無線通信在智能交通系統中的應用與研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 24 顆衛星組成（21 顆工作衛星；3 顆備用衛星） ，它位于距地表兩萬多千米的上空，運行周期為 12h。衛星均勻分布在 6 個軌道面上（每個軌道面有 4 顆衛星） ，軌道傾角為 55176。在全球任何地方、任何時間都可觀測到 4 顆以上的衛星，衛星中可以預存導航信息，GPS 的衛星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導航精度會逐漸降低。 [3] GPS 的系統組成 GPS 系統通常由三個獨立的部分組成： (1)空間部分： 21 顆工作衛星，3 顆備用衛星。 (2)用戶設備部分：如車載終端。該部分用于接收 GPS 衛星發射信號，以獲得定位信息，完成導航和定位工作。 (3)地面支撐系統： 1 個主控站，3 個注入站，5 個監測站。 GPS 的定位原理 GPS 定位的基本原理是把高速運動的衛星瞬時位置作為起始數據，利用空間距離交會的方法，確定測點的位置。如圖所示： 濱州學院本科畢業設計（論文）5如果 T 時刻放置 GPS 接收機在地面待測點，可以測定信號傳播到接收機的時間△t，可以確定四個方程式：上述四個方程式中測試點的坐標 x、 y、 z 和 Vto 為未知參數，其中di=c*△ ti (i=4)。di (i=4) 分別為衛星 4 與接收機的距離。△t i (i= 4) 分別為衛星 4 的信號傳播到接收機需要的時間。C 是 GPS 信號傳播的速度。 （等于光速）四個方程中各個參數意義如下： x，y，z：待測點的坐標。 xi，y i，z i (i=l，2，3，4)：由衛星導航電文求得的衛星 4 在 t 時刻的空間位置坐標。 Vti(i=l，2，3，4)：由衛星星歷提供的衛星 1，2，3，4 的衛星的鐘差。 Vto：接收機的鐘差。 由以上四個方程式即可以計算出接收機的鐘差 Vto 和測試點的坐標x，y，z。 [4] DGPS 定位原理和分類 DGPS 的定位原理DGPS 是英文 Difference Global Positioning System 的縮寫，即差分全球定位系統，方法是在一個精確的已知位置（基準站）上安裝 GPS 監測接收機，計算得到基準站與 GPS 衛星的距離改正數。該差值通常稱為 PRC（偽距離修正值） ，基準站將此數據傳送給用戶接收機作誤差修正，從而提高了定位精度。DGPS 是克服 SA 的不利影響，提高 GPS 定位精度的有效手段，可達到Ⅲ級及以上精度。DGPS 一般可分為單基站 DGPS、多基準站區域 DGPS、廣域DGPS 和全球 DGPS，全球 DGPS 正在醞釀中。 濱州學院本科畢業設計（論文）6 DGPS 的分類 根據發送信息方式的不同，差分 GPS 分為兩大類：位置差分和距離差分。距離差分又分為兩類：載波相位差分和偽距差分。工作原理是一樣的，都是從基準站發送改正數，用戶接收后經過修改后，就獲得準確定位的結果。不同的是，改正數的內容變了，定位的精度也不相同。下面對三種定位系統原理分別介紹。 [5] 這是一種很簡單的差分方法，用任何一種 GPS 接收機都可以改裝或組成這種系統。GPS 接收機觀測 4 顆衛星的位置后便可進行三維定位，智能算出基準站的位置坐標。由于存在著時鐘誤差、軌道誤差、大氣影響、SA 影響、多徑效應等其它誤差，解算出的坐標與基準站的已知坐標是有偏差的。基準站利用數據鏈將改正值發送出去，用戶站接收并對用戶站坐標值進行修正。 △X=X 0Xl； △Y=Y 0Y1； △Z=Z 0Zl其中: X0，Y 0，Z 0：實測的坐標； X1，Y l，Z 1：其它方法求得的基準站精確坐標； △X，△Y，△Z：基準站點的經緯度坐標修正值。 由該修正值，可用下式表示推算出車輛所在的實際坐標。 X=X2+△X；Y=Y 2+△Y：Z=Z 2+△Z ；其中 X，Y，Z：修正之后車輛所在位置的經緯度坐標。 X2，Y 2，Z 2：車載 GPS 接收機得到的實際測量坐標。 經計算得到的坐標已消去了用戶站和基準站之間的誤差，這些誤差是由 SA影響、衛星軌道誤差、大氣影響等造成的，從而提高了定位的精確度。差分技術實現定位精確的前提條件是用戶站和基準站觀測同一組衛星。位置差分定位技術適用范圍是用戶與基準站間的距離在 100km 以內。 應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再由測得的偽距，算出偽距改正數，將其傳輸到車輛接收機，以提高定位精度。這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信標差分” [6] 濱州學院本科畢業設計（論文）7 載波相位差分技術又稱 RTK（Real Time Kinematic）技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。載波相位差分可使定位精度達到厘米級。大量應用于動態需要高精度位置的領域。 [7] 3G 技術 3G 概述第三代移動通信技術（3rdgeneration ，3G） ，指支持高速數據傳輸的移動通信技術。3G 服務能同時傳送聲音及數據信息，速率一般在幾百 kbps 以上。3G 是指將無線通訊與互聯網等多媒體技術結合的新一代移動通信系統，目前3G 存在四種標準：CDMA2022，WCDMA，TDSCDMA，WIMAX。3G 與 2G 的主要區別是在傳輸聲音質量和數據的速度上的提升，它能在全球范圍內更好地實現無線漫游，并處理音樂、圖像、視頻流等多種媒體形式，提供包括電話會議、網頁瀏覽、電子商務等多種信息服務，同時也要考慮與 2G的良好兼容性。為了提供這種服務，無線網絡必須能夠支持不同的數據傳輸速度，也就是說在室內、室外和行車的環境中能夠分別支持至少 2Mbps（兆比特/每秒） 、384kbps（千比特/每秒）以及 144kbps 的傳輸速度（此數值根據網絡環境會發生變化） 。 3G 發展歷程 3G 網絡是由 GSM/3G 網絡的基礎上發展演變形成的，GSM/3G 核心網演進的方向是：GSM 核心網演進為 3G CS 域，3G 核心網演進為 3G PS 域。在演進的過程中，既要考慮充分利用現網資源，實現網絡平滑演進，又不能影響業務運行和業務質量。GSM/3G 向 3G 的演進可以分為三個階段：第一階段：3G 建設初期，新建 3G 網絡，即電路域新建 MSC Server、MGW，分組域新建 SGSN，此外共用 2G 的 GMSC、GGSN 和其他分組域設備。第二階段：3G 發展中期，2G、3G 共用核心網，升級 2G 的部分 MSC 為 濱州學院本科畢業設計（論文）8MSC Server，GPRS SGSN 為 3G SGSN，支持 3G 用戶的接入；同時可以通過3G 設備的 A 接口和 Gb 接口將部分 2G BSS 接入 3G 核心網。這個階段，隨著3G 用戶數量的增加，2G 網絡會出現余量，可以將具備升級條件的 2G 設備升級，降低資源消耗，提高網絡效率。第三階段：3G 發展后期，無法升級的 2G 移動交換中心、 GPRS 接口服務器逐步退網，形成統一的 3G 核心網。這個階段， 3G 無線覆蓋趨于完善，2G用戶數逐漸變少，核心網不需要提供對 2G 無線接入網的支持，可以逐步淘汰無法升級的設備，雙接入設備也無須再支持 2G 無線網的接入。 [8] 基于 3G 的通信結構、協議及數據流程 根據無線接口技術的不同，現有 3G 技術可以分為聯通的 WCDMA 技術，電信的 CDMA2022 技術和移動的 TDSCDMA 技術。考慮到傳輸帶寬、網絡穩定性、實用性等因素，本系統采用電信 CDMA2022 作為無線網絡傳輸。 CDMA2022 簡介CDMA2022 是由窄帶 CDMA(CDMA IS95）技術研發發展而來的，是一種寬帶 CDMA 技術，也稱為 CDMA MultiCarrier，是由美國高通北美公司為主導提出，摩托羅拉、三星和 Lucent 都有參與，韓國成為該標準的主導者。這套系統可以從原來的 CDMAONE 結構直接升級到 3G 結構，建設成本低廉。 CDMA2022 網絡結構組成cdma20221X 網絡主要有 BTS、BSC 和 PCF、PDSN 等節點組成。系統結構如圖 所示: 濱州學院本科畢業設計（論文）9圖 基于 ANSI41 核心網的系統結構其中：BTS 基站收發機PCF 分組控制BSC 基站控制器PDSN 分組數據服務器 SDU 業務數據單元 MSC/VLR 移動交換中心/訪問寄存器BSCC 基站控制器由圖可見，與 IS95 相比，核心網中的 PCF 和 PDSN 是兩個新增模塊，通過支持移動 IP 協議的 AA11 接口互聯，可以支持分組數據業務傳輸。而以MSC/VLR 為核心的網絡部份，支持話音和增強的電路交換型數據業務，與 IS95 一樣，MSC/VLR 與 HLR/AC 之間的接口基于 ANSI41 協議。 [9]圖中， BTS 在小區建立無線覆蓋區用于移動臺通信，移動臺可以是 IS95 或cdma20221X 制式手機。 BSC 可對對個 BTS 進行控制； Abis 接口用于 BTS 和 BSC 之間連接； A1 接口用于傳輸 MSC 與 BSC 之間的信令信息； A2 接口用于傳輸 MSB 與 BSC 之間的話音信息； A3 接口用于傳輸 BSC 與 SDU(交換數據單元模塊)之間的用戶話務( 包括語音和數據)和信令； A7 接口用于傳輸 BSC 之間的信令，支持 BSC 之間的軟切換。 濱州學院本科畢業設計（論文）10以上節點與接口與 IS95 系統需求相同。cdma20221X 新增接口為： A8 接口：傳輸 BS 和 PCF 之間的用戶業務； A9 接口：傳輸 BS 和 PCF 之間的信令信息； A10 接口：傳輸 PCF 和 PDSN 之間的用戶業務； A11 接口：傳輸 PCF 和 PDSN 之間的信令信息；A10/A11 接口是無線接入網和分組核心網之間的開放接口。 新增節點 PCF(分組控制單元)是新增功能實體，用于轉發無線子系統和PDSN 分組控制單元之間的消息。 PDSN 節點為 cdma20221X 接入 Inter 的接口模塊。 [10]濱州學院本科畢業設計（論文）11 總體通信結構 在 ITS 系統中，利用 3G 網在車內系統、路邊系統和監控中心之間進行通信。下面對原理進行說明，終端設備將數據送入 3G 無線模塊，無線模塊將數據進行分組，通過 3G 網絡和互聯網送到監控中心的服務器。監控中心接收數據后，可以通過互聯網和 3G 網絡向車輛發出各種指令。監控中心須接入互聯網且具有固定和真實的 IP。 在對無線模塊進行 3G 附著過程和 PDP(Packet Data Protocol，分組數據協議)上下文激活過程后，就可以利用 3G 來進行數據傳輸了。激活過程用于激活口協議，使數據能以 IP 數據報的形式傳送，通過激活過程， 3G 無線模塊與 GGSN 建立一條邏輯通路，進行數據傳輸。附著過程用于接入 SGSN，SGSN 就可以對用戶進行移動性管理。監控中心和終端設備的各種數據和類型都要經過 3G 模塊、SGSN、GGSN 和 Inter。在傳送的每個階段利用的介質、協議也各不相同，所以需要涉及到不同協議之間的轉換，在通信系統的設計中，將數據封裝為適宜的形式，以適合不同的協議。 本章小結 本章主要對美國的全球定位系統 GPS 和 3G 通信網絡的結構、協議、特點及工作原理進行了詳細闡述。對 3G 數據流工作的流程分析，可以明晰應用層數據封裝的概念。濱州學院本科畢業設計（論文）12第三章 智能公交監控系統的總體設