CN112817011A - 基于gps跟踪的流动物件用导航方法 - Google Patents

基于gps跟踪的流动物件用导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及物件跟踪技术领域，具体地说，涉及基于GPS跟踪的流动物件用导航方法。其包括数字签名，利用数字电文对流动物件进行签名，并在签名上嵌入定位单元，定位单元用于对流动物件的位置信息进行定位；信号接收：用于接收定位单元的流动物件的位置信号；信号测量：利用导航单元对接收的位置信号进行测量，并推算出流动物件三维的位置；位置查询：用于对信号测量的位置进行实时查询，以便于及时获知流动物件的位置数字签名。本发明中利用数字电文对流动物件进行签名，并在签名上嵌入定位单元，定位单元用于对流动物件的位置信息进行定位，从而实现对流动物件进行精准定位，同时通过查询即可得知流动物件的特征信息和位置信息。

Description

基于GPS跟踪的流动物件用导航方法
技术领域
本发明涉及物件跟踪技术领域，具体地说，涉及基于GPS跟踪的流动物件用导航方法。
背景技术
目前，全球定位系统(GPS)是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS自问世以来，就以其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活吸引了众多用户。GPS不仅是汽车的守护神，同时也是物流行业管理的智多星。随着物流业的快速发展，GPS有着举足轻重的作用，成为继汽车市场后的第二大主要消费群体。
但很多时候的流动物件都是和汽车位置信息固定并不能够精确到每一个物件，如果汽车中的物件丢失或者遗漏就无法获取位置，因此收寄方均要承担丢失的损失，而且无法将物件的特征和信息和位置信息进行结合利用。
发明内容
本发明的目的在于提供基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其方法步骤如下：
S1.1、数字签名：利用数字电文对流动物件进行签名，并在签名上嵌入定位单元，定位单元用于对流动物件的位置信息进行定位；
S1.2、信号接收：用于接收定位单元的流动物件的位置信号；
S1.3、信号测量：利用导航单元对接收的位置信号进行测量，并推算出流动物件三维的位置；
S1.4、位置查询：用于对信号测量的位置进行实时查询，以便于及时获知流动物件的位置数字签名。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1.1中数字电文签名步骤如下：
S2.1、输入原文：用于将流动物件的特征信息输入到数字电文上，特征信息包括收寄件位置信息，联系信息以及收寄的署名信息，并在流动物件的特征信息附加私钥；
S2.2、输出签名值：利用哈希算法将特征信息和私钥的签名值输出；
S2.3、验证签名：利用公钥解密的特征信息与S2.1中的特征信息对比，若对比结果相等验证通过，否则验证不合格。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2.1中附加的私钥采用对称加密，对称加密算法采用Triple DES，其算法步骤如下：
S3.1、使用私钥将流动物件的特征信息数据块进行3次加密，私钥为16字节而特征信息数据块为8字节，另外通过对流动物件的特征信息数据块用三个不同的密钥进行三次加密，提高加密强度，使流动物件的特征信息在跟踪过程更加安全，降低泄密的可能性，其加密公式如下：
K＝(Kl|Kr)；
Y＝DES{Kl[DES-1(Kr<DES(Kl(x))>)]}；
其中，K为私钥；DES(Kl(x))为私钥K对流动物件的特征信息数据块x进行DES加密；
S3.2、对流动物件的特征信息数据块进行解密，其解密公式如下：
X＝(DES-1){Kl[DES(Kr(DES-1)(Kl(y)))]}；
其中，(DES-1)(Kl(y))为私钥K对特征信息数据块y进行解密。
作为本技术方案的进一步改进，所述哈希算法步骤如下：
S4.1、取流动物件的特征信息数据的关键字的随机函数值为它的哈希地址，即：
Hash(key)＝random(key)；
其中，random为随机函数；key为特征信息数据元素关键字；
S4.2、建立哈希表，首先取出一个数据元素的关键字key，计算其在哈希表中的存储地址，计算公式如下：
D＝Hash(key)；
若存储地址为D的存储空间还没有被占用，则将该数据元素存入；否则发生冲突，执行如下步骤：
计算关键字为key的数据元素之下一个存储地址；若该存储地址的存储空间没有被占用，则存入；否则继续执行此步骤，直到找出一个存储空间没有被占用的存储地址为止。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1.1中定位单元包括空间模块、地面监控模块；所述空间模块用于接收并存储来自地面控制系统的导航电文，导航电文用于计算卫星当前的位置和信号传输的时间，从而使GPS接收机在接收导航电文后能确定自身的位置；每个卫星独自将数据流调制成高频信号，数据传输时按逻辑分成不同的帧，每一帧有1500位，传输时间需30秒；每一帧可分为五个子帧，每子帧有300位，传输时间为6秒；每25帧构成一个主帧，传输一个完整的历书需要1个主帧，也就是需要12.5分钟；一个GPS接收机要实现其功能至少要接收一个完整的历书，并原子钟的控制下自动生成测距码和载波；所述地面监控模块用于完成对GPS卫星信号的连续观测，并将搜集的数据和当地气象观测资料经过处理后传送到主控站。
作为本技术方案的进一步改进，所述定位单元跟踪方法如下：
S5.1、利用锁频环辅助锁相环形成跟踪环路，用于对签名后的流动物件进行跟踪；
S5.2、通过滤波器对接收机各跟踪通道中频信号进行综合处理；
S5.3、综合处理处理后利用多条跟踪通道的伪距和伪距率残差对系统状态参量进行综合估计，并搭建滤波器的状态方程和量测方程。
作为本技术方案的进一步改进，所述滤波器采用高斯分布搭建状态方程和量测方程的向量，其向量公式如下：
Figure BDA0002886789690000031
Figure BDA0002886789690000032
其中，
Figure BDA0002886789690000033
为k时刻流动物件状态方程和量测方程的估计向量；Pk为协方差矩阵。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1.3中导航单元利用伪随机码信号对流动物件的三维位置进行推算，其推算步骤如下：
S6.1、利用FPGA使移位寄存器网络以产生伪随机码信号；
S6.2、对FPGA输出的TTL信号进行D/A转换及信号调理，并输出。
作为本技术方案的进一步改进，所述S6.1中FPGA采用了逻辑单元阵列，利用逻辑单元阵列来实现组合逻辑，每组合逻辑连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块，FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
作为本技术方案的进一步改进，所述S6.2中TTL信号指定DNS服务器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：该基于GPS跟踪的流动物件用导航方法中，利用数字电文对流动物件进行签名，并在签名上嵌入定位单元，定位单元用于对流动物件的位置信息进行定位，从而实现对流动物件进行精准定位，同时通过查询即可得知流动物件的特征信息和位置信息，另外通过D/A转换后再进行调理输出，降低了信号相位抖动，提高信号质量，从而利用伪随机编码信号可以实现低信噪比接收，大大改善了通信的可靠性。
附图说明
图1为实施例1的整体步骤流程图；
图2为实施例1的数字电文签名步骤流程图；
图3为实施例1的Triple DES算法步骤流程图；
图4为实施例1的哈希算法步骤流程图；
图5为实施例1的定位单元跟踪方法流程图。
图6为实施例1的三维位置推算步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，请参阅图1-图6，其方法步骤如下：
S1.1、数字签名：利用数字电文对流动物件进行签名，并在签名上嵌入定位单元，定位单元用于对流动物件的位置信息进行定位；
S1.2、信号接收：用于接收定位单元的流动物件的位置信号；
S1.3、信号测量：利用导航单元对接收的位置信号进行测量，并推算出流动物件三维的位置；
S1.4、位置查询：用于对信号测量的位置进行实时查询，以便于及时获知流动物件的位置数字签名。
本实施例中，S1.1中数字电文签名步骤如下：
S2.1、输入原文：用于将流动物件的特征信息输入到数字电文上，特征信息包括收寄件位置信息，联系信息以及收寄的署名信息，并在流动物件的特征信息附加私钥；
S2.2、输出签名值：利用哈希算法将特征信息和私钥的签名值输出；
S2.3、验证签名：利用公钥解密的特征信息与S2.1中的特征信息对比，若对比结果相等验证通过，否则验证不合格，以保证流动物件的特征信息的安全性，避免发生泄漏对收寄位置以及信息造成泄漏。
进一步的，S2.1中附加的私钥采用对称加密，对称加密算法采用Triple DES，其算法步骤如下：
S3.1、使用私钥将流动物件的特征信息数据块进行3次加密，私钥为16字节而特征信息数据块为8字节，另外通过对流动物件的特征信息数据块用三个不同的密钥进行三次加密，提高加密强度，使流动物件的特征信息在跟踪过程更加安全，降低泄密的可能性，其加密公式如下：
K＝(Kl|Kr)；
Y＝DES{Kl[DES-1(Kr<DES(Kl(x))>)]}；
其中，K为私钥；DES(Kl(x))为私钥K对流动物件的特征信息数据块x进行DES加密；
S3.2、对流动物件的特征信息数据块进行解密，其解密公式如下：
X＝(DES-1){Kl[DES(Kr(DES-1)(Kl(y)))]}；
其中，(DES-1)(Kl(y))为私钥K对特征信息数据块y进行解密。
具体的，哈希算法步骤如下：
S4.1、取流动物件的特征信息数据的关键字的随机函数值为它的哈希地址，即：
Hash(key)＝random(key)；
其中，random为随机函数；key为特征信息数据元素关键字；
S4.2、建立哈希表，首先取出一个数据元素的关键字key，计算其在哈希表中的存储地址，计算公式如下：
D＝Hash(key)；
若存储地址为D的存储空间还没有被占用，则将该数据元素存入；否则发生冲突，执行如下步骤：
计算关键字为key的数据元素之下一个存储地址；若该存储地址的存储空间没有被占用，则存入；否则继续执行此步骤，直到找出一个存储空间没有被占用的存储地址为止。
此外，S1.1中定位单元包括空间模块、地面监控模块；空间模块用于接收并存储来自地面控制系统的导航电文，导航电文用于计算卫星当前的位置和信号传输的时间，从而使GPS接收机在接收导航电文后能确定自身的位置；每个卫星独自将数据流调制成高频信号，数据传输时按逻辑分成不同的帧，每一帧有1500位，传输时间需30秒；每一帧可分为五个子帧，每子帧有300位，传输时间为6秒；每25帧构成一个主帧，传输一个完整的历书需要1个主帧，也就是需要12.5分钟；一个GPS接收机要实现其功能至少要接收一个完整的历书，并原子钟的控制下自动生成测距码和载波；地面监控模块用于完成对GPS卫星信号的连续观测，并将搜集的数据和当地气象观测资料经过处理后传送到主控站。
除此之外，定位单元跟踪方法如下：
S5.1、利用锁频环辅助锁相环形成跟踪环路，用于对签名后的流动物件进行跟踪；
S5.2、通过滤波器对接收机各跟踪通道中频信号进行综合处理；
S5.3、综合处理处理后利用多条跟踪通道的伪距和伪距率残差对系统状态参量进行综合估计，并搭建滤波器的状态方程和量测方程，给出了跟踪环路反馈量，与标量跟踪模式下的跟踪性能进行了对比；仿真结果表明，基于载波频率辅助相位的CPS信号跟踪算法进入稳态时间减小了100ms，位置误差精度提高了5m，速度误差精度提高了近3m/s，在接收机用户快速运动的环境下，能够很好地处理高动态信号。
进一步的，滤波器采用高斯分布搭建状态方程和量测方程的向量，其向量公式如下：
Figure BDA0002886789690000071
Figure BDA0002886789690000072
其中，
Figure BDA0002886789690000073
为k时刻流动物件状态方程和量测方程的估计向量；Pk为协方差矩阵。
具体的，S1.3中导航单元利用伪随机码信号对流动物件的三维位置进行推算，其推算步骤如下：
S6.1、利用FPGA使移位寄存器网络以产生伪随机码信号；
S6.2、对FPGA输出的TTL信号进行D/A转换及信号调理，并输出。
经过分析与实际测试，由于FPGA输出的信号相位抖动较为严重，甚至会造成信号边沿不稳，而且存在着严重的寄生信号，因而输出的伪码质量较差；通过D/A转换后再进行调理输出，降低了信号相位抖动，提高信号质量，并选择差分电流输出型D/A经过MAX4145放大后直接输出。从而利用伪随机编码信号可以实现低信噪比接收，大大改善了通信的可靠性，且可实现码分多址通信，另外，利用伪随机编码信号可以实现高性能的保密通信。
基于MAX4145的伪随机码产生电路原理，该伪随机码产生电路在工作时，系统可以通过并口将伪码数据分配给FPGA，也可由FP-GA自主产生伪码信号，同时由FPGA完成信号处理、时钟分配、码同步产生以及波形存储等功能，MAX4145的作用主要是完成差分到单端输出的转换和放大。
此外，S6.1中FPGA采用了逻辑单元阵列，利用逻辑单元阵列来实现组合逻辑，每组合逻辑连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块，FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
除此之外，S6.2中TTL信号指定DNS服务器。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于，包括如下方法步骤：
S1.1、数字签名：利用数字电文对流动物件进行签名，并在签名上嵌入定位单元，定位单元用于对流动物件的位置信息进行定位；
S1.2、信号接收：用于接收定位单元的流动物件的位置信号；
S1.3、信号测量：利用导航单元对接收的位置信号进行测量，并推算出流动物件三维的位置；
S1.4、位置查询：用于对信号测量的位置进行实时查询，以便于及时获知流动物件的位置数字签名。
2.根据权利要求1所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述S1.1中数字电文签名步骤如下：
S2.1、输入原文：用于将流动物件的特征信息输入到数字电文上，并在流动物件的特征信息附加私钥；
S2.2、输出签名值：利用哈希算法将特征信息和私钥的签名值输出；
S2.3、验证签名：利用公钥解密的特征信息与S2.1中的特征信息对比，若对比结果相等验证通过，否则验证不合格。
3.根据权利要求2所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述S2.1中附加的私钥采用对称加密，对称加密算法采用Triple DES，其算法步骤如下：
S3.1、使用私钥将流动物件的特征信息数据块进行3次加密，其加密公式如下：
K＝(Kl|Kr)；
Y＝DES{Kl[DES-1(Kr<DES(Kl(x))>)]}；
其中，K为私钥；DES(Kl(x))为私钥K对流动物件的特征信息数据块x进行DES加密；
S3.2、对流动物件的特征信息数据块进行解密，其解密公式如下：
X＝(DES-1){Kl[DES(Kr(DES-1)(Kl(y)))]}；
其中，(DES-1)(Kl(y))为私钥K对特征信息数据块y进行解密。
4.根据权利要求3所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述哈希算法步骤如下：
S4.1、取流动物件的特征信息数据的关键字的随机函数值为它的哈希地址，即：
Has＝(key)＝random(key)；
其中，random为随机函数；key为特征信息数据元素关键字；
S4.2、建立哈希表，首先取出一个数据元素的关键字key，计算其在哈希表中的存储地址，计算公式如下：
D＝Hash(key)；
若存储地址为D的存储空间还没有被占用，则将该数据元素存入；否则发生冲突，执行如下步骤：
计算关键字为key的数据元素之下一个存储地址；若该存储地址的存储空间没有被占用，则存入；否则继续执行此步骤，直到找出一个存储空间没有被占用的存储地址为止。
5.根据权利要求4所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述S1.1中定位单元包括空间模块、地面监控模块；所述空间模块用于接收并存储来自地面控制系统的导航电文，并原子钟的控制下自动生成测距码和载波；所述地面监控模块用于完成对GPS卫星信号的连续观测，并将搜集的数据和当地气象观测资料经过处理后传送到主控站。
6.根据权利要求5所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述定位单元跟踪方法如下：
S5.1、利用锁频环辅助锁相环形成跟踪环路，用于对签名后的流动物件进行跟踪；
S5.2、通过滤波器对接收机各跟踪通道中频信号进行综合处理；
S5.3、综合处理处理后利用多条跟踪通道的伪距和伪距率残差对系统状态参量进行综合估计，并搭建滤波器的状态方程和量测方程。
7.根据权利要求6所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述滤波器采用高斯分布搭建状态方程和量测方程的向量，其向量公式如下：
Figure FDA0002886789680000031
Figure FDA0002886789680000032
其中，
Figure FDA0002886789680000033
为k时刻流动物件状态方程和量测方程的估计向量；Pk为协方差矩阵。
8.根据权利要求1所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述S1.3中导航单元利用伪随机码信号对流动物件的三维位置进行推算，其推算步骤如下：
S6.1、利用FPGA使移位寄存器网络以产生伪随机码信号；
S6.2、对FPGA输出的TTL信号进行D/A转换及信号调理，并输出。
9.根据权利要求8所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述S6.1中FPGA采用了逻辑单元阵列，利用逻辑单元阵列来实现组合逻辑。
10.根据权利要求9所述的基于GPS跟踪的流动物件用导航方法，其特征在于：所述S6.2中TTL信号指定DNS服务器。
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