消防模擬常規(guī)無線通信系統(tǒng)在定位中的應用

湯亞魯

(青島市公安消防支隊，山東 青島 266071)

0 引言

當前應用較廣泛的定位系統(tǒng)主要有美國GPS定位系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟GALILEO系統(tǒng)、中國北斗定位系統(tǒng)、三大運營商的手機定位等。這些定位信息的傳輸均依賴于通信運營商的公網(wǎng)系統(tǒng)，在消防部隊應用中主要存在傳輸安全問題和內(nèi)網(wǎng)接入受限等問題。在消防專網(wǎng)數(shù)字通信系統(tǒng)還沒有大規(guī)模投入使用之前，消防部隊還在大量使用模擬常規(guī)無線通信系統(tǒng)作為主要專網(wǎng)通信手段。為充分挖掘現(xiàn)有通信資源的潛力，在常規(guī)模擬通信系統(tǒng)中實現(xiàn)定位功能，筆者對模擬電臺的定位進行了詳細研究和廣泛應用。

1 定位控制中心建設

定位控制系統(tǒng)以電子地圖和空間信息系統(tǒng)為支撐平臺,實現(xiàn)定位跟蹤[1]。定位控制中心接收對講系統(tǒng)傳來的GPS定位信息，并以標準GPS信號格式，輸入計算機GIS系統(tǒng)。主要由由數(shù)據(jù)接收服務器、應用服務器、GIS服務器、數(shù)據(jù)通訊服務軟件，中心服務端軟件、監(jiān)控中心軟件和電子地圖等組成。終端電臺定時采集來自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)，通過模擬常規(guī)無線通信通道上傳至控制中心接收臺，中心接收臺接收并輸出標準GPS定位信息，通過串口方式傳送到 GIS系統(tǒng)。GIS系統(tǒng)在顯示實時定位信息及其當前狀態(tài)情況的同時，借助消防指揮調(diào)度網(wǎng)，把采集到的信息保存到數(shù)據(jù)庫。通過調(diào)度指揮網(wǎng)，授權人員可以實時監(jiān)控到消防隊員的位置和車輛實時運行情況。

定位控制中心通過串口的參數(shù)（串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位）的設置控制和保存GPS數(shù)據(jù)。通過發(fā)送串口BIIS命令是否收到中心臺響應，測試中心臺的串口連接是否正常。處理后的GPS數(shù)據(jù)包括識別號、本地日期和時間、數(shù)據(jù)有效性、經(jīng)緯度坐標、速度、方向等寫入數(shù)據(jù)庫。GIS上用不同的圖標表示不同類別的信號源，如人、車等，用不同的圖標表示信號源不同的狀態(tài)。實時監(jiān)控定位時，信號源圖標顯示當前電臺使用者的相關信息；歷史軌跡回放時，根據(jù)記錄的信號源、電臺使用者和時間的對應關系，顯示當時電臺使用者的相關信息。

2 定位電臺改裝

2.1 電臺硬件改裝

車載臺帶有GPS接口，訂制與車載臺GPS接口相匹配的 GPS信息采集芯片板卡，GPS采集板卡輸出端插接車載電臺GPS接口，輸入端通過串口線接GPS天線。手持對講機需要加配肩咪，通過放置肩咪內(nèi)的GPS信號接收處理器，實現(xiàn)手持對講機的GPS信號接收。改裝后的車載臺和手持對講機通過無線發(fā)射和中轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)發(fā)GPS信息，由中心控制臺接收并輸入控制管理系統(tǒng)。

2.2 電臺內(nèi)置軟件處理

電臺要正確傳輸GPS信息，必須刷機重新寫入包含處理GPS信息所必要的固化軟件。最主要的是要合理設置每條 GPS定位信息的自動發(fā)送時間間隔。終端電臺GPS定位信息的自動發(fā)送時間的最小間隔直接決定了單位時間內(nèi)定位電臺終端的容量。經(jīng)試驗多種算法壓縮GPS定位信息數(shù)據(jù)表明，每個模擬車載臺GPS定位信息的自動發(fā)送時間的最小間隔可以最少達到 0.5 s，但模擬傳輸受限，最小間隔設定0.5 s發(fā)送GPS數(shù)據(jù)時并不能保證每條數(shù)據(jù)都能正確接收。經(jīng)反復試驗，在現(xiàn)有模擬通信條件下，車載臺GPS定位信息的自動發(fā)送最小時間間隔設定為1 s時，可以穩(wěn)定地發(fā)送和接收每條數(shù)據(jù)。這樣如系統(tǒng)設定1分鐘更新1次定位信息的話，每個模擬通信頻道就可以容納60輛車進行定位。

2.3 頻率資源分配

終端電臺傳輸GPS定位信息數(shù)據(jù)必須占用1個通信頻道，如何避免GPS定位信息數(shù)據(jù)傳輸占用語音通話頻道，是電臺定位應用首先要解決的問題，否則影響語音通話這個主要功能就失去了使用電臺的意義。解決這個問題可使用跳頻頻通信技術，自適應跳頻技術是進一步提高抗阻塞干擾能力的重要途徑[2]。將GPS數(shù)據(jù)和語音分開兩個信道進行傳輸。GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，迅速切換到另一個信道，傳輸完畢，自動切換到語音信道。由于跳頻傳輸?shù)臅r間非常快，基本影響不到正常通話。這樣可以徹底避免GPS數(shù)據(jù)傳輸和語音傳輸?shù)臎_突，能夠在現(xiàn)有模擬常規(guī)通信網(wǎng)絡上真正實現(xiàn)GPS定位。實現(xiàn)跳頻必須在固化軟件里寫入相關程序并在電臺頻率表中指定要跳到的頻率數(shù)值。

3 傳輸鏈路實現(xiàn)

在模擬常規(guī)系統(tǒng)中傳輸GPS數(shù)據(jù)暨可以使用單頻點，也可以使用雙頻點。雙頻點通過同頻同播技術可以實現(xiàn)全市大區(qū)無線覆蓋。單頻點覆蓋范圍有限，需設置多處接收點再通過內(nèi)部網(wǎng)絡匯總接收才能實現(xiàn)全市覆蓋。

3.1 大區(qū)同頻同播網(wǎng)覆蓋

為確保GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)母采w范圍，實驗建設了消防350兆模擬常規(guī)同頻同播傳輸系統(tǒng)。包括1個控制中心，10個同播基站，無線鏈路，全雙工。使用數(shù)字信號處理技術（DSP），信號的處理準確迅速；各同播基站使用GPS衛(wèi)星時鐘信號進行鎖頻, 基站的發(fā)射載波頻差小于 10 Hz，經(jīng)過調(diào)試各發(fā)射機調(diào)制端的音頻信號幅度特性差在1 dB以內(nèi)。保證每一次發(fā)送信號控制系統(tǒng)都有足夠的時間進行判選，信令控制系統(tǒng)可對多個同播基站進行判選、控制、管理。實驗表明在常規(guī)模擬同頻同播網(wǎng)中傳輸GPS數(shù)據(jù)，與在單個中繼臺傳輸并不相同，終端電臺同樣的設置，在單個中繼臺中能正常傳送，在同播系統(tǒng)中就不能很好的傳送。經(jīng)不斷實驗和分析判斷，發(fā)現(xiàn)是由于終端電臺發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)量很小、速度太快，信號小到不能激活同播系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)播。由于電磁環(huán)境的復雜性,在無線信道上存在各種噪聲與干擾信號[3]，同播系統(tǒng)為了確保話音質(zhì)量采取了一定程度的降噪措施，過短的信號會被作為噪聲處理掉。經(jīng)分析研究可采取在終端電臺發(fā)射GPS數(shù)據(jù)信號之前0.5 s預先發(fā)送一個空信號來激活同播基站的辦法解決。經(jīng)在終端電臺固化軟件里增加預發(fā)空信號的命令，最終順利解決了該問題。實現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)傳輸同頻同播網(wǎng)全市大區(qū)覆蓋。

3.2 分散接收與專網(wǎng)匯總

采用單頻點傳輸不存在激活基站的問題，但需設置多處接收站點。可以在各消防大隊或中隊設置接收臺，接收臺通過串口單向與計算機連接，計算機安裝接收控制軟件將接收的GPS數(shù)據(jù)通過指揮調(diào)度專網(wǎng)傳送到支隊GPS控制中心服務器。該方式實現(xiàn)了無線通信與有線專網(wǎng)通信的結(jié)合，節(jié)省了建設同頻同播基站的投資，但增加了接收節(jié)點和接收臺的數(shù)量，后期維護任務較重。

4 結(jié)語

文中通過建設GPS控制中心和對現(xiàn)有消防模擬常規(guī)電臺終端的改造，實現(xiàn)了無線對講、GPS數(shù)據(jù)采集與傳輸、GIS定位圖示的有機結(jié)合，最大程度的發(fā)揮了當前模擬無線通信系統(tǒng)的效能[4]。免除了租用公網(wǎng)運營商無線鏈路傳輸GPS數(shù)據(jù)的費用，實現(xiàn)了內(nèi)網(wǎng)接入，消除了安全隱患。不足之處是電臺傳輸GPS數(shù)據(jù)占用頻率資源，模擬系統(tǒng)占用資源多容量較小，覆蓋范圍有限。目前中國正在積極展開自主知識產(chǎn)權的數(shù)字對講機的研發(fā)工作,以及數(shù)字對講機協(xié)議的制定[5]。未來還應全面向數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)展。

[1] 陸文昌,畢世高. 車輛監(jiān)控系統(tǒng)中車載 GPS定位終端的設計[J]. 通信技術,2010,42(07):201-203.

[2] 殷文龍,陳浩楠,沈良,等. 基于概率映射的短波自適應跳頻方法[J]. 通信技術，2012,44(03):1-3.

[3] 胡薇，李大雙. 無線高速鏈路快速可靠傳輸方法[J].信息安全與通信保密，2011(06):.

[4] 李盈,朱光喜.無線通信系統(tǒng)認證方案與實現(xiàn)[J]. 信息安全與通信保密，2006(02):53-55,58.

[5] 彭天偉，凌朝東，楊驍. 數(shù)字對講機中語音信號處理的研究[J].通信技術，2011,43(10):58-60.