GPS测距定位系统设计

1、中北大学2012届毕业设计说明书1 绪论1.1 论文背景意义 GPS是英文Navigation system timing and ranging/global positioning system的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称，通常称之为全球定位系统。全球定位系统是美国从20世纪70年代由美国国防部开始研制的新一代卫星导航与定位系统，该系统可向人类提供高精度的导航、定位和授时服务。它由24颗在沿距地球约20200km高度的轨道上运行的GPS卫星组成1。 GPS作为继子午卫星系统发展起来的新一代卫星导航与定位系统，具有全球性、全天候、连续性等优点的三维导航和定位能力，以及具有良好的抗

2、干扰性和保密性。它已成为美国导航技术现代化的最重要标志，并被视为20世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就2。在测量领域较早就开始采用GPS技术，最初，它主要用于建立各种类型和等级的测量控制网，目前它除了仍大量用于这些方面外，在测量领域的其它方面也得到了充分的应用。尤其在各种类型的测量控制网的建立这一方面，GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为主要的技术手段3。 1.2 GPS全球定位系统的组成 GPS全球定位系统从1973年方案论证开始，经历了设计、研制、试验、组网，到1994年3月组建完成，前后共历时20多年，同时也耗费了大量的人力财力，是美国继“阿波罗”登月

3、计划和航天飞机后第三大航天技术工程。GPS全球定位系统有三个独立的段组成:空间段、地面控制/检测网络和用户接收设备4。1） 空间段即卫星星座，由24颗在轨卫星构成，如图1.1所示。在这种配置下，卫星位于6个地心轨道平面内，每个轨道面4颗卫星。GPS卫星的额定轨道周期是半个恒星日即1lh58min。各轨道接近于圆形，且沿赤道以600间隔均匀分布，相对于赤道面的倾斜角额定为550。轨道半径(即从地球质心到卫星的额定距离)大约为26600km。位于地平面以上的卫星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n颗。这一卫星星座为全球用户提供24h的导航和时间确定能力。 图1.1 GPS卫星

4、星座 2）地面控制段负责监测、指挥、控制GPS卫星星座，包括一个主控站、三个注入站和五个检测站，如图1.2所示。就其功能而言，地面控制段监测下行L波段导航信号，更新导航电文，解决卫星异常情况。此外，地面控制段还监测卫星的健康状况，管理与卫星位置保持机动和电池充电相关的任务，指挥卫星有效载荷。地面控制段的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。这就需要地面站检测各颗卫星的时间，并求出时钟差，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。 图1.2 GPS地面监控段框图 3）用户设备接收GPS卫星发射信号，以获取必要的导航和定位信息，经各种数据处理，完成导航和定位工作

5、。用户设备主要由GPS设备、数据处理软件、微处理机及其终端设备组成；GPS设备包括天线、接收机、电源、输入输出设备等，主要用于接收GPS卫星信号，以获得导航和定位信息；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其作用是对观测数据进行精加工，以获取精密定位结果。1.3 GPS应用发展现状 随着GPS接收机的逐步商用化，特别是美国政府取消了SA5(selective Availability)政策(选择可用性政策，其目的是为了降低非特许用户GPS定位定时的精度)后，GPS的定位定时精度得到了很大的提高；GPS机价格的进一步降低使得其在民用领域得到迅速的发展6。1）精密授时 在定位能力受到普遍注意的同时，

6、GPS作为全球精密时间源，其授时服务也在迅速增长。实际上，GPS作为精密时间源，它对商业和产业基础设施的影响要比导航或跟踪更大。因此，有人建议将系统更名为全球定位和时间服务系统(GPTS)。2）精密定位 大地测量学家采用了原先为无线电天文学开发的技术，利用GPS载波相位测量在相对定位中达到了毫米级精度。借助这种精密定位的能力可将GPS应用于监测大型工程建筑结构在实际载荷条件下的变形，也可以用于农业、建筑业和采矿业中的机械实时控制。另外，将GPS和PC组合，可以收集大量位置数据，并将其组织到地理信息系统中(GIS)，最简单的典型系统可由背包中带电池和GPS卡的计算机，手持键盘和显示单元组成。一个

7、如此装备的用户可以边走边采集数据，并随时将信息输入，产生或更新数据库。3）航空和空间导航 1983年，南朝鲜航班由于导航问题偏离航路，进入苏联空域而被击落，这次灾难引起了人们对GPS应用于民用航空带来的潜在好处的关注。直到数年前，民用航空仍完全依靠机载导航系统和地面无线电导航设施进行导航，但无线电导航设施的运行和维护成本昂贵，因而世界大部分地方连基本的无线电导航基础设施也甚为缺乏。GPS被普遍认为是在无线电出现后民用航空最重要的进步，极大地增强了航空运行的经济性和安全性。在不久的将来，GPS将用做所有飞行阶段导航的主要系统，包括自动着陆、机场避撞以及地面交通预警。GPS同样也给太空活动带来了极

8、大的好处。与星载定轨软件组合在一起的GPS接收机和闭环推进系统能实现卫星轨道自主保持。国际空间站正在设计将GPS用于导航、定姿、跟踪接近空间站的飞行器。航天飞机的导航系统正在将GPS升级改造为返回和着陆时的主要导航手段。4）陆上和海事导航 GPS在陆上运输中的应用，特别是车辆导航和跟踪，已成长为一类巨大的产业。基于GPS的系统和服务，在汽车、商务车队、公共运输和急救响应领域有着巨大的需求铁路公司用GPS进行实时地列车控制。基于GPS的收费系统，确定商务卡车在收费路段上的行使时间和距离，已在欧洲投入使用。世界上有数以百万计的游艇、渔船、渡口、巡航线、货运线和油船均从GPS的应用中获益7。5）消费

9、市场 通过与无线电技术、互联网技术和地理数据库等其他技术的结合，GPS的功能在民事应用中发挥的淋漓尽致。GPS的消费产品市场显示出急剧增长，其推动力是价格低廉的GPS接收机芯片，它可以集成到一系列消费产品中，如手机、个人数字助理(PDA)，以及汽车、计算机等个人财物的安全设备。车辆信息系统技术提供移动信息，使得获取运动物体的位置坐标变得十分容易。越来越多的汽车用户选择将GPS作为自己的导航工具，利用内置的数据库可以轻而易举的为用户在不熟悉的地方提供更好的到达其目的地的路线，以及方便用户找加油站、饭店或旅游景点等。 GPS潜在的巨大应用是增强GN(E911)。联邦通信委员会(FCC)法令要求，至

10、2005年年底美国境内的所有移动电话应装备定位功能，以便在急救中精确确定其位置。总之，GPS在工业、商业、科学和人们日常生活中的应用看来是完全无限的，新的应用正以不可思议的速度飞速发展。1.4 利用GPS进行工程测量 GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中，给工程测绘领域带来了根本性的变革。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立的大地控制网。在工程测量领域，GPS定位技术正在日益发挥其巨大作用。例如利用GPS可进行各级工程控制网的测量、GPS用于精密工程测量和工程变形监测、利用GPS进行机载航空摄影测量、利用实时动态差

11、分法(RTK)技术进行点位的测设等。在灾害监测领域，GPS可用于地震活跃区的地震监测、大坝监测、油田下沉、地表移动和沉降监测等，此外还可用来测定极移和地球板块的运动。1.4.1 GPS测量的特点 GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS测量主要特点如下8 ： 1）功能多、用途广 GPS系统不仅可以用于测量、导航，还可以用于测速、测时、测速的精度可达0.1s，测时的速度可达几十毫微妙，其应用领域不断扩大。2）定位精度高 大量的实验和工程应用表明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50km的基线上，相对定位精度可达1×10-6，而在100-500km

12、的基线上可达10-6-10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于100km的距离上，相对定位精度达到或优于10-8。在RTK和实时差分定位(RTD)方面，定位精度可达到厘米级和分米级，能满足各种工程测量的要求9。3）实时定位 利用全球定位系统进行导航，即可实时确定运动目标的三维位置和速度，保障运动载体沿预定航线运行，亦可选择最佳路线。特别是对军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。4）观测时间短 目前，利用经典的静态相对定位模式，观测20Km以内的基线所需观测时间，对于硕士论文基于GPS的无线测量系统单频接收机在l h左右，对于双频接收机仅需1520min。采用实时动态定位模式，

13、流动站初始化观测15min后，并可随时定位，每站观测仅需几秒钟。利用GPS技术建立控制网，可缩短观测时间，提高作业效益。5）观测站之间无需通视 经典测量技术需要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量只要求测站15以上的空间视野开阔，与卫星保持通视即可，并不需要观测站之间相互通视，因而不再需要建造规标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的30%50%)。同时，也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的需要来确定点位，可通视也使电位的选择变得更灵活，可省去经典侧量中的传算点、过渡点的测量工作。不过也应指出，GPS测量虽然不要求观测站之间相

14、互通视，但为了方便使用常规方法联测的需要，在布设GPS点时，应该保证至少一个方向通视。6）操作简便 GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线方向调整好，再将电源打开即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。7）可提供全球统一的三维地心坐标 经典大地测量对平面和高程采用不同方法分别施测。GPS测量中，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测量观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影

15、测量及精密导航中的应用提供了重要的高程数据。GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此在全球不同点的测量成果是相互关联的。8）全球全天候作业 GPS卫星较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，使得在地球上任何地点、任何时候进行项观测工作，通常情况下，除雷雨天气不宜观测，一般不受天气状况的影响。 因此，GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革；另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进了测绘科学技术的现代化发展。1.4.2 GPS工程应用展望 GPS测量作业有着极高的精度。使用GPS进行测量不受

16、环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、常规测量仪器难以施展的地区等。 1）GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响，整个作业过程全由电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。 2）GPS RTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地获得所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧道勘察，它可以直接进行实地实时放样、点位测量等。 3）GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。 4）GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往

17、由于这些地区地形条件的限制，实施常规水准测量有困难时，GPS高程测量无疑是一种有效的手段10。GPS在公路高程测量中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率，特别是实时动态(RTK)定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景11。1.5 本论文的主要内容 本文介绍了一种基于GPS的测距硬件系统的设计方法，并在此基础上详细介绍了本系统软、硬件的设计方法。 第一章介绍全球定位系统的发展背景意义及在工程测绘上的应用，以及本论文的主要研究内容。 第二章介绍GPS定位、测距的基本原理，然后引入了全球定位系统所采用的坐标系WGS84大

18、地系，并在此基础上介绍了两种根据经纬度计算距离的算法，提出测距系统的整体设计方案。 第三章详细说明系统硬件部分的设计，包括GPS模块，无线收发模块，USB串口通信模块，系统电源解决方案，LCD显示模块以及系统的核心部分主控器模块的设计方案以及原理图。第4章 设计系统的灵魂部分软件部分，系统的软件实现主要包括LCD显示，数据处理、存储以及USB读写的实现方法及相关程序设计。第5章 对系统测试的数据进行分析处理，并得出系统的测距精度值，通过与官方公布的数据进行对比，得出此系统测量的准确性，系统统性能指标达到了预期效果，是令人满意的。2 基于GPS的硬件测距系统设计方案2.1 GPS测距系统整体设计

19、方案2.1.1 总体设计当前，GPS OEM板因其功能全面，使用方便，机械尺寸小，以及功耗进一步降低的优点已经在越来越多的系统中得到应用。本设计中的无线测量功能实现了对目标距离、运动速度等数据的测量12。置于待测目标上的GPS手持机部分接收卫星信号并解算后，产生包含速度，经纬度等信息的定位语句。该定位语句一方面可以由SDT11模块接收，保存在片内数据存贮器中，并通过一片分辨率为128×64的LCD屏幕有选择性的将所需信息显示出来；另一方面，也可以通过无线数据发射模块将定位语句整体发送到数据接收端，无线数据接收模块将数据还原后通过MAX23213电平转换模块把TTL电平转换为RS232

20、标准，最终实现与计算机的串口通信，最后在PC端使用软件方式对定位信号进行采集和数据处理，求出所需要的各项数据。具体的系统框图表示如图2.1和图2.2： 图2.1 测距发射机系统在图2.1和图2.2所示的测距系统中，工作过程为：采用两个GPS分别测量发射机和接收机处的经纬度信息，并利用高速远距离扩频通信设备完成从发射机到接收机的数据传输，接收机将两测试点处的数据通过USB接口传输到电脑中，通过上位机软件完成对数据的转化和距离的测量。此外，发射机上带有片上Flash，也可完成对接收数据的存储功能，以便进行离线处理。 图2.2 测距接收机系统接收机天线部分完成射频信号的接收，即把卫星播发的电磁波转换

21、成便于处理的电信号。扩频模块通过将天线馈送来的微弱信号进行放大、变频，最终输出较低的中频信号并经过ADC转换成数字中频，并送到信号处理部分。微控器是整个接收机系统的核心部分，包括信号的捕获、跟踪、解调，还要根据信号所反映的信息进行测量值的计算，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解出GPS卫星所发送的导航电文，实时的计算出测站的位置，同时也接受用户输入的信息。PC机是连接处理器和用户信息的桥梁，用户通过他来输入和接收测量信息并能存储信息，相当于键盘和显示器的功能。GPS模块是提取有用基带信号，将有用信号传送给信号处理器。FLASH是接收机的存储单元。2.1.2 系统所实现的目标与

22、功能完成基于GPS的测距硬件系统设计；并设计相关电路和简易的软件平台；具体要求： (1)测量距离：不小于10km (2)测距精度：10m以内 (3)USB接口通信速率：1.22Mbps2.2 通过卫星产生的测距信号确定位置的原理GPS利用到达时间(TOA)测距原理来确定用户的位置。这种原理需要测量信号从位置已知的发射源(例如雾号角、无线电信标或卫星)发出至到达用户接收机所经历的时间，将这个称为信号传播时间的时间段乘以信号的速度(如音速或光速)，便得到从发射源到接收机的距离。接收机通过测量从多个位置已知的发射源(即导航台)所广播的信号的传播时间，便能确定自己的位置14。借助于对多颗卫星的TOA测

23、量，便可以确定出三维位置。在地心地固(ECEF)坐标系中，假定有一颗卫星正在发射测距信号，该卫星上的一个时钟控制着测距信号广播的定时。理想情况下，这个时钟和星座内每一颗卫星上的时钟与一个记为GPS系统时的内在系统时标有效同步。用户接收机也包含有一个时钟，假定它与系统时钟同步，定时信息内嵌在卫星的测距信号中，使接收机能够计算出信号离开卫星的时刻。记下接收到卫星的时刻，便可以算出卫星至用户的传播时间，将其乘以光速便求得卫星至用户的距离R。假设当前用户处于以第一颗卫星为球心的球面上的某个位置，此时第二颗卫星发送测距信号进行测量，则用户又处于以第二颗卫星为球心的球面上，这样该用户将同时处于两个球面相交

24、圆周上的一个地方，如图2.3所示。 图2.3用户位于两球相交的圆周上 利用第三颗卫星再次进行上述的测距过程，那么用户又将出现在以第三颗卫星为圆心的球面上，第一颗和第二颗卫星相交产生的圆周与这个球面交于两个点，如图2.4所示，这两个交点相对于卫星平面来说互为镜像。然而，其中只有一个是用户的正确位置，对于地球表面上的用户来说，很显然较低的一点是真实位置15。 图2.4 用户位置 了解了用卫星测距信号和多个球体求解用户三维位置的原理后，下面具体的研究一下用户三维位置的求解过程。 图2.5用户位置的矢量表示在图2.5中，设u代表用户接收机相对于ECEF坐标系原点的位置，矢量s则代表卫星相对于坐标原点的

25、位置，而矢量r表示用户到卫星的偏移量，可以用矢量式表示为 （2.1）矢量r的幅值为 （2.2）令为r的幅值，有 （2.3）设用户位置坐标为卫星的坐标为，则上式可改写为，(2.4)然而接收机的时钟一般与卫星的系统时之间有一个偏移误差，因此前面的方程式可记为：，(2.5)为了确定用户的三维位置和偏移量，只要对4颗卫星进行伪距测量，即可得到方程组 ，（2.6）式中，j的范围是1-4，指4颗不同的卫星。上式可展开成以。和等未知数表示的联立方程： (2.7) (2.8) (2.9) (2.10)求解该方程组就可以得到用户的位置（）。2.3 用户大地坐标(纬度、经度和高度)的确定2.3.1 WGS84大地

26、坐标系在GPS中所使用的标准地球模型是图2.7中所示的美国国防部世界大地1984(WGS84)16。其几何定义是:原点是地球质心，Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系。WGS84提供了地球形状的椭球模型，如图2.6所示。 图2.6 WGS-84大地坐标系 图2.7 地球的椭球模型(与赤道面正交的横截面)在这种模型中地球平行于赤道的横截面为圆，而地球赤道得横截面半径为6378.137km,这是地球的平均赤道半径。在WGS84地球模型中，垂直于赤道面的地球横截面是椭圆在包含有z

27、轴的椭圆横截面中，长轴与地球赤道的直径相重合，因此半长轴a的值与面给出的平均赤道半径相同。图2.7所示的椭圆横截面的短轴与地球的极半径相对应在WGS-84中半短轴b取为6356.7523152km，因而地球椭球的偏心率e可由式2.23确定: （2.23）WGS-84中取=0.00669437999014。 从导航电文中获取的GPS卫星位置使用WGS-84坐标表示的，计算得到用户位当然也是WGS-84坐标值。卫星轨道时GPS控制段根据在地面监控站对码和载波相测量的结果计算出来的。对监控站WGS-84系下的坐标值的精确推算是GPS实际应用WGS-84坐标系关键的一步。1980年，坐标值的精度为12

28、m。此后根据更精确的监控坐标值(现在到了厘米级)。有时也用另一参数来描述参考椭球的特征，即第二偏心率，其定义为 (2.24)WGS84中取=0.00673949674228。 表2.1 WGS84基本参数(1997年修改）参数值椭球半径6378137.0m椭球扁度的倒数298.257223563地球角速度7292225.0×10-11rad/s地球重力常量3986004.418×108m3/s3真空中的光速2.99792458×108m/s2.3.2 求解大地坐标 ECEF(earth centered earth fixed地心地固)坐标系是固定在WGS-84参

29、考椭球上的，图2.6所示，点o相应于地球中心。现在可以相对于参考椭球来定义纬度、经度和高度参数了。当用这个方式进行定义时，这些参数称为大地坐标。在ECEF系中给定了接收机的位置矢量u=()的条件下，可以用平面中测量的用户与x轴之间的角度计算出大地经度(): (2.25) 在式(2.25)中，负的角度相应于西经度数。纬度()和高度(h)等大地参数用用户接收机处的椭圆法线来定义。在图2.7中，椭球法线用单位矢量n来表示。GPS接收机相对于WGS-84椭球计算其高度，然而，在一些地方由于WGS-84椭球与大地水面(当地平均海平面)之间的差异，在地图上给出的海拔高度可能与从GPS导出的高度有较大的差异

30、。 大地高度就是用户(在矢量u的末端点)和参考椭球之间的最小距离。大地纬度椭球法线矢量n和n在赤道()平面上的投影之间的夹角。一般情况下，如果>0(亦即用户在北半球)，必取正值;而如果<0，少取负值。对照图2.6，大地纬度就是NPA，这里N是参考椭球上最接近用户的那一点，P是沿n的方向上的直线与赤面相交的点，而A就是赤道上最接近于P的那个点。2.4 根据经纬度快速计算两点间距离的算法 目前GPS全球定位系统已经被广泛的应用于各类精确定位的服务之中，正是因为GPS对单点定位的精确性，使得准确计算已知经纬度的两点间距离成为一种替代传统测距方式的趋势。下面就对两种简易的针对经纬度求解距离

31、的算法进行介绍17。2.4.1 地面弧长近似弦长法已知A、B两点的经纬度，首先在两点间选择一个基准点C，利用公式L=R(为两点间经度或纬度的夹角，R为半径)求得两点间经度圈上和纬度圈上的弧长。对于经度圈，半径即为地球半径，这里令其值为地球的平均半径6371.004Km；对于纬度圈，半径为地球半径乘以基准点纬度值的余弦。由于在小范围内地球表面可以视为平面，因此我们能够将弧长近似为弦长，最后利用矩形对角线的求值公式:求出对角线的长度，即可近似等于地球上两点间的距离。上述过程的公式表示如式(2.26): 图2.9由经纬度计算距离原理图 (2.26) 2.4.2 空间两点间距离法 由于GPS接收机所结

32、算出来的数据是基于大地坐标系下的地理坐标，不能直接使用空间两点间距离公式来计算，因此，需要先将大地坐标系下单点的经度(L)、纬度(B)和高度(H)转化为地心空间直角坐标，转化公式如式下18: (2.27)其中，a可取为地球赤道半径6378.137Km，e2=0.00669437999014假设通过上式转换得到的在地心空间直角坐标系下两点的坐标分别为（x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)，则由空间两点间距离公式2.28即可求得距离。， (2.28)2.5 本章小结 本章对GPS导航定位的原理进行了详细的介绍。首先介绍了卫星信号测距的原理，然后介绍了用户位置的测算、用户大地坐标的求解，接着提出

33、了两种根据经纬度计算两点间距离的简易算法，最后提出整个测距系统的整体设计方案，为后面的系统模块设计提供了整体框架和理论基础。3 系统硬件设计3.1 GPS模块设计对于GPS模块的选择，通常从技术参数，支持的通信协议，控制接口和成本几个方面考虑。目前的商用的GPS模块，大都支持12通道，采用C/A编码，NMEA0183协议，通过RS232接口控制。对于具有授时功能，或具有DGPS差分功能等等的模块在价格上要高出很多19。本系统选用的双龙公司的SDT11卫星数据采集模块具有以下特性:(l)源于由u-blox与Atmel共同开发的GPS芯片组ATR0601+ATR0625(2)具有16路卫星接收通道

34、，接收灵敏度达-158dbm(3)支持DGPS、AS、EGNOS和MSAS(4)提供USB和UART各一个，通讯波特率9600(5)工作电压3.3v，工作电流39mA(6)工业级产品，-40+85度(7)尺寸24×20×2.8mmSDT11模块主要包括两个部分:RF部分和基带部分。RF部分包括低噪声放大器LNA(ATR0610)、SAW带通滤波器、RF-IC芯片(ATR0601)、和GPS晶振；基带部分包括的数字电路主要由基带处理器(ATR0625)内含一块ARM7CPU、GPS相关器、RAM、ROM、非易失性RAM、RTC、重启发生器、两个调压器以及电平转换器。(l)Af

35、R0601:该IC是一个GPS接收机射频前端IC芯片，采用单IF结构，芯片上包含由混频器、IF放大器、2bit的数模转换器(ADC)、晶体振荡器等电路，芯片具有极高的集成度，很小的功耗(约50W)，构成GPS接收机射频前端电路只需要很少的外部器件，非常适合用于移动式导航系统应用。(2)ATR0610:该芯片是一个2.7V的GPS低噪声放大器，芯片具有极好的射频性能，噪声系数为1.6dB，输出内部匹配为50欧，单2.7V电源工作，具有电源导通控制，低功率消耗小于10w，仅需要很少外部器件，适合GPS接收机使用。(3)ATR0625:包含一个基于ARM7TDMI处理器核的16通道的相关器的GPS基

36、带处理器，具有高性能的32bit班SC结构，使用16bit指令系统，具有很低的功耗。芯片内部具有大量的功能寄存器可以满足实时控制应用。ATR0625利用外部总线接口，可以与外存储器直接连接，利用ARM7TDMI微控制器与片上RAM，完成GPS的16通道相关器核外围设备接口功能。下图是SDT11模块的内部电路图20： 图3.1 SDT11模块内部结构电路图 表3.1 SDT11接口性能 GPS模块是影响系统测量精度的关键，该系统中GPS采用SDT11模块进行设计。该模块具有-158dBm的接收灵敏度，定位精度可达2.5m。高接收灵敏度和定位精度可以有效保证该系统的适用范围。其原理图如下图所示21

37、： 图3.2 GPS模块设计原理图3.2 无线收发模块设计 为提高该系统的定位精度，有效降低系统功耗，本系统采用无线收发方式实现数据传输，无线收发模块原理图如图所示22。该无线收发模块主要使用Max Stream公司的9xTend模块，其主要特点是：该模块采用了扩频通信方式，这使得在相同功率的情况下可以传输得更远。9xTend在5v电压下，电流消耗只有780mA，输出功率可达1W（30dBm）。该收发器的接收灵敏度达-110dBm，可使用户在1.5英里、15英里视距和40英里接收900Mhz信号，数据吞吐量为230kbps，数据率可达115.2kbps。该模块可有效保证在系统测距过程中控制信息

38、号发送与位置信息的接收。 图3.3 无线收发模块的系统设计原理图3.3 主控制器模块本模块为课题的核心部分，而本设计采用集成化相当高的51单片机作为核心器件，它主要负责对产生的数据信息进行处理和对相应的各种部件按照各自的通信协议进行相应的响应操作。本控制模块采用CPUSTC87C65、SRAM62C256、扩展串口接口和各种控制逻辑电路连接而成23。这其中的STC87C65为控制芯片部分，可以控制整个操作系统的各种主要操作，而SRAM62C256为随机存储器，随机存储暂时产生的数据信息，而其它的相关连接主要为相应的补充连接单元。这主控制模块具体流程图如下： 图3.4 主控制模块电路图3.4 数

39、据存储模块数据管理是双GPS测距系统中非常重要的一部分，也是该系统的任务之一。该部分包括双GPS测距系统测试报表的生成和文件的整理、存储、读取等一系列工作，生成的测试报表记录了系统工作时测量到的目标距离数据，便于日后信息的查询。本模块主要是将产生的数据进行存储以便当前和以后用户对相关数据的调用和查看。当前市面上用于数据存储的设备相当繁多，而根据本课题选用安全性能好的SD卡做为数据存储的设备，因为GPS信息是一种比较机密的信息，需要做好安全的保护操作。SD卡即Secure Digital Memory Card安全数码存储卡的简称24，是一种基于半导体的快闪记忆器的一代存储设备，常用于个人数码产

40、品、多媒体播放器、手机等多种终端。本接口电路使用单片机和SD卡相连，而本单片机具有SPI的接口模式，利于实现软件编程。其中的STC87C65+是后面所要提到的主控制器的51单片要机的核心芯片部分，具体连接图如下： 图3.5 存储模块电路设计3.5 LCD显示模块软件设计包括手持机结构中的单片机软件和PC端软件两个环节。单片机软件部分的主要功能是接收GPS定位语句，获取所需要的导航信息并实时地送至LCD上显示;而PC端软件的功能是从计算机串行通信口读取通过无线数据传输模块发送来的定位语句，再结合前面章节中介绍的根据经纬度计算距离的算法，完成本文所要到达的最终目标测量功能，并以界面的形式展现给用户

41、，方便用户交互式操作25。3.5.1 GPS定位数据显示格式 当前，国际上广泛使用的GPS接收机输出信息通常有两种格式，分别为美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)制定NMEA-0183标准格式以及二进制数据格式，其中又以NMEA-0183格式为主。NMEA-018326标准格式采用ASC形式输出信息，具有多种定位数据句型，且各种句型均以符号“$”开头。这些定位数据给出了包含位置、速度、航向、时间、卫星状况等在内的各种信息。本设计中将GPS接收机的数据输出固定为推荐定位信息($GPRMC)句型，下面对这种句型进行介绍。 $GPRM

42、C，090749.553，A，3201.6761，N，11851.1203，E，0.00，107.41，250308，*06为一条完整的推荐定位信息语句，其中句头$GPRMC后每两个逗号间数据的含义如下所示:1、UTC时间，hhmmss(时分秒)格式，我国处于东八区，应在原时间上加8，当前时间为17时07分49秒。2、定位状态，A=有效定位，V=无效定位，目前为有效定位数据。3、纬度ddmm.mmm(度分)格式(前面的0也将被传输)，被测点纬度为北纬犯度01.6761分。4、纬度半球N(北半球)或S(南半球)，很明显，被测点处于北半球。5、经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传

43、输)，被测点经度为东经118度51.1203分。6、经度半球E(东经)或W(西经)，当前被测点处于东半球。7、地面速率(000-999.9节，前面的0也将被传输)，1节 =l.852千米/小时。由于测点没有移动，所以当前速度为0。8、地面航向(000.0-359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输)，相对于上一秒钟的状态，航向为107.41度。9、UTC日期，ddmmyy(日月年)格式，目前日期为08年3月25日。 GPS定位语句传送回到电脑后，就可以使用软件的方式对所需定位信息进行选取、计算和处理，从而完成本设计所要达到的测量功能。3.5.2 液晶显示模块设计 液晶显示部分是用来显示

44、相关操作时用于提示的设备，因为本课题主要显示字符形的数据，则本设计用点阵式的LCD显示器，本设计使用的是16*2的LCD 1809液晶显示器，而它只是一个可以显示基本信息的显示器件而已。具体连接图如下： 图3.6 液晶显示模块图3.6 电源解决方案手持式设备所面对的一个重要问题就是电源方案如何解决。本文中，GPS接收机与无线发射模块作为一个整体，被设计为便携式的手持设备，因此，该手持设备能否长时间稳定工作取决于电源方案是否合理。本设计选用广州天远科技有限公司的VC4565-4D电源模块作为设计基础将其电压转换为+5V，而同时通过相应电压转换芯片，将5V电压转换为3V，为课题的电源供应提供了可靠

45、的保障。具体的电路原理图如下： 图3.7 电平转换模块设计原理图3.7 USB接口电路 大部分计算机以及微处理器芯片都提供串行通信接口，使用电子工业协会(EIA)推荐的RS-232C标准27，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。使用RS-232C连接的串行设备之间可以最多保持25米的间距，并且传输速度最大为38.4Kbps。RS-232C是不稳定的，也就是说传输的数据位的电压电平是相对于本地的零电位，其逻辑高电平为-5V到-15V之间(通常为-12V)，逻辑低电平是+5V到+15V之间(通常为+12V)。RS-232C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头，9芯D型插头较常用，如图3.8所示

46、。通常只需使用9芯插头中的RXD、TXD、GND三个接口就能完成最基本的串行通信功能，这通常也是满足系统开发最简单的串口。 图3.8 USB 串行接口电路3.8 硬件系统总设计要实现系统的测距功能，最终得把各个模块相连接组合到一起，构成总的电路，然后制成实物，最后再输入系统运行所需的程序，整个系统才能正常运作。图3.9是系统的完整的PCB板图： 图3.9 系统总PCB板设计 图4.0 测距收发系统 3.9 本章小结 本章主要做了测距系统硬件模块部分的GPS模块、无线收发模块、主控器模块、数据存储模块以及辅助的电平转换模块、液晶显示模块、USB接口及相应电路模块和相应的设计图谱。为我们硬件设计提

47、供了可操作性方案，并良好的连接了各硬件模块，这就为软件的支持做好了硬件基础。而只有硬件是不可以做到系统的形成，我们还是需要软件做为驱动和平台支持，于是以下就从软件平台着手为硬件提供支持。4 系统的软件实现4.1 系统总体软件部分设计 系统软件部分主要用来通过USB数据通信接口读取GPS接收到的位置信息，利用位置坐标与距离的换算算法，计算出距离，并完成数据的读取与存储功能。系统软件主要包括串口读写模块、位置测算模块与文件管理模块。本课题软件设计是基于硬件设计而来的，是为实现硬件的相关功能而设计的。而软件设计系统的设计流程图如图4.1所示： 图4.1 系统软件设计总体流程图工作流程：首先开始读取G

48、PS数据，进行数据的标记头检测并进行相关误差的较验，最后把正确可靠的数据进行数据存储。而后把存储的数据进行三维向二维的转换，转换为国家的二维地理坐标。最后把所得的数据坐标通过微型控制器进行相关的存储和在显示设备的显示等相位操作。当然，其间由电源设备供电。4.2 USB串口读写模块现代串口通信的方式繁多，而针对本设计的简单性而言。我选择了一种简单的通信方案，即是通过C Serial port类文件方式的方法进行通信软件的编写。一般串口的工作过程主要如下： 图4.2 串口读写流程图4.2.1 C Serial Port 类文件串口操作程序：class C Serial Port public:vo

49、id Close Port();C Serial Port();virtual C Serial Port();BOOL Init Port(C wnd * p Port Owner， UINT port nr = 1， UINT baud = 19200， char parity='N'， UINT data bits = 8， UINT stop bits = 1， DWORD dw Comm Events =EV_RXCHAR， UINT write buffer size = 1024); HANDLE m_h Comm;BOOL Start Monitoring();

50、BOOL Restart Monitoring();BOOL Stop Monitoring();DWORD Get Write Buffer Size();DWORD Get Comm Events();DCB Get DCB();void Write To Port(char* string);void Write To Port(char* string，int n);void Write To Port(LPCTSTR string);void Write To Port(LPCTSTR string，int n);protected:void Process Error Messag

51、e(char* Error Text);static UINT Comm Thread(LPVOID p Param);static void Receive Char(C Serial Port* port， COMSTAT com stat);static void Write Char(C Serial Port* port);C Win Thread* m_Thread;CRITICAL_SECTION m_cs Communication Sync;BOOL m b Thread Alive;HANDLE m_ h Write Event;HANDLE m_ h Shut down Event;HANDLE m_ h Event Array3;OVERLAPPED m_o v;COMMTIMEOUTS m_ Comm Timeouts;DCB m_d c b;C W n d* m_ p Owner;UINT m_n Port Nr;char* m_ sz Write Buffer;DWORD m_ dw Comm Events;DWORD m_ n Write Buffer Size;4.2.2 类函数调用说明(1)串口相关操作类：In Port函数： 对相应数据串口进行初始化； Start Monitoring函数： 启动相应线程，打