第11章現(xiàn)代通信技術(shù)簡介11.1藍(lán)牙技術(shù)

11.2IP電話技術(shù)

11.3GPS系統(tǒng)

11.1藍(lán)牙技術(shù)

11.1.1“藍(lán)牙”的含義

“藍(lán)牙”這個名字的來歷頗具傳奇色彩。早在公元10世紀(jì),北歐正值動蕩年代,各國之間戰(zhàn)爭頻繁,丹麥國王哈拉德二世挺身而出,到處疾呼和平。經(jīng)過他的不懈努力,戰(zhàn)爭終于停止了。關(guān)于這位國王的名字有兩種說法:一種說法是他的全名是HaraldBlatand,Blatand在英語中的意思為“藍(lán)牙”(Bluetooth);另一種說法是這位英勇的丹麥國王酷愛吃藍(lán)梅,以致于牙齒都被染成了藍(lán)色,因此“藍(lán)牙”(Bluetooth)就成了他的綽號。

一千多年后的今天,電子設(shè)備技術(shù)高速發(fā)展,瑞典的愛立信公司于1994年成立了一個科研小組,對移動電話及其附件的低能耗、低費(fèi)用無線連接的可能性進(jìn)行研究,他們的最初目的是建立無線電話與PC卡、耳機(jī)及桌面設(shè)備等產(chǎn)品的連接。但是隨著研究的深入,科研人員越來越感到這項(xiàng)技術(shù)所獨(dú)具的個性和巨大的商業(yè)潛力,同時也意識到憑借一家企業(yè)的實(shí)力根本無法繼續(xù)研究,于是,愛立信公司將其公諸于世,并極力說服其他企業(yè)加入到它的研究中來。其目標(biāo)就是建立一個全球性的小范圍無線通信技術(shù),并將此技術(shù)命名為“藍(lán)牙”,以此來表達(dá)要將這種全新的無線傳輸技術(shù)在全球推廣,并實(shí)現(xiàn)全球通用的雄心。

1998年2月,瑞典愛立信(ERICSSON)、芬蘭諾基亞(NOKIA)、日本東芝(TOSHIBA)、美國IBM和英特爾(Intel)五家著名廠商,組成了一個特殊利益集團(tuán)(SIG,SpecialInterestGroup)。之后,藍(lán)牙引起了越來越多企業(yè)的關(guān)注和重視。

1999年11月,比爾·蓋茨專程到拉斯維加斯一家只有11名員工的小公司訪問,只因這家公司已研制成功一種含藍(lán)牙技術(shù)的胸卡,隨后,微軟便宣布加入SIG。目前,包括索尼、惠普、戴爾在內(nèi)的2500多家公司都簽署了相關(guān)協(xié)議加入該組織,共享這一先進(jìn)技術(shù),而且數(shù)目還在不斷地增長,從而在全球范圍內(nèi)掀起了一股藍(lán)牙熱潮。這么多的精英公司集中在一項(xiàng)技術(shù)的大旗下,在商業(yè)上是史無前例的,一項(xiàng)公開的、全球統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范得到了工業(yè)界如此廣泛的關(guān)注和支持,也是以往所罕見的。這說明基于此項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在市場。

11.1.2藍(lán)牙技術(shù)概述藍(lán)牙是一個開放性的無線通信標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)者的初衷是用隱形的連接線代替線纜。其目標(biāo)是:保持聯(lián)系,不靠電纜,拒絕插頭,并以此重塑人們的生活方式。它將取代目前多種電纜連接方案,通過統(tǒng)一的短程無線鏈路,在各信息設(shè)備之間可以穿過墻壁或公文包,實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本小功耗的話音和數(shù)據(jù)通信。它推動和擴(kuò)大了無線通信的應(yīng)用范圍,使網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)和語音設(shè)備能互連互通,從而實(shí)現(xiàn)個人區(qū)域內(nèi)快速靈活的數(shù)據(jù)和語音通信?！八{(lán)牙”技術(shù)的目的是使特定的移動電話、便攜式電腦以及各種便攜式通信設(shè)備的主機(jī)之間在近距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)無縫的資源共享。

作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范,藍(lán)牙技術(shù)以其低成本、近距離無線連接為基礎(chǔ),為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立了一個特別連接,完成了數(shù)據(jù)信息的短程無線傳輸。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是要建立通用的無線電空中接口(RadioAirInterface)及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn),這樣，通信和計(jì)算機(jī)可以得到進(jìn)一步結(jié)合,使不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備在不使用電線或電纜相互連接的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)近距離互用、互操作的功能(Interoperability)。具體地說,“藍(lán)牙”技術(shù)的作用就是簡化小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如移動PC、掌上電腦、手機(jī)等)之間以及這些設(shè)備與Internet之間的通信,免除在無繩電話或移動電話、調(diào)制解調(diào)器、PDA、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、幻燈機(jī)、局域網(wǎng)之間加裝電線、耳機(jī)、電纜和連接器等。

此外,藍(lán)牙技術(shù)還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口,以組建一個遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個人特別連接設(shè)備群。藍(lán)牙技術(shù)使用全球通行的、無需申請即可使用的2.45GHzISM(工業(yè)Industry、科學(xué)Science、醫(yī)學(xué)Medicine)頻段。若以2.45GHz為中心頻率,在這個頻段上最多可設(shè)立79個帶寬為1MHz的信道。其收發(fā)信機(jī)采用跳頻擴(kuò)譜(FrequencyHoppingSpreadSpectrum)技術(shù),在2.45GHzISM頻段上以1600跳/秒的速率進(jìn)行跳頻通信。

在發(fā)射帶寬為1MHz時,其有效數(shù)據(jù)速率為721kb/s,最高數(shù)據(jù)速度可達(dá)1Mb/s。由于采用低功率時分復(fù)用方式工作,其有效傳輸距離大約為10m,加上功率放大器時,傳輸距離可擴(kuò)大到100m。藍(lán)牙數(shù)據(jù)包在某個載頻上的某個時隙內(nèi)傳遞,不同類型的數(shù)據(jù)(包括鏈路管理和控制消息)占用不同信道,并通過查詢(Inquiry)和尋呼(Paging)過程來同步跳頻頻率和不同藍(lán)牙設(shè)備的時鐘。除采用跳頻擴(kuò)譜的低功率傳輸外,藍(lán)牙還采用鑒權(quán)和加密等措施來提高通信的安全性。

藍(lán)牙支持點(diǎn)到點(diǎn)和一點(diǎn)到多點(diǎn)的連接,可采用無線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連成一個微微網(wǎng)(Piconet),多個微微網(wǎng)又可互連成特殊分散網(wǎng),形成靈活的多重微微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的快速通信。它能在一個微微網(wǎng)內(nèi)尋址8個設(shè)備,其中1個為主設(shè)備,7個為從設(shè)備。藍(lán)牙是一種低功耗的無線技術(shù),當(dāng)檢測到距離小于10m時,接收設(shè)備可動態(tài)調(diào)節(jié)功率。當(dāng)業(yè)務(wù)量減小或停止時,藍(lán)牙設(shè)備可以進(jìn)入低功率工作模式。

藍(lán)牙集成電路應(yīng)用簡單、成本低廉、容易實(shí)現(xiàn)和推廣。其程序?qū)懺谝粋€9×9(mm)的微芯片中,可以很方便地應(yīng)用于電子產(chǎn)品中,有很強(qiáng)的移植性,可隨時隨地應(yīng)用于多種通信場合,如WAP、GSM、DECT等,引入身份識別后可靈活漫游。例如,把藍(lán)牙引入到移動電話和筆記本電腦,就可建立無線通信。打印機(jī)、PDA、桌上型電腦、傳真機(jī)、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其他的數(shù)字設(shè)備都可成為藍(lán)牙系統(tǒng)的一部分。藍(lán)牙以無線LANs的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ),應(yīng)用了“Plonkandplay”的概念(有點(diǎn)類似“即插即用”),即任一藍(lán)牙設(shè)備一旦搜尋到另一個藍(lán)牙設(shè)備,馬上就可以建立聯(lián)系,而無需用戶進(jìn)行任何設(shè)置,因此可以解釋成“即連即用”。藍(lán)牙系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制單元、鏈路管理單元和藍(lán)牙軟件四個功能模塊組成。

表11.1BLUETOOTH1.0技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)

11.1.3藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)

藍(lán)牙技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)以無線電替換移動設(shè)備所使用的電纜而研制的。它試圖以相同的成本和安全性來完成一般電纜的功能,從而使移動用戶擺脫電纜束縛,這就決定了藍(lán)牙技術(shù)具備以下技術(shù)特性。

1.成本低為了能夠替代一般電纜,它必須具備和一般電纜差不多的價格,這樣才能被廣大普通消費(fèi)者所接受,才能使這項(xiàng)技術(shù)得到迅速普及。

2.功耗低、體積小

藍(lán)牙技術(shù)的本來目的是用于互連小型移動設(shè)備及其外設(shè),它的市場目標(biāo)是移動筆記本電腦、移動電話、小型的PDA以及它們的外設(shè),因此藍(lán)牙芯片必須具有功耗低、體積小的特點(diǎn),以便于集成到小型便攜設(shè)備中去。藍(lán)牙產(chǎn)品輸出功率很小(只有1mW),僅是微波爐使用功率的百萬分之一。

3.通信距離近藍(lán)牙技術(shù)通信距離為10m,這已經(jīng)足夠在辦公室內(nèi)任意擺放外圍設(shè)備,而不用擔(dān)心電纜長度是否夠用。

4.安全性強(qiáng)

同其他無線信號一樣,藍(lán)牙信號很容易被截取,因此藍(lán)牙協(xié)議提供了認(rèn)證和加密功能,以保證鏈路級的安全。藍(lán)牙系統(tǒng)認(rèn)證與加密服務(wù)由物理層提供,采用流密碼加密技術(shù),適合于硬件實(shí)現(xiàn),密鑰由高層軟件管理。如果用戶有更高級別的保密要求,可以使用更高級、更有效的傳輸層和應(yīng)用層安全機(jī)制。認(rèn)證可以有效防止電子欺騙以及不期望的訪問,而加密則可以保護(hù)鏈路隱私。除此之外,跳頻技術(shù)的保密性和藍(lán)牙有限的傳輸范圍也使竊聽變得困難。

然而,在提供鏈路級認(rèn)證和加密的同時,也妨礙了一些應(yīng)用模型用戶的訪問。因此,為了滿足這些不同的安全需求,藍(lán)牙協(xié)議定義了三種安全模式：模式1不提供安全保障,模式2提供業(yè)務(wù)級安全,模式3則提供鏈路級安全。藍(lán)牙設(shè)備使用ISM頻段實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)和語音傳輸,意味著在辦公室、家庭和旅途中,無需布設(shè)專用線纜和連接器,通過藍(lán)牙遙控裝置可以形成一點(diǎn)到多點(diǎn)的連接,即在該裝置周圍組成一個“微網(wǎng)”,網(wǎng)內(nèi)任何藍(lán)牙設(shè)備都可與該裝置互通信號,而且無需復(fù)雜的軟件支持?？傊?IEEE802.11比較適合于辦公室中的企業(yè)無線網(wǎng)絡(luò),而藍(lán)牙技術(shù)則可以應(yīng)用于任何可以用無線方式替代線纜的場合。目前這些技術(shù)還處于并存狀態(tài),從長遠(yuǎn)看,隨著產(chǎn)品與市場的不斷發(fā)展,它們將走向融合。

11.1.4藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)的具體實(shí)施依賴于應(yīng)用軟件、藍(lán)牙存儲棧、硬件/固件以及天線四個主要部分。藍(lán)牙技術(shù)獨(dú)立于不同的操作系統(tǒng)和通信協(xié)議之外,還可以移植到許多應(yīng)用領(lǐng)域,因而應(yīng)用場合很普遍。藍(lán)牙力求與不同的操作系統(tǒng)和通信協(xié)議有良好的接口,從而保證一定的兼容性。藍(lán)牙技術(shù)適用于任何數(shù)據(jù)、圖像、聲音等短距離通信場合。目前藍(lán)牙技術(shù)主要體現(xiàn)在:替換蜂窩電話和遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)之間的通信時所用的有線電纜;提供新的多功能耳機(jī),從而在PC、蜂窩電話、隨身聽中共用;筆記本電腦、PDA、蜂窩電話之間的名片數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙協(xié)議可以固化為一個芯片,安置于各種各樣的智能端中。目前,全球已有多家企業(yè)推出了藍(lán)牙芯片、藍(lán)牙平臺、應(yīng)用程序、測試設(shè)備等產(chǎn)品。

1.對講機(jī)

采用藍(lán)牙技術(shù)的移動電話將是“三合一”,即集移動電話、無繩電話、對講機(jī)三種功能于一身。兩個藍(lán)牙設(shè)備之間在近距離內(nèi)可以建立直接語音通路,比如兩個蜂窩電話用戶之間,通過藍(lán)牙連接可以直接進(jìn)行對話,這樣移動電話就可以當(dāng)對講機(jī)用。

2.無繩電話

內(nèi)置藍(lán)牙芯片的移動電話,在室內(nèi)可以用作無繩電話,通過無繩電話基站接入PSTN進(jìn)行語音傳輸,不必支付移動通話費(fèi)用,當(dāng)然在室外或途中仍作為移動電話使用。

3.耳機(jī)采用藍(lán)牙技術(shù)的耳機(jī)作為移動電話、個人計(jì)算機(jī)等的語音輸入、輸出接口,能夠在保持私人通話的同時,使用戶擺脫電纜束縛，從而有更大的活動自由。這種頭戴式耳機(jī)必須能夠發(fā)送AT命令并能夠接收相應(yīng)的編碼信號,使用戶不用手動就能完成摘、掛機(jī)等操作,使用十分方便。

4.撥號網(wǎng)絡(luò)采用藍(lán)牙技術(shù)的移動電話、MODEM等設(shè)備,能夠用作“Internet網(wǎng)橋”。例如,這種移動電話可作為無線MODEM供計(jì)算機(jī)訪問撥號網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器使用,或者計(jì)算機(jī)可以通過這種移動電話或MODEM接收數(shù)據(jù)。此時,移動電話與MODEM充當(dāng)網(wǎng)關(guān)角色,提供到公共網(wǎng)絡(luò)的接入,而臺式計(jì)算機(jī)或筆記本電腦則作為數(shù)據(jù)終端,使用網(wǎng)關(guān)所提供的服務(wù)。

5.局域網(wǎng)接入

采用藍(lán)牙技術(shù)的局域網(wǎng)設(shè)備,多個數(shù)據(jù)終端使用同一個局域網(wǎng)接入點(diǎn)(LAP),以無線接入方式訪問局域網(wǎng),一旦連接成功,數(shù)據(jù)終端將能夠訪問局域網(wǎng)所提供的一切服務(wù),就好像是通過撥號網(wǎng)絡(luò)連接到該局域網(wǎng)一樣。兩個藍(lán)牙設(shè)備之間也可以直接通信,類似于用一根電纜把兩個PC機(jī)連接起來。

6.文件傳輸藍(lán)牙設(shè)備之間可以十分方便地傳送各類數(shù)據(jù)文件,這些設(shè)備可以是個人計(jì)算機(jī)、智能電話或者是PDA。用戶可以瀏覽和使用遠(yuǎn)端設(shè)備上的各類文件夾(當(dāng)然是在對方許可的情況下)。

7.上傳文件采用藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備,可以使用目標(biāo)上傳功能,一個藍(lán)牙設(shè)備可以將文件上傳至另一個藍(lán)牙設(shè)備。當(dāng)然,一個藍(lán)牙設(shè)備也可以從另一個藍(lán)牙設(shè)備上下載文件。

8.數(shù)據(jù)同步藍(lán)牙設(shè)備非常巧妙的一種功能是能夠發(fā)送信息到關(guān)掉的或者工作在休眠模式下的另一個藍(lán)牙設(shè)備。比如,當(dāng)蜂窩電話接收到一條消息時,它可以把這條消息發(fā)送到筆記本電腦,即使后者被放在包中且沒有開機(jī)也是可以發(fā)送到的。當(dāng)然,藍(lán)牙技術(shù)可以進(jìn)行不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)同步,以保證用戶在任何時間、選擇任何設(shè)備都能得到最新的信息。使用此功能的設(shè)備也主要是筆記本電腦、PDA和移動電話。使用藍(lán)牙技術(shù),不同設(shè)備之間可以保持信息同步(PIM,PersonalInformationManagement)。這些信息通常包括電話本、日歷、消息以及備忘錄等,它們使用共同的協(xié)議和格式進(jìn)行傳送。此外,當(dāng)移動電話或者PDA靠近筆記本電腦時,將自動與筆記本電腦進(jìn)行同步。

11.2

IP電話技術(shù)

11.2.1IP電話概述所謂IP電話,就是利用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行的一種語音傳輸業(yè)務(wù),通俗地說,IP電話就是網(wǎng)絡(luò)電話。其最大特點(diǎn)就是比我們所熟悉的普通電話收費(fèi)便宜。

1995年2月,以色列的VocalTec公司推出了客戶端Internet電話軟件——InternetPhone,率先成功地將IP電話推向市場,此后,IP電話在全球范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展。IP電話(IPPhone)是利用IP網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))進(jìn)行的一種通信服務(wù)。最初它是在Internet上實(shí)現(xiàn)的,因此通常有人稱之為Internet電話。

11.2.2IP電話的實(shí)現(xiàn)方式

1.PC到PC這是PC電話最早、也是目前最容易實(shí)現(xiàn)的一種方式,它相當(dāng)于一種聯(lián)機(jī)應(yīng)用,用戶使用專用客戶端IP電話軟件,再配備麥克風(fēng)、音箱、聲卡等設(shè)備就可通過IP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。

2.電話到電話這是IP電話最主要的應(yīng)用方式,是IP電話市場收入的主要來源。這種應(yīng)用需要通過網(wǎng)關(guān)將PSTN與IP網(wǎng)連接,網(wǎng)關(guān)的功能和質(zhì)量至關(guān)重要。

3.PC機(jī)到電話它屬于IP電話的附加應(yīng)用,主要是為滿足不同用戶的需求,吸引更多用戶而開展的。它需要客戶端軟件和網(wǎng)關(guān)雙方的支持。

4.電話到PC它也屬于IP電話附加的應(yīng)用。但這種應(yīng)用自身存在一些缺陷,開展較困難。主要是通話前要進(jìn)行預(yù)約,而且預(yù)約非常不方便;本地網(wǎng)關(guān)與PC機(jī)上的應(yīng)用軟件之間互通不易實(shí)現(xiàn)。

5.通過Web網(wǎng)頁連接呼叫中心

實(shí)現(xiàn)方式是在Web網(wǎng)頁上建立一個與電話中心連接的圖標(biāo),用戶只需點(diǎn)擊這個圖標(biāo)就可以通過Internet連接到呼叫中心并實(shí)現(xiàn)通話。這種方式對那些有服務(wù)中心、技術(shù)支持和產(chǎn)品介紹的公司和企業(yè)來說非常有用,它加強(qiáng)了用戶與企業(yè)之間的聯(lián)系。

6.傳真機(jī)到傳真機(jī)

IP電話網(wǎng)關(guān)通常還帶有傳真功能,網(wǎng)關(guān)可以辨別呼叫是電話還是傳真,從而分別處理。對于IP電話的業(yè)務(wù)商來說,IP傳真已成為一項(xiàng)非常重要的收入來源。

11.3

GPS系統(tǒng)11.3.1GPS概述

GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的字頭縮寫NAVSTAR/GPS的簡稱,意思是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距,從而構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。現(xiàn)在國際上已經(jīng)公認(rèn)將這一系統(tǒng)簡稱為全球定位系統(tǒng)GPS。而GPS系統(tǒng)從根本上來講屬于一種通信系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)在ITS系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。無論是車輛導(dǎo)航、交通管理還是車輛調(diào)配、車輛監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域都離不開它。目前,我國不少城市的銀行押款車和警車都裝上了GPS定位系統(tǒng)。

GPS是美國為滿足陸?？杖姾兔裼貌块T對導(dǎo)航越來越高的要求而提出的一個技術(shù)解決方案。該方案是由分布在6個互成60°軌道平面上的24顆衛(wèi)星(每個軌道平均分布4顆衛(wèi)星)組成的。其中21顆為工作衛(wèi)星,3顆作為備用衛(wèi)星。這樣的衛(wèi)星布置基本上可以保證在地球上的任何一個位置能同時觀測到4顆衛(wèi)星,從而滿足地球表面測量的準(zhǔn)確定位。GPS衛(wèi)星分布示意圖如圖11.1所示。

圖11.1GPS衛(wèi)星分布示意圖

11.3.2GPS系統(tǒng)組成

1.系統(tǒng)組成

GPS系統(tǒng)由三大部分組成,即GPS衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)和用戶GPS接收機(jī)。GPS衛(wèi)星由洛克韋爾國際公司空間部研制,重774kg,主體呈柱形,直徑1.5m,底部裝有多波束定向天線,能發(fā)射L-1和L-2波段的信號,其波束方向圖基本上能覆蓋半個地球。衛(wèi)星軌道長半軸為26609km,偏心率為0.01,傾角為55°,衛(wèi)星高度為20200km,運(yùn)行周期為12小時,設(shè)計(jì)壽命為7年。利用衛(wèi)星定位和導(dǎo)航,首先必須知道衛(wèi)星的位置。地面控制系統(tǒng)測量和計(jì)算每顆衛(wèi)星的星歷,編輯成電文發(fā)送給衛(wèi)星,然后再由衛(wèi)星實(shí)時地播放給用戶,也就是所謂的廣播星歷。GPS系統(tǒng)的地面控制系統(tǒng)由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站組成。

2.主控站主要功能

(1)采集數(shù)據(jù)。采集各監(jiān)測站所測得的偽距和有關(guān)數(shù)據(jù)以及監(jiān)測站自身狀態(tài)數(shù)據(jù)和海軍水面兵器中心發(fā)來的參考星歷。

(2)編輯生成導(dǎo)航電文。根據(jù)采集到的全部數(shù)據(jù)計(jì)算出每顆衛(wèi)星的星歷、時鐘改正數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣改正數(shù),并按一定的格式編輯,生成為導(dǎo)航電文傳送到注入站。

(3)系統(tǒng)診斷。對整個地面控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)、衛(wèi)星的健康情況進(jìn)行診斷,并將結(jié)果傳送給用戶。

(4)衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整。根據(jù)測得的衛(wèi)星參數(shù)及時將衛(wèi)星調(diào)整到預(yù)定軌道和姿態(tài)使其正常工作。同時還可進(jìn)行衛(wèi)星調(diào)度,用備用衛(wèi)星替代有故障的衛(wèi)星。

圖11.2GPS接收機(jī)電路結(jié)構(gòu)框圖

11.3.3

GPS定位原理對于一個GPS接收機(jī)來說,要想確定它的三維坐標(biāo)必須能同時接收四顆GPS衛(wèi)星的定位信息才行。每個衛(wèi)星以廣播的形式向地面發(fā)送有關(guān)定位信號,接收機(jī)收到該信號并計(jì)算出信號從衛(wèi)星上發(fā)出到它接收到所用的時間,然后乘以光速就可得到該衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離。由于受到各種誤差的影響,這個距離并不是真正的實(shí)際距離,因此被稱為偽距。以偽距為半徑,以衛(wèi)星為圓心,就形成了一個球面。當(dāng)接收機(jī)同時知道與三顆導(dǎo)航衛(wèi)星的距離時,就可形成三個球面,三個球面的交點(diǎn)就是接收機(jī)的位置。為了修正衛(wèi)星和接收機(jī)的時間誤差,還需要同時使用第4顆衛(wèi)星。

GPS信號主要包含三個部分:載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。載波有兩種載頻:L1載波——載頻fL1=154×f0=1575.42MHz,波長λ1=19.03cm。L2載波——載頻fL2=120×f0=1227.60MHz,波長λ2=24.42cm。其中,f0為時鐘頻率,f0=10.23MHz。利用L1載波將數(shù)據(jù)碼和兩種測距碼進(jìn)行PSK調(diào)制。利用L2載波將測距碼進(jìn)行PSK調(diào)制。所謂測距碼是兩種偽隨機(jī)碼。美國政府在GPS系統(tǒng)中提供兩種服務(wù):一種是標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS,采用一種稱為粗碼(C/A碼,Coarse/Acquisition)的測距碼進(jìn)行定位,精度約為100m,主要供民用;另一種是精密定位服務(wù)PPS,采用一種稱為精碼(P碼,Precise)的測距碼進(jìn)行定位,精度可達(dá)10m,主要是軍方和經(jīng)過特許的民間用戶使用。

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)兩種碼的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。粗碼精度可達(dá)14m,精碼精度可達(dá)3m。為此,美國政府決定采用所謂的SA(SelectiveAvailability)政策(選擇使用政策),人為地把誤差引入衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)中,故意降低定位精度,以防未經(jīng)許可的用戶將GPS用于軍事目的。采用SA政策后,粗碼的精度降為100m左右。由于SA政策使大多數(shù)民間用戶、商業(yè)用戶的定位精度大大降低,單點(diǎn)定位誤差達(dá)100多米,難以滿足這部分用戶的要求。這就迫使人們采用其他方法提高定位精度。差分定位系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。在單點(diǎn)GPS定位過程中存在著以下三種誤差。

(1)衛(wèi)星時鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等。這部分誤差對所有接收機(jī)都存在,屬于公共誤差。

(2)傳播延遲誤差。這部分誤差不能由用戶測量或計(jì)算。

(3)接收機(jī)固有的誤差,比如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)可徹底消除衛(wèi)星時鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等,能夠消除大部分傳播延遲誤差,但差分技術(shù)無法消除接收機(jī)固有的誤差。

簡單地講,差分定位的基本原理是這樣的:在一個定位區(qū)內(nèi),找一個已知坐標(biāo)的點(diǎn)位安放一部接收機(jī)作為基準(zhǔn)接收機(jī)，則基準(zhǔn)接收機(jī)的單點(diǎn)定位與其實(shí)際位置就有一個差值,把這一差值作為一個修正值發(fā)送給區(qū)域內(nèi)的其他接收機(jī),那么這些接收機(jī)就可利用這一修正值修改它們的單點(diǎn)定位值,從而得到比較精確的定位坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)證明,在以基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心,半徑500km的范圍內(nèi),差分定位技術(shù)是可行的。差分GPS定位示意圖如圖11.3所示。

圖11.3差分GPS示意圖

1.位置差分原理這是一種最簡單的差分方法,任何一種GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測四顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位,解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在著軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差,解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的,存在誤差。基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去,由用戶站接收,并且對其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差,例如衛(wèi)星軌道誤差、SA影響、大氣影響等,提高了定位精度。以上先決條件是基準(zhǔn)站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星的情況。位置差分法適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)的情況。

2.偽距差分原理