張樂(lè)

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西晉中，030600）

0 引言

目前，廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域，受到了強(qiáng)烈推薦，在應(yīng)用的同時(shí)，通過(guò)定位系統(tǒng)，減少部分工作的工作任務(wù)量，提高工作效率，但是也展現(xiàn)出一些不足，比如一些重復(fù)的地名，系統(tǒng)有時(shí)會(huì)將地理定位信息混淆，造成定位出錯(cuò)[1-2]。

傳統(tǒng)的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)的定位依據(jù)GPS導(dǎo)航技術(shù)，但由于我國(guó)每個(gè)區(qū)域會(huì)隨時(shí)進(jìn)行位置名稱更改或者進(jìn)行區(qū)域重新劃分，GPS技術(shù)不能實(shí)時(shí)進(jìn)行地理信息更新，因此降低了廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)的精密性和有效性。IGSO衛(wèi)星也被稱為傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，對(duì)于我國(guó)各個(gè)地理位置來(lái)說(shuō)，具有唯一性。

為了提高廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)的精密性和有效性，本文引入傾斜地球同步軌道衛(wèi)星技術(shù)，根據(jù)IGSO衛(wèi)星技術(shù)，從廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域共同出發(fā)，分別設(shè)計(jì)，共同組建一個(gè)全新的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)。針對(duì)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)得出更加精確、穩(wěn)定有效的定位信息，促進(jìn)我國(guó)定位領(lǐng)域的發(fā)展。

1 基于lGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文提出的基于IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)硬件主要由定位器、導(dǎo)航器、信號(hào)接收器組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 定位器

定位器是基于IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)硬件區(qū)域的關(guān)鍵器件，定位器主要完成的任務(wù)是根據(jù)發(fā)布的定位任務(wù)進(jìn)行區(qū)域定位，定位時(shí)需要信號(hào)接收器收集的信號(hào)為依據(jù)進(jìn)行定位[3]。為了滿足系統(tǒng)的性能需要，本文選擇HGD-87系列的定位器，此定位器采用6000毫安的大容量移動(dòng)電池，低功耗MCU加持下可以工作6000天，另外定位器具有4重定位校準(zhǔn)功能，精度高達(dá)99.99%，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤定位情況，保證定位系統(tǒng)的高效率。定位器內(nèi)置IPX5級(jí)的防水防電功能，可以排除外界的一切干擾，保證定位信息的準(zhǔn)確性。最重要的是定位器具備基站540萬(wàn)全網(wǎng)覆蓋，對(duì)于任何偏遠(yuǎn)地區(qū)都可以無(wú)線信號(hào)全覆蓋[4-5]。

1.2 接口設(shè)計(jì)

在廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)硬件區(qū)域內(nèi)，各個(gè)器件的關(guān)聯(lián)十分重要，因此本文專門設(shè)計(jì)不同型號(hào)的接口完成器件連接，保證系統(tǒng)工作的效率和信息傳輸?shù)陌踩?。在設(shè)備接口中，考慮硬件和軟件區(qū)域的需求，本文主要設(shè)計(jì)了移動(dòng)接口、智能接口以及RTCM 接口。所有接口都遵守差分參數(shù)發(fā)播協(xié)議，為了方便各個(gè)器件之間的信息調(diào)用，所有接口具有自動(dòng)更改數(shù)據(jù)格式的權(quán)限，并且格式統(tǒng)一。移動(dòng)接口和智能接口是最普通的接口，主要區(qū)別是根據(jù)器件的功能進(jìn)行合理分配，此接口的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到700bps，接口傳輸頻段采用B3頻段，接口的工作頻率為3700MHZ。RTCM 接口是用于硬件區(qū)域和軟件區(qū)域無(wú)線跳接工作，接口的調(diào)制方式為BPSK，發(fā)射帶寬為20MHZ，信息傳輸速率為2000BPS，用于精密定位服務(wù)。

1.3 導(dǎo)航器

導(dǎo)航器的工作是協(xié)助定位器完成廣域?qū)崟r(shí)精密定位任務(wù)，本文導(dǎo)航器的數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地圖信息系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)內(nèi)的信息進(jìn)行更新，導(dǎo)航器也會(huì)同時(shí)完成數(shù)據(jù)更新，保證定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。導(dǎo)航器的導(dǎo)航檢索時(shí)間為30秒，導(dǎo)航偏差精度為1米，單點(diǎn)定位精度為單頻方式，導(dǎo)航向其他器件提交的數(shù)據(jù)格式為TXT格式。導(dǎo)航器采用404通道完成地理位置的導(dǎo)航，工作溫度在-40°～+75°范圍內(nèi)。

1.4 信號(hào)接收器

基于IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)的信號(hào)接收器主要是用于接收系統(tǒng)軟件區(qū)域定位過(guò)程中的信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到定位器中，以便完成定位工作。

信號(hào)接收器的信號(hào)重捕獲時(shí)間小于1.5秒，為了保證信號(hào)的百分百接收，信號(hào)增益設(shè)置為70db。信號(hào)接收器的輸出功率為25W，為系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的信息信號(hào)，另外信號(hào)接收器的駐波比小于1.8V*S*W*R，工作電壓為220V。

2 基于lGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

IGSO衛(wèi)星也被稱為傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，軌道長(zhǎng)度約為35700千米，傾角是大于0°的任意軌道，傾斜地球同步軌道衛(wèi)星是24小時(shí)公轉(zhuǎn)衛(wèi)星，其最大的優(yōu)勢(shì)是三顆或者三顆以上的同步衛(wèi)星共同覆蓋定位范圍最廣。此IGSO系統(tǒng)的服務(wù)目標(biāo)非常多，傾斜地球同步軌道衛(wèi)星適用于我國(guó)周邊地區(qū)的服務(wù)，它主要應(yīng)用于地理信息采集、導(dǎo)航系統(tǒng)、搜索救援領(lǐng)域，此技術(shù)的精確度極高，可以精確到10平方厘米，用戶只要有一絲的信號(hào)就可以無(wú)障礙的接入定位系統(tǒng)的服務(wù)。為了達(dá)到廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)的需求，本文主要研究?jī)A斜地球同步軌道衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)原理、信號(hào)機(jī)制以及運(yùn)行模式三個(gè)方面。

IGSO衛(wèi)星在進(jìn)行廣域?qū)崟r(shí)定位時(shí)，在不同階段需要不同的信號(hào)進(jìn)行信息發(fā)送，保證定位信息傳輸?shù)陌踩?。傾斜地球同步軌道衛(wèi)星在定位過(guò)程中主要采用LEX信號(hào)、E6C信號(hào)以及B3J信號(hào)三種信號(hào)進(jìn)行交互，完成地點(diǎn)的定位操作。LEX信號(hào)的頻率是1278MHZ，信號(hào)的傳遞速度為1700bps，數(shù)據(jù)信號(hào)和導(dǎo)頻信號(hào)采用1:1的十分復(fù)用比例，此信號(hào)表示IGSO衛(wèi)星處于定位跟蹤狀態(tài)。E6C信號(hào)的頻率為1276MHZ，信號(hào)的傳遞速度為2500bps，偽碼速率是5Mcps，采用調(diào)制方法進(jìn)行信號(hào)供給，此信號(hào)代表衛(wèi)星處于地點(diǎn)定位狀態(tài)，完成后，將定位信息的頻段轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)內(nèi)部。B3J信號(hào)工作的頻段為B3，頻率為1700MHZ，信號(hào)的傳遞速度為1500bps，偽碼速率是10Mcps，數(shù)據(jù)信號(hào)和導(dǎo)頻信號(hào)采用1:2的十分復(fù)用比例，此信號(hào)代表衛(wèi)星處于定位信息提取狀態(tài)。

綜合以上對(duì)基于IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)硬件器件和IGSO衛(wèi)星技術(shù)的分析研究，本文根據(jù)系統(tǒng)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域的功能，規(guī)劃出定位系統(tǒng)的調(diào)用工作流程，如圖2所示。

圖2 基于IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)工作流程

（1）首先系統(tǒng)對(duì)接收到的定位任務(wù)進(jìn)行分析，然后將任務(wù)發(fā)送到硬件區(qū)域內(nèi)的定位器、導(dǎo)航器以及信息接收器中，各個(gè)器件根據(jù)自己的功能，分別得到有關(guān)的定位信息，共同統(tǒng)一將信息返回系統(tǒng)；

（2）然后定位器根據(jù)信號(hào)接收器傳輸?shù)男盘?hào)頻段進(jìn)行廣域?qū)崟r(shí)精密定位，定位成功后，進(jìn)行精度定位分析；

（3）最后調(diào)用IGSO衛(wèi)星技術(shù)對(duì)定位的地點(diǎn)進(jìn)行定位信息提取，將提取的信息傳輸?shù)较到y(tǒng)的軟件區(qū)域，發(fā)送到用戶客戶端內(nèi)，則系統(tǒng)完成一個(gè)周期的定位工作。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)基于IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，本文設(shè)置的對(duì)照系統(tǒng)為基于GPS衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)和基于衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)。

為了保證對(duì)比試驗(yàn)的科學(xué)性和合理性，選擇定位的地區(qū)在試驗(yàn)前進(jìn)行抽簽選取，并且兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行精確定位，因?yàn)槿斯び涗洈?shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)誤差，所以本文記錄系統(tǒng)完成的時(shí)間均以系統(tǒng)向所連接的計(jì)算機(jī)提交定位地點(diǎn)的信息的時(shí)間為最終的完成時(shí)間。試驗(yàn)的過(guò)程是首先對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，防止系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)出現(xiàn)亂碼的情況，影響后期的試驗(yàn)進(jìn)度，預(yù)處理完成后，現(xiàn)場(chǎng)的工作人員在準(zhǔn)備好的試驗(yàn)任務(wù)內(nèi)抽取一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，選取后同時(shí)向兩個(gè)系統(tǒng)下發(fā)定位任務(wù)，計(jì)算機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)記錄試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，工作人員只需要完成監(jiān)督作用即可，直到最后一個(gè)定位系統(tǒng)提交地理信息后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)后臺(tái)記錄的數(shù)據(jù)，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的整合。

得到的定位實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 定位實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

得到的定位精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 位精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上圖可知，最終得出的結(jié)果是本文設(shè)計(jì)的基于IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)比傳統(tǒng)的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)完成的時(shí)間快，并且提交定位信息準(zhǔn)確，信息量大。

綜上所述，本文研究的IGSO衛(wèi)星的廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)具有精確性和靈敏性性，可以投入使用。