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第15章 现代物流信息系统技术基础(10)

根据Insteon的空中接口规范,用电力线上的零交叉点可实现电力线设备和无线设备全网同步。Insteon网络中有标准报文和扩展报文两种,其中电力线上传输的报文长度与无线传输的报文长度不一样,传输时报文需要分割成多个分组,每个分组中需要加入额外的同步比特,且只能在1.823ms的零交叉期间(电压零点前0.8ms至后1.023ms)传输,每个零交叉期间传输的24bit,标准报文和扩展报文长度分别为120bit、264bit,因此传输一个标准报文需6个零交叉,最后一个为静默期,传输一个扩展报文需13个零交叉,最后两个为静默期。无线信道上的标准报文和扩展报文分别为112bit和224bit,需要时间为2.708ms和5.625ms。

Insteon技术利用联播转发机制,因而不需要路由机制,也不需要网络中心控制器。

联播转发为接收报文的设备,在报文转发跳数为非零、目的地址与自己不相符的情况下,在下一个发送周期转发该报文。联播转发机制有两个优点:省略路由,简化设备;提高报文传输的可靠性。

“简单”是Insteon的主要特点和优势:Insteon的安装简单,无需网络设备的登记;Insteon的分组传输也简单,不需要网络控制器,也无需路由,而且相对来说网络中的设备越多越好。Insteon虽简单,但功能不单一,基于Insteon的设备可以通过网络桥接实现与基于Wi‐Fi、蓝牙等设备组成的网络进行互联通信。除此之外,Insteon和X10相兼容,它们的信号可以在电力线上共存。这样使得制造商们可以设计基于Insteon/X10混合模式的产品,而且它们可以平等地在各自的环境下运行,同时基于X10的产品可以很容易地升级到Insteon,这使得市场上遗留下来的基于X10的产品不会被淘汰,深受制造商和用户喜爱。基于Insteon技术的特点,Insteon将来定会在家庭智能化中得到广泛应用,带给人们既便利又丰富的家居生活。

(4)HomePlug

HomePlug的全称是Home Plug Power Line Alliance,称为家庭插电联盟。家庭插电联盟由松下、英特尔、惠普、夏普等13家公司于2000年3月成立,现已发展成为由90家公司组成的企业联盟,其宗旨是联合包括应用电子、消费电子、软件、硬件、零售等行业的着名公司,致力于为各种信息家电产品建立开放的电力线互联网络接入规范。Home‐Plug的目标是只通过在安装好的插座上插入电源插头即可构筑起局域网。通过新技术,利用普通的电力线可以传输互联网上的资料,电话、电冰箱、摄像机、电脑及电视等家用电器将来都可以直接用电线插座就能互联在一起。

HomePlug能在电力线上实现可靠的通信主要是在物理层和媒质访问控制子层用了适当的技术。HomePlug在物理层采用正交频分复用技术(OFDM),而且是以突发模式而不是以连续模式来使用OFDM的。OFDM是一种多载波调制技术,它可以提高电力线网络的传输质量。此外,HomePlug还利用交错连接的Viterbi和Reed Solomon FEC处理有效负荷数据,用Turbo Product编码(TPC)处理敏感控制数据字段。

HomePlug的媒质访问控制协议采用的是载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的变体,其增添了支持优先级,提供公平性并允许对等待时间控制的新特性。采用CSMA/CA,物理层也就可以支持突发传输和接收,也就是说,每个客户只在有数据要发送的时候才启用发射机,数据发送结束,就立即关闭发射机,同时发射机回复到接收模式。

目前,HomePlug联盟推出的HomePlug1.0标准支持达到通过在10BaseT上的文件传输速率,理论上的最大数据传输率为13Mbps,不过由于该标准将一部分带宽用于网络协议任务,因此实际最大吞吐率约为8.2Mbps。在参与HomePlug1.0标准测试的家庭中,标准能够适合98%的家庭电气插座,80%以上的家庭平均吞吐率约为5Mbps,这个测试结果打消了人们对电力线联网可行性的顾虑。可想而知,将来会有许多厂商会生产支持HomePlug标准的产品,用户可以用同一条电线既联网又供电,这使得该技术得到推广。

2.4 物流动态跟踪与控制技术

2.4.1 GPS技术

1.GPS系统概述

GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近10年我国测绘等部门的使用表明,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显着特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

全球定位系统是美国第二代卫星导航系统,是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样,全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

按目前的方案,全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万km的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道,运行周期约为11小时58分,分布在6个轨道面上(每轨道面4颗),轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球的任何地方,任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据,利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

每颗卫星以1575.42MHz和1227.6MHz两种频率为军事用户播发加密的高精度导航数据(称P码),定位精度可达到15m,测速精度为0.1m/s,授时精度为100ns。同时以1575.42MHz的频率为民用用户播发精度较低的导航数据,定位精度为100m。

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点,是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,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。

2.GPS的组成

GPS系统包括三大部分:空间部分——GPS卫星星座、地面控制部分——地面监控系统和用户设备部分——GPS信号接收机。

(1)GPS卫星星座

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS四星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55°,各个轨道平面之间相距60°,即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°,一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。

在2万公里高空的GPS卫星,当地球对恒星来说自转一周时,它们绕地球运行两周,即绕地球一周的时间为12恒星时。这样,对于地面观测者来说,每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同,最少可见到4颗,最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时,为了计算测站的三维坐标,必须观测4颗GPS卫星,称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时,甚至不能测得精确的点位坐标,这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的,并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

(2)地面监控系统

对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数计算得到的。每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。

然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

(3)GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是:能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。

GPS卫星发送的导航定位信号,是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户,只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备,即GPS信号接收机,就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同,用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机,产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。

静态定位中,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变,接收机高精度地测量GPS信号的传播时间,利用GPS卫星在轨的已知位置,解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰、空中的飞机、行驶的车辆等)。

载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动,接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。

接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包,构成完整的GPS用户设备。

GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说,两个单元一般分成两个独立的部件,观测时将天线单元安置在测站上,接收单元置于测站附近的适当地方,用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体,观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中,机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止丢失数据。

近几年,国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时,其双频接收机精度可达5MM+1PPM.D,单频接收机在一定距离内精度可达10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

目前,各种类型的GPS接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测。GPS和GLOVASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

2.4.2 GIS技术

1.地理信息系统概述

地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是以地理空间数据为基础,采用地理模型分析方法,把图形管理和地理空间数据管理有机地结合起来,对各种地理空间信息进行收集、存储、分析和可视化表达,为地理研究和地理决策提供信息服务的技术系统。

GIS概念的提出要追溯到20世纪50年代。由于电子计算机科学的兴起和它在航空摄影测量与地图制图学中的应用,使人们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据,并希望通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务,这样就导致了地理信息系统的问世。进入20世纪90年代,随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及,GIS逐步成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。

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