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全球定位技术先容

2021.07.26

要建立一个有效的物联网,有两大难点必须解决:一是规模性,只有具备了规模,才能使物品的智能发挥作用:二是流动性,物品通常都不是静止的,而是处于运动状态的,必须保持物品在运动状态,甚至高速运动状态下都能随时实现对物品的监控和追踪。在当前技术条件下,对运动状态物品的追踪最好的方法是依托全球定位系统(GPS) 来实现。

全球定位

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1)全球定位系统概述

GPS是经美国国防部批准,由美国军方主导研制的空间信息基础设施,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。目前,国际上一致将这一全球定位系统简称为GPS.此外,俄罗斯建成和维护的全球定位系统称为GLONASS,欧盟的称为Calileo我国建设的系统称为北斗导航卫星系统(BNSS) .这些系统称为GNSS (全球导航卫星系统)。

以美国的GPS为例,它主要由三大部分组成,即空间星座部分、地面监控部分和用户核收部分。

(1)空间星座部分。空间星座部分由24颗卫星组成,其中3颗为备用。每颗工作卫星上装有高精度原子钟,它发射标准频率,提供高精度的时间标准,是卫星的核心部分。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上,平均高度为20200 km,倾角为55,卫星运行周期为11h 58 min.这样的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少可以同时观测到4颗卫星。加上卫星信号的传播和接收不受天气影响,因此可以实现全球性、全天候的连续实时定位。

(2)地面监控部分。地面监控部分由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)和地面天线(Ground Antenna)组成。它们分别完成监测采集卫星信息、编制星历和修正参数以及对卫星进行信息注入。各站之间采用现代化通信系统进行联系,在原子钟和计算机的驱动和精确控制下,各项工作实现高度的自动化。

(3)用户接收部分。用户接收部分主要利用GPS接收机接收卫星发射的信号,捕获按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行,然后将获取的定位观测值经数据处理而完成导航定位任务。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理器就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度和时间等信息。

2)定位基本原理

GPS具有两类基本观测,即伪距测量和相位测量. GPS根据这两类测量来完成相应的定位、测速、授时等基本功能。

(1)伪距定位。伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值,所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距,也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单,对定位条件的要求低,不存在整周模糊度问题,可以非常容易地实现实时定位:其缺点是观测值精度低,C/A码伪距观测值的精度般为3m, P码伪距观测值的精度一 般在30cm以内,从而导致定位结果精度低。另外,若采用精度较高的P码伪距观测值,还存在长码捕获的问题。

(2)载波相位定位。载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值,即LI、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高,一般优于2 mm:其缺点是数据处理过程复杂,存在整周模糊度问题。

3)全球定位系统在物联网中的应用

GPS对于物流中物品的监控与追踪十分有效。利用单片机将GPS芯片的定位信息进行适当处理,然后由GSM芯片将物品坐标发送至手机终端,即可实现物品在流动过程中的实时监控和追踪。

流动物品从储存地(如商店)搬运到运输工具上时,采用RFID射频自动识别仪器,将此批运输的物品信息发送到绑定在物品中的流动监控套件上(由GPS/GSM芯片和单片机组成),发送是通过仪器依托移动通信网GSM来实现的,并伴随流动物品所需的信息存储在单片机上,随物品运送到流动的终点。在流动过程中,GPS通过获得多颗定位卫星的信号可计算出自身的位置(还可以包含位移和速度),并传递到单片机;单片机提取所需信息后将此批物品的其他信息捆绑编码,然后由GSM芯片将其发送到GSM网络,由GSM接收装置(如手机)接收后,传递到互联网终端。最后,由终端对物品的流动状态信息进行处理并通过互联网传递到相关端点。


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