【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 整個(gè)系統(tǒng)如 圖 21 所示，采用 STM32 為控制器，使用 GPRS 和 GPS 為功能模塊，外加鍵盤和屏幕顯示為輔助輸入輸出模塊，提供一個(gè)人性化的交互平臺(tái)。通過這個(gè)整體有機(jī)的把各個(gè)模塊結(jié)合在一起，完成所要設(shè)計(jì)的功能。 此系統(tǒng)將包含 GPRS 通信模塊、 GPS 定位模塊、 STM32 處理器等模塊，本章將主要介紹將要用到的各模塊的主要工作原理 GPRS 技術(shù) GPRS 是 通用分組無線服務(wù)技術(shù)（ General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱，它是 GSM 移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS 可說是 GSM 的延續(xù)。 GPRS 和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包?Packet）式來傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 道，理論上較為便宜。 GPRS 的傳輸速率可提升至 56 甚至 114Kbps。 GPRS 經(jīng)常被描述成 “ ”， 也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（ 2G）和第三代（ 3G）移動(dòng)通訊 技術(shù)之間。它通過利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)中未使用的 TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。 GPRS 突破了 GSM 網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。而且，因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。 GPRS 分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長(zhǎng)度的包（分組），每個(gè)包的前面有一個(gè)分組頭（其中的地址標(biāo)志指明該分組發(fā)往何處）。數(shù)據(jù)傳送之前并不需要預(yù)先分配信道 ，建立連接。而是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中的信息（如目的地址），臨時(shí)尋找一個(gè)可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道之間沒有固定的占用關(guān)系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用 [6]。 由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在絕大多數(shù)情況下都表現(xiàn)出一種突發(fā)性的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送將能夠更好地利用信道資源。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) GPRS 網(wǎng)絡(luò)引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍?，這樣使得 GSM 網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持從網(wǎng)絡(luò)體系上得到了加強(qiáng)。圖 2 和圖 3 從不同的角度上給出了 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的組成示意圖。 GPRS 其實(shí)是疊加在現(xiàn)有的 GSM 網(wǎng)絡(luò)的另一網(wǎng)絡(luò)， GPRS 網(wǎng)絡(luò)在原有的 GSM 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加了 SGSN（服務(wù) GPRS支持節(jié)點(diǎn)）、 GGSN（ 網(wǎng)關(guān) GPRS 支持節(jié)點(diǎn)）等功能實(shí)體。 GPRS 共用現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡(luò)的 BSS 系統(tǒng)，但要對(duì)軟硬件進(jìn)行相應(yīng)的更新；同時(shí) GPRS 和 GSM網(wǎng)絡(luò)各實(shí)體的接口必須作相應(yīng)的界定；另外，移動(dòng)臺(tái)則要求提供對(duì) GPRS 業(yè)務(wù) 的支持。 GPRS 支持通過 GGSN 實(shí)現(xiàn)的和 PSPDN 的互聯(lián)，接口協(xié)議可以是 或者是 ，同時(shí) GPRS 還支持和 IP 網(wǎng)絡(luò)的直接互聯(lián) [7]。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)框圖如圖 22 所示。 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù) 7 O t h e rG P R S P L L M NP D NM SB T SD S CS M S G M S CS M S I W M S CS G S NE I RM S C / V L RH L RG G S NG G S N 圖 22 GPRS網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)框圖 GPRS 的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 目前，用手機(jī)上網(wǎng)還顯得有些不盡人意。因此，全面的解決方法 GPRS也就這樣應(yīng)運(yùn)而生了，這項(xiàng)全新技術(shù)可以令您在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能快速方便地實(shí)現(xiàn)連接，同時(shí)費(fèi)用又很合理。簡(jiǎn)單地說：速度上去了，內(nèi)容豐富了，應(yīng)用增加了 ，而費(fèi)用卻更加合理。 (1) 高速數(shù)據(jù)傳輸 速度 10 倍于 GSM，更可滿足您的理想需求，還可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質(zhì)量音頻與視頻文件，可謂不一般的巨大進(jìn)步。 (2) 永遠(yuǎn)在線 由于建立新的連接幾乎無需任何時(shí)間 (即無需為每次數(shù)據(jù)的訪問建立呼叫連接 )，因而您隨時(shí)都可與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系 。 (3) 僅按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi) 即根據(jù)您傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量 (如：網(wǎng)上下載信息時(shí) )來計(jì)費(fèi)，而不是按上網(wǎng)時(shí)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 間計(jì)費(fèi)也就是說，只要不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，哪怕您一直 “ 在線 ”，也無需付費(fèi)。它真正體現(xiàn)了少用少付費(fèi)的原則。 (4) 相對(duì)低廉的連接費(fèi)用 資源利用 率高在 GSM 網(wǎng)絡(luò)中， GPRS 首先引入了分組交換的傳輸模式，使得原來采用電路交換模式的 GSM 傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化，這在無線資源稀缺的情況下顯得尤為重要。對(duì)于分組交換模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。 GPRS 用戶的計(jì)費(fèi)以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，體現(xiàn)了 “ 得到多少、支付多少 ”的原則。 (5) 傳輸速率高 GPRS 可提供高達(dá) 115kbit/s 的傳輸速率 (最高值為 ，不包括FEC)。這意味著數(shù)年內(nèi)，通過便 攜式電腦 GPRS 用戶能和 ISDN 用戶一樣快速地上網(wǎng)瀏覽，同時(shí)也使一些對(duì)傳輸速率敏感的移動(dòng)多媒體應(yīng)用成為可能。 (6) 接入時(shí)間短 分組交換接入時(shí)間縮短為少于 1 秒， GPRS 是一種新的 GSM 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它可以給移動(dòng)用戶提供無線分組數(shù)據(jù)接入股務(wù)。 GPRS 主要是在移動(dòng)用戶和遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（如支持 TCP／ IP、 等網(wǎng)絡(luò)）之間提供一種連接，從而給移動(dòng)用戶提供高速無線 IP 和無線 業(yè)務(wù)。 GPRS 采用分組交換技術(shù)，它可以讓多個(gè)用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口上的 TDMA 幀中的 8 個(gè)時(shí)隙都用來傳送數(shù)據(jù)，那么 數(shù)據(jù)速率最高可達(dá) 164kb/s。 GSM 空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被 GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用。當(dāng)然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為 GPRS 專用信道。要實(shí)現(xiàn) GPRS 網(wǎng)絡(luò)，需要在傳統(tǒng)的 GSM 網(wǎng)絡(luò)中引入新的網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議。目前 GPRS 網(wǎng)絡(luò)引入 GSN（ GPRS Surporting Node）節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)臺(tái)則必須是 GPRS 移動(dòng)臺(tái)或 GPRS/GSM 雙模移動(dòng)臺(tái) [8]。 GPS 技術(shù) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位是指利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供的位置、速度及時(shí)間等信息來完成對(duì)各種目標(biāo)的定位、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)和管理。衛(wèi)星 導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一種第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù) 9 以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供高精度、全天時(shí)、全天候的導(dǎo)航、定位和授時(shí)信息，是一種可供海、陸、空軍民用戶共享的信息資源 [11]。 導(dǎo)航定位技術(shù)現(xiàn)狀 自 1957 年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功以來，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感、大地測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛的應(yīng)用 [12]。 世界上最早的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是美國(guó)的子午儀導(dǎo)航系統(tǒng) (1964 年開始運(yùn)行 )。隨后，為滿足日益增長(zhǎng)的軍事需要， 20 世紀(jì) 60 年代末 70 年代初，美國(guó)和前蘇聯(lián)分 別開始研制全天候、全天時(shí)、連續(xù)實(shí)時(shí)提供精確定位服務(wù)的新一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，到 90 年代中期全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) GPS 和GLONASS 均已建成并投入運(yùn)行。我國(guó)也建設(shè)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng) ： “ 北斗一號(hào) ” 于 2020 年底正式開通運(yùn)行。歐盟籌建的 Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在計(jì)劃實(shí)施之中 [13]。 以下是幾種主要導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀比較： 目前 GPS 在實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化上處于國(guó)際壟斷地位。特別是從美國(guó)于2020 年 5 月 1 日宣布中止了 SA 政策后， GPS 以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廉價(jià)的使用成本，在全球得到廣泛應(yīng)用，涉及野外 勘探、陸路運(yùn)輸、海上作業(yè)及航空航天等諸多行業(yè)，其相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)市場(chǎng)的年產(chǎn)值達(dá) 80 億美元，成為當(dāng)今國(guó)際公認(rèn)的八大無線產(chǎn)品之一。 GLONASS 比 GPS 系統(tǒng)起步晚 9 年，全系統(tǒng)正常運(yùn)行比 GPS 晚近 3 年。在 19961998 年間，由于經(jīng)濟(jì)困難， GLONASS 星座得不到正常的維護(hù)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能衰退。目前，俄羅斯已下決心恢復(fù)和進(jìn)一步發(fā)展該系統(tǒng)。 我國(guó)目前正在自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)填補(bǔ)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的空白，成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國(guó)家。于2020 年底建成北斗 衛(wèi) 星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)， 2020 年 分 別成功研發(fā)了我國(guó)首款 應(yīng)用于車載的衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片 “ 航芯一號(hào) ” 和應(yīng)用于手機(jī)的 首 款 CMOS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片 “ 航芯二號(hào) ” ，標(biāo)志 著 我國(guó)在全球衛(wèi)星導(dǎo) 航 接收芯片技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入 國(guó)際 先進(jìn)水平。未來 幾 年將分 別 在軍用、民 用 領(lǐng)域發(fā)揮 作用 。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 歐洲于 1992 年 2 月提出的獨(dú)立自主研發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) — Galileo 系統(tǒng)將成為第一個(gè)民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有配置、頻率分布、信號(hào)設(shè)計(jì)、安全保障及其多層次、多方 位的導(dǎo)航 定位特點(diǎn)，其在 通 信、定 位 精度、信號(hào)功率等方面的性能優(yōu) 于 GPS， 目前正在建設(shè)中。 綜合考慮各系統(tǒng)性能以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收 機(jī)芯片技術(shù)等方 面 ，本系統(tǒng)中選用了全球定位系統(tǒng) GPS，獲得高精度的定位信息。 GPS 衛(wèi)星定位 原理 全球定 位 系統(tǒng) (Global Position System—— GPS)是美國(guó)從本世紀(jì) 70 年代 由 美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)開始研制，歷時(shí) 20 年，耗資 300 億美元，于 1994 年全面建成，是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新 一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。 全 球定位系統(tǒng)是在 子 午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā) 展起來的，采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)。 GPS 系統(tǒng)包括三大部分：空間部分 —— GPS 衛(wèi) 星 星座；地面控制部分一地 面 監(jiān)控系統(tǒng)：用戶設(shè)備部分 —— GPS 信號(hào)接收搬。 空 間 部分為 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆 在軌 備用 衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座。衛(wèi)星分布在 6 個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道平面上有 4 顆衛(wèi)星，在約 2 萬千米高空的衛(wèi)星， 從 地平線升起至沒落，可以在用戶視野持續(xù) 5 小時(shí)左右。每一個(gè) 用 戶在任何地方都 能 夠同時(shí)接收到來 自 4～ 12 顆 GPS 衛(wèi)星 的 定位信號(hào)， 實(shí) 現(xiàn)全球 性全天時(shí) 的連續(xù)不斷的導(dǎo)航定位 [13]。 控制部分主要由 1 個(gè)主控站、 5 個(gè)監(jiān)控站、 3 個(gè)地面注入站組成，形成一個(gè)分 布 在全世界 的 地 面控制監(jiān)視網(wǎng)， 監(jiān) 視著各個(gè)衛(wèi) 星的工 作 狀態(tài)。主控站主要協(xié) 調(diào)和管理地 面 監(jiān)控系統(tǒng)的工作，監(jiān)控站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)采集中心，地面 注 入站的主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘偏差、導(dǎo) 航電文等 其他指令等注入到 相應(yīng)衛(wèi)星的 存儲(chǔ)系統(tǒng)。 用戶設(shè)備的主要任務(wù)是接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位功能。 GPS 是利用測(cè)距交會(huì)原理確定點(diǎn)的位置來進(jìn)行定位的。它采用多星高軌第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù) 11 測(cè)距體制，以接收機(jī)到 GPS 衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測(cè)量。當(dāng)?shù)孛嬗脩舻?GPS 接收機(jī)同時(shí)接收到 3 顆以上衛(wèi)星的信號(hào)后，通過使用偽距測(cè)量或 載波相位測(cè)量，測(cè)算出衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)所需要的時(shí)間、距離，再結(jié)合各衛(wèi)星所處的位置信息，將衛(wèi)星至用戶的多個(gè)等距離球面相交后，即可確定用戶的三維 (經(jīng)度、緯度、高度 )坐標(biāo)位置以及速度、時(shí)間等相關(guān)參數(shù)。定位原理圖如圖 23 所示，假設(shè) t 時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置 GPS 接收機(jī)，可以測(cè)定 GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間 t ，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式： 1 / 21 1 1 1 0 1[ ( X ) + ( Y ) + ( Z Z ) ] + C ( V V ) = dttXY (21) 1 / 22 2 2 2 0 2[ ( X ) + ( Y ) + ( Z Z ) ] + C ( V V ) = dttXY (22) 1 / 23 3 3 3 0 3[ ( X ) + ( Y ) + ( Z Z ) ] + C ( V V ) = dttXY (23) 1 / 24 4 4 4 0 4[ ( X ) + ( Y ) + ( Z Z ) ] + C ( V V ) = dttXY (24) 待 測(cè) 位 置 ( x , y , z )衛(wèi) 星 1 ( x 1 , y 1 , z 1 )衛(wèi) 星 2 ( x 2 , y 2 , z 2 )衛(wèi) 星 3 ( x 3 , y 3 , z 3 )衛(wèi) 星 3 ( x 4 , y 4 , z 4 ) 圖 23 GPS定位原理 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) X， Y， Z 和 0tV 為未知參數(shù)，其中