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1、第48卷 第9期Vol.48No.92008年9月Telecommunication EngineeringSep.2008文章编号:1001-893X(2008)09-0056-04基于差分GPS定位/3G通信的目标监控终端设计3刘延飞,侯荣昌,李 琪(第二炮兵工程学院,西安710025)摘 要:介绍了一种基于差分GPS(DGPS)定位和3G通信技术的目标监控系统终端设计,阐述了该系统的主要功能。重点介绍了伪距DGPS测量原理、系统终端的硬件设计和软件工作流程、3G通信数据传输、视频传输流量控制算法,以及GPS接收板的数据处理。该系统解决了目前现有同类系统定位不精确、数据传输量小的瓶颈问题,
2、实现了对目标视频等信息的监视。关键词:智能交通;目标监控;视频传输;差分GPS;3G通信中图分类号:TN927 文献标识码:ADesign of a TargetMonitori ng System Based on 3G and DGPSLIU Yan-fei,HOU Rong-chang,LI Q i(The Second Artillery Engineering College,Xian 710025,China)Abstract:A monitoring system based on DGPS(differential global positioning system)and 3
3、G(3rd genera2tion)is designed,and the main function of the system is explained.The principlesofDGPS,hardware andsoftware design of terminal,3G communication data trans mission,the control algrithm of video frequencystreaming,and processing of GPS OEM data are discussed in detail.The system solves th
4、e imprecise ofGPS positioning and infor mation transmitting bottleneck problem existing in the systems,and implementsthe monitoring of video frequency.Key words:ITS;targetmonitor;video frequency trans mission;DGPS;3G communication1 引 言GPS、GIS、3G技术是目前最为热门的研究对象,特别是在车载导航和目标监控领域,该类技术的研究使得智能交通指挥体系的实现成为可能
5、,给人们的日常出行和生产生活带来了极大的方便。但实践表明,在目前该类目标监控产品的使用和测试中存在一些问题,如精度不高、定位不够精确、终端和监控中心的的大量数据传输难以实现等,针对以上问题,本文设计了基于GPS差分定位和3G通信的目标监控系统1。2 伪距DGPS测量原理DGPS(Differential Global Positioning System)定位采用DGPS测量至少需要2台GPS信号接收机,分别安设在运动载体和一个已知点位坐标的地面点(基准站)上,且将前者称为动态GPS信号接收机,后者称为基准GPS接收机,如图1所示。这两种接收机同步地对一组在视GPS卫星进行观测,基准接收机为动
6、态接收机提供差分改正数,称之为DGPS数据2。动态接收机用自己的GPS观测值和来自基准接收机的DGPS数据,精确地解算出用户的三653收稿日期:2008-05-22;修回日期:2008-08-02第48卷 第9期Vol.48No.92008年9月Telecommunication EngineeringSep.2008维坐标。如果只有一台基准接收机向动态用户发送“伪距校正值”,这种DGPS测量模式,叫做单基准站伪距DGPS测量,其工作原理3 如下所述。图1 实时DGPS测量的基本结构 在基准接收机测得至第j颗GPS卫星的伪距为Pjr=jrt+C(dtj-dTrr)+djr+djrion+djr
7、trop(1)式中,Pjrt为基准接收机在时元t测得的基准站至第j颗GPS卫星的伪距;jrt为基准站在时元t至第j颗GPS卫星的真实距离;dtj为第j颗GPS卫星时钟相对于GPS时系得的偏差;dTrr为基准接收机时钟相对于GPS时系的偏差;djr为GPS卫星星历误差在基准站引起的距离偏差;djrion为电离层时延在基准站引起的距离偏差;djrtrop为对流层时延在基准站引起的距离偏差;C为电磁波传播速度。依据基准站的三维坐标已知值和GPS卫星星历,可以精确地计算出真实距离jrt,则依式(1)可得“伪距校正值”为 jr=jrt-Pjr=-C(dtj-dTrr)-djr-djrion-djrtro
8、p(2)动态接收机也对第j颗GPS卫星作伪距测量,其观测值为Pjk=jkt+C(dtj-dTrr)+djk+djkion+djktrop(3)式中各个符号的意义与式(1)相似,仅式(3)中的k表示动态接收机。动态接收机在测量伪距的同时,接收来自基准接收机的伪距校正值,而改正它自己测得的伪距:Pjk+jr=jkt+C(dTrr-dTkr)+(djk-djr)+(djkion-djrion)+(djktrop-djrtrop)(4)比较式(3)和式(4)可知,DGPS测量消除了GPS卫星时钟偏差引起的距离误差(SA技术引起的部分人为距离误差)。当DGPS站星距离在100 km以内时,可以认为djk
9、=djr;djkion=djrion;djktrop=djrtrop;则有:Pjk+ir=jkt+C(dTrr-dTkr)=(Xj-Xk)2+(Yj-Yk)2+(Zj-Zk)2+d(5)式中,d=C(dTrr-dTkr);Xj,Yj,Zj为第j颗GPS卫星在时元t的在轨位置;(Xk,Yk,Zk)为动态接收机的GPS信号接收天线在时元t的三维位置。当观测了4颗共视的GPS卫星后,可以列出4个如式(5)的方程式,对其线性化,则知动态用户在时元t的三维位置解为Xk(t)Yk(t)Zk(t)d(t)T=A-1(t)B(t)(6)式中,(Xk(t),Yk(t),Zk(t)为动态接收机在时元t的三维位置改
10、正值,而动态接收机在时元t的三维位置是Xk(t)=Xk0+Xk(t)Yk(t)=Yk0+Yk(t)Zk(t)=Zk0+Zk(t)(7)此处(Xk0,Yk0,Zk0)为动态接收机的初始三维位置。B(t)=D10-P1k-1rD20-P2k-2rD30-P3k-3rD40-P4k-4rA(t)=X1(t)-Xk0D10(t)Y1(t)-Yk0D10(t)Z1(t)-Zk0D10(t)-1X2(t)-Xk0D20(t)Y2(t)-Yk0D20(t)Z2(t)-Zk0D20(t)-1X3(t)-Xk0D30(t)Y3(t)-Yk0D30(t)Z3(t)-Zk0D30(t)-1X4(t)-Xk0D40(
11、t)Y4(t)-Yk0D40(t)Z4(t)-Zk0D40(t)-1(8)此处,Dj0=(Xj(t)-Xk0)2+(Yj(t)-Yk0)2+(Zj(t)-Zk0)2(9)试验中把基准接收机设在监控中心,动态接收机则放在目标上。经测试,在SA技术停止使用的情况下,能够从单点定位的24 m提高到9.8 m。换言之,DGPS测量能够提高动态用户的定位精度。同样试验表明,DGPS也很好地解决了GPS静态定75第48卷 第9期Vol.48No.92008年9月Telecommunication EngineeringSep.2008位飘移问题。3 终端系统组成3.1 系统终端硬件组成终端结构如图2所示,
12、终端使用基于ARM9的S3C2240芯片,它拥有的400 MHz CUP、双声道音频输入输出、3个UART,强大的处理能力满足了设计要求。GPS接收模块采用了基于SiRFstarIII构架的芯片,此外,系统还包括数据3G通信模块、存储模块、视频音频等信息采集模块、手柄、控制目标动作的输出控制模块、显示模块、电源管理模块等4。图2 终端系统结构图3.2 终端控制器软件设计流程图3 终端流程图 系统终端软件采用C、汇编等语言编写。通过对ARM芯片嵌入式系统的开发,控制它按程序执行规定动作,终端的工作流程如图3所示。首先,系统进行初始化,初始终端处理器各种设置;其次,系统发送各个模块的启动初始化信息
13、,启动3G模块,发送GPS模块初始化信息等;第三,接收各模块采集来的信息,如GPS的定位信息、视频采集数据、报警等各种开关量信息,以及监控终端发来的各种设置信息;第四,系统对采集来的信息进行处理,如GPS数据的处理包括数据格式的转化,定位信息的精度处理;第五,系统对处理的结果进行动作,把定位等信息发回监控终端或进行存储;或根据要求对终端进行控制,完成各种操作。此外,ARM可以通过借助3G无线通信模块强大的数据传输功能,实时地进行信息查询,可以通过登录互联网,充分利用网络资源,享受网络快捷、方便、全面的服务。3.3 终端GPS接收板及数据处理GPS OEM板用于接收GPS卫星的信号,并计算出终端
14、目前所在位置。它由变频器、信号通道、微处理器和存储单元组成。GPS模块通过串行口向主控制器发送定位坐标;主控制器也可以向GPS模块发送设置命令,以控制GPS模块的状态和工作方式。GPS模块需要配备专门的GPS天线接收GPS卫星信号。接收机语句的输入、输出是通过RS-232串行接口完成,符合美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式。其通信端口的数据格式应该设置为8个数据位、1个起始位和1个停止位;无奇偶校验;波特率为4 800 bit/s。NMEA-0183通信标准的输出数据采用的是ASCII码,其内容包含了纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状态等信息。语句有5种,
15、对于不同的应用,选用的语句记录也不同,一条 GPRMC语句包含13个记录:语句标识头、世界时间、定位状态、纬度、纬度方位、经度、经度方位、地面速度、地面路线、日期、磁偏角、校验和结束标记,它一共占用70字节(其中还包括用于分隔记录所使用的11个逗号),例如:GPRMC,080832.001,A,3418.8075,N,10907.4467,E,0.2,000.0,140408,A36F。对时间处理中需要进行时区的计算和因时区引起的日期上的变化。而在GSA(当前卫星信息)语句中包含了PDOP(位置精度因子)、HDOP(水平精度因子)、VDOP(垂直精度因子)。通过对这些精度因子的判断,可以在一定
16、的时间段计算精度最好的一组数据对其进行处理。4 终端3G无线通信4.13G通信数据传输优点3G是3rd Generation的缩写,第三代移动通信系统I MT2000,是国际电信联盟(ITU)在1985年提出的,当时称为陆地移动系统(FPLMTS)5,1996年85第48卷 第9期Vol.48No.92008年9月Telecommunication EngineeringSep.2008正式更名为I MT2000。3G通信采用高频段频谱资源、采用宽带射频信道,支持高速率业务、实现多业务、多速率传送、快速功率控制,采用自适应天线及软件无线电技术6,使得大量数据实时传输成为可能。4.2 视频传输的
17、流量控制算法在基于3G传输的情况下,采用了如下方法来解决3G坏境下视频传输的系统工作稳定,其基本工作原理如图4所示。其核心思想是在处理器端增加了一个视频传输流量控制模块,并增加了监控端接收缓冲区尺寸变化的反馈。根据监控端所占用的缓冲区大小就可以近似地知道当前传输的速率是否合适,当视频接受缓冲区当中视频比较多时,说明视频帧有堆积现象,此时应减小视频传输的帧数,以适合系统的时延得到改善;此时减小视频的传输帧数而在接受区中积累的数据较小时,说明传输的带宽足够,为了获得比较好的传输质量,可以适当增大传输数据的帧数7。图4 带流量控制的视频传输系统框图5 结束语经初步试验表明,该设计性能在原有类似产品的
18、基础上得到了有效的提高,特别是在定位精度上有了明显的改善。该系统应用领域广泛,如在该系统中加入各类传感器,如温度传感器、压力感器、红外传感器、多普勒效应传感器、霍尔传感器等,并配备一些相应的执行机构,就可以生成战场场景、危险区域、突发事件现场指挥监控系统,或仪器设备运行监控、电子眼、电子手、远程值班、防盗防火防泄露报警等等。据报道,到2010年前,“北斗”卫星导航系统将能够提供与GPS同等的服务。基于“北斗”导航的相关产品也会逐步走进人们的日常生活,相信届时,导航和远程监控系统的应用将会出现前所未有的繁荣景象。参考文献:1 刘舒时.基于智能手机的导航监控系统C 中国全球定位系统技术应用协会第八
19、次年会论文集.中国全球定位系统技术应用协会,2005:264-266.2 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法M.北京:科学出版社,2003.3 刘经男,等.广域差分GPS原理和方法M.北京:测绘出版社,1999.4 吴鑫金.基于GPS/GPRS的车辆监控调动系统M.贵阳:贵州大学,2006.5Heikki Kaaranen,Ari Ahtiainen,Lauri Laitinen.3G技术和UMTS网络M.彭木根,刘健,余艳,等,编译.中国铁道出版社,2004.6Gonzalo Camarillo MiguelA.Grcia-Martin.3G/IP多媒体子系统I MS 融合移动网与因特网M.张同须,等,译.北京:人民邮电出版社,2006.7 张智江,朱士钧,张云勇,等.3G核心网技术M.北京:国防工业出版社,2006.作者简介:刘延飞(1975-),男,陕西咸阳人,硕士,讲师,研究方向为计算机测控、智能机器人等技术,(电子信箱);侯荣昌(1984-),男,河南林州人,硕士研究生,研究方向为检测技术与自动化装置,(电子信箱)。95