基于ＧＳＭ技術(shù)的ＧＰＳ定位及跟蹤系統(tǒng)

林　真　胡蘭馨　楊維堅

摘要本文闡述了利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)組成對移動目標跟蹤的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的理論依據(jù)；實施的技術(shù)手段。以及GPS移動目標跟蹤系統(tǒng)的組成。并且對該系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件設(shè)計進行了相應的描述。

GPS系統(tǒng)是利用衛(wèi)星進行測時、測距的系統(tǒng)。GPS的定位方式分為絕對定位和相對定位。GPS相對定位用于大地測量。目的是要測量被測量點相對于某一已知點的位置。不是直接測量被測點在WGS-84地心坐標系的絕對位置。而對于運動的目標瞬間位置和運動速度的測量是采用GPS絕對定位方式。無論那一種方式，都是由GPS同時觀測4顆以上的衛(wèi)星，根據(jù)每顆衛(wèi)星的位置和每顆衛(wèi)星與被測點的偽距數(shù)值，建立偽距定位方程組，通過對方程組求解和進行誤差校正運算，得到被測點在WGS-84地心坐標系的坐標，然后轉(zhuǎn)換成‘新1954年北京坐標系的坐標。

對于建立GPS移動目標跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是將GPS發(fā)布的廣播電文通過通信平臺發(fā)送出去。實現(xiàn)手段有兩種：一是申請專用的頻率，建立專用的通信平臺；二是利用現(xiàn)有的共用移動通信網(wǎng)絡(luò)建立通信平臺。對于前者，由于頻率資源的限制，申請頻率將很難，即使申請到了專用的頻率，但建系統(tǒng)的費用將很大，用戶的使用費用將會很高。由此造成普遍使用的困難。因此，相比之下，后一種手段更為可行。隨著GPS組網(wǎng)技術(shù)成本的下降、使用成本的下降，以及GPS本身價格的下降，GPS技術(shù)在發(fā)達國家相當普及，早已進入了民用，但是在中國卻一直沒有普及，原因之一就是通信平臺問題?，F(xiàn)在全球移動通信系統(tǒng)（GSM）在我國東部、中部地區(qū)，尤其是在城市已經(jīng)相當普及，因此利用GSM系統(tǒng)作為組成城市的公共汽車調(diào)度系統(tǒng)，出租車的調(diào)度系統(tǒng)，貴重物品運輸車的跟蹤系統(tǒng)，機動車防盜系統(tǒng)等通信平臺，應該是非常容易的事情。

1．技術(shù)手段

以GSM系統(tǒng)為通信平臺傳送GPS的廣播電文有兩個途徑：一是數(shù)據(jù)通道，二是語音通道。如果使用GSM數(shù)據(jù)通道傳送GPS的廣播電文，移動終端要由終端適配器、 滿足CCITTV24協(xié)議和V.21至 V.32協(xié)議的調(diào)制解調(diào)器組成。傳輸速率最高可達到9600bit/s 。移動終端的結(jié)構(gòu)比較復雜，成本高，適用于實時性強、信息量大的傳輸。

用GSM的語音通道傳送GPS的廣播電文的方法是將GPS的廣播電文轉(zhuǎn)換成音頻信號，再由GSM系統(tǒng)將音頻信號進行語音編碼將其變換成13kbit/s的數(shù)字化語音信號，數(shù)字信號經(jīng)過高頻調(diào)制、功率放大等處理，以電磁波的形式發(fā)射到自由空間，經(jīng)過有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，最后由接收端的天線檢測到這個信號，進行語音解碼，還原成GPS的廣播電文。這種方法傳輸速度慢，適用于要求數(shù)據(jù)傳輸量較少的用戶。移動終端可以由現(xiàn)成的GSM手機和數(shù)字/音頻轉(zhuǎn)換卡組成，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。

2．移動目標跟蹤系統(tǒng)組成

本篇文章介紹的系統(tǒng)由GSM移動端機和顯示座機組成，移動端機能將GPS的定位信息轉(zhuǎn)換成話音信號和2FSK信號，通過GSM網(wǎng)送到網(wǎng)絡(luò)另一端的移動用戶的手機、固定用戶的聽筒或者顯示座機中。顯示座機將2FSK信號轉(zhuǎn)換成HEX碼或ASCII碼再經(jīng)過RS232口接入電子地圖平臺，直觀地顯示出被查詢設(shè)備所處的位置。而對于移動用戶和固定用戶可以通過語音的播報，直接獲得移動目標所處的位置（經(jīng)度、緯度、橢球、高度）和經(jīng)度方向、緯度、橢球高度方向移動的速度。

(1)GPS移動端機GPS移動端機的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，GPS25-LP是GRAMIN公司生產(chǎn)的同時跟蹤12顆衛(wèi)星的GPS接收機，從TX1口輸出的廣播電文為ASCII碼NMEA-0183格式或者從TX2口輸出二進制的位置數(shù)據(jù)、偽距和載波相位數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)。二進制的位置數(shù)據(jù)格式如附表。

ISD4002-120是數(shù)碼語音合成芯片，工作于SPI同步串行協(xié)議。PIC16C65的8位單片機，有4×8BIT的程序存儲區(qū)、同步和異步串行通信口、通用的輸入輸出口、8位和16位的定時器和計數(shù)器，并有內(nèi)置式的看門狗，以及多種中斷，同時有很強的抗干擾能力。GPS25-LP與單片機之間的數(shù)據(jù)交換通過RS232串行通信口。MT8870是DTMF解碼器，CMX624是能夠檢測呼叫的2FSK信號的編碼/解碼器。CMX624與單片機之間的數(shù)據(jù)交換是采用同步串行通信方式進行。移動端機提供兩種方式傳送GPS數(shù)據(jù)。一種是將GPS的數(shù)據(jù)通過單片機編譯成語音合成芯片中對應的語音信號的地址，通過地址的控制將GPS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成語音，再通過GSM網(wǎng)用語音方式向用戶播報。另一種將GPS的定位數(shù)據(jù)、歷書數(shù)據(jù)等以ASCII碼或HEX碼的型式經(jīng)過RS232口送到PIC16C65，由單片機送到CMX624編碼成2FSK信號，以數(shù)據(jù)的形式通過GSM網(wǎng)傳送到端機或用戶。2FSK信號的頻率范圍從300～3000Hz，在音頻范圍內(nèi)。目前GSM網(wǎng)采用的在語音編碼方案是13kbit/s RPE-LTP碼。L2000將音頻信號按8kHz取樣，按照每20ms劃分為一個語音幀，每一幀有160個樣值點，延時參數(shù)和采樣相位值在語音幀中每5ms傳一次，每幀為260bit的數(shù)據(jù)塊。因此完整傳送一個語音幀包括延時參數(shù)和采樣相位值至少要25ms。接收端收到語音編碼的數(shù)據(jù)塊，經(jīng)過LPT（長期預測）濾波器和LPC（線性預測）濾波器重組，再經(jīng)過一個特定的去加重網(wǎng)絡(luò)加以復原，恢復成語音信號。對于DTMF信號的命令碼，每個碼長要大于50ms。要使以2FSK方式調(diào)制信號在GSM網(wǎng)語音信道無失真?zhèn)鬏敚覀鬏斦`碼率限制在萬分之一以下，碼率應小于600bps 。移動端機自動摘機、掛機的控制電平是單片機通過L2000的免提接口提供。端機工作在主叫狀態(tài)下的流程圖如圖2所示，圖3為座機工作在被叫狀態(tài)下的程序流程圖。

（2）GPS座機硬件結(jié)構(gòu) GPS座機硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。系統(tǒng)座機由振鈴檢測、自動摘/掛機控制單元、MT8870、CMX624、，PIC16C65和電子地圖平臺組成。座機和端機之間采用雙向通信。端機定時呼叫座機后，MT8870轉(zhuǎn)換為信號音檢測狀態(tài)檢測回鈴音。座機的PIC16C65檢測到振鈴信號，輸出自動摘機控制信號，則移動端機測到的信號音為靜音，端機隨后發(fā)送DTMF語音方式命令碼，然后啟動ISD4002將GPS的信息以語音方式播報，或者將二進制碼通過CMX624轉(zhuǎn)換為FSK信號編碼發(fā)送狀態(tài)，將GPS的信息以FSK信號方式發(fā)送到座機。座機上的CMX624將FSK信號解碼送PIC16C65，經(jīng)過單片機處理后，通過RS-232口將GPS的信息送到電子地圖平臺。系統(tǒng)座機呼叫移動端機后，CMX624轉(zhuǎn)換為呼叫檢測狀態(tài)檢測回鈴音。當座機測到的信號音為靜音，座機上的CMX624轉(zhuǎn)換為DTMF編碼狀態(tài)，對端機發(fā)出‘請求發(fā)送的命令碼，然后CMX624轉(zhuǎn)換為FSK解碼狀態(tài)，等待接收移動端機發(fā)送的GPS信息。座機將收到的GPS信息送到電子地圖平臺，由電子地圖平臺把相關(guān)的電子地圖傳送到座機并且調(diào)制成FSK信號，通過GSM網(wǎng)發(fā)送到移動端機，端機將FSK信號解調(diào)和顯示相關(guān)的電子地圖。

這種基于GSM網(wǎng)的GPS衛(wèi)星定位跟蹤系統(tǒng)投資省，維護費用少，易于擴充。