利用现有调频广播频道的副载波RDS(57KHz)加载差分信号实现差分GPS技术

利用现有调频广播频道的副载波RDS（57KHz）加载差分信号实现差分GPS技术1目的和意义GPS系统是美国研制的先进无线电定位系统，由于系统具有高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活等特点，便之在各领域的应用迅速展开。移动目标的定位和跟踪就是GPS技术的一个具体应用。在此系统中，对移动目标的定位精度是有较高要求的。而美国出于自身利益考虑，GPS系统对外应用一直在采用取SA政策，使GPS接收机的定位精度人为降低到100米左右，这不能满足城市车辆定位的要求。采用差分GPS技术建立自己的差分系统，可很好地解决精度问题。广播调频台有丰富的频率资源，利用它的副载波可以用来作为差分信息的数据通道，播发差分信息，移动目标通过接收差分信息，进行位置修正，并将高精度的位置数据通过无线信道回传到监管中心，即可实现车辆的有效安全管理。本课题的研究宗旨在于：a.利用广播电台调频副载波RDS（57KHz）加载差分信号，以建立实用的广播差分系统；b.建立对移动目标（车辆、舰船、飞机等）进行监控的指挥调度系统。c.在北京市全面推广应用及在全国建立RDS/DGPS广域网起示范和促进作用。2系统设计原则a.可用性。系统的建立应立足当前需要，并着眼于系统的长远发展。b.扩展性。系统的主要产品应易于扩充，主要功能应可逐步完善扩展。即充分考虑系统的升级能力，以适应未来发展需要c.安全可靠性。系统硬件电路的设计应充分考虑兼容性、可扩充性及抗干扰能力，在其制作上精心求稳，元器件严格筛选，对强度、温度的适应性及抗震等方面都应严格考机实验；软件设计应保证实时性，还应考虑其容错性，以确保系统安全、可靠、稳定的运行。同时还应保证系统易于管理的维护。d.实用性。系统应采用先进成熟的技术，所选软、硬件要具有先进性、实用性，以便于系统的实际推广应用。e.投资合理性。系统设计要在适度考虑经济性的前提下，突出先进性，即寻求最佳的性能价格比，使用户的投资具有合理性和经济性。3系统总体设计规划于北京人民广播电台建GPS差分基准站，GPS接收机捕获伪距校正信息，经计算机处理，用光缆传送到中央电视台发射塔上，经编码调制后与立体声节目一起发射出去。位于移动目标（如车辆）的接收机（车载台）接收FM信号，经解调和编码获得DGPS差分信号，用户根据收到的修正信息即可修正自己的GPS位置，然后通过通讯系统将这个提高了精度的位置信息发回车辆监管中心，经数据处理，在中心数字地图上实时显示目标的位置和运行状态，从而使中心指挥人员能够对目标进行调度，指挥和遥控。整个系统可分成三大块：a.RDS/DGPS系统发射部分b.RDS/DGPS系统接收部分c.移动目标监管部分4RDS/DGPS发射系统的设计4.1差分GPS技术所谓差分GPS，是在基准站上进行GPS观测，利用已知的基准站精密坐标计算机出基准站到卫星的伪距改正数，并将这一改正数实时发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收基准站的伪距改正数，对其伪距观测量进行改正。此后利用改正过的伪距进行定位计算，求解出精确的用户接收机的位置。由于这种改正能将公共误差抵消。例如：卫星时钟偏差，星历误差、电离层误差、对流层误差等，从而提高了定位精度，使实时定位精度从100m提高到5-3m以上。4.2广播差分系统的优势应用差分GPS技术，首先要建差分基准站。基准站的建立需要土建工程费、设备费、频点租用费，日常维护及服务费等，投资量相当惊人。而利用已成熟的数据广播系统RDS，通过调频台附加信道来传送GPS差分修正值，可起到投资少，见效快的作用。系统的主要优势体现在：a.成本低。利用现有调频广播台，降低发射成本，差分用户不必购买差分基准台，节省了大量经费。b.可靠性。调频台本身是公共设施，维护水准高，发射功率大，抗干扰性能强。c.服务范围广。采用调频副载波传送差分信息，可供各类用户使用。另处，调频台的广泛使用可以实现差分数据信息在全国及世界范围的普及。4.3设计方案为覆盖北京地区，使用了北京人民广播电台的调频立体声频道的副载波，并采用我国广电部发布的RDS标准，以便于推广。4.3.1发射系统组成部分a.DGPS基准站：包括一台高精度的GPS接收机与数据处理计算机。b.RDS编码器。c.立体声编码器。d.调频广播发射机和发射天线。4.3.2发射系统的建立及原理中心（DGPS基准站）位于建国门的北京人民广播电台大楼21层楼顶，采用一台8通道的高精度的GPS接收机跟踪全部可视卫星，并获取伪距校正信息。这些信息通过计算机处理后产生RTCM104格式的DGPS修正信号。然后将此信号用光缆传送到玉渊潭中央电视发射塔上，先送入RDS编码器进行基带编码，并将其调制到57KHz副载波上与立体声广播节目的复合信号一起加到广播台调频发射机，经调频、功率放大后广播台发射天线发射出去。由于调频发射机功率很大，达10KW，而且天线高达300米，尽管副载波调制的频偏很小，但GPS信息覆盖面可达70Km以上。4.4系统配置a.GPS基准站。包括NOVETELRT20基准站一台，配套电缆、天线、阻塞环，586/100以上PC机一套，GARMINGPS65接收机一台。基准站位于建国门北京人民广播电台大楼的21层楼顶。b.RDS编码器。采用瑞典的Teli编码器。放置于电台发射机架内，远离计算机。同时需配MODEM和电话或光纤以便将计算机串口2的输出数据传输至RDS编码器。4.5RDS/DGPS发射系统主要技术指标RDS/DGPS系统遵循我国RDS技术规范，其主要技术指标如下：a.工作频率：87-108NGzb.副载波频率：57KHzc.副载波频编：4KHzd.调制方式：双相相移键控e.数据率和时钟频率：1187.5bps/1187.5Hzf.编码方式：差分编码g.发射功率：10千瓦h.覆盖范围：与FM广播信号覆盖范围相同i.中心站接收卫星数：8频以上j.系统DGPS数据更新时间：3-6秒5RDS/DGPS接收机部分的设计5.1设计思想a.可正常接收GPS信息和FM信息b.带显示功能，功能菜单完备c.带RS232接口，以连接数传电台完成数据向外传送d.完成RDS接收机和GPS接收机一体化的研制e.完成两种RDS/DGPS一体化接收机：台式和手持式f.适用于车辆、飞机移动目标内的安装固定5.2设计方案RDS/DGPS接收机安装于汽车上（或其它移动目标上），接收部分主要由RDS专用接收机用户GPS接收机OEM板及通讯电台组成。RDS专用接收机接收调频广播台发射的FM信号，经鉴频滤波得到调制的DGPS修正信号，通过解调器及解码器恢复成RTCM104格式的修正信号，送至GPS用户使用。用户根据收到的修正信息即可修正自己的GPS位置。并显示出差分GPS定位信息。同时通过数据接口联接无线通讯电台，将此位置信息回传到控制中心，则控制中心得到该移动目标的精确位置信息，可对目标实施有效的监控。5.3接收机配置车载台自行开发，FM接收机，GPSOEM板以及通讯电台等均采用国外器件。并采用单片机和相应的外部器件组成控制，信号处理及通信单元。全部接收用元件安装在小盒内，前面板上有显示器及各种指示信号，另有FM天线和GPS天线接口，通过RS232串行数据接口，连接通信电台。电源既可用5号电池供电，也可采用汽车电源供电，使用方便。接收设备选型如下：a.RDS数据接收板：AZTECSA-RXCAR5b.GPSOEM板：GARMIN25c.通讯电台：d.其它附件：天线数据电缆等5.4接收机性能指标a.接收灵敏度：-100dbm(8KHz频偏)b.频率范围：87-107.9MHzc.供电电压：+5VDCd.数据接口：RS232串行接口e.天线阴抗：50欧姆f.天线接头；SMBg.接收卫星为：4颗以上h.定位精度：优于10米6移动目标监管系统的设计6.1设计思想随着社会的发展，交通问题越来越突出，如何提高车辆的运营能力和车辆安全防范能力，减少交通阻塞和事故，已成为城市交通现代化的重要标志。本系统正是基于此目的建立的。它采用了计算机技术，通信技术，信号处理等技术，可对运行的车辆进行统一管理，向用户提供各种优质服务并对车辆进行科学管理和监控。当然提供高精度的导航定位信息，并通过通信信道回传车辆方位坐标以及报警信息，是实现车辆有效安全管理的一个必要的前提条件。（本系统采用了差分GPS技术解决这一问题）6.2设计方案6.2.1系统总体结构该系统是集车辆调度管理、无线监测报警以及GPS全球定位为一体的综合无线电网络系统。系统主要由带有DGPS接收机的移动目标、无线通讯网、监管中心三部分组成。移动目标上装有RDS/DGPS接收机以及通讯设备。每个移动目标经过差分处理后精度在10m以内。移动站通过通讯系统能定时将自身所在的位置、运行速度、海拔高度等数据发送到中心站，中心站对这些数据处理后，可动态地将其显示地电子地图上，指挥人员通过控制中心能实时地了解各个移动目标的位置和运行状态并能实施控制。本设计方案采用音频调制解调单信道方式，数据与话音不能同时传输。根据监控移动站的数量以及控制范围的不同要求，也可采用集群通信，卫星通信等各种通讯方式。6.2.2设计概况该监管系统的设计，主要要解决好的几个问题是：a.要做到对移动目标跟踪的实时性。b.移动目标能及时向中心报警，中心能对目标实施及时的应答和处理。c.当几个目标发生频率争用时，保证中心能可靠收取数据并及时解决频率争用问题。d.目标扩容的方便性。在具体设计时，控制硬件做到中心和移动目标相同，接口采取统一定义方式，使扩展和重新定义十分容易。在软件设计上，对各移动台主要采取分时被叫的方式，主叫方与被叫方都对收取的数据进行纠错处理以确保数据的准确性。6.3系统配置6.3.1中心系统a.全套控制系统软件（含数据库）b.中心控制器（含MODEM）c.中心电源d.中心通信系统（含电台、天线、电缆）e.586PC兼容机f.中继站（使控制范围达到50Km以上）（可选）6.3.2移动单元a.RDS/DGPS接收机b.通信控制器c.通信电台（MOTOROLA-GM300）6.4监管系统可实现的主要功能6.4.1移动单元a.报警开关b.防盗传感器接口c.可加差分信号提高精度10m以内6.4.2中心控制系统a.中文WINDOW95为软件平台b.实时显示车辆位置，各目标动态跟踪c.预定车辆路线，一旦偏离，系统会自动报警d.重新显示目标运动轨迹，以便事后分析总结e.声光报警f.可连接各种通讯环境g.车辆地图信息查询，显示经纬度，计算任两地间的距离h.同时处理矢量图和栅格图6.4.3监管系统主要技术指标a.定位精度：〈10米（差分）b.数据更新率：1次/秒（可设定）c.初始化时间：〈1分钟d.无线通信速率：1200bps（可根据要求匹配电台）e.监控单位数量：取决于中心六和通信网络的配置