一種覆蓋地域廣的實時位置監測系統的製作方法
2023-06-05 20:08:41
專利名稱：一種覆蓋地域廣的實時位置監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種位置監測和數據傳輸系統，特別是涉及一種覆蓋地域廣的實時位置監測系統，使用了衛星定位和衛星通信的功能，用於同時對多個位置監測終端的位置進行實時監測。
背景技術：
為了實時監測多個終端例如科研探測裝置的位置，通常的做法是在終端上安裝 GNSS定位模塊以獲得位置信息，將位置信息發送到監測中心站，監測中心站管理所有終端的位置信息。其中將位置信息發送到監測中心站，現有的方式一般是通過地面移動通信網絡和網際網路實現。如參考文獻1 實用新型專利號ZL 02219087. 2跟蹤定位箱包及箱包的實時位置檢測系統，該實用新型使用GSM網絡傳送位置信息。參考文獻2 發明專利申請號02117403. 2 —種用於移動物體的全球衛星定位、導航、報警多功能監控系統，使用GSM，CDMA移動通信網絡傳送GPS信息給移動手機來監控。參考文獻3 發明專利號ZL 02828926. 9，公開一種通過直接數字衛星廣播復用系統實時互連廣域監視、測量或數據收集系統部件的系統和方法，將所有數據通過地面網絡收集到一個中心站，多個中心站間再通過衛星來實現互聯和同步。綜上所述，使用地面移動通訊網絡和網際網路傳送位置監測信息的缺點是1. GSMjCDMA等移動通信網絡和網際網路不能覆蓋一些偏遠地區，不能滿足廣闊地域內信號的直接傳送；2.信息的傳遞需經過基站中轉，要經過第三方服務網絡，信息的保密性不好和實時性不好；3.對多個終端同時進行不間斷的監測，成本較高。
發明內容
本發明的目的是為了解決廣闊的區域，偏遠地區等沒有地面移動通信網絡和網際網路覆蓋區域的終端位置監測和數據傳輸問題。實現數據的直接實時傳輸，可以使用衛星鏈路來傳送位置信息以及其他監測信息。實現衛星網絡覆蓋區域的實時位置監測系統，能同時監測多個位置監測終端的位置，也能傳送位置監測終端的狀態信息和其他探測數據。本發明的目的是這樣實現的本發明提供的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，包括至少一個位置監測終端、位置監測中心站和通信鏈路；其特徵在於，還包括通信衛星；所述的通信鏈路為衛星鏈路；其中，所述的位置監測終端將位置信息通過所述的衛星鏈路實時的發送到所述的位置監測中心站，所述的位置監測中心站對收到的位置信息進行管理；所述的位置監測終端由一塊具有通過全球衛星定位系統(GNSS)獲取自身的位置和時間信息的GNSS定位模塊；一塊能實現與位置監測中心站之間進行衛星鏈路數據傳輸的衛星通信模塊；
一塊具有管理位置監測終端的編號和工作流程的控制模塊；和一塊給位置監測終端的各個模塊供電的電源模塊組成；所述的控制模塊分別與GNSS定位模塊和衛星通信模塊之間使用串口傳輸數據；所述的位置監測中心站由大口徑拋物面天線，低噪聲放大器，衛星信號下變頻器， 衛星通信接收基帶處理器和數據處理計算機組成；其中，所述的低噪聲放大器與大口徑拋物面天線端電連接，該低噪聲放大器與所述的衛星信號下變頻器、所述的衛星通信接收基帶處理器和所述的數據處理計算機電連接；所述的位置監測中心站的大口徑拋物面天線對準通信衛星接收衛星信號，低噪聲放大器對收到的衛星信號放大，所述的衛星信號下變頻器將低噪聲放大器放大後的衛星信號下變頻為中頻信號，衛星通信接收基帶處理器對所述的中頻信號進行信號解調，並將解出的信息傳給所述的數據處理計算機，該數據處理計算機對位置信息進行處理，存儲或發給特定用戶；所述的通信衛星為同步軌道通信衛星。在上述的技術方案中，還包括N個探測器，其中，N為正整數；所述的探測器通過接口與所述的位置監測終端的終端控制模塊電連接。在上述的技術方案中，所述的探測器為溫度探測模塊、空氣溼度探測模塊、氣壓探測模塊、氣象參數探測模塊和/或地質參數探測模塊。在上述的技術方案中，所述的接口為串口、網口或USB 口。在上述技術方案中，還包括數據發布通信網絡，所述的位置監控中心站通過所述的數據發布通信網絡向數據用戶發送數據。在上述技術方案中，所述的數據發布通信網絡為計算機網絡，衛星通信網或移動通信網。在上述的技術方案中，所述的控制模塊的管理位置監測終端的工作流程為從GNSS 模塊獲取位置時間信息，定時啟動衛星通信模塊發送該位置時間信息。在上述的技術方案中，所述的衛星通信模塊由發射基帶處理器，上變頻器、功率放大器和通信發射天線組成；其中，所述的發射基帶處理器與所述的上變頻器、所述的功率放大器和所述的通信發射天線通過信號線電連接。在上述的技術方案中，所述的GNSS模塊利用GPS、GALILEO、GL0NASS或BEIDOU系統中的一種進行定位，或是使用區域性定位系統進行定位；或使用所述的GNSS模塊利用 GPS、GALILEO、GL0NASS或BEIDOU系統與使用區域性定位系統中的幾種進行組合定位。在上述的技術方案中，所述的控制模塊的管理位置監測終端的工作流程為從GNSS 模塊獲取位置時間信息，定時啟動衛星通信模塊發送該位置時間信息。在上述的技術方案中，所述的通信衛星為同步軌道通信衛星，所述的同步軌道通信衛星通信使用擴頻通信技術和BPSK調製的方式；對一個通信衛星轉發器帶寬資源採用頻分多址，碼分多址，時分多址的方法實現多個位置監測終端的位置信息實時傳輸。一顆同步軌道通信衛星可以覆蓋地面大約40%的地區。本發明提供的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，使用了衛星定位和衛星通信的功能，位置終端可以分布在有衛星信號覆蓋的任何地區，對於衛星信號覆蓋的大範圍區域都能進行監測，可以容納多個用戶，可以同時對多個位置監測終端的位置進行實時位置信息和科研探測數據的傳輸。除了位置信息，也可以傳輸位置監測終端的終端狀態信息和其他傳感器探測數據，還可以進行警報信息，求救信息的發送。也可以在移動物體上安裝位置監測終端，實現移動物體的位置監測。本發明的一種覆蓋地域廣的實時位置監測系統利用了衛星通信的優勢，相對於已有技術具有如下的優點1.本發明的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，使用一個位置監測中心站，一顆通信衛星上的一個轉發器，就可以對多個位置監測終端的信息進行實時接收和管理。2.本發明的監測系統可以使用一個通信衛星轉發器的帶寬資源，採用頻分多址、 碼分多址和時分多址的方法實現多個位置監測終端的位置信息實時傳輸。可以同時實時的監控多個位置監測終端的位置信息；該位置監測終端可以分布在所使用的通信衛星信號覆蓋的任何地區。位置監測終端還可以傳輸終端上其他科研探測器的數據，實現對位置監測終端所處位置處其他科研數據的實施監測。3.位置監測終端可以使用的地域很廣。在衛星信號覆蓋的地方都可以使用位置監測終端，衛星通信覆蓋區域很廣，通常一顆星可以覆蓋地球40 %的地區。4.增加新的位置監測終端簡單，系統不需要地面工程的基礎設施，建設速度快，系統的運行和維護費用低。5.數據傳輸直接，路由簡單，延時小，不需要經過第三方的服務網絡，對於內部數據的傳輸和處理十分有利。6.使用衛星通信帶寬資源豐富，同時在線的用戶容量大。7.位置監測終端除安裝在固定位置，也可以用於移動的車載，船載和機載系統。除位置信息外，也可以傳輸位置監測終端的狀態信息和其他傳感器探測數據。8.使用衛星通信穩定可靠，不易受自然條件的幹擾和影響。
圖1是本發明的系統總體組成框圖，包括位置監測終端，通信衛星和位置監測中心站；圖2是本發明的位置監測終端的組成框圖；圖3是本發明的位置監測終端內衛星通信模塊組成框圖；圖4是本發明的位置監測中心站的組成框圖；圖5是本發明的具體實施例2的位置監測終端的組成框圖；圖6是本發明的具體實施例3的系統組成框具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做詳細地說明。實施例1參考圖1，製作一本發明的覆蓋地域廣的實時位置監測系統。在該實施例中，本發明的系統由位置監測終端，位置監測中心站，通信衛星和GNSS 定位系統組成。所述的位置監測終端用於獲取位置和時間信息，並將位置信息通過衛星鏈路傳送給位置監控中心站，主要由GNSS定位模塊，衛星通信模塊，終端控制模塊和電源模塊組成，如圖2所示。所述的位置監測終端在工作時，電源模塊給終端控制模塊和GNSS定位模塊供電； GNSS模塊通過接收GNSS信號進行定位，獲得位置時間信息，將信息通過串口傳送給終端控制模塊；終端控制模塊對位置時間信息進行組幀，並控制電源模塊給衛星通信模塊加電； 衛星通信模塊加電後，與終端控制模塊間通過串口進行數據交互，接收終端控制模塊的組幀數據，並對數據進行信道編碼，擴頻調製，正弦載波調製；中頻信號經上變頻器變頻到衛星鏈路的C波段載波信號，經過功率放大器將信號放大到衛星鏈路要求的信號強度；終端通過C波段全向通信發射天線將此信號發往衛星。本實施例的GNSS定位模塊使用GPS定位模塊，通過GPS系統進行定位以獲取終端的位置和時間信息。GPS定位模塊通過GPS接收天線接收終端上空GPS衛星的信號，通過信號測出終端到衛星的距離，衛星的位置，衛星和終端的時間差，通過這些參數解算出終端位置和時間。GPS定位模塊通過串口按GPS的NMEA 0183協議輸出定位信息給終端控制模塊。GPS模塊使用商用GPS模塊，包括GPS接收天線，GPS的下變頻器，GPS接收基帶，和穩壓電源模塊。GPS接收天線使用GPS Ll頻段微帶天線，為全向天線。下變頻器為GPS Ll頻段下變頻，將GPS的Ll頻率上的導航信號下變頻到基帶頻段。穩壓電源為GPS定位模塊供 5V直流電。GPS定位模塊的類型可以根據用戶要求的定位精度和成本來選擇，這是本領域技術人員可以實施的。位置監測終端中的衛星通信模塊由發射基帶處理器，上變頻器和功率放大器，通信發射天線組成，如圖3所示。衛星通信模塊與終端控制模塊間通過串口傳輸信息數據。發射基帶處理器用於對每幀數據進行信道編碼，擴頻調製和基帶正弦載波數字調製。信道編碼包括卷積編碼、交織編碼和差分編碼，用於糾正信道傳輸的錯誤。擴頻調製採用直接序列擴頻方式，選用的擴頻碼為11階Gold碼，碼長為2047，碼速率為2. 047MHz。 每10個周期擴頻碼調製Ibit信息，信息速率為100bps。正弦載波調製使用BPSK調製方式。通信發射基帶處理器使用FPGA，DDS和串口晶片實現。其中FPGA實現信道編碼，擴頻碼產生，擴頻調製。DDS晶片產生中頻載波信號，以及實現BPSK調製，中頻載波信號頻率為 70MHzο串口晶片實現UART RS232電平轉換。衛星通信模塊的上變頻器和功率放大器做在一個模塊裡，用於將發射基帶處理器產生的70MHz中頻基帶信號上變頻為適宜衛星鏈路傳輸的C波段信號，信號頻率在亞太1 號衛星的IA轉發器頻率範圍內。功率放大模塊把產生的C波段衛星信號放大到符合同步軌道通信衛星通信鏈路傳輸要求的信號強度，功率放大模塊的輸出信號功率為10W。衛星通信模塊的通信發射天線使用2至4dB增益的全向天線，採用鞭狀天線。由於使用全向天線，通信發射天線沒有對星的問題，安裝方便；並且終端可以安裝在運動物體上。位置監測終端的控制模塊用於管理終端的工作時序。控制模塊採集GPS定位模塊的位置和時間信息，對信息按一定格式組幀，將組幀好的數據通過串口發送給衛星通信模塊，控制電源模塊給衛星通信模塊供電。控制模塊基於單片機，串口晶片和電源開關管實現。單片機實現通過串口接收GPS模塊的數據和進行數據組幀處理，並控制電源開關管供電。工作流程是控制模塊每5分鐘取一次有效的GPS定位模塊位置信息，控制電源模塊給衛星通信模塊供電，與衛星通信模塊通過串口進行數據交互傳輸數據，衛星通信模塊處理並發送數據。位置監測終端的電源模塊用於給終端各部分供電，終端要求輸入為12士2V的直流電。電源模塊將12V直流電變換為5V和IOV的穩壓電，其中5V提供給GPS定位模塊，衛星通信模塊的發射基帶處理器和終端控制模塊，IOV提供給衛星通信模塊的上變頻器和功率放大器模塊。控制模塊可以控制電源模塊上的開關管給衛星通信模塊加電和斷電。通信衛星用於轉發位置監測終端發往位置監測中心站的衛星鏈路信號。衛星為地球同步軌道通信衛星，使用亞太1號衛星，該衛星上有Mfc波段的轉發器，帶寬範圍為 接收5885至6425MHz，發射3620至4200MHz。本發明使用其中的IA轉發器，中心頻率為 5885MHz，帶寬為72MHz，該轉發器接收垂直極化信號，轉發水平極化信號。亞太1號衛星覆蓋範圍為北亞及東南亞。位置監測中心站用於接收通信衛星轉發的信號，解調出信號中的位置信息，並對其中各終端的位置信息進行管理。位置監測中心站由大口徑拋物面天線，低噪聲放大器，衛星信號下變頻器，衛星通信接收基帶處理器和數據處理計算機組成，如圖4所示。位置監測中心站使用16m 口徑的大口徑拋物面天線接收衛星的下行轉發的信號。 低噪聲放大器接在大口徑拋物面天線端，對接收到的信號進行放大。下變頻器與低噪聲放大器間通過電纜連接，下變頻器將C波段衛星信號下變頻為基帶信號。接收基帶對此基帶信號進行採樣，解擴，解調和解碼，提取出監測終端的位置和時間信息，並將終端位置信息通過串口傳送給數據處理計算機。數據處理計算機對此位置監測終端數據信息進行存儲和管理。16m 口徑的大口徑拋物面天線對6GHz頻率信號的增益大約為58dB。因為位置監測終端發射的信號不強，經衛星轉發後到達地面十分微弱，需要使用高增益天線來提高信號的信噪比。下變頻器將亞太1號衛星的IA轉發器的發射的下行3660MHz頻率信號下變頻到中頻70MHz，並把中頻信號衰減到衛星通信接收基帶處理器需要的信號電平範圍。衛星通信接收基帶處理器對衛星信號進行捕獲，跟蹤，解調和解碼。衛星通信接收基帶處理器捕獲到位置監測終端發射的信息後，對此信號保持跟蹤，解調出信息，對信息進行解信道編碼，並按一定格式將解出的終端位置信息數據通過串口輸出給數據處理計算機。接收基帶使用專用擴頻接收基帶處理晶片實現，一個衛星通信接收基帶處理器晶片能同時處理12路終端數據。數據處理計算機對衛星通信接收基帶處理器發送過來的終端位置信息進行存儲， 並通過網絡或衛星通信的方式傳送給需要實時數據的用戶。位置監測終端的安裝方便，可以安裝在亞太1號衛星信號覆蓋區域內，終端可固定在固定位置，也可以安裝在移動物體上。需給位置監測終端提供12士2V的直流電，啟動衛星通信模塊時最大功率不超過60W，未啟動衛星通信模塊時功率不超過10W。位置監測終端通過碼分多址，在一個衛星轉發器帶寬上的頻分多址，以及終端間使用時分多址的方式，本發明系統可以容納大量位置監測終端，例如給每個位置監測終端都分配一組擴頻碼，使用不同碼的終端可以同時向位置監測中心站發送數據，相互不幹擾。 使用11階Gold碼生成器，可以產生2048組的擴頻碼。亞太1號上的IA轉發器為72MHz 帶寬，若每個終端佔用4MHz帶寬，採用頻分多址的方法可以在18個頻點上同時傳輸18個終端的數據，相互間不幹擾；若使用的頻率和碼相同，可以對終端間使用錯開時間進行傳輸的方法。位置監測終端在採用擴頻碼來區分的同時，也在信號中加入終端的編號來進行區分。實施例2參見圖5，在實施例的位置監測終端上安裝多個探測器，還可以傳輸其他探測數據，實現對所處位置的某些參數進行監測，例如可以安裝5個探測器，包括測量溫度探測器，空氣溼度探測器，氣壓探測器，氣象參數探測器和地質參數的探測器，該探測器用於測量終端所處位置的溫度，空氣溼度，氣壓，氣象參數和地質參數；並通過一定接口，本實施例使用串口，也可以採用網口或USB 口，該串口與終端控制模塊連接；終端控制板採集這些探測器的數據，對探測數據進行組幀，通過衛星通信模塊發送到監測中心站，實現監測中心站對終端數據的實時監測。系統的其他部分實現方式與實施例1相同。位置監測終端可以安裝在移動物體上，實現對移動物體位置監測。但移動物體需給位置監測終端供電。使用的通信發射天線是全向天線，移動物體需工作在對衛星信號沒有遮擋的環境下。使用多個衛星轉發器，在中心站安裝多路下變頻和衛星通信接收基帶處理器，可以實現大量位置監測終端的實時位置監測和探測數據傳輸。實施例3參照圖6，在實施例1的實時位置監測系統中，還包括一數據發布通信網絡，本實施例中該數據發布通信網絡採用計算機網絡。系統的其他部分實現方式與實施例1和實施例2相同。位置監控中心站通過數據發布通信網絡，將終端的數據實時或定期提供給特定用戶，供特定用戶實時的分析，觀測分布在廣大區域內的各種探測數據。數據發布通信網絡還可以為衛星通信網或移動通信網。通過傳統的計算機網際網路，衛星通信或移動通訊技術實現，這是本專業技術人員可以實現的。位置監測中心站增加相應的通信設備，與通信網絡互聯。數據發布由中心站數據處理計算機控制。例如使用網際網路通信發布數據，給中心站數據處理計算機增加網卡，安裝網絡傳輸軟體。
權利要求
1.一種覆蓋地域廣的實時位置監測系統，包括至少一個位置監測終端、位置監測中心站和通信鏈路；其特徵在於，還包括通信衛星；所述的通信鏈路為衛星鏈路；其中，所述的位置監測終端將位置信息通過所述的衛星鏈路實時的發送到所述的位置監測中心站，所述的位置監測中心站對收到的位置信息進行管理；所述的位置監測終端由一塊具有通過全球衛星定位系統獲取自身的位置和時間信息的GNSS定位模塊；一塊能實現與位置監測中心站之間進行衛星鏈路數據傳輸的衛星通信模塊；一塊具有管理位置監測終端的編號和工作流程的終端控制模塊；和一塊為位置監測終端中各模塊供電的電源模塊組成；所述的終端控制模塊分別與GNSS定位模塊和衛星通信模塊之間使用串口傳輸數據；所述的位置監測中心站由大口徑拋物面天線，低噪聲放大器，衛星信號下變頻器，衛星通信接收基帶處理器和數據處理計算機組成；其中，所述的位置監測中心站的大口徑拋物面天線對準通信衛星接收衛星信號，所述的低噪聲放大器與大口徑拋物面天線端電連接， 該低噪聲放大器與所述的衛星信號下變頻器、所述的衛星通信接收基帶處理器和所述的數據處理計算機電連接；該數據處理計算機對位置信息進行處理，存儲或發給特定用戶；所述的通信衛星為同步軌道通信衛星。
2.根據權利要求1所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，還包括N個探測器，其中，N為正整數；所述的探測器通過接口與所述的位置監測終端的終端控制模塊電連接。
3.根據權利要求2所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，所述的探測器為溫度探測模塊、空氣溼度探測模塊、氣壓探測模塊、氣象參數探測模塊和/或地質參數探測模塊。
4.根據權利要求2所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，所述的接口為串口、網口或USB 口。
5.根據權利要求1或2所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，還包括數據發布通信網絡，所述的位置監控中心站通過所述的數據發布通信網絡，將終端的數據實時或定期提供給特定用戶。
6.根據權利要求5所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，所述的數據發布通信網絡為計算機網絡，衛星通信網或移動通信網。
7.根據權利要求1，2或5所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，所述的終端控制模塊的管理位置監測終端的工作流程為從GNSS模塊獲取位置時間信息，定時啟動衛星通信模塊發送該位置時間信息。
8.根據權利要求1，2或5所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，所述的衛星通信模塊由發射基帶處理器，上變頻器、功率放大器和通信發射天線組成；其中，所述的發射基帶處理器與所述的上變頻器、所述的功率放大器和所述的通信發射天線通過信號線電連接。
9.根據權利要求1，2或5所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，所述的GNSS模塊利用GPS、GALILEO、GL0NASS或BEIDOU系統中的一種進行定位，或是使用區域性定位系統進行定位；或使用所述的GNSS模塊利用GPS、GALILEO、GL0NASS或BEIDOU系統與使用區域性定位系統中的幾種進行組合定位。
10.根據權利要求1，2或5所述的覆蓋地域廣的實時位置監測系統，其特徵在於，所述的同步軌道衛星通信使用擴頻通信技術和BPSK調製的方式。
全文摘要
本發明涉及一種覆蓋地域廣的實時位置監測系統，包括位置監測終端，通信衛星和位置監測中心站；位置監測終端由GNSS定位模塊，衛星通信模塊，控制模塊和電源模塊組成；通信衛星為同步軌道通信衛星。位置監測中心站由大口徑拋物面天線，衛星通信接收機，數據處理計算機組成；位置監測終端把定位模塊得到的定位信息通過衛星鏈路回傳到監測中心站，使中心站能實時的監測位置監測終端的位置。該監測系統利用1個衛星轉發器的帶寬資源，採用頻分多址，碼分多址和時分多址方式實現對多個位置監測終端的實時位置監測。系統特別適用於只有衛星信號覆蓋，而無地面通信網絡覆蓋的地區。此系統具有實時性，多用戶，覆蓋地域廣的特點。
文檔編號H04B7/185GK102244535SQ20101017816
公開日2011年11月16日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者張 傑, 李婧華, 範江濤, 馬冠一 申請人:中國科學院國家天文臺