CN1200522A

CN1200522A - 汽车全球定位防劫报警系统

Info

Publication number: CN1200522A
Application number: CN 97108080
Authority: CN
Inventors: 谷振宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-02

Abstract

一种应用全球定位系统对目标进行定位和跟踪的系统,特别可用于汽车防劫报警,包括车辆呼救装置和呼救信号处理中心,车辆呼救装置由全球定位信号接收器、车辆信号与全球定位信号合成器和呼救信号发射器组成;呼救信号处理中心由呼救信号接收机、全球定位信号处理器、基准全球定位信号接收机、计算机和大屏幕显示器组成,本发明结构简单实用、成本低、定位精度高,可及时准确地实现被劫车辆定位和跟踪,应用领域广泛。

Description

汽车全球定位防劫报警系统

本发明涉及一种应用全球定位系统对目标进行定位和跟踪的系统，特别可应用于汽车的防劫报警和跟踪、以及对其它军用或民用目标进行全球定位和跟踪。

全球定位系统(Global Positioning System，以下简称GPS)是美国研制的第二代卫星导航定位系统，它能在全球范围内全天候地为海上、陆地、空中和空间的用户提供连续、高精度的三维位置、三维速度和时间，其用途极为广泛。而目前我国的汽车数量庞大，汽车偷盗抢劫案件时有发生，尤其以出租车、银行运钞车抢劫案件最多，出租车司机也成为一种高风险行业。国外的汽车抢劫犯罪更为突出。目前出租车一般只配有简单的对讲通讯设备，一旦发生劫车，司机根本不可能报警，对外联系即中断，犯罪分子劫车后可无所顾忌，从容地驾车逃离，最后销脏获利。因此一种有效实用的汽车防劫报警跟踪装置成为急待解决的问题。利用现有的GPS定位导航系统固然可以实现汽车定位、跟踪和报警，但由于这类系统一般都包括信号接收、分析处理及发射部分，因此其成本太高而难以普及应用。市场上目前尚无类似产品。

本发明的目的在于提供一种结构简单实用、成本低、定位精度高、可及时准确地实现被劫车辆定位和跟踪的汽车全球定位防劫报警系统。

本发明的技术方案如下：本发明的基本设计思想是在汽车上只安装GPS卫星定位信号接收装置和发射装置，以降低车载部分的成本，由呼救信号处理中心对GPS信号进行分析处理并实现对多辆车的实时信号监测。它包括车辆呼救装置和呼救信号处理中心，车辆呼救装置由全球定位信号接收器、车辆信号与全球定位信号合成器和呼救信号发射器组成，车辆信号与全球定位信号合成器分别联接全球定位信号接收器和呼救信号发射机；呼救信号处理中心由呼救信号接收机、全球定位信号处理器、基准全球定位信号接收机、计算机和大屏幕显示器组成，其中呼救信号接收机与全球定位信号相联，计算机分别与全球定位信号处理器、基准全球定位信号接收机、大屏幕显示器相联。

本发明中，车辆呼救装置由接收天线、前置放大器、频率变换器、标频器、频率合成器、车辆信息存储器和呼救信号发射器组成，其中接收天线和前置放大器相联构成全球定位信号接收器，由频率变换器、标频器、频率合成器、车辆信息存储器构成车辆信号与全球定位信号合成器，频率合成器分别与频率变换器、标频器、车辆信息存储器和呼救信号发射器相联，频率变换器分别与前置放大器、标频器相联，呼救信号发射器和车辆信息存储器均与车辆电源相联。呼救信号接收机包括卫星共用天线、多路转发器和多路频率变换器，每个转发器有多个可分配的信道。全球信号处理器包括多信道处理器、标频器、频率合成器、微处理器、存储器、电源、显控器及数控接口，多信道处理器分别与频率变换器、频率合成器、微处理器和存储器相联，微处理器又与存储器、显控器、数控接口和电源相联，数控接口与计算机相联。车辆呼救装置上装有可启动其工作的开关，平时车辆呼救装置处于待命状态，车辆被劫时由司机按下该开关启动该装置开始工作。

本发明的工作过程包括以下步骤：

(1)车辆呼救装置启动工作后，全球定位信号接收器接收多颗卫星的定位信号，不对其进行分析处理，而只是放大变频后与车辆信息信号合成为呼救信号，呼救信号再由呼救信号发射器发射出去；

(2)由呼救信号处理中心的呼救信号接收机接收呼救信号，经一定的信道作变频处理变成中频信号，再由全球定位信号处理器对呼救信号中的卫星定位信号进行跟踪、锁定、测量等，得出多颗卫星实时定位的各种数据，经数控接口输入计算机；

(3)另通过解调器将呼救信号中的车辆信息解调出来，并输入计算机；

(4)基准全球定位信号接收机接收并处理卫星定位信号，由计算机将其接收的定位数据与呼救信号处理中心固定的已知位置相比较，进行差分定位；

(5)计算机将全球定位信号处理器处理后的车辆卫星定位信号进行动态数据处理，通过差分运算进行误差修正；转换座标系统，将车辆位置定位数据变换成电子地图上的具体位置并显示于大屏幕显示器，同时显示车辆信息，提示报警。

本发明中的车辆信息包括被劫车辆的车牌号码、车身颜色、车型或其它车辆特征信息，它预先存储在车辆呼救装置内，随呼救信号传至呼救信号处理中心。呼救信号接收机采用多信道共用技术和时分多路复用技术实现对多个车辆呼救信号的接收和处理，使本发明整个系统可对众多车辆同时进行报警信号监测。

全球定位信号处理器采用码延迟锁定环和载波相位锁定环实现相关接收技术。其中码延迟锁定环(DLL)是将本地伪随机码与卫星的随机码对齐，实现卫星的跟踪、识别和伪距测量；载波相位锁定环(PLL)是利用本机的Costas环，将载波相位与卫星相位锁定，藉以解调出导航电文，并可进行载波相位测量。

本发明中求解被劫车辆的位置座标是一个关键问题，定位方程式的确定不仅关系到能否求解出车辆座标及求解座标的精度，还会影响相关的硬件结构及其成本。在本发明中，呼救信号处理中心根据呼救信号接收机接收的卫星定位信号从卫星至被劫车辆再转至呼救信号处理中心之总传输时间、由基准全球定位信号接收机接收的卫星之地心座标即可列出这些参数与被劫车辆之地心座标及其它参数之间相互关系的定位方程组如下：

P_{B}^{i} = [{(X_{S}^{i} - X_{P})}^{2} + {(Y_{B}^{i} - Y_{P})}^{2} + {(Z_{S}^{i})}^{2}]^{1 / 2} + C * (τ_{A} + τ_{B}) + C * (Δ t_{PR} - Δ t_{SV})

i＝1，2，3，4，5，这里的i分别对应五颗不同的卫星；C为光速；

其中P_B ⁱ为从卫星至被劫车辆、被劫车辆至呼救信号处理中心的距离之和的伪距，X_S ⁱ、Y_S ⁱ、Z_S ⁱ为第i颗卫星的地心座标，方程中的未知数包括被劫车辆的地心座标(X_P，Y_P，Z_P)，τ_A为卫星定位信号在传播过程中的附加延时，τ_R为从被劫车辆的呼救信号传至呼救信号处理中心所需时间，Δt_PR为地面接收时刻的钟差，Δt_SV为卫星发射时刻的钟差；该方程组以X_P、Y_P、Z_P、(τ_A+τ_B)和(Δt_PR-Δt_SV)为5个未知数。根据对五颗卫星定位信号接收与处理，即可列出五个定位方程式，综合求解得出被劫车辆的地心座标。

本发明采用先进的全球定位跟踪技术，通过合理的结构设计和定位方程，实现汽车防劫报警。当汽车被劫时，只要司机按一下启动开关，呼救信号处理中心即可在数秒钟左右发出报警信号，显示被劫车辆在地图上的位置及车辆特征，采用差分方式可使定位精度极高，从而可以及时采取应急措施营救车辆，在罪犯尚未察觉时迅速将其抓捕归案。本发明技术先进，性能优良，结构简单实用，成本低廉，定位精度高，可及时准确地实现被劫车辆定位和跟踪。本发明在国内和国际上都将具有广阔的市场前景。

本发明还可应用于军事、公安及民用等更为广泛的范围，例如船舶、火车等移动物体的防劫报警跟踪，防止小孩、老人以及病人走失等。

以下结合附图进一步说明本发明。

图1是本发明的原理结构图；

图2是车辆呼救装置的原理结构图；

图3是呼救信号处理中心的硬件原理结构图；

图4是全球定位信号处理器的原理结构图；

图5是卫星、车辆、呼救信号处理中心的空间位置的几何图。

图1至图4反映了本发明的整体及局部的硬件原理结构。如图1和图2所示，GPS定位信号由车辆呼救装置的接收天线接收，然后经低噪声放大器放大后，频率变换器将GPS信号载频由1575.42MHz降至几百MHz左右，再与车辆特征信息进行频率合成，形成呼救信号。当不法之徒劫车时，司机按启动开关启动呼救信号发射器工作，将呼救信号发射出去。如图3所示，当呼救信号经天线进入呼救信号接收机的共用天线系统时，共用天线系统对不同频率的信号进行放大，然后进入转发器；转发器的功能是将呼救信号分配到空闲信道，图3共装有N个转发器，每个转发器可分配的信道为M个(每个转发器可分配的信道称为信道群，简称群1、群2、…、群M)。当有几个呼救信号同时进入呼救信号接收机，而且有若干个信道已被占用时，转发器对各信道(S1、S2、…、SM)进行扫描，并将接收到的信号分配到扫描出来的空闲信道上。而且在一个信道上可以同时接收10个左右的呼救信号，这是采用时分多路复用技术，使该系统的容量更大。呼救信号进入空闲信道后，频率变换器将其变成中频信号(载频为几十千赫)，再由全球定位信号处理器对该呼救信号进行分析处理，此时由接收机之外的一个解调器将该呼救信号中的车辆特征信息解调出来，并输入计算机。

如图4所示，变为中频的呼救信号输入至全球定位信号处理器的多信道处理器，多信道处理器由硬件和软件组成并受微处理器的控制，每一信号通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星，当此卫星被锁定后，便占据这一信号通道，直到此卫星信号失锁为止。在本发明中，应同时接收五颗卫星的定位信号数据，并采用相关接收技术；为了差分定位和相对定位事后处理的要求，其中的存者器能将实时定位的各种数据、原始观测量以及计算结果存储下来，供事后处理；微处理器和显控器根据采集到的卫星星历、伪距观测值计算三维座标和速度等数据，并将计算结果通过数控接口输出，该部分的输出数据包括各颗卫星从卫星到车辆再到呼救信号处理中心的伪距P_B ⁱ以及卫星的地心座标Sⁱ(X_S ⁱ，Y_S ⁱ，Z_S ⁱ)，这些数据输入计算机中与基准全球定位信号接收机所提供的数据进行差分。

多信道处理器的功能是将中频的呼救信号作放大、滤波等一系列处理，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量、提供出计算位置的数据信息。根据需要可设计成1至12通道，供任意选择。显控器可根据采集到的卫星星历、伪距观测值计算三维座标和速度并显示。

基准全球定位信号接收机主要是为差分过程提供数据。本发明可采用多种差分方法，这里以一种常用方法加以说明。基准全球定位信号接收机测量出全部可见卫星(只要能接收得到的)的伪距Pⁱ(观测距离，不是真实距离)和收集全部卫星的星历文件，利用已采集的轨道根数计算出各个卫星的地心座标(X_S ⁱ，Y_S ⁱ，Z_S ⁱ)(i表示第i颗卫星)；同时，可采用各种方法精确求出呼救信号处理中心的地心座标(X_B，Y_B，Z_B)。这样，利用每一时刻计算的卫星地心座标和呼救信号处理中心的已知座标反求出每一时刻卫星至呼救信号处理中心两者之间的真实距离Rⁱ：

R^{i} = [{(X_{S}^{i} - X_{B})}^{2} + {(Y_{S}^{i} - Y_{B})}^{2} + {(Z_{S}^{i} - Z_{B})}^{2}]^{1 / 2}

基准全球定位信号接收机测量的伪距包括各种误差，与真距不同，可以求出伪距的改正数：ΔPⁱ＝Rⁱ-Pⁱ同时可求出伪距改正数的变化率：

Δ P_{t}^{i} = Δ P^{i} / Δt

观测时，可利用ΔPⁱ和ΔP_t ⁱ修正呼救信号中的定位数据，即：被劫车辆与卫星的距离应为观测距离加上伪距改正数(实时)。

基准全球定位信号接收机向计算机提供的数据是：测量出来可见卫星到呼救信号处理中心的伪距，以及计算出各个卫星的地心座标。

以下介绍定位方程组的建立和推导。如图5所示，P点(X_P，Y_P，Z_P)为被劫车辆位置，呼救信号处理中心在B点，第i颗卫星的位置在Sⁱ(X_S ⁱ，Y_S ⁱ，Z_S ⁱ)，O点为地心，第i颗卫星到被劫车辆P点的距离为：

R_{P}^{i} = [{(X_{S}^{i} - X_{P})}^{2} + {(Y_{S}^{i} - Y_{P})}^{2} + {(Z_{S}^{i} - Z_{P})}^{2}]^{1 / 2}

又：

R_{P}^{i} = C * (Δ t_{PR} - Δ t_{SV}) - C * τ_{A}

但由于卫星钟与地面钟不能完全同步，均存在一定的钟差。设钟差为Δt_PR和Δt_SV，则含有钟整的发射时刻和接收时刻为：

t_{PR}^{i} = t_{PR} + Δ t_{PR}

t_{SV}^{i} = t_{SV} + Δ t_{SV}

则观测到伪距(卫星至车辆)为：

P_{P}^{i} = C * (t_{PR} - t_{SV}) + C * (Δ t_{PR} - Δ t_{SV}) = R_{P}^{i} + C * τ_{A} + C * (Δ t_{PR} - Δ t_{SV})

由于

P_{R}^{i} = P_{P}^{i} + C * τ_{B}

，代入上式可得：

P_{B}^{i} [{(X_{S}^{i} - X_{P})}^{2} + {(Y_{S}^{i} - Y_{P})}^{2} + {(Z_{S}^{i} - Z_{P})}^{2}]^{1 / 2} + C * (τ_{A} + τ_{B}) + C * (Δ t_{PR} - Δ t_{SV})

在上式中P_S ⁱ可由全球定位信号处理器读出，卫星座标(X_S ⁱ，Y_S ⁱ，Z_S ⁱ)可由卫星星历读出，利用此定位方程式，以五颗卫星的GPS信号数据确定五个相似的方程式，解此定位方程组可求解出被劫车辆的方位座标(X_P，Y_P，Z_P)。

全球定位信号处理器、解调器、基准全球定位信号接收机三部分的输出信号数据都输入计算机。计算机先将基准全球定位信号接收机的数据(包括每颗卫星的地心座标、卫星到呼救信号处理中心的伪距)进行处理，通过已知呼救信号处理中心的地心座标以及采集到的每颗卫星的地心座标，求出卫星到呼救信号处理中心的真实距离，以及每颗卫星的伪距改正数和伪距改正数的变化率。计算机将每颗卫星的伪距改正数和伪距改正数的变化率对呼救信号中的伪距(从卫星到被劫车辆再到呼救信号处理中心的观测距离)进行修正，然后将其代入定位方程；同时观测五颗卫星则可列出五个定位方程式，求解出被劫车辆的地心座标，然后经座标变换定出被劫车辆在电子地图上的位置并显示于显示器上，同时显示车辆特征信息。由呼救信号处理中心指挥距离最近的部门和人员进行拦截和营救。

提高定位精度是本发明的一个技术难点，由于定位精度与接收机的信噪比有关，因此要提高全球定位信号接收机的信噪比，故在全球定位信号接收机中采用扩频技术及相关接收技术，并采用性能优越的低噪声放大器对GPS信号前置放大；另外，由于美国卫星的卫星时钟和卫星数据中含有人为误差，以及卫星轨道误差和大气影响等因素，都降低了GPS的定位精度，为了消除这部分干扰(目前商用GPS接收机都工作在C/A码，C/A码受到了干扰)，本发明采用差分GPS技术，提高了定位精度。

本发明的成本低而易于普及；报警反应时间快，司机按下启动开关后，几秒钟左右呼救信号处理中心即可将车辆位置显示出来；这种无声报警方式也有利于迅速拦截和营救被劫车辆；从而为出租车、银行运钞车或其它车辆提供快捷、有效的安全保护措施。本发明能在以呼救信号处理中心为圆心、视距为半径的圆形区域内对本区域的车辆实施实时监测报警，若将各不同区域的呼救信号处理中心联成网络，则可在更大范围内实现防劫报警。本发明也应用于其它军用或民用领域。

Claims

1、一种汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于它包括车辆呼救装置和呼救信号处理中心，车辆呼救装置由全球定位信号接收器、车辆信号与全球定位信号合成器和呼救信号发射器组成，车辆信号与全球定位信号合成器分别联接全球定位信号接收器和呼救信号发射机；呼救信号处理中心由呼救信号接收机、全球定位信号处理器、基准全球定位信号接收机、计算机和大屏幕显示器组成，其中呼救信号接收机与全球定位信号相联，计算机分别与全球定位信号处理器、基准全球定位信号接收机、大屏幕显示器相联。

2、根据权利要求1所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于车辆呼救装置由接收天线、前置放大器、频率变换器、标频器、频率合成器、车辆信息存储器和呼救信号发射器组成，其中接收天线和前置放大器相联构成全球定位信号接收器，由频率变换器、标频器、频率合成器、车辆信息存储器构成车辆信号与全球定位信号合成器，频率合成器分别与频率变换器、标频器、车辆信息存储器和呼救信号发射器相联，频率变换器分别与前置放大器、标频器相联，呼救信号发射器和车辆信息存储器均与车辆电源相联。

3、根据权利要求1所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于呼救信号接收机包括卫星共用天线、多路转发器和多路频率变换器，每个转发器有多个可分配的信道。

4、根据权利要求1或3所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于全球信号处理器包括多信道处理器、标频器、频率合成器、微处理器、存储器、电源、显控器及数控接口，多信道处理器分别与频率变换器、频率合成器、微处理器和存储器相联，微处理器又与存储器、显控器、数控接口和电源相联，数控接口与计算机相联。

5、根据权利要求1所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于车辆呼救装置上装有可启动其工作的开关。

6、根据权利要求1所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于其工作过程包括以下步骤：

7、根据权利要求1或6所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于车辆信息包括被劫车辆的车牌号码、车身颜色、车型或其它车辆特征信息。

8、根据权利要求1或6所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于呼救信号接收机采用多信道共用技术和时分多路复用技术实现对多个车辆呼救信号的接收和处理。

9、根据权利要求1或6所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于全球定位信号处理器采用码延迟锁定环和载波相位锁定环实现相关接收技术。

10、根据权利要求6所述的汽车全球定位防劫报警系统，其特征在于呼救信号处理中心根据呼救信号接收机接收的卫星定位信号从卫星至被劫车辆再转至呼救信号处理中心之总传输时间、由基准全球定位信号接收机接收的卫星之地心座标即可列出这些参数与被劫车辆之地心座标及其它参数之间相互关系的定位方程式如下：

P_{B}^{i} [{(X_{S}^{i} - X_{P})}^{2} + {(Y_{B}^{i} - Y_{P})}^{2} + {(Z_{S}^{i} - Z_{P})}^{2}]^{1 / 2} + C * (τ_{A} + τ_{B}) + C * (Δ t_{PR} - Δ t_{SV})

其中P_B ⁱ为从卫星至被劫车辆、被劫车辆至呼救信号处理中心的距离之和的伪距，X_S ⁱ、Y_S ⁱ、Z_S ⁱ为第i颗卫星的地心座标，方程中的未知数包括被劫车辆的地心座标(X_P，Y_P，Z_P)，τ_A为卫星定位信号在传播过程中的附加延时，τ_B为从被劫车辆的呼救信号传至呼救信号处理中心所需时间，Δt_PR为地面接收时刻的钟差，Δt_SV为卫星发射时刻的钟差；该方程组以X_P、Y_P、Z_P、(τ_A+τ_B)和(Δt_PR-Δt_SV)为5个未知数，根据对五颗卫星定位信号接收与处理。即可列出五个定位方程式，综合求解得出被劫车辆的地心座标。