专利名称：一种覆盖地域广的实时位置监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置监测和数据传输系统，特别是涉及一种覆盖地域广的实时位置监测系统，使用了卫星定位和卫星通信的功能，用于同时对多个位置监测终端的位置进行实时监测。
背景技术：
为了实时监测多个终端例如科研探测装置的位置，通常的做法是在终端上安装 GNSS定位模块以获得位置信息，将位置信息发送到监测中心站，监测中心站管理所有终端的位置信息。其中将位置信息发送到监测中心站，现有的方式一般是通过地面移动通信网络和互联网实现。如参考文献1 实用新型专利号ZL 02219087. 2跟踪定位箱包及箱包的实时位置检测系统，该实用新型使用GSM网络传送位置信息。参考文献2 发明专利申请号02117403. 2 —种用于移动物体的全球卫星定位、导航、报警多功能监控系统，使用GSM，CDMA移动通信网络传送GPS信息给移动手机来监控。参考文献3 发明专利号ZL 02828926. 9，公开一种通过直接数字卫星广播复用系统实时互连广域监视、测量或数据收集系统部件的系统和方法，将所有数据通过地面网络收集到一个中心站，多个中心站间再通过卫星来实现互联和同步。综上所述，使用地面移动通讯网络和互联网传送位置监测信息的缺点是1. GSMjCDMA等移动通信网络和互联网不能覆盖一些偏远地区，不能满足广阔地域内信号的直接传送；2.信息的传递需经过基站中转，要经过第三方服务网络，信息的保密性不好和实时性不好；3.对多个终端同时进行不间断的监测，成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决广阔的区域，偏远地区等没有地面移动通信网络和互联网覆盖区域的终端位置监测和数据传输问题。实现数据的直接实时传输，可以使用卫星链路来传送位置信息以及其他监测信息。实现卫星网络覆盖区域的实时位置监测系统，能同时监测多个位置监测终端的位置，也能传送位置监测终端的状态信息和其他探测数据。本发明的目的是这样实现的本发明提供的覆盖地域广的实时位置监测系统，包括至少一个位置监测终端、位置监测中心站和通信链路；其特征在于，还包括通信卫星；所述的通信链路为卫星链路；其中，所述的位置监测终端将位置信息通过所述的卫星链路实时的发送到所述的位置监测中心站，所述的位置监测中心站对收到的位置信息进行管理；所述的位置监测终端由一块具有通过全球卫星定位系统(GNSS)获取自身的位置和时间信息的GNSS定位模块；一块能实现与位置监测中心站之间进行卫星链路数据传输的卫星通信模块；
一块具有管理位置监测终端的编号和工作流程的控制模块；和一块给位置监测终端的各个模块供电的电源模块组成；所述的控制模块分别与GNSS定位模块和卫星通信模块之间使用串口传输数据；所述的位置监测中心站由大口径抛物面天线，低噪声放大器，卫星信号下变频器， 卫星通信接收基带处理器和数据处理计算机组成；其中，所述的低噪声放大器与大口径抛物面天线端电连接，该低噪声放大器与所述的卫星信号下变频器、所述的卫星通信接收基带处理器和所述的数据处理计算机电连接；所述的位置监测中心站的大口径抛物面天线对准通信卫星接收卫星信号，低噪声放大器对收到的卫星信号放大，所述的卫星信号下变频器将低噪声放大器放大后的卫星信号下变频为中频信号，卫星通信接收基带处理器对所述的中频信号进行信号解调，并将解出的信息传给所述的数据处理计算机，该数据处理计算机对位置信息进行处理，存储或发给特定用户；所述的通信卫星为同步轨道通信卫星。在上述的技术方案中，还包括N个探测器，其中，N为正整数；所述的探测器通过接口与所述的位置监测终端的终端控制模块电连接。在上述的技术方案中，所述的探测器为温度探测模块、空气湿度探测模块、气压探测模块、气象参数探测模块和/或地质参数探测模块。在上述的技术方案中，所述的接口为串口、网口或USB 口。在上述技术方案中，还包括数据发布通信网络，所述的位置监控中心站通过所述的数据发布通信网络向数据用户发送数据。在上述技术方案中，所述的数据发布通信网络为计算机网络，卫星通信网或移动通信网。在上述的技术方案中，所述的控制模块的管理位置监测终端的工作流程为从GNSS 模块获取位置时间信息，定时启动卫星通信模块发送该位置时间信息。在上述的技术方案中，所述的卫星通信模块由发射基带处理器，上变频器、功率放大器和通信发射天线组成；其中，所述的发射基带处理器与所述的上变频器、所述的功率放大器和所述的通信发射天线通过信号线电连接。在上述的技术方案中，所述的GNSS模块利用GPS、GALILEO、GL0NASS或BEIDOU系统中的一种进行定位，或是使用区域性定位系统进行定位；或使用所述的GNSS模块利用 GPS、GALILEO、GL0NASS或BEIDOU系统与使用区域性定位系统中的几种进行组合定位。在上述的技术方案中，所述的控制模块的管理位置监测终端的工作流程为从GNSS 模块获取位置时间信息，定时启动卫星通信模块发送该位置时间信息。在上述的技术方案中，所述的通信卫星为同步轨道通信卫星，所述的同步轨道通信卫星通信使用扩频通信技术和BPSK调制的方式；对一个通信卫星转发器带宽资源采用频分多址，码分多址，时分多址的方法实现多个位置监测终端的位置信息实时传输。一颗同步轨道通信卫星可以覆盖地面大约40%的地区。本发明提供的覆盖地域广的实时位置监测系统，使用了卫星定位和卫星通信的功能，位置终端可以分布在有卫星信号覆盖的任何地区，对于卫星信号覆盖的大范围区域都能进行监测，可以容纳多个用户，可以同时对多个位置监测终端的位置进行实时位置信息和科研探测数据的传输。除了位置信息，也可以传输位置监测终端的终端状态信息和其他传感器探测数据，还可以进行警报信息，求救信息的发送。也可以在移动物体上安装位置监测终端，实现移动物体的位置监测。本发明的一种覆盖地域广的实时位置监测系统利用了卫星通信的优势，相对于已有技术具有如下的优点1.本发明的覆盖地域广的实时位置监测系统，使用一个位置监测中心站，一颗通信卫星上的一个转发器，就可以对多个位置监测终端的信息进行实时接收和管理。2.本发明的监测系统可以使用一个通信卫星转发器的带宽资源，采用频分多址、 码分多址和时分多址的方法实现多个位置监测终端的位置信息实时传输。可以同时实时的监控多个位置监测终端的位置信息；该位置监测终端可以分布在所使用的通信卫星信号覆盖的任何地区。位置监测终端还可以传输终端上其他科研探测器的数据，实现对位置监测终端所处位置处其他科研数据的实施监测。3.位置监测终端可以使用的地域很广。在卫星信号覆盖的地方都可以使用位置监测终端，卫星通信覆盖区域很广，通常一颗星可以覆盖地球40 %的地区。4.增加新的位置监测终端简单，系统不需要地面工程的基础设施，建设速度快，系统的运行和维护费用低。5.数据传输直接，路由简单，延时小，不需要经过第三方的服务网络，对于内部数据的传输和处理十分有利。6.使用卫星通信带宽资源丰富，同时在线的用户容量大。7.位置监测终端除安装在固定位置，也可以用于移动的车载，船载和机载系统。除位置信息外，也可以传输位置监测终端的状态信息和其他传感器探测数据。8.使用卫星通信稳定可靠，不易受自然条件的干扰和影响。
图1是本发明的系统总体组成框图，包括位置监测终端，通信卫星和位置监测中心站；图2是本发明的位置监测终端的组成框图；图3是本发明的位置监测终端内卫星通信模块组成框图；图4是本发明的位置监测中心站的组成框图；图5是本发明的具体实施例2的位置监测终端的组成框图；图6是本发明的具体实施例3的系统组成框具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做详细地说明。实施例1参考图1，制作一本发明的覆盖地域广的实时位置监测系统。在该实施例中，本发明的系统由位置监测终端，位置监测中心站，通信卫星和GNSS 定位系统组成。所述的位置监测终端用于获取位置和时间信息，并将位置信息通过卫星链路传送给位置监控中心站，主要由GNSS定位模块，卫星通信模块，终端控制模块和电源模块组成，如图2所示。所述的位置监测终端在工作时，电源模块给终端控制模块和GNSS定位模块供电； GNSS模块通过接收GNSS信号进行定位，获得位置时间信息，将信息通过串口传送给终端控制模块；终端控制模块对位置时间信息进行组帧，并控制电源模块给卫星通信模块加电； 卫星通信模块加电后，与终端控制模块间通过串口进行数据交互，接收终端控制模块的组帧数据，并对数据进行信道编码，扩频调制，正弦载波调制；中频信号经上变频器变频到卫星链路的C波段载波信号，经过功率放大器将信号放大到卫星链路要求的信号强度；终端通过C波段全向通信发射天线将此信号发往卫星。本实施例的GNSS定位模块使用GPS定位模块，通过GPS系统进行定位以获取终端的位置和时间信息。GPS定位模块通过GPS接收天线接收终端上空GPS卫星的信号，通过信号测出终端到卫星的距离，卫星的位置，卫星和终端的时间差，通过这些参数解算出终端位置和时间。GPS定位模块通过串口按GPS的NMEA 0183协议输出定位信息给终端控制模块。GPS模块使用商用GPS模块，包括GPS接收天线，GPS的下变频器，GPS接收基带，和稳压电源模块。GPS接收天线使用GPS Ll频段微带天线，为全向天线。下变频器为GPS Ll频段下变频，将GPS的Ll频率上的导航信号下变频到基带频段。稳压电源为GPS定位模块供 5V直流电。GPS定位模块的类型可以根据用户要求的定位精度和成本来选择，这是本领域技术人员可以实施的。位置监测终端中的卫星通信模块由发射基带处理器，上变频器和功率放大器，通信发射天线组成，如图3所示。卫星通信模块与终端控制模块间通过串口传输信息数据。发射基带处理器用于对每帧数据进行信道编码，扩频调制和基带正弦载波数字调制。信道编码包括卷积编码、交织编码和差分编码，用于纠正信道传输的错误。扩频调制采用直接序列扩频方式，选用的扩频码为11阶Gold码，码长为2047，码速率为2. 047MHz。 每10个周期扩频码调制Ibit信息，信息速率为100bps。正弦载波调制使用BPSK调制方式。通信发射基带处理器使用FPGA，DDS和串口芯片实现。其中FPGA实现信道编码，扩频码产生，扩频调制。DDS芯片产生中频载波信号，以及实现BPSK调制，中频载波信号频率为 70MHzο串口芯片实现UART RS232电平转换。卫星通信模块的上变频器和功率放大器做在一个模块里，用于将发射基带处理器产生的70MHz中频基带信号上变频为适宜卫星链路传输的C波段信号，信号频率在亚太1 号卫星的IA转发器频率范围内。功率放大模块把产生的C波段卫星信号放大到符合同步轨道通信卫星通信链路传输要求的信号强度，功率放大模块的输出信号功率为10W。卫星通信模块的通信发射天线使用2至4dB增益的全向天线，采用鞭状天线。由于使用全向天线，通信发射天线没有对星的问题，安装方便；并且终端可以安装在运动物体上。位置监测终端的控制模块用于管理终端的工作时序。控制模块采集GPS定位模块的位置和时间信息，对信息按一定格式组帧，将组帧好的数据通过串口发送给卫星通信模块，控制电源模块给卫星通信模块供电。控制模块基于单片机，串口芯片和电源开关管实现。单片机实现通过串口接收GPS模块的数据和进行数据组帧处理，并控制电源开关管供电。工作流程是控制模块每5分钟取一次有效的GPS定位模块位置信息，控制电源模块给卫星通信模块供电，与卫星通信模块通过串口进行数据交互传输数据，卫星通信模块处理并发送数据。位置监测终端的电源模块用于给终端各部分供电，终端要求输入为12士2V的直流电。电源模块将12V直流电变换为5V和IOV的稳压电，其中5V提供给GPS定位模块，卫星通信模块的发射基带处理器和终端控制模块，IOV提供给卫星通信模块的上变频器和功率放大器模块。控制模块可以控制电源模块上的开关管给卫星通信模块加电和断电。通信卫星用于转发位置监测终端发往位置监测中心站的卫星链路信号。卫星为地球同步轨道通信卫星，使用亚太1号卫星，该卫星上有Mfc波段的转发器，带宽范围为 接收5885至6425MHz，发射3620至4200MHz。本发明使用其中的IA转发器，中心频率为 5885MHz，带宽为72MHz，该转发器接收垂直极化信号，转发水平极化信号。亚太1号卫星覆盖范围为北亚及东南亚。位置监测中心站用于接收通信卫星转发的信号，解调出信号中的位置信息，并对其中各终端的位置信息进行管理。位置监测中心站由大口径抛物面天线，低噪声放大器，卫星信号下变频器，卫星通信接收基带处理器和数据处理计算机组成，如图4所示。位置监测中心站使用16m 口径的大口径抛物面天线接收卫星的下行转发的信号。 低噪声放大器接在大口径抛物面天线端，对接收到的信号进行放大。下变频器与低噪声放大器间通过电缆连接，下变频器将C波段卫星信号下变频为基带信号。接收基带对此基带信号进行采样，解扩，解调和解码，提取出监测终端的位置和时间信息，并将终端位置信息通过串口传送给数据处理计算机。数据处理计算机对此位置监测终端数据信息进行存储和管理。16m 口径的大口径抛物面天线对6GHz频率信号的增益大约为58dB。因为位置监测终端发射的信号不强，经卫星转发后到达地面十分微弱，需要使用高增益天线来提高信号的信噪比。下变频器将亚太1号卫星的IA转发器的发射的下行3660MHz频率信号下变频到中频70MHz，并把中频信号衰减到卫星通信接收基带处理器需要的信号电平范围。卫星通信接收基带处理器对卫星信号进行捕获，跟踪，解调和解码。卫星通信接收基带处理器捕获到位置监测终端发射的信息后，对此信号保持跟踪，解调出信息，对信息进行解信道编码，并按一定格式将解出的终端位置信息数据通过串口输出给数据处理计算机。接收基带使用专用扩频接收基带处理芯片实现，一个卫星通信接收基带处理器芯片能同时处理12路终端数据。数据处理计算机对卫星通信接收基带处理器发送过来的终端位置信息进行存储， 并通过网络或卫星通信的方式传送给需要实时数据的用户。位置监测终端的安装方便，可以安装在亚太1号卫星信号覆盖区域内，终端可固定在固定位置，也可以安装在移动物体上。需给位置监测终端提供12士2V的直流电，启动卫星通信模块时最大功率不超过60W，未启动卫星通信模块时功率不超过10W。位置监测终端通过码分多址，在一个卫星转发器带宽上的频分多址，以及终端间使用时分多址的方式，本发明系统可以容纳大量位置监测终端，例如给每个位置监测终端都分配一组扩频码，使用不同码的终端可以同时向位置监测中心站发送数据，相互不干扰。 使用11阶Gold码生成器，可以产生2048组的扩频码。亚太1号上的IA转发器为72MHz 带宽，若每个终端占用4MHz带宽，采用频分多址的方法可以在18个频点上同时传输18个终端的数据，相互间不干扰；若使用的频率和码相同，可以对终端间使用错开时间进行传输的方法。位置监测终端在采用扩频码来区分的同时，也在信号中加入终端的编号来进行区分。实施例2参见图5，在实施例的位置监测终端上安装多个探测器，还可以传输其他探测数据，实现对所处位置的某些参数进行监测，例如可以安装5个探测器，包括测量温度探测器，空气湿度探测器，气压探测器，气象参数探测器和地质参数的探测器，该探测器用于测量终端所处位置的温度，空气湿度，气压，气象参数和地质参数；并通过一定接口，本实施例使用串口，也可以采用网口或USB 口，该串口与终端控制模块连接；终端控制板采集这些探测器的数据，对探测数据进行组帧，通过卫星通信模块发送到监测中心站，实现监测中心站对终端数据的实时监测。系统的其他部分实现方式与实施例1相同。位置监测终端可以安装在移动物体上，实现对移动物体位置监测。但移动物体需给位置监测终端供电。使用的通信发射天线是全向天线，移动物体需工作在对卫星信号没有遮挡的环境下。使用多个卫星转发器，在中心站安装多路下变频和卫星通信接收基带处理器，可以实现大量位置监测终端的实时位置监测和探测数据传输。实施例3参照图6，在实施例1的实时位置监测系统中，还包括一数据发布通信网络，本实施例中该数据发布通信网络采用计算机网络。系统的其他部分实现方式与实施例1和实施例2相同。位置监控中心站通过数据发布通信网络，将终端的数据实时或定期提供给特定用户，供特定用户实时的分析，观测分布在广大区域内的各种探测数据。数据发布通信网络还可以为卫星通信网或移动通信网。通过传统的计算机互联网，卫星通信或移动通讯技术实现，这是本专业技术人员可以实现的。位置监测中心站增加相应的通信设备，与通信网络互联。数据发布由中心站数据处理计算机控制。例如使用互联网通信发布数据，给中心站数据处理计算机增加网卡，安装网络传输软件。
权利要求
1.一种覆盖地域广的实时位置监测系统，包括至少一个位置监测终端、位置监测中心站和通信链路；其特征在于，还包括通信卫星；所述的通信链路为卫星链路；其中，所述的位置监测终端将位置信息通过所述的卫星链路实时的发送到所述的位置监测中心站，所述的位置监测中心站对收到的位置信息进行管理；所述的位置监测终端由一块具有通过全球卫星定位系统获取自身的位置和时间信息的GNSS定位模块；一块能实现与位置监测中心站之间进行卫星链路数据传输的卫星通信模块；一块具有管理位置监测终端的编号和工作流程的终端控制模块；和一块为位置监测终端中各模块供电的电源模块组成；所述的终端控制模块分别与GNSS定位模块和卫星通信模块之间使用串口传输数据；所述的位置监测中心站由大口径抛物面天线，低噪声放大器，卫星信号下变频器，卫星通信接收基带处理器和数据处理计算机组成；其中，所述的位置监测中心站的大口径抛物面天线对准通信卫星接收卫星信号，所述的低噪声放大器与大口径抛物面天线端电连接， 该低噪声放大器与所述的卫星信号下变频器、所述的卫星通信接收基带处理器和所述的数据处理计算机电连接；该数据处理计算机对位置信息进行处理，存储或发给特定用户；所述的通信卫星为同步轨道通信卫星。
2.根据权利要求1所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，还包括N个探测器，其中，N为正整数；所述的探测器通过接口与所述的位置监测终端的终端控制模块电连接。
3.根据权利要求2所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，所述的探测器为温度探测模块、空气湿度探测模块、气压探测模块、气象参数探测模块和/或地质参数探测模块。
4.根据权利要求2所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，所述的接口为串口、网口或USB 口。
5.根据权利要求1或2所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，还包括数据发布通信网络，所述的位置监控中心站通过所述的数据发布通信网络，将终端的数据实时或定期提供给特定用户。
6.根据权利要求5所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，所述的数据发布通信网络为计算机网络，卫星通信网或移动通信网。
7.根据权利要求1，2或5所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，所述的终端控制模块的管理位置监测终端的工作流程为从GNSS模块获取位置时间信息，定时启动卫星通信模块发送该位置时间信息。
8.根据权利要求1，2或5所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，所述的卫星通信模块由发射基带处理器，上变频器、功率放大器和通信发射天线组成；其中，所述的发射基带处理器与所述的上变频器、所述的功率放大器和所述的通信发射天线通过信号线电连接。
9.根据权利要求1，2或5所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，所述的GNSS模块利用GPS、GALILEO、GL0NASS或BEIDOU系统中的一种进行定位，或是使用区域性定位系统进行定位；或使用所述的GNSS模块利用GPS、GALILEO、GL0NASS或BEIDOU系统与使用区域性定位系统中的几种进行组合定位。
10.根据权利要求1，2或5所述的覆盖地域广的实时位置监测系统，其特征在于，所述的同步轨道卫星通信使用扩频通信技术和BPSK调制的方式。
全文摘要
本发明涉及一种覆盖地域广的实时位置监测系统，包括位置监测终端，通信卫星和位置监测中心站；位置监测终端由GNSS定位模块，卫星通信模块，控制模块和电源模块组成；通信卫星为同步轨道通信卫星。位置监测中心站由大口径抛物面天线，卫星通信接收机，数据处理计算机组成；位置监测终端把定位模块得到的定位信息通过卫星链路回传到监测中心站，使中心站能实时的监测位置监测终端的位置。该监测系统利用1个卫星转发器的带宽资源，采用频分多址，码分多址和时分多址方式实现对多个位置监测终端的实时位置监测。系统特别适用于只有卫星信号覆盖，而无地面通信网络覆盖的地区。此系统具有实时性，多用户，覆盖地域广的特点。
文档编号H04B7/185GK102244535SQ20101017816
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者张 杰, 李婧华, 范江涛, 马冠一 申请人:中国科学院国家天文台