基于单片机的GPS导航装置设计

常州机电职业技术学院毕业设计（论文）作 者： 印 坤 学 号： 系 部： 信息工程系 专 业： 应用电子技术 题 目： 基于单片机的GPS导航装置设计 指导者：左亚旻评阅者： 2015 年 7 月 毕业设计（论文）中文摘要 本文以基于单片机的GPS导航装置设计为主要内容，围绕“单片机控制GPS模块实现定位导航功能”这一热点课题，利用u-blox公司的GPS模块和美国Cygnal公司的C8051F020单片机，制作了GPS接收板和相应的数据处理、控制终端。给出了系统的总体设计方案并阐述了终端设计方法、开发方法和开发过程。 文中首先阐述了课题涉及的相关知识，主要包括定位导航的原理、系统组成、技术特点。并从系统功能和系统结构出发，通过分析比较选出合适的实现方案，在此基础上对系统所需硬件模块的选取作了简要介绍。 然后针对系统的硬件设计、软件设计和软硬件联合调试等方面展开论述。本系统硬件设计分为两部分.:第一部分，接收板是以u-blox公司的GPS模块为核心并结合相关的外围电路实现。其中，接收天线的选取、天线座到模块RF 1N端的50欧姆阻抗匹配设计以及电源模块的设计等都在本文中作了详细阐述。第二部分，作为导航数据处理，定位控制以及显示部分的设计，对单片机、液晶屏(OCM12864)以及相关串口设计等也做了相应介绍。本系统的软件设计，采用C51语言编程，完成了单片机初始化程序、主程序(定位数据接收、处理)、液晶屏(OCM12864)初始化和显示程序的设计。最后文中详细描述了系统的实验调试过程、所遇到的问题以及解决方法，通过调试、修改，成功实现小范围的定位导航，完成课题设计的要求。并在此基础上提出了下一步的研究方向和工作。 关键词:GPS; C8051F020;阻抗匹配;OCM12864; 目录第1章 绪论41.1论文的研究背景51.2国内外研究现状及研究意义61.3本文的研究内容71.5论文的组织9第2章卫星定位系统相关技术92.1 GLONASS(格鲁纳斯)卫星定位系统92.1.1系统组成92.1.2技术特点102.2伽利略卫星定位系统102.2.1系统组成102.3中国“北斗”导航系统112.3.1系统组成112.3.2技术特点112.3.3定位原理122. 4 GPS卫星定位系统122.4.1 GPS系统的组成132.4.2技术特点142.4.3定位原理162.5目前各种卫星定位系统的比较172. 6 GPS系统的优点182. 7 GPS通信协议18第3章系统总体设计203.1系统功能203.2系统的组成203.3系统方案选取203.3.1常见导航定位系统实现方案203.4定位导航终端的硬件模块的选取223.4.1单片机的选取223.4.2 GPS模块的选取223.4.3液晶显示模块的选取22第4章系统硬件设计224.1系统终端的总体硬件结构224.1.1 GPS接收板的设计234.1.2单片机控制模块设计234.1.3 LCD模块电路设计254. 2 GPS接收板设计254.2.1 GPS模块LEA-5H介绍254.2.2天线的选取274.2.3阻抗设计284. 2. 4电源供电模块设计294.2.5 RS-232串口模块设计304.2.6工作指示电路设计314. 3单片机控制模块设计314. 3.1单片机C8051F020介绍314. 3.2 C8051 F020单片机的接口电路设计354.4 RS-232C串口模块设计374.4.1 RS-232C总线标准与电气特性374.4.2串行口电平转换芯片的选取374. 5 LCD显示模块384. 5. 1 OCM12864介绍384. 5. 2 LCD显示模块与C8051F020单片机硬件接口设计394.6系统抗干扰设计404.6.1 PCB抗干扰设计404.6.2软件抗干扰设计41第5章系统的软件设计415. 1系统时钟初始化415.2 1/0口的初始化425.3 UARTO的初始化435. 4 LCD模块的初始化455.4.1指令描述455.4.2接口时序465.4.3 LCD模块的初始化程序Zs47第6章系统调试及结论496. 1系统调试软件介绍496. 2接收板硬件系统调试506. 3单片机硬件系统调试53第7章结论547. 1结论547.2建议55致谢55参考文献56附录57附录A管脚分配图57附录A. l GPS LEA-5H模块引脚封装图58附录B电路原理图59附录B.1 GPS接收板原理图60附录C本文所用到的英文检索词61第1章 绪论 众所周知，全球定位系统(Global Positioning System，以下简称GPS)是一种广泛使用的卫星定位系统，在地球上空分布有24颗卫星，用户通过GPS接收机接收卫星信号，就可以实时地获得高精度的三维位置/速度和时间信息，给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体、实时的定位能力。目前许多国家已经批量生产各种GPS终端模块，俄罗斯的GLONASS系统应用已经有几年的历史，我国的北斗系统也开始进入了应用阶段，欧洲的伽利略计划己经启动。本课题设计正是基于此开展GPS自主定位系统的研究。由于GPS导航定位系统作为一个新兴的高新技术产业，技术含量相当高。发展我国的导航定位产业适逢其时，机不可失。随着现代科学技术的不断进步，导航定位相关产品的成本在不断下降，可以预言，导航与定位系统将向着小型化，智能化，多功能化方向发展。1.1论文的研究背景 GPS即全球定位系统。它是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统11。这个系统可以保证在任意时刻，在地球上任意一点都可以同时观测到4颗以上卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。它可用于引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线准时到达目的地。从而有效的降低了用户为了寻找目的地而付出的资源浪费，从一定程度上提高了作业效率、科学水平以及人们的生活质量。随着经济社会的发展，GPS的应用己经深入到国民经济的各个领域，主要包括大地测量，工程测量，航空摄影线路勘测，智能交通等。 目前国外己有两大卫星导航定位系统在运行:一是美国的全球定位系统(GPS ),二是俄罗斯的“格鲁纳斯”(GLONASS )定位系统。但是这两个系统都受到美、俄两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证。为了能在卫星导航领域中占有一席之地，因而欧盟决定启动军民两用的与现有的卫星导航系统相互兼容的全球卫星定位系统计划一“伽利略”(GALILEO)计划。该计划还在实施当中。 我国使用的是“双星定位系统”，自行研制的第一颗导航定位卫星一“北斗导航试验卫星”于2000年10月31日成功发射。为满足国内卫星导航需求，我国自行建立了第一代卫星导航系统一双星导航定位系统(北斗一号)。2000年12月21日我国成功发射第二颗“北斗导航试验卫星”，与发射的第一颗“北斗导航试验卫星”构成了“双星导航定位系统”。该系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。该系统将用于交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安及其他领域的导航定位服务。这将标志着我国将拥有自主研发的第一代卫星导航定位系统。 但是就目前运行情况来看，俄罗斯由于经费原因导致在轨卫星数目不足6颗无法独立成网，而伽利略和北斗系统正在建立过程中，所以GPS卫星导航系统无疑占据着最大的市场并有着最高的工作稳定性。所以在本文所研究的课题中，所用的导航定位系统仍然是美国建立的GPS定位系统。1.2国内外研究现状及研究意义 从上个世纪九十年代开始，各发达国家都加快了导航定位系统的研制开发速度。运用现代信息技术、通信技术、定位技术、控制技术，大大提高了人们的出行安全和工作效率，为现代信息社会提供了准确、迅速的出行服务。由于经济发展的差异，以及GPS等技术都是由国外首先拥有和使用，所以国外在GPS导航定位系统的研究、应用方面都比国内早，现在已经有比较成熟的产品。但是，由于导航定位系统有强烈的本地特色，例如当地的网络状况和地图信息的不尽相同，使许多国外导航定位系统产品不能够简单的应用于中国。国内也有许多公司和机构参与导航定位系统的研制，各家正在研制和已推出的系统之间，应该说各有优缺点。由于现在可用于系统的技术选择比较多，每个公司都在根据自己最熟悉的技术，或依据自己对市场和现有以及未来技术发展方向的理解，构建自己的系统。我国的GPS卫星导航定位系统研究起步晚，基本上处于对国外研究的比较、学习阶段。后PC时代的来临为我们快速拉近与发达国家的相关科技距离提供了前所未有的机遇。 随着社会信息化的日益发展，GPS的应用己经深入到国民经济的各个领域，其发展方向是监控跟踪及导航相结合，其长远发展则是导航、测量、线路勘测、智能交通、通信等。本文提出的导航定位终端设计方案，将终端设计为一个基于单片机C8051F020的简易导航定位系统，可实现GPS导航、电子地图实时定位等功能。虽然与现阶段比较成熟的定位导航产品有一定差异，但也算是对定位导航的一种简单尝试。本课题的研究意义主要有如下几个方面: (1)随着中国经济的飞速发展，人们的出行越来越频繁，GPS应用也越来越广泛，GPS导航定位系统的研制具有很大的实用价值和市场前景，但是从系统的技术水平、产品的质量和成熟程度来说，我国还处在往上发展的时期。目前，城市建设发展速度越来越快，道路变得也越来越复杂，在这种情况下，找到一种方式，使人们能够从容的面对错综复杂的交通网，已经迫在眉睫。利用GPS进行定位是个不错的选择。 (2)纵观国内的GPS导航市场，成型的GPS导航定位产品价格各异，少则上千多则上万，且性能差距较大。昂贵的费用不仅让众多消费者望而却步，而且定位精度的落差时常使得他们怨声载道。因此研发一套价格适合中低层用户且定位精度高的GPS导航系统，具有相当的市场前景。也是对导航定位技术运用的一种初步尝试。 (3) C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核。其内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM, ROM, I/0口、定时/计数器、ADC, DAC, PCA, SPI和SMBus等部件，即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统(SOC )。具有与80C51系列单片机相同的指令系统，并且功能更加全面。因此将C8051F020单片机运用于本次设计，也是一种新的尝试，也加深了对C8051F系列的掌握。 (4)针对导航电子地图，由于生产厂家各自为阵，电子地图的数据质量也参差不齐，没有统一的标准。如果利用专业电子地图开发软件，其开发成本昂贵。并且随着我国城市建设和改造步伐加快，城区道路不断新建，错综复杂的道路时而涌现。因此如何根据用户实际需要，开发出一套价格低廉且适合于用户工作环境的导航地图尤为重要。1.3本文的研究内容 GPS定位导航终端中控制器的选择直接影响到整个系统的性能。目前，定位导航终端一般采用基于嵌入式、单板机或单片机的实现方案。基于嵌入式的车载定位航终端开发难度较大，开发周期也相对较长;单板机开发成本较高，体积大，一般适用于大型基于单片机的GPS导航装置的设计监控系统。因此，为了开发成本低、体积小、性能稳定的定位导航终端，选择一种合适的控制器至关重要。如今，高性能、高可靠性、低价位的SOC单片机己经广泛应用于工业控制领域，使用SOC单片机不仅可以优化系统性能，而且节约了资源和成本。SOC单片机克服了普通单片机功能单一、资源分配不灵活的缺点，从众多单片机中脱颖而出。选择合适CPU内核和IP模块构架成具有特定功能的SOC单片机，使得其满足位导航终端功能所需。本文设计的GPS定位导航终端采用基于SOC技术的单片机C8051F020作为核心控制器，优化了系统性能，节约了成本，缩短了开发周期。 该课题主要的任务是:以Silicon Labs公司生产的C8051F020芯片作为系统中心控制处理器，结合部分外围器件设计出控制、显示的硬件电路，并通过自制的GPS接收机接收来自GPS定位卫星的定位信息。系统通过串口实现和GPS接收机通信，实时提取相关的定位数据(经度、纬度、高度等)并通过自制的电子地图，由液晶屏显示用户位置，实现导航定位的目的。1.4课题完成的工作 I.本文所做的工作主要有以下4点: (1)研究了目前国内外GPS导航系统的发展现状、GPS技术，讨论了定位导航终端的设计以及先进的SOC单片机技术。 (2)选择合适的GPS模块和SOC单片机，构建基于SOC技术的定位导航终端，并进行可行性论证。 (3)设计了GPS接收板电路和控制板电路并制作PCB板。焊接元器件做系统调试。 (4)通过核心控制器C805IF020与GPS接收机进行通信，提取定位数据并进行处理和定位显示，实现定位导航终端的基本功能。 (5)通过实际点的取样，对道路进行描绘。实现简单的自制电子地图显示。 (6)将基于SOC技术的定位导航终端应用于实际定位导航中，对定位导航终端进行灵敏度和定位精度测试。1.5论文的组织 论文的第一章为绪论，介绍了论文研究的背景以及国内外研究的现状和研究意义等内容:第二章对GPS全球定位系统各方面作简单介绍和进行一般性的论述;第三章系统总体设计;第四章提出了系统硬件设计，根据各模块功能进行硬件电路芯片的选择和线路连接;第五章主要简要介绍系统软件设计;第六章为系统调试总结，阐述了在调试过程中所遇到的问题及解决方法。第七章总结，概括了所做的工作及不足，并给出下一步的研究方向。第2章卫星定位系统相关技术2.1 GLONASS(格鲁纳斯)卫星定位系统 该系统是1982年底由前苏联开始建设，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于1996年建成全球导航定位系统(Global Navigation Satellite System- GLONASS )。该系统与美国的GPS系统同属于第二代卫星定位系统(3a2.1 .1系统组成 1)卫星星座:全球导航定位系统的空间卫星星座，由分布在三个独立椭圆轨道的24颗GLONASS卫星组成(另加1颗备用卫星)，平均每个轨道上分布8颗卫星，各轨道升交点的赤经相差120度;轨道偏心率e=0.01;卫星轨道倾角为64.8度;卫星运行周期T=11时15分(恒星时11.28小时);卫星高度H=19100km;卫星设计的使用寿命为4.5年，直至1995年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于19%年1月18日整个系统正式运转; 2)地面系统:地面控制站组(GCS)设有1个系统控制中心，1个指令跟踪站(CTS整个跟踪网络分布于俄罗斯境内;CTS跟踪遥控着所有GLONASS可视卫星，对其进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。在GCS内装有激光测距设备对测距数据作周期修正，为此所有的GLONASS卫星上都装有激光反射镜。2.1.2技术特点 1)卫星信号 每颗GLONASS卫星配有艳原子钟，以便为所有星载设备提供高稳定的时标信号。GLONASS卫星同样向地面发射两种载波信号L1载波信号的频率为MHz;LZ载波信号的频率为1246 1256MHz;其中L1载波信号为民用，L2载波信号为军用。GLONASS卫星之间的识别方法采用频分复用(FDMA)技术，L1载波信号的频道间隔为0.5625MHz, L2载波信号的频道间隔为0.4375MHzo GLONASS卫星测距粗码(C/A码)的频率为0.511 MHz，码长为511比特，重复周期为lms; GLONASS卫星也采用类似GPS信号的P码; 2)定位精度水平精度:士50-70m;垂直精度:士75m;测速精度:士15cm/s; 3)定位原理 与GPS相同。2.2伽利略卫星定位系统 为了打破美国GPS在卫星导航定位领域的垄断，1999年欧洲提出了建立伽利略(Galileo)导航卫星系统的计划，这是欧洲开发的最重要的航天计划。2005年12月27日，第一颗伽利略卫星GLOVE-A发射升空，第二颗卫星GLOVE-B于20%年发射，这标志着伽利略卫星定位系统正式进入实施论证阶段。伽利略卫星定位系统是欧洲空间局(ESA)主导的全球卫星导航系统，由27+3颗卫星分布在3个轨道平面上，计划于2008年运行，目前己经推迟到2010年。伽利略卫星定位系统将提供高精度、全球覆盖的导航定位服务，并可以与GPS, GLONASS互操作和兼容。2004年10月，中欧Galileo计划技术合作协议在北京正式签署，中国投入2亿欧元参与了这项计划(9l02.2.1系统组成 1)卫星星座:由3个独立的圆形轨道，30颗中等高度卫星(MEO-Middle Earth Orbit)卫星组成(27颗工作卫星，3颗备用卫星)。卫星的轨道倾角为56度，公转周期T=14小时23分14秒，轨道高度H=23616km; 2)地面系统:在欧洲建立2个控制中心，在全球构建监控网; 3)定位原理:与GPS相同; 4)定位精度:导航定位精度比目前任何系统都高。2.3中国“北斗”导航系统 GPS和“格鲁纳斯”都是为军事应用而发展起来的，完全由军方控制，无法保证服务信息始终保持不中断。例如，美国在20世纪90年代的海湾战争期间，不仅中断了全球定位系统，而且给P码加密，使对方无法使用。虽然“伽利略”系统是一个民用卫星导航系统，一旦发生战争，这个导航也会遭到控制，特别是美国会直接插手“伽利略”。在卫星导航系统发展过程中，出于军事需要的考虑，中国必须发展自己独立的系统。 2000年10月31日和12月21日，我国发射了两颗北斗一号卫星，并由其构成独特的“双星有源定位系统”。第三颗北斗一号卫星于2003年5月25日发射升空，它是导航定位系统的备份星，与前两颗工作卫星组成我国具有自主知识产权的第一代卫星导航定位系统(102.3.1系统组成 1)卫星星座:由3颗同步静止卫星组成(其中1颗在轨备用)，分别定位于东经80度和东经140度，轨道倾角i=0度，公转周期T=24小时，轨道高度H=36000km; 2)地面系统:一个中心站，负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时、发送导航电文，监视和控制整个系统的工作情况等; 3)标校系统:有测轨、定位、测高三类标校站。测轨标校站为精确测量卫星的位置提供基准测量数据;定位标校站为差分定位提供基准测量数据;测高标校站为气压测高法提供基准测量数据。2.3.2技术特点1)服务区域:东经70度145度，北纬50度55度;2)用户设备:定位收发机的瞬间发射功率较大;3)定位精度:平面精度士20m,垂直精度士l Or n.2.3.3定位原理 北斗导航定位系统的定位原理为:地面中心站通过2颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面相交产生两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上(这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的)。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程一进而让卫星转告用户。 北斗定位系统采用三球交会测量原理进行定位，即分别以两颗卫星为球心、到用户的距离为半径作两个球面，再以地球质心为球心，到用户的距离为半径作一个球面，三个球面的交会点就是用户的位置(计算时要排除其镜像点)。卫星到用户的距离可以用定位信号的传播延时计算出来，而地心到用户的距离则可用中心站的数字地形图查出或用气压高度表测量出来，于是求解如下方程可以计算出用户坐标(x0, y0, z0):(xi一xo)2 +(Yr一Yo)2 +(Z，一Zo)2=R;2,i=1,2,3 (2-1)式中，(xi, yi, zi) (i=1, 2, 3)分别表示卫星1, 2和地球质心的坐标。RI, R2,R3分别表示用户机到卫星1, 2和地球质心的距离。两颗卫星的坐标、地球质心的坐标以及卫星到用户的距离、地心到用户的距离都可以测出，所以可以解算出用户坐标。当然，在实际中要考虑到各种误差对测距的影响，以便对计算结果进行修正。北斗定位系统与GPS系统的主要区别在于:GPS采用的是非同步多卫星定位原理，一般要求获取4颗以上卫星位置和到用户的距离，才可以得到用户的经纬度和高程数据，其定位处理部分分散到各个用户机来完成。在双星系统中，高程值由数字地图或气压测高站提供。并且，信息处理中心具有定时和短报文通信功能al02. 4 GPS卫星定位系统全球定位系统(Global Positioning System)是美国从本世纪70年代由美国国防部批准开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，是具有在海、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。全球定位系统是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，采纳了子午仪系统的成功经验，是美国第二代卫星导航系统。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约20200千米的卫星组成卫星星座。24颗卫星(其中3颗为备用卫星)均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上(每轨道面4颗)，轨道倾角为55度。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。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。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，目前己遍及国民经济各部门，并开始逐步深入人们的日常生活。2. 4. 1 GPS系统的组成 GPS系统包括三大部分:空间部分一GPS卫星星座;地面控制部分一地面监控系统;用户设备部分一GPS信号接收机。 1)空间部分一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星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，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度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行约二周，绕地球一周的时间为差两分钟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。空间部分的三颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分的正常高效的工作极为重要。 在用GPS信号导航定位时，为了计算测点的三维坐标，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)地面控制部分一地面监控系统: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。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。注入站的主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入信息的正确性。这种注入每天对每颗GPS卫星进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。 3)用户设备部分一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，实时地计算出测点的三维位置，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，世界上有很多厂家生产GPS接收机，产品数目繁多，性能差异也各有千秋(6(7102.4.2技术特点 1)定轨精度:广播星历是由美国本土以及海外军事基地上的5个卫星监测站的观测数据解算的。因测站数量少，故卫星定轨精度不高;广播星历所预报的卫星位置的切向误差士5m;径向误差士3m;法向误差士3m。精密星历是由美国国防制图局根据全球20多个卫星跟踪站的观测资料解算的，因测站数量多且分布范围广故卫星定轨精度较广播星历高一个数量级。值得指出的是，由国际GPS地球动力学服务组织(IGS)所测算预报的精密星历比美国军方测定的精密星历的精度要高得多，卫星位置精度可达土3厘米; 2) GPS信号包含有三种信号分量，即载波、测距码和数据码。这些信号分量都是在同一个基本频率FO=10.23MHz的控制下产生的。每个GPS卫星在两个频率波段上发布独立信号。GPS卫星的测距和数据码是采用调相技术调制到载波上，即在两个波段(L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz)的载波信号中。粗获码(C/A码)是一种短码，用于跟踪、锁定测量的伪随机码，码率为1.023Mb/s，波长约为300米，周期为1Mso P码是GPS的精测码，码率10.23Mb/s l e 美国国防部1992年宣布在所有GPS卫星上实施选择可用性(SA,SelectiveAvailability)技术，降低C/A码的水平定位精度和垂直方向的定位精度，在水平方向上为100米，垂直方向上为156米。这种采用SA技术的C/A码定位技术称为标准定位服务精度(SPS, Standard Positioning Service). SA的实施有两种技术，一种是降低了卫星钟的短期稳定性，另一种是使卫星广播星历的精确性降低。由于SA的影响，引起的等效伪距测量误差大约为30米，这是影响GPS定位精度的最主要原因。由于美国SA政策(虽然美国己经宣布取消了SA，但是美国政府随时可能起用SA政策)，民用的定位精度，这样的精度在车辆导航系统中，往往会出现车子在A道路上，在监控中心的电子地图上却显示出车辆在B道路上行驶的问题。为了尽量降低SA政策对定位精度的影响和尽可能的消除或减少上面提到的误差，人们提出了差分GPS技术，即DGPS(Differential GPS)。 3)定位精度:利用伪随机码(测距码)的信号单机测量，理论上按照目前测距码的对齐精度约为测距码波长的1/100计算，测距粗码(C/A码)的测距精度约为士3m;而测距精码(P码)的测距精度约为士0.3m。为了消除公共误差提高定位精度，可利用2台以上的载波相位GPS定位仪实行联测定位，对于载波信号单频机的相对定位精度可达:士(5mm+2ppm X D)其中D为两台仪器的相对距离;对于载波信号双频机，它能有效的消除电离层延时误差，其相对定位精度可达:士(1 mm+lppm X D )。全球定位技术不但精度高，而且定位速度快，可以满足飞机、导弹、火箭、卫星等高速运动载体的导航定位的需要【131a2.4.3定位原理 GPS系统定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法确定待测点的位置，即如果能够知道到几个已知点的距离那么就可以求出所处的位置a GPS定位系统的己知点就是空中运行的GPS工作卫星。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度就可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集到至少四颗卫星的数据时就可以解算出三维坐标、速度和时间(如图2-1所示)301a 假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定四个方程式(如公式2-2所示): 上述四个方程式中待测点坐标x, y, z和vto为未知参数，其中di=cAti Q -I, 2,3, 4), di (i=1, 2, 3, 4)分别为卫星1、卫星2、卫星3,卫星4到接收机之间的距离。Oti (i=1, 2, 3, 4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。为GPS信号的传播速度(即光速)。 式中: x, y, z-待测点坐标的空间直角坐标。 xi, yi, zi (i=1, 2, 3, 4)一分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 Vti (i=1, 2, 3, 4)一分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。 vto一为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x, y, z和接收机的钟差Vt0 02.5目前各种卫星定位系统的比较 随着卫星全球定位系统的发展和应用，卫星导航技术现已基本取代了无线电导航、天文导航等传统导航技术，己成为一种普遍采用的导航定位技术，并在精度、实时性、全天候等方面取得进步。应用最广的是美国的GPS全球定位系统，以前由于美军人为施加了SA干扰，使美军之外的用户只能得到位置精度100米，授时精度340纳秒的服务。但随着19%年俄罗斯GLONAS S全球导航卫星系统的组建完毕和欧洲GALILEO导航卫星系统计划的启动，使美国政府迫于竞争压力于2000年5月1日撤销对GPS的SA干扰，使位置精度提升到20米，授时精度提高到40纳秒，并承诺加速星座改善，增加两个民用频率。尽管GLONASS系统没有进行SA千扰，但由于俄罗斯政府的经济状况不佳，无法及时发射新的卫星以替代达到或接近服务寿命的卫星。目前GLONASS系统19颗在轨卫星中只有12颗处于运转状态，这些卫星中只有7颗是改进型卫星，而其他的都达到或接近服务寿命终结。因此，GLONASS很难在由GPS统治的全球导航服务市场中占据一席之地。此外我国的北斗导航系统定位速度较慢，每次定位时间不少于0.6秒，不能连续导航，无法适应高动态环境，只能提供低动态和静态定位服务。而且北斗导航定位系统需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，从而使该系统的用户容量、导航定位维数、隐蔽性方面受到限制。虽然伽利略导航系统主要用于民用，且在导航精度上要优于其他系统，但是目前该系统正处于系统开发以及相关技术的验证阶段，离实用还有一段距离。当前在我国应用最多的还是美国的GPS系统yu102. 6 GPS系统的优点 GPS系统是一种全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统31。与其他导航系统相比，主要特点有如下几个方面: 1)定位精度高，观测时间短 GPS定位技术定位精度高，理论上可以达到五到十米;利用GPS进行导航定位，1秒即可完成一次定位，对高动态用户尤其重要。 2)被动式全天候导航定位 由GPS导航定位时，用户设备只需接收机GPS信号就可进行导航定位，而不需用户发射任何信号。这种方式隐蔽性好，而且可容纳无数多用户。 3)全球覆盖连续导航定位 由于GPS有24颗卫星，且分布合理，轨道高达20200km，所以在地球上和近地空间上任何一点，均可连续同频地观测4颗以上卫星、实现全球、全天候连续导航定位。2. 7 GPS通信协议 NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导软件都遵守或者至少兼容这个协议。 NMEA协议是为了在不同的GPS(全球定位系统)导航设备中建立统一的BTCM(海事无线电技术委员会)标准，由美国国家海洋电子协会(NMEA-The National MarinElectronics Association)制定的一套通讯协议。GPS接收机根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。 NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA, $GPGSA, $GPGSV, $GPRMC, $GPVTG, $GPGLL等f+1。要对GPS信息进行提取首先要明白其帧结构(如图2-2所示):NMEA Protocol Frame$一仁毛_牛咋曲赎cksum图2-2 NMEA协议帧结构 本课题中我们所需要的信息比如经纬度、经纬度方向、GPS定位状态、和接收信号的时间等都可以从“$GPRMC”帧中获取，因此下面对“$GPRMC”具体帧格式简要介绍:$GPRMC,*hh UTC时间，hhmmss(时分秒)格式 定位状态，A=有效定位，V二无效定位 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输) 纬度半球N(北半球)或S(南半球) 经度dddmm.mmrmn(度分)格式(前面的0也将被传输) 经度半球E(东经)或W(西经) 地面速率(000.0999.9节，前面的0也将被传输) 地面航向(000.0359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输) UTC日期，ddmmyy旧月年)格式 磁偏角(000.0-180.0度，前面的0也将被传输) 磁偏角方向，E(东)或W(西) 模式指示(仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E二估算，N二数据无效第3章系统总体设计3.1系统功能 本文研究的定位导航系统是综合运用soc技术、GPS技术和通信技术。系统采用串口通信，利用GPS定位技术信息处理等手段，结合运用自制简易电子地图，对被测点进行监测和跟踪，获取相应地理信息并在显示屏上加以显示，以达到动态跟踪显示的效果。3.2系统的组成 GPS导航定位系统是一个多技术融合的技术系统，需要的基础支持技术包括GPS定位技术、地理信息描述、通信技术及信息处理技术等。从总体上，该系统可分为三大功能模块，GPS接收模块、信息处理模块与显示模块。3.3系统方案选取3.3.1常见导航定位系统实现方案 目前，针对各种GPS导航系统虽然它们的性能有所差异，开发环境各不相同，但是其实现方案大致如下: (1)基于嵌入式的实现方案 嵌入式系统一般指非PC系统，其硬件部分包括处理器/微处理器，存储器及外设器件和I/0端口、图形处理器等;软件部分包括操作系统软件和应用程序编程。由于嵌入式操作系统种类繁多，而且几乎每一种操作系统都有自己的一套集成开发环境，这些开发环境相互之间差别较大，而且和应用广泛的PC集成开发环境也不相同，所以基于嵌入式的开发难度较大，开发周期也相对较长，人力、财力投入较大，适合并行开发。开发嵌入式系统成本较高，对于以定位导航为主的来说，使用嵌入式系统容易造成资源浪费。 (2)基于单板机的实现方案 单板机即单板计算机，又称嵌入式PC，它将通用PC上的必要资源如微处理器、各种1/0端口，PCI插槽等集成到一个体积较小的单板上，一因此在性能上和通用PC没有太大的区别。单板机以各种工业控制机为代表，主要是针对工业应用进行了特殊的设计，实现各种抗干扰、以及小型化的工作。在开发应用上可以将单板机看作通用PC来处理。通常来讲，单板机的处理能力强于嵌入式系统，而且单板机的外围接口丰富，所以开发西南石油大学硕士研究生学位论文时不需要进行外围电路设计。在结构上，单板机和通用PC一样，可支持通用的PC操作系统，通用PC上的应用软件可直接进行移植。对于大多数开发人员来说，在单板机上进行应用程序开发比较容易掌握，而且开发难度小。相对于单片机和嵌入式系统，单板机开发成本高，体积大，较适用于大型监控系统中。 (3)基于单片机的实现方案 单片机又称嵌入式微控制器，它在一块芯片上集成了CPU, RAM, ROM (EPROM或EEPROM )、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/0口。单片机由于具有成本低、控制系统组成灵活方便、调试方便和维护简单的特点，因此获得广泛应用。目前多数定位导航采用基于单片机的实现方案。在定位导航过程中，定位导航终端需存储大量的历史定位数据，一般常用的单片机(如51单片机、MOTOROLA单片机等)自带的FLASH ROM一般为4K, 8K等，远不能满足存储要求。因此，必须扩展可掉电保存数据的FLASH ROM芯片来增加存储空间，这样，不仅提高了开发成本，还降低了系统的抗干扰性。而且一般常用的51单片机本身没有看门狗电路，程序在运行中遇到干扰容易跑飞，更增加了系统的不稳定性。但是选用具有功能强大的C8051F系列单片机就弥补了以上不足。 综合分析后，由于考虑到开发成本、控制模块的性能以及调试和维护等方面的因素，本设计选用方案3来实现系统功能。3.4定位导航终端的硬件模块的选取3.4.1单片机的选取 综合考虑目前常见定位导航终端的实现方案，本设计采用基于SoC单片机(C8051F020)的实现方案，即采用GPS接收机与C8051F020单片机构成定位导航终端。整个定位导航终端的系统软件都存放在该单片机的存储器中，它是该终端的“心脏”。C8051F020通过串口与GPS接收机通信，将GPS串口输出的字节流进行处理，提取出测试点的地理信息(经度、纬度、时间值)。并通过单片机控制液晶显示屏，根据提取的有用信息在我们描述的道路中显示当前的测试点，以达到定位导航的目的。3. 4. 2 GPS模块的选取 对于GPS模块的选择而言，通常从技术参数，支持通信协议，控制接口和成本几个方面考虑。目前商用的GPS模块，大都支持16通道，采用C/A编码，其中最大更新速率为4Hz，对于具有授时功能，或具有DGPS差分功能等的模在价格上要高出许多。本系统选用的GPS卫星数据采集模块是LEA-5W l o3.4.3液晶显示模块的选取 显示面板的选择目前多利用是LCD液晶显示或者LED发光二级管显示，本系统出于亮度和动态性能的要求，选择的是OCM12864-1点阵液晶显示模块，它是一款128列64行的点阵单色字符图形显示模块，它有8位并行数据接口，模块内藏64X64的显示数据RAM，其中的每位数据都对应于LCD屏上一个点的亮、暗状态。第4章系统硬件设计4.1系统终端的总体硬件结构 由于该系统不仅要实现导航数据的提取和处理，还涉及到导航定位显示的问题，其主要组成部分是GPS接收板，C8051F020微处理器，时钟芯片，稳压电源模块，OCM12864显示屏及外接按键、LED显示灯等。结构图(如图4-1所示): 图4-1总体设计框图 GPS接收板接收GPS卫星发来的原始导航电文，并根据从三颗以上不同卫星发来的电文以0.25秒的刷新间隔提供被测点的运动状态，如:经度、纬度、高度、时间、速度、航向等数据，送给微处理器处理并存储，以便随时在显示屏上显示定位点。4. 1. 1 GPS接收板的设计 GPS接收板作为卫星导航电文的接收端，它通过外接的有源天线将接收来的高频信号送到GPS模块的RF端口，经过运算处理后将定位数据通过其串口传送给上位机”。其功能结构(如图4-2所示):图4-2 GPS接收板功能结构图4.1.2单片机控制模块设计 单片机一方面与GPS接收机通信提取地位信息，另一方又要保留与PC机通信的接口。由于GPS接收机使用串口与单片机相连，而连接PC机也要占用单片机的一个串口资源，因此所选单片机必须有两个硬件串口。在本次设计中，采用Cygnal公司的C8051F020作为数据终端的主控芯片。选择此单片机作为主控芯片不仅仅是因为它具有两个硬件串口而是基于诸多因素考虑:C8051F020功能强大，几乎在单片机中包括了所有常用的功能;与普通的8051有相同的内核，开发容易，而且支持C语言源程序调试。在本次开发中，主要考虑对C8051F020的以下功能部件的设计: 首先，使用两个硬件串口。这两个