汽車全球定位防劫報警系統的製作方法
2023-05-06 15:03:26
專利名稱：汽車全球定位防劫報警系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用全球定位系統對目標進行定位和跟蹤的系統，特別可應用於汽車的防劫報警和跟蹤、以及對其它軍用或民用目標進行全球定位和跟蹤。
全球定位系統(Global Positioning System，以下簡稱GPS)是美國研製的第二代衛星導航定位系統，它能在全球範圍內全天候地為海上、陸地、空中和空間的用戶提供連續、高精度的三維位置、三維速度和時間，其用途極為廣泛。而目前我國的汽車數量龐大，汽車偷盜搶劫案件時有發生，尤其以計程車、銀行運鈔車搶劫案件最多，計程車司機也成為一種高風險行業。國外的汽車搶劫犯罪更為突出。目前計程車一般只配有簡單的對講通訊設備，一旦發生劫車，司機根本不可能報警，對外聯繫即中斷，犯罪分子劫車後可無所顧忌，從容地駕車逃離，最後銷髒獲利。因此一種有效實用的汽車防劫報警跟蹤裝置成為急待解決的問題。利用現有的GPS定位導航系統固然可以實現汽車定位、跟蹤和報警，但由於這類系統一般都包括信號接收、分析處理及發射部分，因此其成本太高而難以普及應用。市場上目前尚無類似產品。
本發明的目的在於提供一種結構簡單實用、成本低、定位精度高、可及時準確地實現被劫車輛定位和跟蹤的汽車全球定位防劫報警系統。
本發明的技術方案如下本發明的基本設計思想是在汽車上只安裝GPS衛星定位信號接收裝置和發射裝置，以降低車載部分的成本，由呼救信號處理中心對GPS信號進行分析處理並實現對多輛車的實時信號監測。它包括車輛呼救裝置和呼救信號處理中心，車輛呼救裝置由全球定位信號接收器、車輛信號與全球定位信號合成器和呼救信號發射器組成，車輛信號與全球定位信號合成器分別聯接全球定位信號接收器和呼救信號發射機；呼救信號處理中心由呼救信號接收機、全球定位信號處理器、基準全球定位信號接收機、計算機和大屏幕顯示器組成，其中呼救信號接收機與全球定位信號相聯，計算機分別與全球定位信號處理器、基準全球定位信號接收機、大屏幕顯示器相聯。
本發明中，車輛呼救裝置由接收天線、前置放大器、頻率變換器、標頻器、頻率合成器、車輛信息存儲器和呼救信號發射器組成，其中接收天線和前置放大器相聯構成全球定位信號接收器，由頻率變換器、標頻器、頻率合成器、車輛信息存儲器構成車輛信號與全球定位信號合成器，頻率合成器分別與頻率變換器、標頻器、車輛信息存儲器和呼救信號發射器相聯，頻率變換器分別與前置放大器、標頻器相聯，呼救信號發射器和車輛信息存儲器均與車輛電源相聯。呼救信號接收機包括衛星共用天線、多路轉發器和多路頻率變換器，每個轉發器有多個可分配的信道。全球信號處理器包括多信道處理器、標頻器、頻率合成器、微處理器、存儲器、電源、顯控器及數控接口，多信道處理器分別與頻率變換器、頻率合成器、微處理器和存儲器相聯，微處理器又與存儲器、顯控器、數控接口和電源相聯，數控接口與計算機相聯。車輛呼救裝置上裝有可啟動其工作的開關，平時車輛呼救裝置處於待命狀態，車輛被劫時由司機按下該開關啟動該裝置開始工作。
本發明的工作過程包括以下步驟(1)車輛呼救裝置啟動工作後，全球定位信號接收器接收多顆衛星的定位信號，不對其進行分析處理，而只是放大變頻後與車輛信息信號合成為呼救信號，呼救信號再由呼救信號發射器發射出去；(2)由呼救信號處理中心的呼救信號接收機接收呼救信號，經一定的信道作變頻處理變成中頻信號，再由全球定位信號處理器對呼救信號中的衛星定位信號進行跟蹤、鎖定、測量等，得出多顆衛星實時定位的各種數據，經數控接口輸入計算機；(3)另通過解調器將呼救信號中的車輛信息解調出來，並輸入計算機；(4)基準全球定位信號接收機接收並處理衛星定位信號，由計算機將其接收的定位數據與呼救信號處理中心固定的已知位置相比較，進行差分定位；(5)計算機將全球定位信號處理器處理後的車輛衛星定位信號進行動態數據處理，通過差分運算進行誤差修正；轉換座標系統，將車輛位置定位數據變換成電子地圖上的具體位置並顯示於大屏幕顯示器，同時顯示車輛信息，提示報警。
本發明中的車輛信息包括被劫車輛的車牌號碼、車身顏色、車型或其它車輛特徵信息，它預先存儲在車輛呼救裝置內，隨呼救信號傳至呼救信號處理中心。呼救信號接收機採用多信道共用技術和時分多路復用技術實現對多個車輛呼救信號的接收和處理，使本發明整個系統可對眾多車輛同時進行報警信號監測。
全球定位信號處理器採用碼延遲鎖定環和載波相位鎖定環實現相關接收技術。其中碼延遲鎖定環(DLL)是將本地偽隨機碼與衛星的隨機碼對齊，實現衛星的跟蹤、識別和偽距測量；載波相位鎖定環(PLL)是利用本機的Costas環，將載波相位與衛星相位鎖定，藉以解調出導航電文，並可進行載波相位測量。
本發明中求解被劫車輛的位置座標是一個關鍵問題，定位方程式的確定不僅關係到能否求解出車輛座標及求解座標的精度，還會影響相關的硬體結構及其成本。在本發明中，呼救信號處理中心根據呼救信號接收機接收的衛星定位信號從衛星至被劫車輛再轉至呼救信號處理中心之總傳輸時間、由基準全球定位信號接收機接收的衛星之地心座標即可列出這些參數與被劫車輛之地心座標及其它參數之間相互關係的定位方程組如下PBi=[(XSi-XP)2+(YBi-YP)2+(ZSi)2]1/2+C*(A+B)+C*(tPR-tSV)]]>i＝1，2，3，4，5，這裡的i分別對應五顆不同的衛星；C為光速；其中PBi為從衛星至被劫車輛、被劫車輛至呼救信號處理中心的距離之和的偽距，XSi、YSi、ZSi為第i顆衛星的地心座標，方程中的未知數包括被劫車輛的地心座標(XP，YP，ZP)，τA為衛星定位信號在傳播過程中的附加延時，τR為從被劫車輛的呼救信號傳至呼救信號處理中心所需時間，ΔtPR為地面接收時刻的鐘差，ΔtSV為衛星發射時刻的鐘差；該方程組以XP、YP、ZP、(τA+τB)和(ΔtPR-ΔtSV)為5個未知數。根據對五顆衛星定位信號接收與處理，即可列出五個定位方程式，綜合求解得出被劫車輛的地心座標。
本發明採用先進的全球定位跟蹤技術，通過合理的結構設計和定位方程，實現汽車防劫報警。當汽車被劫時，只要司機按一下啟動開關，呼救信號處理中心即可在數秒鐘左右發出報警信號，顯示被劫車輛在地圖上的位置及車輛特徵，採用差分方式可使定位精度極高，從而可以及時採取應急措施營救車輛，在罪犯尚未察覺時迅速將其抓捕歸案。本發明技術先進，性能優良，結構簡單實用，成本低廉，定位精度高，可及時準確地實現被劫車輛定位和跟蹤。本發明在國內和國際上都將具有廣闊的市場前景。
本發明還可應用於軍事、公安及民用等更為廣泛的範圍，例如船舶、火車等移動物體的防劫報警跟蹤，防止小孩、老人以及病人走失等。
以下結合附圖進一步說明本發明。
圖1是本發明的原理結構圖；圖2是車輛呼救裝置的原理結構圖3是呼救信號處理中心的硬體原理結構圖；圖4是全球定位信號處理器的原理結構圖；圖5是衛星、車輛、呼救信號處理中心的空間位置的幾何圖。
圖1至圖4反映了本發明的整體及局部的硬體原理結構。如圖1和圖2所示，GPS定位信號由車輛呼救裝置的接收天線接收，然後經低噪聲放大器放大後，頻率變換器將GPS信號載頻由1575.42MHz降至幾百MHz左右，再與車輛特徵信息進行頻率合成，形成呼救信號。當不法之徒劫車時，司機按啟動開關啟動呼救信號發射器工作，將呼救信號發射出去。如圖3所示，當呼救信號經天線進入呼救信號接收機的共用天線系統時，共用天線系統對不同頻率的信號進行放大，然後進入轉發器；轉發器的功能是將呼救信號分配到空閒信道，圖3共裝有N個轉發器，每個轉發器可分配的信道為M個(每個轉發器可分配的信道稱為信道群，簡稱群1、群2、…、群M)。當有幾個呼救信號同時進入呼救信號接收機，而且有若干個信道已被佔用時，轉發器對各信道(S1、S2、…、SM)進行掃描，並將接收到的信號分配到掃描出來的空閒信道上。而且在一個信道上可以同時接收10個左右的呼救信號，這是採用時分多路復用技術，使該系統的容量更大。呼救信號進入空閒信道後，頻率變換器將其變成中頻信號(載頻為幾十千赫)，再由全球定位信號處理器對該呼救信號進行分析處理，此時由接收機之外的一個解調器將該呼救信號中的車輛特徵信息解調出來，並輸入計算機。
如圖4所示，變為中頻的呼救信號輸入至全球定位信號處理器的多信道處理器，多信道處理器由硬體和軟體組成並受微處理器的控制，每一信號通道在某一時刻只能跟蹤一顆衛星，當此衛星被鎖定後，便佔據這一信號通道，直到此衛星信號失鎖為止。在本發明中，應同時接收五顆衛星的定位信號數據，並採用相關接收技術；為了差分定位和相對定位事後處理的要求，其中的存者器能將實時定位的各種數據、原始觀測量以及計算結果存儲下來，供事後處理；微處理器和顯控器根據採集到的衛星星曆、偽距觀測值計算三維座標和速度等數據，並將計算結果通過數控接口輸出，該部分的輸出數據包括各顆衛星從衛星到車輛再到呼救信號處理中心的偽距PBi以及衛星的地心座標Si(XSi，YSi，ZSi)，這些數據輸入計算機中與基準全球定位信號接收機所提供的數據進行差分。
多信道處理器的功能是將中頻的呼救信號作放大、濾波等一系列處理，實現對GPS信號的跟蹤、鎖定、測量、提供出計算位置的數據信息。根據需要可設計成1至12通道，供任意選擇。顯控器可根據採集到的衛星星曆、偽距觀測值計算三維座標和速度並顯示。
基準全球定位信號接收機主要是為差分過程提供數據。本發明可採用多種差分方法，這裡以一種常用方法加以說明。基準全球定位信號接收機測量出全部可見衛星(只要能接收得到的)的偽距Pi(觀測距離，不是真實距離)和收集全部衛星的星曆文件，利用已採集的軌道根數計算出各個衛星的地心座標(XSi，YSi，ZSi)(i表示第i顆衛星)；同時，可採用各種方法精確求出呼救信號處理中心的地心座標(XB，YB，ZB)。這樣，利用每一時刻計算的衛星地心座標和呼救信號處理中心的已知座標反求出每一時刻衛星至呼救信號處理中心兩者之間的真實距離RiRi=[(XSi-XB)2+(YSi-YB)2+(ZSi-ZB)2]1/2]]>基準全球定位信號接收機測量的偽距包括各種誤差，與真距不同，可以求出偽距的改正數ΔPi＝Ri-Pi同時可求出偽距改正數的變化率Pti=Pi/t]]>觀測時，可利用ΔPi和ΔPti修正呼救信號中的定位數據，即被劫車輛與衛星的距離應為觀測距離加上偽距改正數(實時)。
基準全球定位信號接收機向計算機提供的數據是測量出來可見衛星到呼救信號處理中心的偽距，以及計算出各個衛星的地心座標。
以下介紹定位方程組的建立和推導。如圖5所示，P點(XP，YP，ZP)為被劫車輛位置，呼救信號處理中心在B點，第i顆衛星的位置在Si(XSi，YSi，ZSi)，O點為地心，第i顆衛星到被劫車輛P點的距離為RPi=[(XSi-XP)2+(YSi-YP)2+(ZSi-ZP)2]1/2]]>又RPi=C*(tPR-tSV)-C*A]]>但由於衛星鐘與地面鐘不能完全同步，均存在一定的鐘差。設鐘差為ΔtPR和ΔtSV，則含有鍾整的發射時刻和接收時刻為tPRi=tPR+tPR]]>tSVi=tSV+tSV]]>則觀測到偽距(衛星至車輛)為PPi=C*(tPR-tSV)+C*(tPR-tSV)=RPi+C*A+C*(tPR-tSV)]]>由於PRi=PPi+C*B]]>，代入上式可得PBi[(XSi-XP)2+(YSi-YP)2+(ZSi-ZP)2]1/2+C*(A+B)+C*(tPR-tSV)]]>在上式中PSi可由全球定位信號處理器讀出，衛星座標(XSi，YSi，ZSi)可由衛星星曆讀出，利用此定位方程式，以五顆衛星的GPS信號數據確定五個相似的方程式，解此定位方程組可求解出被劫車輛的方位座標(XP，YP，ZP)。
全球定位信號處理器、解調器、基準全球定位信號接收機三部分的輸出信號數據都輸入計算機。計算機先將基準全球定位信號接收機的數據(包括每顆衛星的地心座標、衛星到呼救信號處理中心的偽距)進行處理，通過已知呼救信號處理中心的地心座標以及採集到的每顆衛星的地心座標，求出衛星到呼救信號處理中心的真實距離，以及每顆衛星的偽距改正數和偽距改正數的變化率。計算機將每顆衛星的偽距改正數和偽距改正數的變化率對呼救信號中的偽距(從衛星到被劫車輛再到呼救信號處理中心的觀測距離)進行修正，然後將其代入定位方程；同時觀測五顆衛星則可列出五個定位方程式，求解出被劫車輛的地心座標，然後經座標變換定出被劫車輛在電子地圖上的位置並顯示於顯示器上，同時顯示車輛特徵信息。由呼救信號處理中心指揮距離最近的部門和人員進行攔截和營救。
提高定位精度是本發明的一個技術難點，由於定位精度與接收機的信噪比有關，因此要提高全球定位信號接收機的信噪比，故在全球定位信號接收機中採用擴頻技術及相關接收技術，並採用性能優越的低噪聲放大器對GPS信號前置放大；另外，由於美國衛星的衛星時鐘和衛星數據中含有人為誤差，以及衛星軌道誤差和大氣影響等因素，都降低了GPS的定位精度，為了消除這部分幹擾(目前商用GPS接收機都工作在C/A碼，C/A碼受到了幹擾)，本發明採用差分GPS技術，提高了定位精度。
本發明的成本低而易於普及；報警反應時間快，司機按下啟動開關後，幾秒鐘左右呼救信號處理中心即可將車輛位置顯示出來；這種無聲報警方式也有利於迅速攔截和營救被劫車輛；從而為計程車、銀行運鈔車或其它車輛提供快捷、有效的安全保護措施。本發明能在以呼救信號處理中心為圓心、視距為半徑的圓形區域內對本區域的車輛實施實時監測報警，若將各不同區域的呼救信號處理中心聯成網絡，則可在更大範圍內實現防劫報警。本發明也應用於其它軍用或民用領域。
權利要求
1.一種汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於它包括車輛呼救裝置和呼救信號處理中心，車輛呼救裝置由全球定位信號接收器、車輛信號與全球定位信號合成器和呼救信號發射器組成，車輛信號與全球定位信號合成器分別聯接全球定位信號接收器和呼救信號發射機；呼救信號處理中心由呼救信號接收機、全球定位信號處理器、基準全球定位信號接收機、計算機和大屏幕顯示器組成，其中呼救信號接收機與全球定位信號相聯，計算機分別與全球定位信號處理器、基準全球定位信號接收機、大屏幕顯示器相聯。
2.根據權利要求1所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於車輛呼救裝置由接收天線、前置放大器、頻率變換器、標頻器、頻率合成器、車輛信息存儲器和呼救信號發射器組成，其中接收天線和前置放大器相聯構成全球定位信號接收器，由頻率變換器、標頻器、頻率合成器、車輛信息存儲器構成車輛信號與全球定位信號合成器，頻率合成器分別與頻率變換器、標頻器、車輛信息存儲器和呼救信號發射器相聯，頻率變換器分別與前置放大器、標頻器相聯，呼救信號發射器和車輛信息存儲器均與車輛電源相聯。
3.根據權利要求1所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於呼救信號接收機包括衛星共用天線、多路轉發器和多路頻率變換器，每個轉發器有多個可分配的信道。
4.根據權利要求1或3所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於全球信號處理器包括多信道處理器、標頻器、頻率合成器、微處理器、存儲器、電源、顯控器及數控接口，多信道處理器分別與頻率變換器、頻率合成器、微處理器和存儲器相聯，微處理器又與存儲器、顯控器、數控接口和電源相聯，數控接口與計算機相聯。
5.根據權利要求1所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於車輛呼救裝置上裝有可啟動其工作的開關。
6.根據權利要求1所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於其工作過程包括以下步驟(1)車輛呼救裝置啟動工作後，全球定位信號接收器接收多顆衛星的定位信號，不對其進行分析處理，而只是放大變頻後與車輛信息信號合成為呼救信號，呼救信號再由呼救信號發射器發射出去；(2)由呼救信號處理中心的呼救信號接收機接收呼救信號，經一定的信道作變頻處理變成中頻信號，再由全球定位信號處理器對呼救信號中的衛星定位信號進行跟蹤、鎖定、測量等，得出多顆衛星實時定位的各種數據，經數控接口輸入計算機；(3)另通過解調器將呼救信號中的車輛信息解調出來，並輸入計算機；(4)基準全球定位信號接收機接收並處理衛星定位信號，由計算機將其接收的定位數據與呼救信號處理中心固定的已知位置相比較，進行差分定位；(5)計算機將全球定位信號處理器處理後的車輛衛星定位信號進行動態數據處理，通過差分運算進行誤差修正；轉換座標系統，將車輛位置定位數據變換成電子地圖上的具體位置並顯示於大屏幕顯示器，同時顯示車輛信息，提示報警。
7.根據權利要求1或6所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於車輛信息包括被劫車輛的車牌號碼、車身顏色、車型或其它車輛特徵信息。
8.根據權利要求1或6所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於呼救信號接收機採用多信道共用技術和時分多路復用技術實現對多個車輛呼救信號的接收和處理。
9.根據權利要求1或6所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於全球定位信號處理器採用碼延遲鎖定環和載波相位鎖定環實現相關接收技術。
10.根據權利要求6所述的汽車全球定位防劫報警系統，其特徵在於呼救信號處理中心根據呼救信號接收機接收的衛星定位信號從衛星至被劫車輛再轉至呼救信號處理中心之總傳輸時間、由基準全球定位信號接收機接收的衛星之地心座標即可列出這些參數與被劫車輛之地心座標及其它參數之間相互關係的定位方程式如下PBi[(XSi-XP)2+(YBi-YP)2+(ZSi-ZP)2]1/2+C*(A+B)+C*(tPR-tSV)]]>i＝1，2，3，4，5，這裡的i分別對應五顆不同的衛星；C為光速；其中PBi為從衛星至被劫車輛、被劫車輛至呼救信號處理中心的距離之和的偽距，XSi、YSi、ZSi為第i顆衛星的地心座標，方程中的未知數包括被劫車輛的地心座標(XP，YP，ZP)，τA為衛星定位信號在傳播過程中的附加延時，τB為從被劫車輛的呼救信號傳至呼救信號處理中心所需時間，ΔtPR為地面接收時刻的鐘差，ΔtSV為衛星發射時刻的鐘差；該方程組以XP、YP、ZP、(τA+τB)和(ΔtPR-ΔtSV)為5個未知數，根據對五顆衛星定位信號接收與處理。即可列出五個定位方程式，綜合求解得出被劫車輛的地心座標。
全文摘要
一種應用全球定位系統對目標進行定位和跟蹤的系統,特別可用於汽車防劫報警,包括車輛呼救裝置和呼救信號處理中心,車輛呼救裝置由全球定位信號接收器、車輛信號與全球定位信號合成器和呼救信號發射器組成;呼救信號處理中心由呼救信號接收機、全球定位信號處理器、基準全球定位信號接收機、計算機和大屏幕顯示器組成,本發明結構簡單實用、成本低、定位精度高,可及時準確地實現被劫車輛定位和跟蹤,應用領域廣泛。
文檔編號G08B25/10GK1200522SQ97108080
公開日1998年12月2日 申請日期1997年5月26日 優先權日1997年5月26日
發明者谷振宇 申請人:谷振宇