基于gprs的agps客户端的设计与实现

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1、基于 G P R S 的 A G P S 客户端的设计与实现 吴志华 1 , 2 （1 北京航空航天大学 宇航学院 北京 1 0 0 0 8 3 2 . 中北大学 电子与计算机科学技术学院 山西太原 0 3 0 0 5 1 ） 申功勋 1 唐李征 1 （1 北京航空航天大学 宇航学院 北京 1 0 0 0 8 3 ） 摘 要 为了解决 G P S 的在卫星信号微弱或没有卫星信号的情况下的定位问题，本文提出了基 于 G P R S网络的辅助 G P S定位系统。讨论了该系统的硬件组成及软件的设计。详细论述了辅助 定位的原理及其实现，经测试表明本系统的实现不仅可以提高第一次定位时间，还可以提高 G

2、 P S 接收机的定位性能，同时为国内 A G P S 的研究奠定了基础。 关键词 辅助 G P S 通用分组无线业务 辅助定位原理 随着全球定位系统的不断改进，软、硬件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目 前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。随着卫星导航定位设备的 小型化甚至芯片化，各种嵌入式电子产品种类极大丰富，并与人们的生活越来越紧密地结 合在一起。 随着移动 G P R S 业务的开展，利用 G P R S 来进行 G P S 数据传输的优势慢慢的显现出来。 相对于传统的远程传输方式( 例如通过电话拨号) 来说，G P R S 数据传输具有突出的优点。一 方面，G

3、 P R S 资费比较便宜，可以采用多种资费方案。此外，G P R S 网络接入速度快，提供了 与现有数据网的无缝连接。由于 G P R S 网本身是一个分组型数据网，支持 T C P / I P 、X . 2 5 等 协议，因此无需经过 P S T N 等网络的转接，就可以直接与分组数据网( I P 网或 X . 2 5网) 互通 1 ，而且接入迅速，仅需几秒，快于电路型数据业务。目前，集成了卫星定位设备与移动 通信组件的移动监控终端产品是一类特殊的应用产品，是移动目标监控系统的关键部分。 1 G P S及 A G P S原理 1 . 1 G P S 定位原理 GPS 全球定位系统是以卫星定

4、位为基础的无线导航系统， 其定位是通过使用 24 颗卫星 组成的星座来实现，它利用卫星信号的接收时差计算卫星与接收机的相对距离，从与不同 卫星的相对距离，利用三角定位来计算接收机的位置（经度、纬度和高度） 。它一般需要 4 颗或以上的卫星信号， 要求上空基本没有遮挡， 需要相对较长的捕获时间 （Acquisition Time） , 它的“冷”启动时间较长，即便在信号无差错的情况下业需要 12.5 分钟的时间解调所有卫 星的数据，当上空有遮挡时，需要更长的时间。它最主要的特点在于 GPS 通过卫星导航定 位可实现全能性(海洋、陆地、航空、航天)、全球性、全天候、连续性和实时性导航、定 位功能，

5、为用户提供精密的位置与速度信息。 1 . 2 A G P S 定位原理 传统的 GPS 定位，完全依赖于 GPS 接收机本身对 GPS 卫星信号的接收情况来进行定 位。但是缺点在于采用 GPS 直接对接收机定位，首次锁定时间有可能需要 10 分钟左右， 并且依赖于接收机能看到什么样的卫星星座，同时在 GPS 卫星信号很弱，室内、城市的狭 窄楼宇之间使用 GPS 时会出现问题。 为了解决这个问题将卫星导航与无线蜂窝融合形成的 新技术，即辅助 GPS(AGPS)它将 GPS 与无线手机组合在一起，利用辅助 GPS 作定位，传 输一些辅助数据，这样可以大大缩小代码搜索窗口和频率搜索窗口，使得定位时间

6、降至几 秒钟。辅助 GPS 是网络辅助 GPS，与独立的 GPS 相比，以网络为核心的方法能够提供更 快的首次锁定位置的时间 TTFF，它使用固定位置 GPS 接收机获得移动终端的补充信息数 据，辅助数据使移动用户接收机不必译码实际消息就可以进行定时测量。AGPS 现在已作 为移动定位候选技术，正在成为基于 AMPS 和 IS95 蜂窝电话的标准。并且即将有可能被 TDMA 标准所采纳。 目前的 GPS 接收机很少提供 A- GPS 的支持，因为 A- GPS 系统的需求很高建立的成本 也很大。国内目前在大多数情况下，GPS 接收机是采用 GSM 短信的方式，通过 SMS 传输 数据的，而很少

7、通过 TCP/IP 传送。而 GSM 方式存在着一定的不足如：传送时间不确定； 信道容量有限；通信费用昂贵；可扩展性差等。而 GPRS 网络在数据传输方面有着的它的 优势，相对于 GSM 拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS 属于分组交换的技术范畴， 同时具备实时在线、按量计费、快捷登陆、高速传输和自如切换等优点。根据对国内 AGPS 情况的研究并通过分析，本系统提出了采用 GPRS 为主，并在 GPRS 暂时无效的情况下辅 助 GSM 的方式来传输 GPS 定位数据及接收控制中心辅助信息和控制命令。系统原理图如 图 1 所示： 图 1 AGPS 定位原理图 本系统中有两种辅助定位方式。一

8、是采用 GPS 接收机本身带有的 8K Flash。把卫星信 息从 GPS 信号提取出后存储到 Flash 中，只要接收机上电，GPS 时间就从内部时钟模块获 得。同时在 Flash 中还存储有最后的定位位置（即上次定位时最后定位的有效位置） ，如果 两次定位的时间相隔不长（不超过 20 分钟） ，并且接收机移动的位置也不远，则下次定位 的时间就会大大的缩短。因为在 Flash 中存储的星历信息还是有效的，能够据此计算出可 见卫星位置，就可以有目的的搜星，避免了满天搜星时的时间浪费。而且最后定位信息的 存储也可以用于位置的估算。 二是在以上情况不满足时，并且接收机自身不能获取 GPS 卫星信号

9、，此时采用网络辅 助功能来进行辅助定位。 应用层 传输网络层 链路层 硬件接口 RF 芯片 8M Flas h 搜索引擎 12 通道相关器 VS_DSP ROM RAM 基带芯片 接收 2 系统硬件组成 目前能够提供 AGPS 功能的终端， 采用的大多数为双 CPU 结构，使用的是带有协议栈 的 Modem，体积大，耗电高，价格昂贵并且携带不便。针对以上情况，本设计采用单 CPU 结构，并采用节电方式，使得系统耗电低，选用不带协议栈的无线 GPRS Modem，把 GPS 接收机与无线 GPRS Modem 集成到一起，缩小了体积，降低了价格， 并且携带方便。 其中 GPS 接收机主要包括以下

10、几部分，射频芯片，基带芯片,16 位 VS_DSP 处理器， 8Mflash,96kRAM，16kROM 等。带实时操作系统的 GPS 接收机与无线 GPRS Modem 模块 的集成是通过 RS_232 进行连接的。系统硬件示意图如图 2 所示： 图 2 AGPS 客户端硬件示意图 3 软件设计及实现 本系统中 AGPS 实现的原理是在控制中心设有一个功能很强的 GPS 接收机，它能够很 好的接收 GPS 卫星信号，并存储卫星信息，并能够通过 Internet 网络进行传输。客户端在 不能获得有效卫星信息定位时，可以通过 GPRS 拨号上网，向控制中心请求卫星定位的辅 助信息，然后根据接收到

11、的卫星星历及时间信息，进行时间同步后确定自己的位置，从而 达到辅助定位的功能。根据目前移动公共网络信号稳定、收费较低廉、容易扩展等特点， 作为 GPS 接收机和服务中心的通信网络具有很大的优势。这种辅助定位的实现对于提高 GPS 接收机定位性能具有很大的意义。 该设计方案中采用无协议栈的 GPRS Modem，软件部分主要完成客户端与中心的无线 通信功能并且能够对接收到的中心数据及指令进行解析处理。 3 . 1 T C P / I P 协议栈的实现 TCP/IP 协议栈的层次框图如图 3 所示： 图 3 TCP/IP 协议栈层次图 无线 GPRS Modem RTOS GPSRS232 XMP

12、P TCP/IP(UIP) PPP GPRS_MODEM PPP UIP_APPCALL uip_input() uip_periodic() 各层功能的实现： （1）应用层协议采用 XMPP 协议，它是一种即时通信协议，以 XML 流为数据传送格式， 符合“在线“模式2，而且 XML 格式是纯文本格式，易于解析和理解。XMPP 协议的建立 首先要初始化流，它可以看作是建立开始端与接收端的会话（session） ；然后进行流认证和 资源绑定，资源绑定后进入到在线状态（） ，在此状态下就可以发送 XML 流数 据了。传输的 XML 流主要包括 GPS 接收机提供的定位数据，它是利用 xml_fo

13、rm()函数生 成的 XML Message 数据；在 GPS 卫星信号不能获得时发送星历请求信息，它是通过生成 的 XML IQ 数据传输的；接收的信息包括控制中心提供的辅助信息和控制命令，也是通过 XML Message 形式传输的，该客户端能够通过 xmlparseers.c 程序进行解析并进行响应处理 处理。XMPP 应用层与 UIP 传输网络层的接口是通过在 XMPP 初始化时设置设置 T C P / I P 协 议 监 听 端 口 为 X M P P 应 用 5 2 2 2 。 并 在 x m p p . h 中用 语 句 # d e f i n e U I P _ A P P C

14、 A L L x m p p _ a p p c a l l 定义 X M P P _ A p p c a l l ( ) 为 T C P / I P 应用层处理函数，并定义它的状态。这样， 每当 U I P 发生某种事件时就会调用它，例如接收包中有新数据、收到回应包、超时等。 （2） 传输网络层协议采用一种小型 TCP/IP 协议uip0.6，它适用于小型嵌入式系统的使 用代码量小，占用内存空间小，适合在原系统中嵌入。TCP/IP 协议栈的实现本系统采用了 开放源码 UIP0.6 它使用基于事件的编程模式，在响应一定的事件时，应用被当作被 UIP 调 用的一个函数来实现。在接收到数据、数据被

15、成功的发送到连接的另一端、建立了新的连 接或者数据被重发时，UIP 调用应用。应用程序仅提供一个回叫信号函数，由应用来处理 映射不同的网络设备到不同的端口和连接3。UIP 与应用层及底层的接口关系如图 4 所示： 图 4 UIP 函数调用关系 （3）链路层采用点对点协议 PPP 协议,它是一种拨号上网协议，在本系统中通过它向移动 网进行 GPRS 拨号上网。链路层的实现采用 PPP 协议。PPP 运行在硬件接口之上，它提供 LCP、PAP、和 IPCP 协商所需的合适机制。 3 . 2 底层驱动的实现 GPRS Modem 驱动：GPRS modem 驱动，通过串口向 Modem 发送 A T

16、 命令。主要发 送的 A T 命令有 transmit(“AT+CGDCONT=1,IP,“CMNET“r“)，进行网络配置。 transmit(“ADT*99*1#“) 进行 GPRS 的拨号上网 串口驱动：使用 RS- 232 串口标准，调用 VS_DSP 中提供的系统 API 实现。用到的基 本的 API 如读串口 PORT_ReadByte(_pUserPort, &buf)， 写串口 PORT_WriteByte(_pUserPort, &buf)。 XMPP UIP PPP Periodic timer 3 . 3 辅助信息的获取 在 GPS 接收机系统中增加了现在的通信功能后，为 AGPS 的实现提供了基础。根据定 位系统提供的不能定位标志，进行辅助信息申请，向中心发送辅助信息请求，并仿照 ICMP 协议的时间戳方式来同步时间。中心发送辅助星历、GPS 时间等辅助信息到 GPS 客户端， GPS 客户端将接收到的辅助信息存储到 Flash 中，以备导航解算任务利用这些信息进行计 算，这样提高了搜星速度，从而达到快速定位的目的