基于GPS的定位系统

1、成绩 课程论文 题目： 基于 stm32 的 GPS 定位 学生姓名 ：杨舒 学生学号 ：1114020142 系 别 ：电气信息工程学院 专 业 ：电子信息工程 年 级：2011 级 任课教师 ：马立宪 电气信息工程学院制 2014 年 6 月 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 目录 1 引言 2 2 任务与要求 2 2.1 GPS定位系统特点简介 2 2.2 stm32 处理器的介绍 3 2.3 方案论证 3 3 GPS 定位的基本原理 4 3.1 GPS 定位的基本概念 4 3.2 GPS 模块电路图 4 4 电子电路的设计方法 5 4.1 设计流程

2、图 5 4.2 GPS定位系统实物图 6 5 总结 7 5.1 设计小结 7 5.2 收获体会 7 6 参考文献 7 7 附录 7 7.1 程序代码 7 7.2 器件清单 11 第1 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 基于 stm32 的 GPS定位系统 学生：杨舒 任课教师：马立宪 电气信息工程学院 电子信息工程专业 摘 要 ：全球定位系统（英语： Global Positioning System ，通常简称 GPS），又称 全球卫星定位系统， 是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。 它可以为地球表面绝大部 分地区（ 98%）提供准确的定位、测速和高精

3、度的时间标准。系统由美国国防部研制 和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、 三维运动和时间的需要。 该系统包括太空中的 24 颗 GPS卫星；地面上 1 个主控站、 3 个数据注入站和 5个监测站及作为用户端的 GPS接收机。最少只需其中 3 颗卫星，就 能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度； 所能收联接到的卫星数越多， 解 码出来的位置就越精确。 关键词 :GPS定位 卫星 精确度 1 引言 GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统， 1958年研制， 1964年 正式投入使用。该系统用 5到 6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球 1

4、3次， 并且无法给出高度信息， 在定位精度方面也不尽如人意。 然而， 子午仪系统使得研发 部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为 GPS 系统的研制埋下了铺垫。 由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统 存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。 美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要 一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室提出了名为 Tinmation 的用 12 到 18颗卫星组成 10000公里高度的全球定位网计划，并于 67年、69年和 74年各发 射了一颗试验卫星， 在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统， 这是 GPS系统精确定 位的基础

5、。 2 任务与要求 2.1 GPS 定位系统特点简介 第2 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 全天候，不易受任何天气的影响，全球覆盖(高达 98%)，三维定点定速定时 高精度，测站间无需通视，快速、省时、高效率，应用广泛、多功能，可移动定位。 2.2 stm32 处理器的介绍 STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3 内 核。 按性能分成两 个不同的系列 ： STM32F10“3 增强型”系列和 STM32F10“1 基本型”系列。增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最 高的产

6、品；基本型时钟频率为 36MHz，以 16位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升 的性能，是16位产品用户的最佳选择。 两个系列都内置 32K到 128K的闪存，不同的 是 SRAM的最大容量和外设接口的组合。 时钟频率 72MHz时，从闪存执行代码， STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于 0.5mA/MHz。 2.3 方案论证 目前利用 ZigBee 技术实现定位功能有基于测距技术和非测距技术，基于非测距 技术的定位算法主要有：质心法，凸规划定位算法；距离矢量跳数的算法；基于测距 技术的定位算法主要有 TOA、AOA、 TDOA和 RSSI。 RSSI(re

7、eeive signalstrength indieator) 表示信号强度指示，是真实的接收信 号强度与最优接收功率等级间的差值。 LQI(1ink quality indieator)是链路质量指 示, 表征接收数据帧的能量与质量。 LQI 值越大说明链路质量越好。 RSSI值和 LQI 值 在 zigbee 收发模块每接收一个数据帧时都可以得到。及时反映信号强度变化和受到 干扰变化 LQI 的动态范围比 RSSI大, 有更高的分辨率。 无线信号传输中普遍采用的理论模型 Shadowing 模型，如式( 1)： Pr(d) dBm= Pr(d0) dBm-10nlg(d/d0)+X dBm

8、 (1) 在本系统实际的应用中，使用简化了的 Shadowing 模型，如式( 2)： (2) n: 信号传播常量，也称作信号传播系数，单位： dBm/m d: 到信号源的距离 ，单位： m A: 距离信号源 1m处接收信号强度，单位： dBm 但是 zigbee 定位无法知道如经度、纬度、海拔高度、及运行的速度，所得到的 信息量远远小于 GPS定位所得到的信息。在海上和太空中作业， zigbee 定位将无法 实现，而 GPS定位可以精准的知道目标的位置， 因此 GPS定位在这一方面有很大的优 第3 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 势。 3 GPS

9、定位的基本原理 3.1 GPS 定位的基本概念 24颗 GPS卫星在离地面 1 万 2 千公里的高空上，以 12 小时的周期环绕地球运 行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到 4 颗以上的卫星。 由于卫星的位置精确可知，在 GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利 用三维坐标中的距离公式， 利用 3 颗卫星，就可以组成 3个方程式，解出观测点的位 置（X,Y,Z） 。考虑到卫星 的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有 4 个未知数， X、Y、Z 和钟差，因而需要 引入第 4 颗卫星，形成 4 个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。 事实上，接收机往往可以锁住 4

10、 颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分 布分成若干组， 每组 4 颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位， 从而提高 精度。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响， 以及人为的 SA保护政策，使得民用 GPS的定位精度只有 100 米。为提高定位精度， 普遍采用差分 GPS（DGPS技）术，建立基准站 （差分台 ）进行 GPS观测，利用已知的基准 站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修 正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实 验表明，利用差分 GPS，定位精度可提高到 5 米。 3.

11、2 GPS 模块电路图 第4 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 图 1 GPS 模块电路图 4 电子电路的设计方法 4.1 设计流程图 第5 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 图 2 设计流程图 4.2 GPS 定位系统实物图 图 3 实物图 1 图 4 实物图 2 第6 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 5 总结 5.1 设计小结 本设计采用的 是 NMEA-0183美国国家海洋 电子协会（ National Marine Electronics Associatio

12、n ）为海用电子设备制定的标准格式协议，可以实现误差小 于 10 米范围内的定位，同时通过卫星，可以得到目标所在位置的大量信息。 5.2 收获体会 通过本课程设计使我对 GPS定位所采用的 NMEA-0183协议有了更一步的认识， 同 时自己也动手完成了一个 GPS定位的系统，可以在液晶屏 LCD12864上显示经度、纬 度、海拔高度、 UTC时间等等信息，知道了 GPS如何实现定位的原理及实现方法。 6 参考文献 1 . 康华光、邹寿彬、秦臻著 .电子技术基础（模拟部分） . 高等教育出版社 .2005 2 . 康华光邹寿彬、秦臻著 . 电子技术基础（数字部分） . 高等教育出版社 .200

13、5 3 . 刘基金 .GPS卫星导航定位原理与方法 . 北京：科学出版社 .2003 4 . 王惠南 .GPS导航原理与应用 . 北京：科学出版社 .2003 5 . 潘永雄 . 新编单片机原理与应用 . 西安：西安电子科技大学出版社 .2003 7 附录 7.1 程序代码 #include sys.h #include usart.h #include usart2.h #include delay.h #include led.h #include key.h #include lcd.h 第7 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 #include

14、usmart.h #include string.h #include gps.h #include 12864.H int flag; u8 USART1_TX_BUFUSART2_MAX_RECV_LEN; nmea_msg gpsx; _align(4) u8 dtbuf50; const u8*fixmode_tbl4=Fail,Fail, 2D , 3D ; void Gps_Msg_Show1(void) if(gpsx.fixmode=3) sprintf(char *)dtbuf,Fix Mode:%s,fixmode_tblgpsx.fixmode); LCD_ShowStr

15、ing(30,210,200,16,16,dtbuf); sprintf(char *)dtbuf,:%02d,gpsx.posslnum); lcd_wdat_ch(0,1,dtbuf); sprintf(char *)dtbuf,:%02d,gpsx.svnum%100); lcd_wdat_ch(0,3,dtbuf); sprintf(char *)dtbuf,UTC:%04d/%02d/%02d ,gpsx.utc.year,gpsx.utc.month,gpsx.utc.date); lcd_wdat_ch(0,0,dtbuf); sprintf(char *)dtbuf,UTC:%

16、02d:%02d:%02d ,gpsx.utc.hour,gpsx.utc.min,gpsx.utc.sec); lcd_wdat_ch(0,2,dtbuf); void Gps_Msg_Show(void) float tp; 第8 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 tp=gpsx.longitude; sprintf(char *)dtbuf, ,tp/=100000,gpsx.ewhemi); lcd_wdat_ch(0,2,dtbuf); tp=gpsx.latitude; sprintf(char *)dtbuf, tp/=100000,gp

17、sx.nshemi); lcd_wdat_ch(0,1,dtbuf); tp=gpsx.altitude; sprintf(char *)dtbuf,:%.1fm ,tp/=10); lcd_wdat_ch(0,3,dtbuf); int main(void) u16 i,rxlen; u16 lenx; u8 upload=0; Stm32_Clock_Init(9); delay_init(72); uart_init(72,38400); USART2_Init(36,38400); LED_Init(); KEY_Init(); LCD_init(); lcd_init(); lcd_

18、clear(); usmart_dev.init(72); while(1) KEY1=1; KEY2=1; if(KEY1=0) 第9 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 if(KEY1=0) flag=0; while(!KEY1); lcd_clear(); if(KEY2=0) delay_ms(10); if(KEY2=0) flag=1; while(!KEY2); lcd_clear(); delay_ms(1); if(flag=0) lcd_wdat_ch(2,0,GPS 定位 ); if(USART2_RX_STA for(i=0;irxlen;i+)USART1_TX_BUFi=USART2_RX_BUFi; USART2_RX_STA=0; USART1_TX_BUFi=0; GPS_Analysis( Gps_Msg_Show(); 第 10 页 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 if(upload)printf(rn%srn,USART1_TX_BUF); if(flag=1) if(USART2_RX_STA for(i=0;irxlen;i+)USART1_TX_BUFi=USART2_RX_BUFi; USART2_RX_STA=0; USA