CN1288162A - 双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统 - Google Patents

Abstract

双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统是集卫星定位、双向式无线数据通讯、遥测遥控、计算机网络。地理信息系统等为一体的大型综合性系统。系统设备主要由移动台站和中心测控台站构成。可同时接收GPS/GLONASS两种制式卫星信息,并采用了差分和相对定位测量及卫星信息后处理技术,可使定位精度提高到厘米、亚米级。适合多种数据传输双向通讯方式。极低的价格优势和极高的性能价格比使其具有极高的应用价值。

Description

双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统

本发明涉及一种可对固定和移动目标进行精密定位测量和实时跟踪的大型综合性系统。特别是一种具有可同时接收GPS/GLONASS两个不同的卫星定位系统信息、适合多种数据传输双向通讯方式(有线和/或无线、模拟和/或数字)、采用卫星信息后处理及相对定位测量技术、具有多层次、多级别用户管理体系和在实时监测下对特殊目标(如汽车、舰船、飞行器等)进行无线遥控及电子地图功能等技术先进、定位精度高、性能优越、安全可靠、成本低廉、应用领域广泛的双制式卫星信息后处理技术的无线精密测控系统。

在现有的卫星定位移动目标监测系统中均采用卫星信息前处理方式，即将移动台站解算出的定位结果通过无线通讯网传输到中心台站。这类系统在技术和实际应用中都存在着以下几个方面的问题：

1．可接收的卫星定位系统制式单一。由于这些系统仅接收美国GPS卫星定位信息，在加入扰码和卫星信息被强行中断等某些特殊的情况下，将无法保证这些系统的正常使用和应有的定位精度。

2．移动台站成本高，推广应用难度大。由于这些系统的移动台站采用卫星信息前处理方式，一般仅仅是利用现成的GPS接收机与无线通讯设备，如模拟或数字手机，造成移动台站成本和售价奇高，用户难以承受。从客观上阻碍了系统的推广和应用。

3．定位精度较低，可利用的信息资源有限。由于要保证低成本、携带方便，这些系统的移动台站硬件配置一般不高，难以全面提升移动台站对卫星信息处理的能力。同时由于移动台站仅向中心台站传送已解算出的定位结果，而不是完整的卫星信息，因而难以发挥中心台站信息处理和相对定位测量技术等优势，影响系统的定位精度和对卫星信息的利用率。

4．不能充分发挥中心测控台站所具有的信息处理资源优势，造成其资源的闲置与浪费。同时也限制了对移动台站所接收的卫星信息的充分利用。

本发明的目的是针对上述存在的问题而提出的一种双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统。

本发明目的是这样实现的：

1．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统，它包括移动台站和中心测控台站：

1．1移动台站主要包括GPS/GLONASS接收天线和无线数据通讯天线、GPS/GLONASS双制式卫星信息接收子系统、无线数据通讯子系统、用户身份及设备鉴别子系统、信息及遥控指令存贮子系统、报警求救呼叫子系统、电源及其控制子系统等，并可根据需要和使用权限选装GPS/GLONASS卫星定位信息后处理子系统、自动控制子系统、后备电源子系统、GPS/GLONASS卫星信息后处理应用软件子系统、计算机子系统、地理信息子系统等；

1．2中心测控台站主要包括GPS/GLONASS接收天线和无线数据通讯天线、GPS/GLONASS双制式卫星信息组合接收子系统、无线数据通讯子系统、用户身份及设备鉴别子系统、GPS/GLONASS卫星定位信息后处理子系统、信息及遥控指令存贮子系统、计算机子系统、GPS/GLONASS卫星信息后处理应用软件子系统、地理信息子系统、电源及其控制子系统等。

2．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统的GPS/GLONASS双制式卫星信息组合接收子系统采用了GPS/GLONASS两种制式卫星信息组合接收模块，主要包括可同时接收GPS/GLONASS两种制式卫星信息的接收天线和接收合成器，可以同时接收并向数据信号处理器传送GPS/GLONASS卫星信息。

3．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统采用了数据信号处理器单元模块和数据接口适配器，其主要技术指标如下：

3．1支持GPS/GLONASS组合系统。该数据信号处理器单元模块共有12个信或通道：10个50bps信或通道支持GPS/GLONASS，外加两个高速500bps信或通道支持GPS，GLONASS，WAAS或Egnos信道；

①多种频率输出：1MHz，100kHZ，40kHZ，10kHz，4kHz和1kHz；

②3个UART，带有一个可设置的4/16字节FIFO接口：

③32位内部数据总线；

④16位外部处理器数据总线；

⑤8位A/D接口能力；

⑥8位D/A接口能力；

⑦可编程通用I/O；

3．2采用自适应多径抑制技术以降低由于不良发射的多径误差，从100米降低到20米以下；

3．3支持Intel，Motorola及Strong-ARM处理器：

3．4嵌入式实时时钟；

3．5嵌入式32位工作于20MHz外部时钟12MIPS的ARM RISC处理器；

3．624kB及以上片内RAM；

3．7可选的CAN接口；

3．8数据接口适配器可根据不同类型的模拟或数字无线通讯方式的需要，用于信号、码型转换和传输速率调整。

4．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统的无线通讯子系统适用于多种双向式数据通讯技术，可采用具有数据通讯协议的任何模拟或数字双向式无线或/和有线通讯方式，也可以使用无线电台进行收发信息。

5．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统的用户身份及设备鉴别子系统采用了SIM卡或OTP用户身份及设备鉴别等技术。

6．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统的遥控指令子系统是通过中心测控台站按其管理权限采取不同级别的配置；自控子系统是由移动台站根据中心测控台站发出的遥控指令来实现自动控制功能的。

7．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统，为防止测控目标卫星信息接收天线受到屏蔽时而造成无法测定目标位置，采用了随机存贮技术；在移动台站均配置了随机存储器，用于自动记忆移动台站最新接收接收的、完整的卫星信息。

8．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统，其接收和发送的信息与遥控指令存贮在信息及遥控指令存贮子系统中。

9．双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统的卫星信息后处理子系统包括：

9．1GPS/GLONASS卫星定位信息后处理定位的软件包和相应的软件接口及软件切换技术；

9．2在GPS/GLONASS卫星定位的算法上，采用了包括单差、双差和三差等多种差分方式和相对定位测量技术，可使本测控系统的定位精度达到亚米、厘米级；

9．3实时计算并动态标注出测控目标的地理位置及三维坐标、移动方向、移动速度、运动轨迹、相对中心测控台站的距离以及其它相关信息，并将电子地图及相关信息显示在平显上。

下面结合附图对本发明进行详细描述：

图1为本发明原理与结构框图

图2为本发明中的双制式卫星信息接收子系统原理与结构框图

图中：1——无基站接收和发送呼叫信号、用户信息和卫星信息无线

           通道；

      2——有基站的中心测控台站接收移动台站发送的呼叫信号、

           用户信息和卫星信息无线通道；

      3——无线通讯发射与接收机天线；

      4——地理信息系统；

      5——无线通讯发射与接收机；

      6——系统软件；

      7——GPS/GLONASS应用软件；

      8——数据接口与输入设备；

      9——处理控制设备；

      10——显示设备；

      11——GPS/GLONASS接收天线；

      12——双制式卫星信息接收子系统；

      13——存贮设备；

      14——中心测控台站系统结构原理框图；

      15——有基站的中心测控台站向移动台站发出呼叫和遥控

         信息无线通道；

      16——有基站的移动台站向中心测控台站发送和接收呼叫信

         号、遥控信息和卫星信息无线通道；

      17——移动台站；

      18——无线移动通讯基站。

      19——接GPS/GLONASS接收天线；

      20——自动增益控制器；

      21——GPS/GLONASS双制式接收器/合成器集成模块单元；

      22——GLONASS下变频器辅助模块单元；

      23——高速比较器模块单元；

      24——双制式卫星信息接收单元；

      25——20MHz基准模块单元；

      26——数据信号处理单元；

      27——NCOs，混频器，自增益放大器等模块单元；

      28——相关器模块单元；

      29——码发生器模块单元；

      30——中央控制器模块单元；

      31——时钟发生器模块单元；

      32——存贮器模块单元；

      33——串行/并行模块单元；

      34——任选扩展处理器和存贮器模块单元；

      35——定位及导航信息(接适配器)；

      36——双制式卫星信息接收子系统。

双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统在接通电源后，首先要通过自检方式，以测试和检验设备的完好情况。自检通过后，在没有收到呼叫信号并通过鉴权或通讯线路发生中断时，系统均处于或回到守侯状态。

按照系统主叫与被叫方式可分为以下两种基本情况：

1．中心测控台站作为主叫方，移动台站作为被叫方。

中心测控台站在接到合法用户请求并查证申请人身份及权限后，通过主叫方式对需进行测控的移动台站实施精确定位和地理位置测量。移动台站在收到呼叫信号后，首先进行系统管理员身份及设备鉴别，在鉴权得以确认后，接通数据传输通讯线路，向主叫方发送其实时接收的卫星信息。如果移动台站卫星接收天线发生屏蔽(如移动台站进入隧道、车库等遮蔽物体内)，只要通讯线路通畅，中心测控台站仍然可以通过移动台站发出的其在卫星接收天线发生屏蔽前所存贮的、最后接受的、完整的卫星信息，以此来确定移动台站在发生屏蔽前最后所处的位置。根据中心测控台站所实时接收的卫星信息(包括中心测控台站自身实时接收的、其它中心测控台站传送的、和移动台站传送的卫星信息)，通过中心测控台站配置的信息处理软件包，解算出移动台站所处的坐标位置，存贮并嵌入到地理信息系统。如移动台站安装有自动控制装置，可视中心测控台站的权限，通过向移动台站发出遥控指令，对其进行实时遥控。

2．移动台站作为主叫方，中心测控台站作为被叫方。

在移动台站用户遇到紧急情况时，可以通过移动台站配置的报警求救装置，以主叫方式向中心测控台站发出呼叫信号。中心测控台站在收到移动台站的报警求救呼叫信号时，存贮报警求救移动设备的身份及设备信息。在接通通讯线路后首先显示“SOS”报警求救标识，并接收和存贮移动台站发送的实时卫星信息。通过中心测控台站配置的信息处理软件包，解算出移动台站所处的坐标位置，存贮并嵌入到基于Windows或Windows NT平台的地理信息系统。在无线通讯线路遇到意外中断的情况下，中心测控台站可根据存贮的报警求救移动台站设备的身份及设备信息，以自动或手动模式的主叫方式将中断的无线通讯线路再次接通，继续接收该移动设备发送的卫星信息。如移动台站安装有自动控制装置，可视中心测控台站的权限，通过向移动台站发出遥控指令，对其进行实时遥控。

承受测控任务的中心测控台站，无论是作为主叫方或是被叫方，在收到测控的移动台站发送的卫星信息后，首先以单点定位方式计算出移动台站的概略位置。在需要对测控的移动台站实施精密定位时，可以下列两种主要方式进行：

1．将承受的测控任务交由距离测控的移动台站最近的中心测控台站完成。在移动台站发出报警求救信号时，将自动以此种方式进行；

2．根据承受测控任务的中心测控台站粗测结果，选择出距测控的移动台站距离最近的另一个或另几个中心测控台站。并根据这些中心测控台站的精确坐标和传送的其实时接收的卫星信息，计算出测控的移动台站的精确坐标。

由于本发明采用GPS/GLONASS双制式卫星信息后处理、无线数据通讯、差分及相对定位、地理信息系统、计算机网络等众多的先进技术，不但具有的高度精确和完备的定位测控性能以及特殊的遥控功能，同时本系统具有特殊的可用性、稳定性、安全性、保密性等优势，并以其极低的价格优势和极高的性能价格比使得本测控系统拥有巨大的潜在用户市场和包括诸如军民用等特殊领域在内的巨大应用潜力。

本系统可同时接收GPS/GLONASS卫星定位信息。这一特性可确保本测控系统在因某一卫星系统加密或被禁止使用等造成卫星信息中断的特殊情况下仍然可以正常使用。这对于投资方和广大用户可极大地降低投资风险和提高本系统的精确和安全使用性能。

如果采用数字通讯技术，具有用户共享的全部信道资源，系统容量大，各地区的用户(无论是中心测控台站还是移动用户)均可实现跨区漫游。信息传输误码率更低，数据传输准确率更高。特别是如果采用公用数字无线通讯和系统具有的呼叫用户鉴别方式，既可以更有效地利用现有的和/或在建的公用数字无线通讯网资源，避免重复建设，大大降低建网的资金投入；又可以有效地防止非法用户入网。

本测控系统的定位精度可达到亚米、厘米级。测控范围主要取决于无线通讯网的覆盖范围。当测控目标至中心测控台站的距离大于800km时，利用其周边中心测控台站联测仍可达到米级精度。可实时计算和动态标注出测控目标的地理位置及经纬度、高程、相对中心测控台站的距离、移动方向、移动速度(精度可达0.1m/s)、运动轨迹、甚至移动台所处地区的气象及其它相关信息等。同时也为今后在不改动本测控系统任何硬件的前提下，更好地利用卫星信息资源提供了极为广阔的发展空间。

本系统可记录中心测控台站和移动台站之间往来的相关信息，以备日后需要时查询。为防止测控目标卫星信息接收天线受到屏蔽而无法测定目标位置，在移动台站均配置的随机存储器，用于自动记忆移动台站最新接收的、完整的卫星信息。在测控目标卫星信息接收天线受到屏蔽后，本测控系统仍可根据移动台站存储的卫星信息确定其在受到屏蔽前最后所处的位置。这一特性对于进入遮蔽体内的移动目标所处位置的测定尤为重要。

在采用的具有数据协议的无线通讯网覆盖范围内，可广泛适用于区域特别是对特殊区域利用特殊手段进行高精度定位测量和对装备了本测控系统移动台并满足设备动态条件的一切移动目标(如人、机动车辆、飞行器、舰船和需监控的目标等)实施实时漫游精确定位监控以及可以根据需要对特殊移动物体(如飞行器、汽车等)实施遥控。本测控系统在军事领域也具有很好的应用前景。同时测控设备对其使用的环境要求也不高，测控移动目标动态范围大，其界限范围为：对测控的移动目标速度限制＜550m/s或1980km/h；高度限制＜18288m；加速度限制＜9g；振动限制＜4g/s；设备使用温度范围-30℃～+85℃。在无线通讯网覆盖范围内，可以实现多路通讯，同时跟踪、锁定多个测控目标。

Claims (9)

1．一种双制式卫星信息后处理技术的精密定位无线测控系统，它包括移动台站和中心测控台站，其特征在于：

1．1移动台站主要包括GPS/GLONASS接收天线和无线数据通讯天线、GPS/GLONASS双制式卫星信息接收子系统、无线数据通讯子系统、用户身份及设备鉴别子系统、信息及遥控指令存贮子系统、报警求救呼叫子系统、电源及其控制子系统等，并可根据需要和使用权限选装GPS/GLONASS卫星定位信息后处理子系统、自动控制子系统、后备电源子系统、计算机子系统、GPS/GLONASS卫星信息后处理应用软件子系统、地理信息子系统等；

1．2中心测控台站主要包括GPS/GLONASS接收天线和无线数据通讯天线、GPS/GLONASS双制式卫星信息组合接收子系统、无线数据通讯子系统、用户身份及设备鉴别子系统、GPS/GLONASS卫星定位信息后处理子系统、信息及遥控指令存贮子系统、计算机子系统、GPS/GLONASS卫星信息后处理应用软件子系统、地理信息子系统、电源及其控制子系统等。

2．根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于：GPS/GLONASS双制式卫星信息组合接收子系统采用了GPS/GLONASS两种制式卫星信息组合接收模块，主要包括可同时接收GPS/GLONASS两种制式卫星信息的接收天线和接收合成器，可以同时接收并向数据信号处理器传送GPS/GLONASS卫星信息。

3．根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于：它采用了数据信号处理器单元模块和数据接口适配器，其主要技术指标如下：

3．1支持GPS/GLONASS组合系统，该数据信号处理器单元模块共有12个信或通道：10个50bps信或通道支持GPS/GLONASS，外加两个高速500bps信或通道支持GPS，GLONASS，WAAS或Egnos信道；

①多种频率输出：1MHz，100kHZ，40kHZ，10kHz，4kHz和1kHz；

②3个UART，带有一个可设置的4/16字节FIFO接口；

③32位内部数据总线；

④16位外部处理器数据总线；

⑤8位A/D接口能力；

⑥8位D/A接口能力；

⑦可编程通用I/O；

3．2采用自适应多径抑制技术以降低由于不良发射的多径误差，从100米降低到20米以下；

3．3支持Intel，Motorola及Strong-ARM处理器；

3．4嵌入式实时时钟；

3．5嵌入式32位工作于20MHz外部时钟12MIPS的ARM RISC处理器；

3．624kB及以上片内RAM；

3．7可选的CAN接口；

3．8数据接口适配器可根据不同类型的模拟或数字无线通讯方式的需要，用于信号、码型转换和传输速率调整。

4．根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于：它适用于多种双向式数据通讯技术，可采用具有数据通讯协议的任何模拟或数字双向式无线或有线通讯方式，也可以使用无线电台进行收发信息。

5．根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于：它采用了SIM卡或OTP用户身份及设备鉴别等技术。

6．根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于：遥控指令子系统是通过中心测控台站按其管理权限采取不同级别的配置；自控子系统是由移动台站根据中心测控台站发出的遥控指令来实现自动控制功能的。

7．根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于：为防止测控目标卫星信息接收天线受到屏蔽时而造成无法测定目标位置，采用了随机存贮技术；在移动台站均配置了随机存储器，用于自动记忆移动台站最新接收的、完整的卫星信息。

8．根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于：其接收和发送的信息与遥控指令存贮在信息及遥控指令存贮子系统中。

9．根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于：卫星信息后处理子系统包括：

9．1GPS/GLONASS卫星定位信息后处理定位的软件包和相应的软件接口及软件切换技术；

9．2在GPS/GLONASS卫星定位的算法上，采用包括单差、双差和三差等多种差分方式和相对定位测量技术，可使本测控系统的定位精度达到亚米、厘米级；

9．3实时计算并动态标注出测控目标的地理位置及三维坐标、移动方向、移动速度、运动轨迹、相对中心测控台站的距离以及其它相关信息，并将电子地图及相关信息显示在平显上。

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