GSM與GPS結(jié)合跟蹤移動(dòng)目標(biāo)

■ 華中科技大學(xué)電子與信息工程系在職研究生 胡蘭馨


　　GPS和GSM，看似兩個(gè)不同領(lǐng)域的東西，但如果巧妙地加以組合，它們將在許多方面改變?nèi)藗兊纳�活，影響人們的生活�?br>

　　目前，隨著社會(huì)的進(jìn)步，以及人們物質(zhì)生活和精神生活水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越希望能即時(shí)、準(zhǔn)確的知道某些物品、某些人的重要信息，如地理位置、移動(dòng)目標(biāo)的速度和方向等等，因此，能實(shí)現(xiàn)這種愿望的高科技產(chǎn)品，就越來(lái)越受到人們的關(guān)注和喜愛(ài)。GPS就是這樣一種能實(shí)現(xiàn)高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格可接受的高科技定位產(chǎn)品。而GSM除了能夠提供人們熟悉的語(yǔ)音信息以外，它還能在GPS和使用者之間，通過(guò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和短消息業(yè)務(wù)，很好的傳遞控制和定位信息，為GPS這種高科技定位產(chǎn)品，在民間廉價(jià)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。因此，GPS和GSM技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，將最大程度的滿足人們對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤需求。


　　英文：“NAVSTAR/GPS”為“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱GPS， 它的含義是利用衛(wèi)星測(cè)時(shí)和測(cè)距進(jìn)行導(dǎo)航，從而構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)�，F(xiàn)在國(guó)際上已經(jīng)公認(rèn)：將這一全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航定位定時(shí)系統(tǒng)，具有全能性（陸地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。


　　在很早以前，人們就已經(jīng)開(kāi)始了定位技術(shù)的研究，但直到1967年7月29日，美國(guó)政府宣布將海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS），也稱子午衛(wèi)星（TRANSIT）系統(tǒng)的部分導(dǎo)航電文解密供民間應(yīng)用后，GPS這種全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)才真正撩起神秘的面紗，被人們所結(jié)識(shí)、所利用，才顯示出它巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。


　　80年代后，隨著GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和工作衛(wèi)星的先后升空，經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家和生產(chǎn)廠家的共同努力，GPS硬件（接收機(jī)及各種配件）和軟件技術(shù)日趨成熟，使得GPS的定位精度越來(lái)越高，觀測(cè)速度越來(lái)越快，自動(dòng)化程度越來(lái)越完善，價(jià)格卻越來(lái)越低，這為GPS的廣泛應(yīng)用，開(kāi)拓了更廣闊的前景。


　　GPS系統(tǒng)包括三部分：GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、地面控制系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）、GPS接收機(jī)（用戶部分）。


　　GPS衛(wèi)星星座（空間部分）：


　　由24顆覆蓋全球上空的衛(wèi)星組成，它們均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度，同一軌道平面上的衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，任意軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰平面軌道上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度�？臻g部分總投資200億美元，它的實(shí)施分成三個(gè)階段：



　　第一階段：1974～1978年為方案論證階段，在美國(guó)加利福尼亞的范登堡空軍基地，采用Atlas F火箭，從1978年2月22日發(fā)射第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星起，到1985年10月9日發(fā)射完最后一顆衛(wèi)星，共發(fā)射了11顆代號(hào)為BLOCK-Ⅰ的GPS試驗(yàn)衛(wèi)星在軌道上，運(yùn)行軌道呈橢圓形，長(zhǎng)半軸為26560km，傾角為64°，軌道高度約20000km。目前仍有4顆衛(wèi)星在工作。


　　第二階段：1979～1987年為系統(tǒng)論證階段。


　　第三階段：1988～1993年為生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)階段。自1989年初開(kāi)始，在美國(guó)佛羅里達(dá)州肯尼迪空間中心的卡納維拉爾角基地，采用Delta火箭，發(fā)射了代號(hào)為BLOCKⅡR型的第三代GPS試驗(yàn)衛(wèi)星，組成了GPS的衛(wèi)星星座。它是由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，稱為（21+3）GPS星座。衛(wèi)星軌道面有6個(gè)，長(zhǎng)半軸為26609km，偏心率為0.01，傾角為55°，軌道高度約20200km，運(yùn)行周期為11小時(shí)58分鐘（恒星時(shí)12小時(shí)），載波頻率為1575.42MHz和1227.60MHz，衛(wèi)星能覆蓋地面面積38%，通過(guò)天頂時(shí)可見(jiàn)時(shí)間為5小時(shí)。在地球表面上的任何時(shí)間和地點(diǎn)，在高度角15度以上，平均可同時(shí)觀測(cè)到6顆以上衛(wèi)星。由于衛(wèi)星對(duì)地面的距離和波束覆蓋面積基本不變，因此在覆蓋區(qū)域內(nèi)，接收機(jī)接收到的信號(hào)近似相等，這非常有利于定位精度的提高。


　　GPS衛(wèi)星是由洛克菲爾國(guó)際公司空間部研制的，衛(wèi)星重774kg，使用壽命為7年。衛(wèi)星采用蜂窩結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m。兩側(cè)裝有兩塊雙葉對(duì)日定向太陽(yáng)能電池帆板，全長(zhǎng)5.33m接受日光面積為7.2m2。對(duì)日定向系統(tǒng)控制兩翼電池帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，為衛(wèi)星不斷提供電力，并給三組鎘鎳電池充電，以保證衛(wèi)星在地球陰影部分能正常工作。在星體底部裝有多波束定向天線，能發(fā)射張角大約為30度的兩個(gè)L波段（19cm和24cm波）的信號(hào)。在星體的兩端面上裝有全向遙測(cè)遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)的通信。此外衛(wèi)星還裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)，以便使衛(wèi)星保持在適當(dāng)?shù)母叨群徒嵌�，�?zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的可見(jiàn)地面。GPS衛(wèi)星的作用主要有3點(diǎn)：


　　1． 用L波段的兩個(gè)無(wú)線載波（19cm和14cm）向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)。


　　2． 在衛(wèi)星飛越注入站上空時(shí)，接收由地面注入站用S波段（10cm波段）發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他有關(guān)信息，并通過(guò)GPS信號(hào)電路，適時(shí)的發(fā)送給用戶。


　　3． 接收地面主控站通過(guò)注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，適時(shí)地改正運(yùn)行偏差或者起用備用時(shí)鐘等。


　　地面控制系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）：


　　全面負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作。它包括：主控站、監(jiān)測(cè)站、注入站。


　　主控站：1個(gè)，是位于科拉多州斯平士的衛(wèi)星操作控制中心（CSOC），它的任務(wù)是收集各監(jiān)測(cè)站送來(lái)的數(shù)據(jù)，計(jì)算衛(wèi)星軌道、星歷、時(shí)鐘改正數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等，并按一定格式編輯為導(dǎo)航電文傳送到注入站，再轉(zhuǎn)發(fā)至各衛(wèi)星；它還負(fù)責(zé)對(duì)地面控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作、對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)的診斷、調(diào)整和發(fā)送工作。此外，這個(gè)主控站里還附設(shè)了一個(gè)監(jiān)測(cè)站。


　　監(jiān)測(cè)站：5個(gè)，除一個(gè)附設(shè)在主控站內(nèi)，還有4個(gè)分別分布在夏威夷、北太平洋的Kwajalein島、印度洋的Diogo Garcia島、大西洋的Ascension島上。它們主要用配備的P碼接收機(jī)和精密銫種，對(duì)每顆衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不斷的跟蹤測(cè)量，并將所得數(shù)據(jù)傳送到主控站。它是無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站的控制。


　　注入站：3個(gè)，分別附設(shè)在北太平洋的Kwajalein島、印度洋的Diogo Garcia島、大西洋的Ascension島上的監(jiān)測(cè)站內(nèi)，其主要功能是每天用S波段（10cm波），將主控站傳送來(lái)的衛(wèi)星星歷和時(shí)鐘參數(shù)等發(fā)送到衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中，讓有關(guān)信息通過(guò)GPS衛(wèi)星信號(hào)電路發(fā)給用戶。還自動(dòng)向主控站發(fā)信號(hào)。


　　GPS接收機(jī)（用戶部分）：


　　由于近十幾年來(lái)，世界各國(guó)的企業(yè)公司和科研單位競(jìng)相開(kāi)發(fā)出各種類型的接收機(jī)，因此GPS接收機(jī)的分類形式很多。常規(guī)分為兩種：導(dǎo)航型和測(cè)地型。


　　導(dǎo)航型接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，價(jià)格便宜，采用C/A碼偽距接收技術(shù)，定位精度一般可達(dá)100～20m，最高可達(dá)3～1m。若采用P碼接收技術(shù)，達(dá)到的精度將更高。普通C/A碼偽距接收機(jī)的價(jià)格大約在2-3千左右。


　　測(cè)地型接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高，它采用雙頻偽距和載波相位接收技術(shù)，測(cè)量基線的精度和高度都比導(dǎo)航型接收機(jī)高許多數(shù)量級(jí)。雙頻接收機(jī)可達(dá)5mm+1ppm·D,單頻接收機(jī)可達(dá)10mm+2ppm·D,若用差分定位其精度可達(dá)亞米及厘米級(jí)。


　　目前，GPS接收機(jī)的體積是越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，價(jià)格越來(lái)越低。


　　隨著GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)在我國(guó)的迅猛發(fā)展，它的電話業(yè)務(wù)功能對(duì)大多數(shù)人來(lái)講，已不再陌生，但它的其他功能：如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、短信息業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)，將有助于我們把GPS的應(yīng)用擴(kuò)展到跟蹤移動(dòng)目標(biāo)方面。


　　今年，我國(guó)電信業(yè)繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，截止5月底，移動(dòng)電話用戶總數(shù)已達(dá)到1.1億戶,其中新增用戶2581萬(wàn)戶.因此借GSM來(lái)傳輸GPS定位信息，有很好的基礎(chǔ)。


　　我們可以這樣設(shè)想：將GPS固定到某個(gè)重要的物體如汽車或者帶有特殊任務(wù)的人身上，在需要的時(shí)候，用GSM手機(jī)或其他通信方式，發(fā)一條短消息觸發(fā)GPS，讓GPS把它的三維位置信息，甚至三維速度和時(shí)間信息，以十進(jìn)制ASCⅡ碼或者二進(jìn)制碼輸出，并通過(guò)有線和無(wú)線方式傳輸?shù)紾SM手機(jī)中，由GSM手機(jī)將此數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥硞�(gè)特定地方，比如某個(gè)報(bào)警中心或者以短信息的方式發(fā)給另一個(gè)GSM用戶�；蛘咿D(zhuǎn)送到其他有關(guān)網(wǎng)絡(luò)，再以特約的形式保存，比如存在指定的計(jì)算機(jī)內(nèi)；或者電子信箱內(nèi)；或者電子地圖上。以供需要者使用。


　　目前GPS在我國(guó)還主要應(yīng)用在大地測(cè)量、工程測(cè)量、軍事、交通、郵電、地質(zhì)、礦產(chǎn)、氣象、土地管理、金融、公安等部門(mén)，使用者大多自建系統(tǒng)，投資較大。也有一些單位安裝了車載GPS系統(tǒng)，但都自成體系，不對(duì)外服務(wù)。因此讓人覺(jué)得GPS離我們還很遙遠(yuǎn)。但事實(shí)上，美國(guó)在1995年車載GPS系統(tǒng)的銷售量就已達(dá)到了3.1億美元，日本在1996年車載GPS系統(tǒng)就已達(dá)到70萬(wàn)套。這些數(shù)據(jù)雖不能全面反映GPS在移動(dòng)目標(biāo)定位方面的業(yè)績(jī)，但它也從一個(gè)側(cè)面反映出GPS在民用方面的潛力。因此，我們完全有可能把GPS和GSM結(jié)合起來(lái)，為需求越來(lái)越多的各種移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，增添一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段。


　　國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織是1979年在倫敦成立的，這是一個(gè)提供全球衛(wèi)星移動(dòng)通信的政府間國(guó)際合作團(tuán)體，中國(guó)也是創(chuàng)始成員國(guó)之一。中國(guó)既積極參與全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GNSS）和GPS衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）的建設(shè)，也開(kāi)始建立我國(guó)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（雙星定位系統(tǒng)）。已在北京、上海、武漢、西安、拉薩、烏魯木齊等地建成了永久性的GPS跟蹤站，目的是對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行精密的定軌，為高精度的GPS定位測(cè)量提供觀測(cè)數(shù)據(jù)和精密的星歷服務(wù)。同時(shí)還致力于我國(guó)自主的廣域差分GPS（WADGPS）方案的建立。


　　我國(guó)在1995年成立了GPS協(xié)會(huì)，下設(shè)四個(gè)專業(yè)委員會(huì)，希望通過(guò)廣泛的交流與合作，發(fā)展我國(guó)的GPS應(yīng)用技術(shù)。


　　今后，隨著GPS逐步被認(rèn)識(shí)和接受，GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，我們完全有理由相信，GPS將同移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)一樣，逐步深入人們的生活，改善人們的生存空間，提高人們的生活品質(zhì)。




摘自《廣播電視網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》2001.11