利用現(xiàn)有調(diào)頻廣播頻道的副載波RDS (57KHz)加載差分信號實(shí)現(xiàn)差分GPS技術(shù)

1、利用現(xiàn)有調(diào)頻廣播頻道的副載波RDS （57KHz）加載差分信號實(shí)現(xiàn)差分GPS技術(shù)1 目的和意義 GPS系統(tǒng)是美國研制的先進(jìn)無線電定位系統(tǒng)，由于系統(tǒng)具有高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活等特點(diǎn)，便之在各領(lǐng)域的應(yīng)用迅速展開。移動目標(biāo)的定位和跟蹤就是GPS技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用。在此系統(tǒng)中，對移動目標(biāo)的定位精度是有較高要求的。而美國出于自身利益考慮，GPS系統(tǒng)對外應(yīng)用一直在采用取SA政策，使GPS接收機(jī)的定位精度人為降低到100米左右，這不能滿足城市車輛定位的要求。采用差分GPS技術(shù)建立自己的差分系統(tǒng)，可很好地解決精度問題。 廣播調(diào)頻臺有豐富的頻率資源，利用它的副載波可以用來作為差分信息的數(shù)據(jù)通道，播發(fā)

2、差分信息，移動目標(biāo)通過接收差分信息，進(jìn)行位置修正，并將高精度的位置數(shù)據(jù)通過無線信道回傳到監(jiān)管中心，即可實(shí)現(xiàn)車輛的有效安全管理。 本課題的研究宗旨在于： a. 利用廣播電臺調(diào)頻副載波RDS （57KHz）加載差分信號，以 建立實(shí)用的廣播差分系統(tǒng)； b. 建立對移動目標(biāo)（車輛、艦船、飛機(jī)等）進(jìn)行監(jiān)控的指揮調(diào)度系統(tǒng)。 c. 在北京市全面推廣應(yīng)用及在全國建立RDS/DGPS廣域網(wǎng)起示范和促進(jìn)作用。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 a. 可用性。系統(tǒng)的建立應(yīng)立足當(dāng)前需要，并著眼于系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展。 b. 擴(kuò)展性。系統(tǒng)的主要產(chǎn)品應(yīng)易于擴(kuò)充，主要功能應(yīng)可逐步完善擴(kuò)展。即充分考慮系統(tǒng)的升級能力，以適應(yīng)未來發(fā)展需要 c. 安全

3、可靠性。系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮兼容性、可擴(kuò)充性及抗干擾能力，在其制作上精心求穩(wěn)，元器件嚴(yán)格篩選，對強(qiáng)度、溫度的適應(yīng)性及抗震等方面都應(yīng)嚴(yán)格考機(jī)實(shí)驗(yàn)；軟件設(shè)計(jì)應(yīng)保證實(shí)時(shí)性，還應(yīng)考慮其容錯性，以確保系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)還應(yīng)保證系統(tǒng)易于管理的維護(hù)。 d. 實(shí)用性。系統(tǒng)應(yīng)采用先進(jìn)成熟的技術(shù)，所選軟、硬件要具有先進(jìn)性、實(shí)用性，以便于系統(tǒng)的實(shí)際推廣應(yīng)用。e. 投資合理性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要在適度考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，突出先進(jìn)性，即尋求最佳的性能價(jià)格比，使用戶的投資具有合理性和經(jīng)濟(jì)性。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃 于北京人民廣播電臺建GPS差分基準(zhǔn)站，GPS接收機(jī)捕獲偽距校正信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，用光纜傳送到中

4、央電視臺發(fā)射塔上，經(jīng)編碼調(diào)制后與立體聲節(jié)目一起發(fā)射出去。位于移動目標(biāo)（如車輛）的接收機(jī)（車載臺）接收FM信號，經(jīng)解調(diào)和編碼獲得DGPS差分信號，用戶根據(jù)收到的修正信息即可修正自己的GPS位置，然后通過通訊系統(tǒng)將這個(gè)提高了精度的位置信息發(fā)回車輛監(jiān)管中心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，在中心數(shù)字地圖上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的位置和運(yùn)行狀態(tài)，從而使中心指揮人員能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行調(diào)度，指揮和遙控。 整個(gè)系統(tǒng)可分成三大塊： a. RDS/DGPS系統(tǒng)發(fā)射部分 b. RDS/DGPS系統(tǒng)接收部分 c. 移動目標(biāo)監(jiān)管部分 4 RDS/DGPS發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 差分GPS技術(shù) 所謂差分GPS，是在基準(zhǔn)站上進(jìn)行GPS觀測，利用已知的基準(zhǔn)

5、站精密坐標(biāo)計(jì)算機(jī)出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的偽距改正數(shù)，并將這一改正數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測的同時(shí)，也接收基準(zhǔn)站的偽距改正數(shù)，對其偽距觀測量進(jìn)行改正。此后利用改正過的偽距進(jìn)行定位計(jì)算，求解出精確的用戶接收機(jī)的位置。由于這種改正能將公共誤差抵消。例如：衛(wèi)星時(shí)鐘偏差，星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等，從而提高了定位精度，使實(shí)時(shí)定位精度從100m提高到5-3m以上。 4.2 廣播差分系統(tǒng)的優(yōu)勢 應(yīng)用差分GPS技術(shù)，首先要建差分基準(zhǔn)站。基準(zhǔn)站的建立需要土建工程費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、頻點(diǎn)租用費(fèi)，日常維護(hù)及服務(wù)費(fèi)等，投資量相當(dāng)驚人。而利用已成熟的數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)RDS，通過調(diào)頻臺附加信道來傳送GPS差分修正值，

6、可起到投資少，見效快的作用。 系統(tǒng)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：a. 成本低。利用現(xiàn)有調(diào)頻廣播臺，降低發(fā)射成本，差分用戶不必購買差分基準(zhǔn)臺，節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)。b. 可靠性。調(diào)頻臺本身是公共設(shè)施，維護(hù)水準(zhǔn)高，發(fā)射功率大，抗干擾性能強(qiáng)。 c. 服務(wù)范圍廣。采用調(diào)頻副載波傳送差分信息，可供各類用戶使用。另處，調(diào)頻臺的廣泛使用可以實(shí)現(xiàn)差分?jǐn)?shù)據(jù)信息在全國及世界范圍的普及。 4.3 設(shè)計(jì)方案 為覆蓋北京地區(qū)，使用了北京人民廣播電臺的調(diào)頻立體聲頻道的副載波，并采用我國廣電部發(fā)布的RDS標(biāo)準(zhǔn)，以便于推廣。 4.3.1 發(fā)射系統(tǒng)組成部分 a. DGPS基準(zhǔn)站：包括一臺高精度的GPS接收機(jī)與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。 b. RDS編碼器

7、。 c. 立體聲編碼器。 d. 調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線。 4.3.2 發(fā)射系統(tǒng)的建立及原理 中心（DGPS基準(zhǔn)站）位于建國門的北京人民廣播電臺大樓21層樓頂，采用一臺8通道的高精度的GPS接收機(jī)跟蹤全部可視衛(wèi)星，并獲取偽距校正信息。這些信息通過計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生RTCM104格式的DGPS修正信號。然后將此信號用光纜傳送到玉淵潭中央電視發(fā)射塔上，先送入RDS編碼器進(jìn)行基帶編碼，并將其調(diào)制到57KHz副載波上與立體聲廣播節(jié)目的復(fù)合信號一起加到廣播臺調(diào)頻發(fā)射機(jī)，經(jīng)調(diào)頻、功率放大后廣播臺發(fā)射天線發(fā)射出去。由于調(diào)頻發(fā)射機(jī)功率很大，達(dá)10KW，而且天線高達(dá)300米，盡管副載波調(diào)制的頻偏很小，但GPS信息

8、覆蓋面可達(dá)70Km以上。 4.4 系統(tǒng)配置 a. GPS基準(zhǔn)站。包括NOVETEL RT20基準(zhǔn)站一臺，配套電纜、天線、阻塞環(huán)，586/100以上PC機(jī)一套，GARMIN GPS65接收機(jī)一臺?；鶞?zhǔn)站位于建國門北京人民廣播電臺大樓的21層樓頂。 b. RDS編碼器。采用瑞典的Teli編碼器。放置于電臺發(fā)射機(jī)架內(nèi)，遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)。同時(shí)需配MODEM和電話或光纖以便將計(jì)算機(jī)串口2的輸出數(shù)據(jù)傳輸至RDS編碼器。4.5 RDS/DGPS發(fā)射系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) RDS/DGPS系統(tǒng)遵循我國RDS技術(shù)規(guī)范，其主要技術(shù)指標(biāo)如下： a. 工作頻率：87-108NGz b. 副載波頻率：57KHz c. 副載波頻編：

9、4KHz d. 調(diào)制方式：雙相相移鍵控 e. 數(shù)據(jù)率和時(shí)鐘頻率：1187.5bps/1187.5Hz f. 編碼方式：差分編碼 g. 發(fā)射功率：10千瓦 h. 覆蓋范圍：與FM廣播信號覆蓋范圍相同 i. 中心站接收衛(wèi)星數(shù)：8頻以上 j. 系統(tǒng)DGPS數(shù)據(jù)更新時(shí)間：3-6秒 5 RDS/DGPS接收機(jī)部分的設(shè)計(jì) 5.1 設(shè)計(jì)思想 a. 可正常接收GPS信息和FM信息 b. 帶顯示功能，功能菜單完備 c. 帶RS232接口，以連接數(shù)傳電臺完成數(shù)據(jù)向外傳送 d. 完成RDS接收機(jī)和GPS接收機(jī)一體化的研制 e. 完成兩種RDS/DGPS一體化接收機(jī)：臺式和手持式 f. 適用于車輛、飛機(jī)移動目標(biāo)內(nèi)的安

10、裝固定 5.2 設(shè)計(jì)方案 RDS/DGPS接收機(jī)安裝于汽車上（或其它移動目標(biāo)上）， 接收部分主要由RDS專用接收機(jī)用戶GPS接收機(jī)OEM板及通訊電臺組成。RDS專用接收機(jī)接收調(diào)頻廣播臺發(fā)射的FM信號，經(jīng)鑒頻濾波得到調(diào)制的DGPS修正信號，通過解調(diào)器及解碼器恢復(fù)成RTCM104格式的修正信號，送至GPS用戶使用。用戶根據(jù)收到的修正信息即可修正自己的GPS位置。并顯示出差分GPS定位信息。同時(shí)通過數(shù)據(jù)接口聯(lián)接無線通訊電臺，將此位置信息回傳到控制中心，則控制中心得到該移動目標(biāo)的精確位置信息，可對目標(biāo)實(shí)施有效的監(jiān)控。 5.3 接收機(jī)配置 車載臺自行開發(fā)，F(xiàn)M接收機(jī)，GPS OEM板以及通訊電臺等均采用

11、國外器件。并采用單片機(jī)和相應(yīng)的外部器件組成控制，信號處理及通信單元。全部接收用元件安裝在小盒內(nèi)，前面板上有顯示器及各種指示信號，另有FM天線和GPS天線接口，通過RS232串行數(shù)據(jù)接口，連接通信電臺。電源既可用5號電池供電，也可采用汽車電源供電，使用方便。 接收設(shè)備選型如下： a. RDS數(shù)據(jù)接收板：AZTEC SA-RXCAR5 b. GPS OEM板：GARMIN 25 c. 通訊電臺： d. 其它附件：天線數(shù)據(jù)電纜等 5.4 接收機(jī)性能指標(biāo) a. 接收靈敏度：-100dbm (8KHz頻偏) b. 頻率范圍：87-107.9MHz c. 供電電壓：+5VDC d. 數(shù)據(jù)接口：RS232串

12、行接口 e. 天線陰抗：50歐姆 f. 天線接頭；SMB g. 接收衛(wèi)星為：4顆以上 h. 定位精度：優(yōu)于10米 6 移動目標(biāo)監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6.1 設(shè)計(jì)思想 隨著社會的發(fā)展，交通問題越來越突出，如何提高車輛的運(yùn)營能力和車輛安全防范能力，減少交通阻塞和事故，已成為城市交通現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。本系統(tǒng)正是基于此目的建立的。 它采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)，信號處理等技術(shù)，可對運(yùn)行的車輛進(jìn)行統(tǒng)一管理，向用戶提供各種優(yōu)質(zhì)服務(wù)并對車輛進(jìn)行科學(xué)管理和監(jiān)控。當(dāng)然提供高精度的導(dǎo)航定位信息，并通過通信信道回傳車輛方位坐標(biāo)以及報(bào)警信息，是實(shí)現(xiàn)車輛有效安全管理的一個(gè)必要的前提條件。（本系統(tǒng)采用了差分GPS技術(shù)解決這一問

13、題） 6.2 設(shè)計(jì)方案 6.2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)是集車輛調(diào)度管理、無線監(jiān)測報(bào)警以及GPS全球定位為一體的綜合無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由帶有DGPS接收機(jī)的移動目標(biāo)、無線通訊網(wǎng)、監(jiān)管中心三部分組成。 移動目標(biāo)上裝有RDS/DGPS接收機(jī)以及通訊設(shè)備。每個(gè)移動目標(biāo)經(jīng)過差分處理后精度在10m以內(nèi)。移動站通過通訊系統(tǒng)能定時(shí)將自身所在的位置、運(yùn)行速度、海拔高度等數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站，中心站對這些數(shù)據(jù)處理后，可動態(tài)地將其顯示地電子地圖上，指揮人員通過控制中心能實(shí)時(shí)地了解各個(gè)移動目標(biāo)的位置和運(yùn)行狀態(tài)并能實(shí)施控制。本設(shè)計(jì)方案采用音頻調(diào)制解調(diào)單信道方式，數(shù)據(jù)與話音不能同時(shí)傳輸。根據(jù)監(jiān)控移動站的數(shù)量以及控制范

14、圍的不同要求，也可采用集群通信，衛(wèi)星通信等各種通訊方式。6.2.2 設(shè)計(jì)概況 該監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要要解決好的幾個(gè)問題是：a. 要做到對移動目標(biāo)跟蹤的實(shí)時(shí)性。 b. 移動目標(biāo)能及時(shí)向中心報(bào)警，中心能對目標(biāo)實(shí)施及時(shí)的應(yīng)答 和處理。 c. 當(dāng)幾個(gè)目標(biāo)發(fā)生頻率爭用時(shí)，保證中心能可靠收取數(shù)據(jù)并及 時(shí)解決頻率爭用問題。 d. 目標(biāo)擴(kuò)容的方便性。 在具體設(shè)計(jì)時(shí)，控制硬件做到中心和移動目標(biāo)相同，接口采取統(tǒng)一定義方式，使擴(kuò)展和重新定義十分容易。在軟件設(shè)計(jì)上，對各移動臺主要采取分時(shí)被叫的方式，主叫方與被叫方都對收取的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯處理以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。6.3 系統(tǒng)配置 6.3.1 中心系統(tǒng) a. 全套控制系統(tǒng)軟件（含數(shù)據(jù)庫）b. 中心控制器（含MODEM） c. 中心電源 d. 中心通信系統(tǒng)（含電臺、天線、電纜）e. 586 PC兼容機(jī) f. 中繼站（使控制范圍達(dá)到50Km以上）（可選）6.3.2 移動單元 a. RDS/DGPS接收機(jī) b. 通信控制器 c. 通信電臺（MOTOROLA -GM300）6.4 監(jiān)管系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的主要功能 6.4.1 移動單元 a. 報(bào)警開關(guān) b. 防盜傳感器接口 c. 可加差分信號提高精度10m以內(nèi) 6.4.2 中心控制系統(tǒng) a. 中文WINDOW95為軟件平臺 b. 實(shí)時(shí)顯示車輛位置，