專利名稱：車/船定位跟蹤導航移動通訊系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種以發射信號具有一個或幾個特征可被無方向性接收機檢測到并確定與信標發射機密切相關的方向、位置或位置線為特征的信標與信標系統，尤其涉及一種定位跟蹤導航移動通訊系統，這是一個容量大精度高可靠性好抗干擾性能優異環境適應能力強的高速率全天候的地面水面目標定位監控管理網絡，是機場港口城市等建立現代化管理系統的基礎性設施。
近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，市場繁榮及城鄉居民生活水平和消費水平不斷提高，私人轎車擁有量不斷增加。而目前我國由于種種原因，購車后多數人沒有較為安全的停車場地，導致車輛丟失現象十分嚴重，已成為各有關方面普遍關注的焦點問題。國內現有的各種汽車防盜系統，無法徹底解決汽車被盜問題。另外，銀行運鈔車、出租汽車被搶劫；車輛遇險及隨機發生的呼救求援等問題也有待解決，各企事業單位、商店、銀行、個人住宅等的防盜、防火、防水及急救等一些需要報警監控地點的報警問題也沒有得到根本解決，為此，廣大警務人員和社會服務機構面臨的是一種極為被動的尋找方式。這些現象極大地影響了人們正常生活和工作，急需一種產品來解決。
本發明的目的在于海灣戰爭結束后，美國就制訂了龐大的全球定位系統(GPS)轉移計劃，并在93年開始，經過改碼已投入民用，其目的是為了收取盡可能多的開發研制所消耗的共計130多億美元的巨大投入。這使以GPS為定位傳感器的車輛定位跟蹤系統在國際國內成為一項非常熱門的新興高科技開發項目。并且隨著社會現代化，軍事，公安，團體和個人車輛保安，公共交通，貨運，水上交通和港口領航等應用領域對定位跟蹤應用的需求越來越迫切，促使美國、日本和西歐發達國家都投入大量資金和技術力量從事開發研究，同時也吸引了各大部委的科研院所、專業院校的科研力量，不惜投入大量資金，在GPS的基礎上開發研制定位跟蹤系統。本發明是針對現有的GPS應用系統的缺陷和當今無線數據通信系統技術的發展趨勢，根據中國國情，從中國各行業特殊要求管理職能與廣大用戶的實際情況出發，在<雙向文字無線通訊系統及通訊方法>基礎上研制出一種可完成移動車/船位置跟蹤、監控、報警；雙向文字數據傳輸等主要功能，還能夠為社會服務機構提供一種變被動為主動的保護手段。
本發明是這樣實現的一種車/船定位跟蹤導航移動通訊系統，包括含有差分GPS定位單元的系統基站、TDMA(時分多址)雙向數據通訊系統、數字激光陀螺儀和監控中心幾個主要的功能模塊。差分GPS定位單元用于對被監控車/船進行實時定位；其中至少一個差分GPS系統基站與至少一個通訊中繼站和至少一個監控中心相連，車載單元通過時分多址雙向數據通訊單元與差分GPS系統基站、通訊中繼站相連，通訊中繼站又與監控中心相連，車載單元同車/船的速度/里程表相連接，數字激光陀螺儀與車/船的速度/里程傳感器相連接，雙向數據通訊單元采用時分多址技術的專用無線數據通訊網。
本發明積極效果在于以偽差分GPS定位技術為基礎，由差分GPS基站、通訊中繼站和車載單元及監控中心組成。所有組成設備均采用集成一體化機箱，具有如下性能特點能夠在惡劣的環境中提供連續可靠的定位信息；車輛定位信息的回傳；雙向無線數據通訊。
本發明是一種車/船定位跟蹤導航移動通訊系統，主要應用于車輛定位和信息雙向傳輸領域的理想解決方案。由于采用了先進高效、功能靈活的通訊系統，系統可以很好地適應不同的AVLS(自動車輛定位系統)的需求。系統的典型應用領域包括安全部門、軍事部門、警察、急救中心、公交運輸部門、重要的控制和維護部門、貨運管理部門、自動機械、工廠、露天采礦等。從商業角度考慮，對于用戶/系統集成商而言，以車/船定位跟蹤導航移動通訊系統為基礎構成的AVLS具有技術先進、性能超群、可靠性高等特點，而且可以從以下幾個方面降低開發成本最大限度的降低用于通訊系統集成的開發成本；最大限度地降低開發投資風險；可以大大減少整體系統的開發時間。
數字激光陀螺儀與車輛/里程傳感器相連接，其作用在于當由于某種原因引起對GPS衛星信號的接收產生干擾(如車輛駛入立交橋下)導致差分GPS定位系統不能正常工作時，以慣性導航系統對車輛進行實時定位，確保定位信息和整個系統工作的連續性，達到抗干擾、抗遮擋的目的，提高了系統對于復雜環境的適應能力；雙向數據通訊系統采用時分多址技術的專用無線數據通訊網，能夠實現高速率大容量的雙向數字數據通訊，并且能夠在城市市區的強電磁干擾環境中正常工作；監控中心將雙向數據通訊系統所傳送的信息進行分析、處理和存儲，并將定位信息與電子地圖相匹配顯示出來，達到實時監控車/船的目的。
下面結合附圖對本發明的實施加以詳述
圖1為本發明的系統框2為差分GPS系統基站的框3車載單元框4為監控中心框5為一種典型的網絡拓撲結構框6為一種典型的星型網絡拓撲結構框7為一種典型的擴展星型網絡拓撲結構框8為一種典型的擴展星型網絡拓撲結構框9為一種典型的直線型網絡拓撲結構框10為一種典型的直線型網絡拓撲結構框圖如圖1所示一個完整的車/船定位跟蹤導航移動通訊系統由至少一個差分GPS系統基站、一個以上通訊中繼站、車載單元和至少一個監控中心組成。基站通過有線連接將位置信息或郵件傳送至監控中心，基站并通過專用雙向無線數據通訊網廣播同步和差分校正，接收車載單元發射的位置信息或郵件和由中繼站轉發的車載單元的位置信息或郵件。中繼站通過有線連接將位置信息或郵件傳送至監控中心，通過專用雙向無線數據通訊網接收車載單元發射的位置信息或郵件和由基站發射的同步和差分校正并將其轉發至基站和車載單元。車載單元通過專用雙向無線數據通訊網接收由基站發射或由中繼站轉發的同步和差分校正，并發射位置信息或郵件至基站或中繼站。監控中心通過有線連接接收基站和中繼站傳送的位置信息或郵件，并將其實時反映在監控屏幕上。
如圖2所示差分GPS系統基站包括與主頻發生器、倍頻器相連的NC10模塊及與其連接的TDG板和包括DC/DC及DC/AC轉換器，該基站用于在本發明內向被監控的車/船連續地提供GPS校正值信息，以保證系統高精度的定位性能(典型的定位精度為5米，在環境條件良好的情況下可以達到1米)；控制通訊系統的正常運行；向眾多的被監控車輛提供實時雙向的信息數據傳輸，包括根據系統監控中心的指令向被選擇的車載單元傳送特定的信息，以及接收由車載單元傳回的車輛定位報告和其他信息并將其送到系統監控中心。基站由能夠產生差分GPS校正值信號和進行時間同步的NC10型GPS核心板和用于數據傳輸的TDG型通訊板構成。每一塊TDG型通訊板控制一個通訊信道。每一臺基站上可以帶有1至4塊TDG通訊板(即1至4個通訊信道)，每塊板實時監控車/船的能力可達4000輛以上/分鐘。
通訊中繼站實際上是只帶有1至4塊TDG型通訊板而不含有GPS核心板的基站。它用于系統基站的通訊信號不能直接達到的地域，溝通系統基站與各車載單元之間的通訊聯系，對雙向通訊數據進行接收、校驗和轉發。在系統的配置中增加通訊中繼站可以有效地擴大整個系統的工作范圍，并且克服由于地形地物因素所造成的通訊盲區對系統整體性能的影響。
如圖3所示車載單元是本發明的終端設備，安裝在被監控的車輛、船只或者其他目標內部，用于接收差分GPS校正值信息，計算被監控目標的實時位置，并將有關的信息傳回系統基站；也可以接收系統監控中心通過系統基站(和通訊中繼站)發來的各種指令，并且傳回執行的情況。車載單元由一塊12通道的GPS核心板(NC10型)，一塊TDG型數據通訊板和一個內置式數字激光陀螺儀組成。車載單元同車輛的速度/里程表相連接，當由于某種原因導致差分GPS定位系統暫時失效時，由慣性導航系統對車輛的位置和運動狀態進行推算。
車載單元的外觀為一個整體式的機箱，體積小，重量輕，功耗低，很容易在車輛上進行安裝和設置。車載單元可以同用戶所選擇的顯示器相連接，以實時顯法車輛的導航定位信息和通過數據通訊網絡接收到的其他信息。對車載單元進行配置可以在裝車之前完成(通過PC機進行配置)，也可以在裝車之后由系統基站通過數據通訊網絡實時進行。
如圖4所示為監控中心(通常由計算機、監控屏幕及專用軟件系統構成)，主要由局域網交換機分別連工作站、PC、基站、公共數據網、Web服務器、電子郵件服務器，包括網絡打印機的應用服務器和包括存儲設備的數據庫服務器組成。
本發明可以采用多種網絡拓補結構，以適應不同地形和環境條件下的應用需要。系統在某個地區可采用大區制組網方式覆蓋整個地區，也可以基站與基站相連的方式全國聯網。下面是幾種典型的網絡拓補結構。
如圖5所示單基站網絡，這是一個簡單網絡。基站為主同步、DGPS參考站、位置恢復站。覆蓋范圍為圓形。在城區，假定任何無線鏈路的發射電平需預留至少30dB，基站天線安裝在50米高度(在16層建筑物頂)，車載臺天線2米高度，那么預期覆蓋大約是基站周圍方圓10km。當覆蓋區超過TDG板的一般覆蓋范圍時(考慮UHF頻段數據傳輸)，要求設置中繼站。
如圖6所示為星型網絡，覆蓋區域為簡單的圓形交叉區域(系統一般設在城區)。假定任何無線鏈路的發射電平需預留至少30dB，基站天線高50米(在16層建筑物頂)，車載臺天線高2米，那么預期覆蓋大約是每個基站周圍方圓10km。這種網絡采用2個中繼站，一個外部基于地面的系統負責向監控中心傳送中繼站接收到的位置數據。
如圖7、圖8所示為擴展星型網絡，前面描述的3基站網絡可以作為大網絡的基本小區。由這種小區，可以設計下面的網絡7基站網絡(圖7)，這種網絡采用3個同步時隙；13站網絡(圖8)，這種網絡采用4個同步時隙。對于更大的網絡，站內鏈路可以用有方向天線建立。這樣就可能實現遠端基站之間的無線鏈路，然后重新分配低序號時隙。
如圖9、圖10所示為直線型網絡，覆蓋范圍為狹長路徑(例如公路或通道)。城區很少用這種網絡。其覆蓋范圍取決于地面情況，以及沿基站至車載臺路徑可能的障礙屏蔽。
下面列舉兩個實例-在一條河流上(淡水)，天線高度為H＝30m(基站)，H＝15m(船)，允許發射電平預留大于10dB，無屏蔽。在沒有中繼的情況下，無線鏈路一般覆蓋范圍大于50km。
-在沼澤地，天線高度為H＝30m(基站)，H＝2m(車)，允許發射電平預留大于20dB(由于植物屏蔽)。在沒有中繼的情況下，無線鏈路一般覆蓋范圍大于16km。
因此，如果直線型網絡，基站范圍10~16km，站間距離17~20km，我們可以估計出最大覆蓋范圍3基站54~72km5基站88~112km7基站122~152km網絡的組織，主要取決于基站間無線鏈路的質量。事實上，如果不相鄰基站間可以建立無線鏈路，可以使更多的時隙用于位置信息的恢復。
如圖10所示為5站和7站直線型網絡舉例，不相鄰基站之間有/沒有無線鏈路。
在基站和中繼站可以使用多個TDG板，當網絡中所有可得到時隙都用于位置數據的恢復時，用戶可以借助額外的傳輸頻道，增加被跟蹤車/船的數量。這可以通過在基站增加TDG板來實現，并且如果可能，也可在中繼站增加。網絡工作原理本發明提供一個安全有效而又靈活的無線數據通訊網絡，這一網絡具有數據通訊安全高效、延遲時間短的特點。該網絡基于TDMA(時分多址模式)原理工作，通訊信道帶寬可以為12.5kHz或者45kHz(由用戶所在地的相關無線數據通訊管理法規決定)。系統中的每一臺設備都擁有一個專有的時隙和一個同步時隙。
時隙是TDMA系統中的基本時間組織單位。在本發明的無線數據通訊網絡中，在信道帶寬12.5kHz時每個時隙的長度為20毫秒，含有100個比特，比特速率為5kHz；在信道帶寬為45kHz時每個時隙的長度為6.67毫秒，含有100個比特，比特速率為15kHz。都包括8個ASCII字符(64比特)的用戶信息和系統所保留的比特。在實際的組網工作中，時隙被組織成為字(每個字包含n個時隙，4≤n≤60)，字又進一步被組織成為子幀(每個子幀包含N個字，1≤n≤300)和幀(每個幀包含300個字)，在子幀中每個字都有自己的序列號。
下面以一個含有10個時隙的字(字長200毫秒)為例，簡要說明本發明中的時隙分配和使用第0時隙校驗第1時隙同步，包括網絡同步和幀組織的字記數，該時隙可以傳輸6個ASCII字符的信息，可以傳給任意特定的車載單元，或者是傳給一組車載單元(30輛車/秒)。
第2和第3時隙DGPS信號，傳輸DGPS校正值信號。以RTCM104格式傳輸10顆衛星的全部校正值信號大約需要17個DGPS時隙第4時隙從基站向車載單元傳輸數據。如果向整個車隊傳送信息，則最多可用字符為8個；如果信息占用7個字符，則最多可以向225輛不同的車傳送信息；如果信息占用6個字符，則最多可以向999輛不同的車傳送信息。
第5時隙同第4時隙。第4和5時隙加在一起，可以提供每秒70個字符的信息傳輸能力。
第6時隙空時隙(空時隙對于系統基站和車載單元從發射狀態向接收狀態的轉換是必須的)。
第7時隙定位信息報告。一個車載單元向系統基站傳達它的定位信息(加上速度和狀態)。
第8時隙；同第7時隙第7和8時隙加在一起，可以提供每秒對10輛車的跟蹤能力。
第9時隙數據傳輸(從車輛向系統基站)。與第4時隙的作用及能力相同。
組成本發明的通訊網絡的基本單元是TDG型雙工通訊板，通過該通訊板可以在網絡內實現不同設備之間的雙向通訊。在任何時候，任何一個單元都可以同其他單元或同整個系統進行連接。
通過數據通訊網絡從車載單元向系統基站傳輸的數據主要有-定位信息-ASCII文本信息-車載單元狀態(由3個邏輯位組成)，報警信息，等從系統基站向車載單元傳輸的數據主要有-DGPS校正值-ASCII編碼信息-車載單元遙控配置信息-對3個邏輯的控制信息等本發明的性能參數●作用范圍根據環境條件的不同，天線高度50米情況下，系統的無線數據通訊網絡可以在10至50千米的范圍內保證很高的可靠性(誤碼率＜10-5)。
-城市中心地區10千米-市郊地區20千米-田野開闊地區30千米-沙漠地區40千米-海上(水上)50千米●工作環境-工作溫度-10℃-+55℃-存儲溫度-20℃-+70℃-密封性能IP50(全密封，防塵，不防水)-防震性能符合ETS300-019-2-0Spec5-1和MIL STD 810Emethod514-4-1●傳輸特性·工作頻率400到470MHz(低端頻帶)或800到870MHz(高端頻帶)(取決于用戶所在地的無線電管理法規)·信道帶寬12.5kHz(45kHz)(取決于用戶所在地的無線電管理法規)·標稱輻射功率4W(36dBm)·符合ITSI NF-IETS300-113標準·傳輸模式TDMA(時分多址模式)·調制方式MSK·碼速率 5kHz(信道帶寬12.5kHz)/5kHz(信道帶寬45kHz)·國際ITU/CCIR碼5K-GID·鄰道雜散輻射 -60dBc●GPS性能及定位精度GPS性能SPS(L1)1575.420MHz，C/A碼及L1載波相應。
定位精度在標準的環境條件下為1到5米(置信概率為95％)。●設備組成和物理及電氣性能·系統基站-19”標準機箱-NC10型10通道GPS核心板，天線及30米電纜-一套用于DGPS校正值的計算和傳送軟件-1至4塊TDG型無線數據通訊板
-2根5dB的UHF信道的系統基站的UHF信道多路復合器-用于帶有2至4個UHF信道的系統基站的UHF信道多路復合器-不間斷電源模塊(UPS)，190至260伏交流輸入，12伏直流輸出，帶有后備電池。
-電源變換器模塊，12伏直流輸入，+12伏和+5伏輸出(用于給機內各電路板供電)-天線安裝附件·車載單元-外型尺寸130毫米×40毫米×275毫米-12通道GPS核心板-TDG型無線數據通訊板-數字激光陀螺儀-車輛速度/里程表輸入接口(不包括里程表)-車用GPS天線和3米電纜-車用UHF天線和3米電纜-RS232C輸入/輸出接口和GPS輸入/輸出接口-電源輸入接口，9至36伏，最大輸入功率6瓦
權利要求
1.一種車/船定位跟蹤導航移動通訊系統，包括含有差分GPS定位單元的差分GPS系統基站、通訊中繼站、車載單元和監控中心，其特征在于至少一個差分GPS系統基站與至少一個通訊中繼站和至少一個監控中心相連，車載單元通過時分多址雙向數據通訊單元與差分GPS系統基站、通訊中繼站相連，通訊中繼站又與監控中心相連，車載單元同車/船的速度/里程表相連接，數字激光陀螺儀與車/船的速度/里程傳感器相連接，雙向數據通訊單元采用時分多址技術的專用無線數據通訊網。
2.根據所述的權利要求1的系統，其特征在于GPS系統基站由能夠產生差分GPS校正值信號和進行時間同步的NC10型GPS核心板和用于數據傳輸的TDG型通訊板構成；每一塊TDG型通訊板控制一個通訊信道；每一臺基站上可以帶有1至4塊TDG通訊板，其實時監控車輛的能力可達4000輛以上/分鐘；通訊中繼站實際上是只帶有1至4塊TDG型通訊板而不含有GPS核心板的基站；車載單元由一塊12通道的GPS核心板，一塊TDG型數據通訊板連接一個內置式數字激光陀螺儀組成；監控中心由計算機、監控屏幕及專用軟件系統構成。
3.根據權利要求1的系統，其特征在于所述的系統可以采用多種網絡拓補結構，系統在某個地區可采用大區制組網方式覆蓋整個地區，也可以基站與基站相連的方式全國聯網；該網絡基于時分多址模式工作，通訊信道帶寬可以為12.5kHz或者45kHz；系統中的每一臺設備都擁有一個專有的時隙和一個同步時隙，在信道帶寬為12.5kHz時每個時隙的長度為20毫秒，含有100個比特，比特速率為5kHz，包括8個ASCII字符，總共64比特的用戶信息和系統所保留的比特；在信道帶寬為45kHz時每個時隙的長度為6.67毫秒，含有100個比特，比特速率為15kHz，包括8個ASCII字符，總共64比特的用戶信息和系統所保留的比特；在實際的組網工作中，時隙被組織成為字，每個字包含n個時隙，4≤n≤60，字又進一步被組織成為子幀和幀，每個子幀包含N個字，1≤n≤300，每個幀包含300個字，在子幀中每個字都有自己的序列號。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于所述網絡拓撲結構由局域網交換機分別連工作站PC，基站信息網，公共數據網，Web服務器，電子郵件服務器，包括網絡打印機的應用服務器，以及包括存儲設備的數據庫服務器。
5.根據的權利要求1的系統，其特征在于所述系統的性能參數如下系統作用范圍為根據環境條件的不同，天線高度50米情況下，系統的無線數據通訊網絡可以在10至50千米的范圍內保證很高的可靠性，誤碼率＜10-5，在城市中心地區10千米，在市郊地區20千米，在田野開闊地區30千米，在沙漠地區40千米，在海上或水上50千米；系統工作環境為工作溫度-10℃-+55℃，存儲溫度-20℃-+70℃，密封性能IP50即全密封，防塵，不防水，防震性能符合ETS300-019-2-0Spec5-1和MIL STD810Emethod 514-4-1；系統傳輸特性為工作頻率為低端頻帶400到470MHz或高端頻帶800到870MHz，頻帶選擇取決于用戶所在地的無線電管理法規，信道帶寬為12.5kHz或45kHz，帶寬選擇取決于用戶所在地的無線電管理法規，標稱輻射功率為4W，符合ITSI NF-1ETS 300-113標準，傳輸模式TDMA即時分多址模式，調制方式為MSK，在信道帶寬12.5kHz時碼速率為5kHz，在信道帶寬45kHz時為15kHz，國際ITU/CCIR碼5K-GID，鄰道雜散輻射為-60dBc；系統GPS性能及定位精度為GPS性能SPS(L1)1575.420MHz，C/A碼及L1載波相應；定位精度置信概率為95％，在標準的環境條件下為1到5米。
6.根據的權利要求1的系統，其特征在于所述系統物理及電氣性能為系統基站-19”標準機箱，-NC10型10通道GPS核心板，天線及30米電纜，-一套用于DGPS校正值的計算和傳送軟件，-1至4塊TDG型無線數據通訊板，-2根5dB的UHF信道的系統基站的UHF信道多路復合器，-用于帶有2至4個UHF信道的系統基站的UHF信道多路復合器，-不間斷電源模塊，190至260伏交流輸入，12伏直流輸出，帶有后備電池，-電源變換器模塊，12伏直流輸入，+12伏和+5伏輸出，用于給機內各電路板供電，-天線安裝附件；車載單元-外型尺寸130毫米×40毫米×275毫米，-12通道GPS核心板，-TDG型無線數據通訊板，-數字激光陀螺儀，-車輛速度/里程表輸入接口，-車用GPS天線和3米電纜，-車用UHF天線和3米電纜，-RS232C輸入/輸出接口和GPS輸入/輸出接口，-電源輸入接口，9至36伏，最大輸入功率6瓦。
全文摘要
車/船定位跟蹤導航移動通訊系統包括差分GPS系統基站、通訊中繼站、車載單元和監控中心,至少一個差分GPS系統基站與至少一個通訊中繼站和至少一個監控中心相連,車載單元通過時分多址雙向數據通訊系統與差分GPS系統基站、通訊中繼站連成一個容量大、精度高、可靠性好、抗干擾性能優異、環境適應能力強的高速率、全天候的地面水面目標定位監控管理網絡,是機場港口城市等建立現代化管理系統的基礎性設施。
文檔編號H04B7/26GK1266192SQ0010726
公開日2000年9月13日 申請日期2000年4月30日 優先權日2000年4月30日
發明者王水兵, 楊文勝, 蘇彥兵 申請人:北京三足通訊技術公司