CN1266192A - 车/船定位跟踪导航移动通讯系统 - Google Patents

Abstract

车/船定位跟踪导航移动通讯系统包括差分GPS系统基站、通讯中继站、车载单元和监控中心,至少一个差分GPS系统基站与至少一个通讯中继站和至少一个监控中心相连,车载单元通过时分多址双向数据通讯系统与差分GPS系统基站、通讯中继站连成一个容量大、精度高、可靠性好、抗干扰性能优异、环境适应能力强的高速率、全天候的地面水面目标定位监控管理网络,是机场港口城市等建立现代化管理系统的基础性设施。

Description

车/船定位跟踪导航移动通讯系统

本发明涉及一种以发射信号具有一个或几个特征可被无方向性接收机检测到并确定与信标发射机密切相关的方向、位置或位置线为特征的信标与信标系统，尤其涉及一种定位跟踪导航移动通讯系统，这是一个容量大精度高可靠性好抗干扰性能优异环境适应能力强的高速率全天候的地面水面目标定位监控管理网络，是机场港口城市等建立现代化管理系统的基础性设施。

近年来，随着我国国民经济的快速发展，市场繁荣及城乡居民生活水平和消费水平不断提高，私人轿车拥有量不断增加。而目前我国由于种种原因，购车后多数人没有较为安全的停车场地，导致车辆丢失现象十分严重，已成为各有关方面普遍关注的焦点问题。国内现有的各种汽车防盗系统，无法彻底解决汽车被盗问题。另外，银行运钞车、出租汽车被抢劫；车辆遇险及随机发生的呼救求援等问题也有待解决，各企事业单位、商店、银行、个人住宅等的防盗、防火、防水及急救等一些需要报警监控地点的报警问题也没有得到根本解决，为此，广大警务人员和社会服务机构面临的是一种极为被动的寻找方式。这些现象极大地影响了人们正常生活和工作，急需一种产品来解决。

本发明的目的在于：海湾战争结束后，美国就制订了庞大的全球定位系统(GPS)转移计划，并在93年开始，经过改码已投入民用，其目的是为了收取尽可能多的开发研制所消耗的共计130多亿美元的巨大投入。这使以GPS为定位传感器的车辆定位跟踪系统在国际国内成为一项非常热门的新兴高科技开发项目。并且随着社会现代化，军事，公安，团体和个人车辆保安，公共交通，货运，水上交通和港口领航等应用领域对定位跟踪应用的需求越来越迫切，促使美国、日本和西欧发达国家都投入大量资金和技术力量从事开发研究，同时也吸引了各大部委的科研院所、专业院校的科研力量，不惜投入大量资金，在GPS的基础上开发研制定位跟踪系统。本发明是针对现有的GPS应用系统的缺陷和当今无线数据通信系统技术的发展趋势，根据中国国情，从中国各行业特殊要求管理职能与广大用户的实际情况出发，在<双向文字无线通讯系统及通讯方法>基础上研制出一种可完成移动车/船位置跟踪、监控、报警；双向文字数据传输等主要功能，还能够为社会服务机构提供一种变被动为主动的保护手段。

本发明是这样实现的：一种车/船定位跟踪导航移动通讯系统，包括含有差分GPS定位单元的系统基站、TDMA(时分多址)双向数据通讯系统、数字激光陀螺仪和监控中心几个主要的功能模块。差分GPS定位单元用于对被监控车/船进行实时定位；其中至少一个差分GPS系统基站与至少一个通讯中继站和至少一个监控中心相连，车载单元通过时分多址双向数据通讯单元与差分GPS系统基站、通讯中继站相连，通讯中继站又与监控中心相连，车载单元同车/船的速度/里程表相连接，数字激光陀螺仪与车/船的速度/里程传感器相连接，双向数据通讯单元采用时分多址技术的专用无线数据通讯网。

本发明积极效果在于以伪差分GPS定位技术为基础，由差分GPS基站、通讯中继站和车载单元及监控中心组成。所有组成设备均采用集成一体化机箱，具有如下性能特点：能够在恶劣的环境中提供连续可靠的定位信息；车辆定位信息的回传；双向无线数据通讯。

本发明是一种车/船定位跟踪导航移动通讯系统，主要应用于车辆定位和信息双向传输领域的理想解决方案。由于采用了先进高效、功能灵活的通讯系统，系统可以很好地适应不同的AVLS(自动车辆定位系统)的需求。系统的典型应用领域包括安全部门、军事部门、警察、急救中心、公交运输部门、重要的控制和维护部门、货运管理部门、自动机械、工厂、露天采矿等。从商业角度考虑，对于用户/系统集成商而言，以车/船定位跟踪导航移动通讯系统为基础构成的AVLS具有技术先进、性能超群、可靠性高等特点，而且可以从以下几个方面降低开发成本：最大限度的降低用于通讯系统集成的开发成本；最大限度地降低开发投资风险；可以大大减少整体系统的开发时间。

数字激光陀螺仪与车辆/里程传感器相连接，其作用在于：当由于某种原因引起对GPS卫星信号的接收产生干扰(如车辆驶入立交桥下)导致差分GPS定位系统不能正常工作时，以惯性导航系统对车辆进行实时定位，确保定位信息和整个系统工作的连续性，达到抗干扰、抗遮挡的目的，提高了系统对于复杂环境的适应能力；双向数据通讯系统采用时分多址技术的专用无线数据通讯网，能够实现高速率大容量的双向数字数据通讯，并且能够在城市市区的强电磁干扰环境中正常工作；监控中心将双向数据通讯系统所传送的信息进行分析、处理和存储，并将定位信息与电子地图相匹配显示出来，达到实时监控车/船的目的。

下面结合附图对本发明的实施加以详述：

图1为本发明的系统框图

图2为差分GPS系统基站的框图

图3车载单元框图

图4为监控中心框图

图5为一种典型的网络拓扑结构框图

图6为一种典型的星型网络拓扑结构框图

图7为一种典型的扩展星型网络拓扑结构框图

图8为一种典型的扩展星型网络拓扑结构框图

图9为一种典型的直线型网络拓扑结构框图

图10为一种典型的直线型网络拓扑结构框图

如图1所示一个完整的车/船定位跟踪导航移动通讯系统由至少一个差分GPS系统基站、一个以上通讯中继站、车载单元和至少一个监控中心组成。基站通过有线连接将位置信息或邮件传送至监控中心，基站并通过专用双向无线数据通讯网广播同步和差分校正，接收车载单元发射的位置信息或邮件和由中继站转发的车载单元的位置信息或邮件。中继站通过有线连接将位置信息或邮件传送至监控中心，通过专用双向无线数据通讯网接收车载单元发射的位置信息或邮件和由基站发射的同步和差分校正并将其转发至基站和车载单元。车载单元通过专用双向无线数据通讯网接收由基站发射或由中继站转发的同步和差分校正，并发射位置信息或邮件至基站或中继站。监控中心通过有线连接接收基站和中继站传送的位置信息或邮件，并将其实时反映在监控屏幕上。

如图2所示差分GPS系统基站包括与主频发生器、倍频器相连的NC10模块及与其连接的TDG板和包括DC/DC及DC/AC转换器，该基站用于在本发明内向被监控的车/船连续地提供GPS校正值信息，以保证系统高精度的定位性能(典型的定位精度为5米，在环境条件良好的情况下可以达到1米)；控制通讯系统的正常运行；向众多的被监控车辆提供实时双向的信息数据传输，包括根据系统监控中心的指令向被选择的车载单元传送特定的信息，以及接收由车载单元传回的车辆定位报告和其他信息并将其送到系统监控中心。基站由能够产生差分GPS校正值信号和进行时间同步的NC10型GPS核心板和用于数据传输的TDG型通讯板构成。每一块TDG型通讯板控制一个通讯信道。每一台基站上可以带有1至4块TDG通讯板(即1至4个通讯信道)，每块板实时监控车/船的能力可达4000辆以上/分钟。

通讯中继站实际上是只带有1至4块TDG型通讯板而不含有GPS核心板的基站。它用于系统基站的通讯信号不能直接达到的地域，沟通系统基站与各车载单元之间的通讯联系，对双向通讯数据进行接收、校验和转发。在系统的配置中增加通讯中继站可以有效地扩大整个系统的工作范围，并且克服由于地形地物因素所造成的通讯盲区对系统整体性能的影响。

如图3所示车载单元是本发明的终端设备，安装在被监控的车辆、船只或者其他目标内部，用于接收差分GPS校正值信息，计算被监控目标的实时位置，并将有关的信息传回系统基站；也可以接收系统监控中心通过系统基站(和通讯中继站)发来的各种指令，并且传回执行的情况。车载单元由一块12通道的GPS核心板(NC10型)，一块TDG型数据通讯板和一个内置式数字激光陀螺仪组成。车载单元同车辆的速度/里程表相连接，当由于某种原因导致差分GPS定位系统暂时失效时，由惯性导航系统对车辆的位置和运动状态进行推算。

车载单元的外观为一个整体式的机箱，体积小，重量轻，功耗低，很容易在车辆上进行安装和设置。车载单元可以同用户所选择的显示器相连接，以实时显法车辆的导航定位信息和通过数据通讯网络接收到的其他信息。对车载单元进行配置可以在装车之前完成(通过PC机进行配置)，也可以在装车之后由系统基站通过数据通讯网络实时进行。

如图4所示为监控中心(通常由计算机、监控屏幕及专用软件系统构成)，主要由局域网交换机分别连工作站、PC、基站、公共数据网、Web服务器、电子邮件服务器，包括网络打印机的应用服务器和包括存储设备的数据库服务器组成。

本发明可以采用多种网络拓补结构，以适应不同地形和环境条件下的应用需要。系统在某个地区可采用大区制组网方式覆盖整个地区，也可以基站与基站相连的方式全国联网。下面是几种典型的网络拓补结构。

如图5所示单基站网络，这是一个简单网络。基站为主同步、DGPS参考站、位置恢复站。覆盖范围为圆形。在城区，假定任何无线链路的发射电平需预留至少30dB，基站天线安装在50米高度(在16层建筑物顶)，车载台天线2米高度，那么预期覆盖大约是基站周围方圆10km。当覆盖区超过TDG板的一般覆盖范围时(考虑UHF频段数据传输)，要求设置中继站。

如图6所示为星型网络，覆盖区域为简单的圆形交叉区域(系统一般设在城区)。假定任何无线链路的发射电平需预留至少30dB，基站天线高50米(在16层建筑物顶)，车载台天线高2米，那么预期覆盖大约是每个基站周围方圆10km。这种网络采用2个中继站，一个外部基于地面的系统负责向监控中心传送中继站接收到的位置数据。

如图7、图8所示为扩展星型网络，前面描述的3基站网络可以作为大网络的基本小区。由这种小区，可以设计下面的网络：7基站网络(图7)，这种网络采用3个同步时隙；13站网络(图8)，这种网络采用4个同步时隙。对于更大的网络，站内链路可以用有方向天线建立。这样就可能实现远端基站之间的无线链路，然后重新分配低序号时隙。

如图9、图10所示为直线型网络，覆盖范围为狭长路径(例如公路或通道)。城区很少用这种网络。其覆盖范围取决于地面情况，以及沿基站至车载台路径可能的障碍屏蔽。

下面列举两个实例：

-在一条河流上(淡水)，天线高度为H＝30m(基站)，H＝15m(船)，允许发射电平预留大于10dB，无屏蔽。在没有中继的情况下，无线链路一般覆盖范围大于50km。

-在沼泽地，天线高度为H＝30m(基站)，H＝2m(车)，允许发射电平预留大于20dB(由于植物屏蔽)。在没有中继的情况下，无线链路一般覆盖范围大于16km。

因此，如果直线型网络，基站范围10~16km，站间距离17~20km，

我们可以估计出最大覆盖范围：

    3基站    54~72km

    5基站    88~112km

    7基站    122~152km

网络的组织，主要取决于基站间无线链路的质量。事实上，如果不相邻基站间可以建立无线链路，可以使更多的时隙用于位置信息的恢复。

如图10所示为5站和7站直线型网络举例，不相邻基站之间有/没有无线链路。

在基站和中继站可以使用多个TDG板，当网络中所有可得到时隙都用于位置数据的恢复时，用户可以借助额外的传输频道，增加被跟踪车/船的数量。这可以通过在基站增加TDG板来实现，并且如果可能，也可在中继站增加。网络工作原理

本发明提供一个安全有效而又灵活的无线数据通讯网络，这一网络具有数据通讯安全高效、延迟时间短的特点。该网络基于TDMA(时分多址模式)原理工作，通讯信道带宽可以为12.5kHz或者45kHz(由用户所在地的相关无线数据通讯管理法规决定)。系统中的每一台设备都拥有一个专有的时隙和一个同步时隙。

时隙是TDMA系统中的基本时间组织单位。在本发明的无线数据通讯网络中，在信道带宽12.5kHz时每个时隙的长度为20毫秒，含有100个比特，比特速率为5kHz；在信道带宽为45kHz时每个时隙的长度为6.67毫秒，含有100个比特，比特速率为15kHz。都包括8个ASCII字符(64比特)的用户信息和系统所保留的比特。在实际的组网工作中，时隙被组织成为字(每个字包含n个时隙，4≤n≤60)，字又进一步被组织成为子帧(每个子帧包含N个字，1≤n≤300)和帧(每个帧包含300个字)，在子帧中每个字都有自己的序列号。

下面以一个含有10个时隙的字(字长200毫秒)为例，简要说明本发明中的时隙分配和使用：

第0时隙：校验

第1时隙：同步，包括网络同步和帧组织的字记数，该时隙可以传输6个ASCII字符的信息，可以传给任意特定的车载单元，或者是传给一组车载单元(30辆车/秒)。

第2和第3时隙：DGPS信号，传输DGPS校正值信号。以RTCM104格式传输10颗卫星的全部校正值信号大约需要17个DGPS时隙

第4时隙：从基站向车载单元传输数据。如果向整个车队传送信息，则最多可用字符为8个；如果信息占用7个字符，则最多可以向225辆不同的车传送信息；如果信息占用6个字符，则最多可以向999辆不同的车传送信息。

第5时隙：同第4时隙。第4和5时隙加在一起，可以提供每秒70个字符的信息传输能力。

第6时隙：空时隙(空时隙对于系统基站和车载单元从发射状态向接收状态的转换是必须的)。

第7时隙：定位信息报告。一个车载单元向系统基站传达它的定位信息(加上速度和状态)。

第8时隙；同第7时隙第7和8时隙加在一起，可以提供每秒对10辆车的跟踪能力。

第9时隙：数据传输(从车辆向系统基站)。与第4时隙的作用及能力相同。

组成本发明的通讯网络的基本单元是TDG型双工通讯板，通过该通讯板可以在网络内实现不同设备之间的双向通讯。在任何时候，任何一个单元都可以同其他单元或同整个系统进行连接。

通过数据通讯网络从车载单元向系统基站传输的数据主要有：

    -定位信息

    -ASCII文本信息

    -车载单元状态(由3个逻辑位组成)，报警信息，等

    从系统基站向车载单元传输的数据主要有：

    -DGPS校正值

    -ASCII编码信息

    -车载单元遥控配置信息

    -对3个逻辑的控制信息等本发明的性能参数：●作用范围

根据环境条件的不同，天线高度50米情况下，系统的无线数据通讯网络可以在10至50千米的范围内保证很高的可靠性(误码率＜10^-5)。

-城市中心地区10千米

-市郊地区20千米

-田野开阔地区30千米

-沙漠地区40千米

-海上(水上)50千米●工作环境

-工作温度：-10℃-+55℃

-存储温度：-20℃-+70℃

-密封性能：IP50(全密封，防尘，不防水)

-防震性能：符合ETS300-019-2-0Spec5-1和MIL STD 810Emethod

514-4-1●传输特性  ·工作频率            400到470MHz(低端频带)

                    或800到870MHz(高端频带)

                    (取决于用户所在地的无线电管理法规)·信道带宽            12.5kHz(45kHz)

                    (取决于用户所在地的无线电管理法规)·标称辐射功率        4W(36dBm)·符合ITSI NF-IETS    300-113标准·传输模式            TDMA(时分多址模式)·调制方式            MSK·码速率              5kHz(信道带宽12.5kHz)/5kHz(信道

                    带宽45kHz)·国际ITU/CCIR码5K-GID·邻道杂散辐射   -60dBc●GPS性能及定位精度

GPS性能：SPS(L1)1575.420MHz，C/A码及L1载波相应。

定位精度：在标准的环境条件下为1到5米(置信概率为95％)。●设备组成和物理及电气性能

·系统基站

-19”标准机箱

-NC10型10通道GPS核心板，天线及30米电缆

-一套用于DGPS校正值的计算和传送软件

-1至4块TDG型无线数据通讯板

-2根5dB的UHF信道的系统基站的UHF信道多路复合器

-用于带有2至4个UHF信道的系统基站的UHF信道多路复合器

-不间断电源模块(UPS)，190至260伏交流输入，12伏直流输出，带有后备电池。

-电源变换器模块，12伏直流输入，+12伏和+5伏输出(用于给机内各电路板供电)

-天线安装附件

·车载单元：

-外型尺寸：130毫米×40毫米×275毫米

-12通道GPS核心板

-TDG型无线数据通讯板

-数字激光陀螺仪

-车辆速度/里程表输入接口(不包括里程表)

-车用GPS天线和3米电缆

-车用UHF天线和3米电缆

-RS232C输入/输出接口和GPS输入/输出接口

-电源输入接口，9至36伏，最大输入功率6瓦

Claims (6)

1、一种车/船定位跟踪导航移动通讯系统，包括含有差分GPS定位单元的差分GPS系统基站、通讯中继站、车载单元和监控中心，其特征在于：至少一个差分GPS系统基站与至少一个通讯中继站和至少一个监控中心相连，车载单元通过时分多址双向数据通讯单元与差分GPS系统基站、通讯中继站相连，通讯中继站又与监控中心相连，车载单元同车/船的速度/里程表相连接，数字激光陀螺仪与车/船的速度/里程传感器相连接，双向数据通讯单元采用时分多址技术的专用无线数据通讯网。

2、根据所述的权利要求1的系统，其特征在于：GPS系统基站由能够产生差分GPS校正值信号和进行时间同步的NC10型GPS核心板和用于数据传输的TDG型通讯板构成；每一块TDG型通讯板控制一个通讯信道；每一台基站上可以带有1至4块TDG通讯板，其实时监控车辆的能力可达4000辆以上/分钟；通讯中继站实际上是只带有1至4块TDG型通讯板而不含有GPS核心板的基站；车载单元由一块12通道的GPS核心板，一块TDG型数据通讯板连接一个内置式数字激光陀螺仪组成；监控中心由计算机、监控屏幕及专用软件系统构成。

3、根据权利要求1的系统，其特征在于：所述的系统可以采用多种网络拓补结构，系统在某个地区可采用大区制组网方式覆盖整个地区，也可以基站与基站相连的方式全国联网；该网络基于时分多址模式工作，通讯信道带宽可以为12.5kHz或者45kHz；系统中的每一台设备都拥有一个专有的时隙和一个同步时隙，在信道带宽为12.5kHz时每个时隙的长度为20毫秒，含有100个比特，比特速率为5kHz，包括8个ASCII字符，总共64比特的用户信息和系统所保留的比特；在信道带宽为45kHz时每个时隙的长度为6.67毫秒，含有100个比特，比特速率为15kHz，包括8个ASCII字符，总共64比特的用户信息和系统所保留的比特；在实际的组网工作中，时隙被组织成为字，每个字包含n个时隙，4≤n≤60，字又进一步被组织成为子帧和帧，每个子帧包含N个字，1≤n≤300，每个帧包含300个字，在子帧中每个字都有自己的序列号。

4、根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述网络拓扑结构由局域网交换机分别连工作站PC，基站信息网，公共数据网，Web服务器，电子邮件服务器，包括网络打印机的应用服务器，以及包括存储设备的数据库服务器。

5、根据的权利要求1的系统，其特征在于：所述系统的性能参数如下：系统作用范围为根据环境条件的不同，天线高度50米情况下，系统的无线数据通讯网络可以在10至50千米的范围内保证很高的可靠性，误码率＜10^-5，在城市中心地区10千米，在市郊地区20千米，在田野开阔地区30千米，在沙漠地区40千米，在海上或水上50千米；系统工作环境为工作温度：-10℃-+55℃，存储温度：-20℃-+70℃，密封性能：IP50即全密封，防尘，不防水，防震性能：符合ETS300-019-2-0Spec5-1和MIL STD810Emethod 514-4-1；系统传输特性为工作频率为低端频带400到470MHz或高端频带800到870MHz，频带选择取决于用户所在地的无线电管理法规，信道带宽为12.5kHz或45kHz，带宽选择取决于用户所在地的无线电管理法规，标称辐射功率为4W，符合ITSI NF-1ETS 300-113标准，传输模式TDMA即时分多址模式，调制方式为MSK，在信道带宽12.5kHz时码速率为5kHz，在信道带宽45kHz时为15kHz，国际ITU/CCIR码5K-GID，邻道杂散辐射为-60dBc；系统GPS性能及定位精度为GPS性能：SPS(L1)1575.420MHz，C/A码及L1载波相应；定位精度：置信概率为95％，在标准的环境条件下为1到5米。

6、根据的权利要求1的系统，其特征在于：所述系统物理及电气性能为：系统基站：

-19”标准机箱，

-NC10型10通道GPS核心板，天线及30米电缆，

-一套用于DGPS校正值的计算和传送软件，

-1至4块TDG型无线数据通讯板，

-2根5dB的UHF信道的系统基站的UHF信道多路复合器，

-用于带有2至4个UHF信道的系统基站的UHF信道多路复合器，

-不间断电源模块，190至260伏交流输入，12伏直流输出，带有后备电池，

-电源变换器模块，12伏直流输入，+12伏和+5伏输出，用于给机内各电路板供电，

-天线安装附件；

车载单元：

-外型尺寸：130毫米×40毫米×275毫米，

-12通道GPS核心板，

-TDG型无线数据通讯板，

-数字激光陀螺仪，

-车辆速度/里程表输入接口，

-车用GPS天线和3米电缆，

-车用UHF天线和3米电缆，

-RS232C输入/输出接口和GPS输入/输出接口，

-电源输入接口，9至36伏，最大输入功率6瓦。

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