11 接口互聯(lián)，可以支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。而以MSC/VLR 為核心的網(wǎng)絡(luò)部份，支持話音和增強(qiáng)的電路交換型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，與 IS95 一樣，MSC/VLR 與 HLR/AC 之間的接口基于 ANSI41 協(xié)議。 [9]圖中， BTS 在小區(qū)建立無(wú)線覆蓋區(qū)用于移動(dòng)臺(tái)通信，移動(dòng)臺(tái)可以是 IS95 或cdma20221X 制式手機(jī)。 BSC 可對(duì)對(duì)個(gè) BTS 進(jìn)行控制； Abis 接口用于 BTS 和 BSC 之間連接； A1 接口用于傳輸 MSC 與 BSC 之間的信令信息； A2 接口用于傳輸 MSB 與 BSC 之間的話音信息； A3 接口用于傳輸 BSC 與 SDU(交換數(shù)據(jù)單元模塊)之間的用戶話務(wù)( 包括語(yǔ)音和數(shù)據(jù))和信令； A7 接口用于傳輸 BSC 之間的信令，支持 BSC 之間的軟切換。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10以上節(jié)點(diǎn)與接口與 IS95 系統(tǒng)需求相同。cdma20221X 新增接口為： A8 接口：傳輸 BS 和 PCF 之間的用戶業(yè)務(wù)； A9 接口：傳輸 BS 和 PCF 之間的信令信息； A10 接口：傳輸 PCF 和 PDSN 之間的用戶業(yè)務(wù)； A11 接口：傳輸 PCF 和 PDSN 之間的信令信息；A10/A11 接口是無(wú)線接入網(wǎng)和分組核心網(wǎng)之間的開(kāi)放接口。 新增節(jié)點(diǎn) PCF(分組控制單元)是新增功能實(shí)體，用于轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線子系統(tǒng)和PDSN 分組控制單元之間的消息。 PDSN 節(jié)點(diǎn)為 cdma20221X 接入 Inter 的接口模塊。 [10]濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11 總體通信結(jié)構(gòu) 在 ITS 系統(tǒng)中，利用 3G 網(wǎng)在車內(nèi)系統(tǒng)、路邊系統(tǒng)和監(jiān)控中心之間進(jìn)行通信。下面對(duì)原理進(jìn)行說(shuō)明，終端設(shè)備將數(shù)據(jù)送入 3G 無(wú)線模塊，無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，通過(guò) 3G 網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器。監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)后，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和 3G 網(wǎng)絡(luò)向車輛發(fā)出各種指令。監(jiān)控中心須接入互聯(lián)網(wǎng)且具有固定和真實(shí)的 IP。 在對(duì)無(wú)線模塊進(jìn)行 3G 附著過(guò)程和 PDP(Packet Data Protocol，分組數(shù)據(jù)協(xié)議)上下文激活過(guò)程后，就可以利用 3G 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。激活過(guò)程用于激活口協(xié)議，使數(shù)據(jù)能以 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的形式傳送，通過(guò)激活過(guò)程， 3G 無(wú)線模塊與 GGSN 建立一條邏輯通路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。附著過(guò)程用于接入 SGSN，SGSN 就可以對(duì)用戶進(jìn)行移動(dòng)性管理。監(jiān)控中心和終端設(shè)備的各種數(shù)據(jù)和類型都要經(jīng)過(guò) 3G 模塊、SGSN、GGSN 和 Inter。在傳送的每個(gè)階段利用的介質(zhì)、協(xié)議也各不相同，所以需要涉及到不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將數(shù)據(jù)封裝為適宜的形式，以適合不同的協(xié)議。 本章小結(jié) 本章主要對(duì)美國(guó)的全球定位系統(tǒng) GPS 和 3G 通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、特點(diǎn)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。對(duì) 3G 數(shù)據(jù)流工作的流程分析，可以明晰應(yīng)用層數(shù)據(jù)封裝的概念。濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12第三章 智能公交監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)