毕业论文GPS无线定位系统研究与分析

1、32/35摘要随着我国经济的迅速发展,过人消费水平也呈现了飞速增长,汽车的数量也随着迅速增加,我国GPS车辆定位系统市场现在已经进入规模发展时期,本文对GPS汽车定位系统运用到的技术理论基础作出了详细的介绍,兵非别提供了GPS定位车载终端的硬件和软件的具体设计方案.GPS即全球系统定位,它是一个中距离圆形轨道卫星定位,可以为地球表面绝大部分地区提供准确的定位和高精度的时间基准.GPRS是在GSM的系统基础上引入新的部件而构成的无线数据出传输系统.它的基本功能是在移动终端,GPRS网以与和Internet网络的路由器之间传输分组数据,根据现代智能交通系统的实际需求,本文设计了一种基于GPRS的车

2、载卫星定位系统,系统采用单片机作为处理器,通过GPRS网络建立无线通信链路,把车载移动终端的GPS定位信息传到Internet网上的服务器,实现在线实时检测车辆行驶各类信息,实现了控制中心实时检测车辆行驶状态,完成了车辆定位的目的关键词:GPS车辆定位:全球定位系统:导航定位ABSTRACTAs Chinas rapid economic developmentpeople also rapid consumptiom growth in the number of vehicles has increased as rapidly. GPS vehicle location system i

3、n China has now entered the scale of the market development periodthis article on the use of GPS vehicle positioning system technology theroy to make a detailed on the use of GPS vehicle positioning system technology theory to make a detailed introduction, and each vehicle terminal provides GPS posi

4、tioning of specific hardware and software design.GPS or global positioning systemit is a middle-distance circular orbit satellite positioning systemmost parts of the earths surface can provide accurate positioning and high precision time base. GPRS in the GSM system is based on the introduction of n

5、ew components which consititute the wireless data transmission system。Its basic function is in the mobile terminal。GPRS networds and Internet networks within and between the router packet data transmissionAccording to the actual modern intelligent transportation systemsthis paper designs a GPRS-base

6、d vehicle positioning systemhe system uses single chip as the processorthrough the GPRS network to establish wireless communication linkthe mobile terminals GPS location infornmation transmitted online Internet serverto achieve real-time monitoring online traffic infornmation of all types to achieve

7、s a real-time monitoring traffic control center in the statecompleted a vehicle positioning purposes.KEY WORDS:GPS vehicle location :Global Positioning System :Navigation目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc293435870第一章GPS的介绍1HYPERLINK l _Toc2934358711.1GPS引言1HYPERLINK l _Toc2934358721.2 GPS前身1HYPERLI

8、NK l _Toc2934358731.3 GPS的发展2HYPERLINK l _Toc293435874第二章 GPS无线定位系统的技术4HYPERLINK l _Toc2934358752.1 GPS定位系统4HYPERLINK l _Toc2934358762.1.1 GPS定位系统的概念4HYPERLINK l _Toc2934358772.1.2 GPS定位原理4HYPERLINK l _Toc2934358782.1.3 GPS的定位方法6HYPERLINK l _Toc2934358792.2 GPS无线定位系统的核心技术7HYPERLINK l _Toc2934358802.

9、2.1 无线定位的概念与其定位方法8HYPERLINK l _Toc2934358842.2.3 GPS定位系统的核心技术11HYPERLINK l _Toc2934358852.2.4 GPS模块12HYPERLINK l _Toc293435886第三章 GPS的系统组成16HYPERLINK l _Toc2934358873.1 GPS的系统16HYPERLINK l _Toc2934358883.2 GPS信号处理平台的研究20HYPERLINK l _Toc2934358893.3 GPS信号处理系统的框架21HYPERLINK l _Toc2934358903.4 GPS定位系统的

10、功能23HYPERLINK l _Toc2934358913.5 GPS的特点24HYPERLINK l _Toc293435892第四章 GPS在车载终端的功能需求与分析26HYPERLINK l _Toc2934358934.1 软件设计概述28HYPERLINK l _Toc2934358944.2 总体功能分析28HYPERLINK l _Toc293435895第五章 GPS车辆定位系统的现状与未来30HYPERLINK l _Toc2934358965.1 GPS车辆定位系统的关键技术与存在问题30HYPERLINK l _Toc2934358975.2 制约GPS车辆定位系统发展

11、的市场因素31HYPERLINK l _Toc2934358985.3 制约GPS车辆定位系统发展的其它因素32HYPERLINK l _Toc2934358995.4 GPS车辆定位系统的发展前景33HYPERLINK l _Toc293435900第六章结论与展望34HYPERLINK l _Toc293435901致36HYPERLINK l _Toc293435902参考文献38第一章GPS的介绍1.1GPS引言GPS即全球定位系统（Global Positioning System）。简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统，这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都

12、可以同时观测到4颗卫星，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。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以与个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。全球定位系统（GPS）是20世界70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天侯和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成.经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成.GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分GPS星座

13、；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。1.2 GPS前身GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多饶过地球13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，子午仪系统使用研发部分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与子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军与民用部门偶读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（NRL）提

14、出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000Km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗实验卫星，在这些卫星商初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空间则提出了621-B的以梅星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。该计划以伪随机码（PRN）为基础船舶卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于

15、复杂，由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合而为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处，该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。1.3 GPS的发展GPS技术应用除了能够定位导航之外，还能够为用户提供位置信息，通过GPS技术使用者可以跟踪、定位目标，不过原来这项技术常时间以来一直为军队或者一些大型商家服务，在普通民用领域由于价格关系一直没有得以普遍应用。不过，在今年CES展会上的一款个性化的GPS个人追踪装置XAC

16、T | TRAX让人眼前一亮，通过这款产品用户可以随时留意宠物、亲人或者其他物品的位置，让这项技术惠与普通大众成为可能。这款GPS个人追踪装置为用户提供了一个基于WEB的专用界面，使用者可以在控制台管理界面实现对于GPS装置的功能设置，例如设置“活动界限”来规划出目标活动围，在超过这个围之，这款追踪装置将向提前设置好的紧急联络人发送信息报警，而用户则可以根据这款装置配套的软件来轻松了解当前目标所在具体位置、时间、日前等信息。其实，在这款产品之前也曾经有过不少类似GPS装置，例如曾经的宠物GPS装置以与搭配GPS导航仪使用的GPS警报装置，但是都由于价格或者适用人群等原因并没有让人们深切感受到G

17、PS位置服务的使用。但是，作为GPS技术应用的一大领域，基于GPS技术的监控、跟踪、报警等功能位置服务推广普与已经成为当前GPS应用的一种趋势当前GPS产品虽然能够方便的为使用者在陌生环境中规划出行驶路线，但是由于地图更新问题或者实际问题往往出现规划路线与现实状况并不相符的尴尬情况，如何让导航仪规划路径更加贴近现实成为消费者以与厂商共同关注的问题.其实，这对这一状况各大厂商都在为解决这一问题进行着努力，GPS生产制造商以tomtom公司为代表，其“智能规划路径”技术，可以根据数以百万计使用者反馈信息计算出每天某个时段最接近现实的道路信息，让使用者在规划路径时更加贴近实际的“最佳路线”；而在辅助

18、功能方面，该机还提供了实时交通信息广播服务，用户通过语音或者屏幕显示获得最新的实时交通信息，然后避开一些道路繁忙路段。而地图厂商Navteq则联合知名手机商NOKIA在实时交通领域展开研究，控制中心通过侦测某条道路上的GPS手度，来估计该道路上的汽车数目，由此绘制出整个城市的实时交通路况图，力求获得更精确的数据。就像在现实中两地间最近路程往往不会是走直线，GPS导航装置规划出“最佳路线”。第二章 GPS无线定位系统的技术2.1 GPS定位系统2.1.1 GPS定位系统的概念GPS（Global Positioning System）全球定位系统，又称作导航卫星定时与测距（Navigation

19、Satellite Timing and Ranging），是由美国建立的基于卫星导航的精密定位系统，从1973年开始，GPS系统由美国国防部组织三军研制，并与1993年基本完成。利用该系统，用户可以在全球围实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，永和还能够进行高精度的时间传递和精密定位。2.1.2 GPS定位原理GPS导航系统的基本原理是测量处一直位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出，而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光

20、速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）；当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共由两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码，C/A码频率1.023MHz，重复周期1毫秒，码间距1微妙，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微妙，相当于30m，而Y码是在P码的基础上形成的，性能更佳。导航点位包括卫星星历、工作状态、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50%调制在载频上发射的。导航点位每个主帧中包

21、含5个子帧每帧长6s，前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。GPS接收机对受到的卫星信号进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波，严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差，一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值。但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即使周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算，相位观测值的精度高至毫米，但前提设计解出整周模糊度，因此只有在相对定位，并有一段连续观测值时才能使用

22、相位观测值。而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。2.1.3 GPS的定位方法按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量。可用于车船等的概略导航定位，相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量、测量或工程测量均应采用位相观测值进行相对定位。GPS的定位方法由多种分类，大致可以有以下几种：静态定位与动态定位静态定位：如果待定点相对于周围的固定点没有可以察觉的运动，或者运动十分缓慢以至于数月甚至数年才能反映出来，即

23、认为这种待定点相对于地球坐标是固定不东的，这种待定点的坐标确实方法称为静态定位。动态定位：车、船、飞机、航天器等物体在运动时通常需要知道他们的实时位置。通常在这些运动载体上安装GPS接收机，实时测得GPS接受信号天线所在地位置，这种对快速移动物体进行定位的方式就叫做动态定位，也是最常见并且应用广泛的定位方式。2）绝对定位与相对定位绝对定位：绝对定位是确定独立待定点在地球坐标系中的位置的定位方式。相对定位：相对定位是确定同步跟踪一样GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的一种方法。由于采用同步观测，各个同步站获得信号的许多误差是一样的或大致一样的（如卫星时钟误差、星历误差、信号的大气传播误差等）

24、，可以消除或减弱这些误差，获得精确度相对高的相对位置。3）伪距法与载波相位法伪距法：在使用伪距法定位时，接收机本机振荡产生于卫星发射信号一样的一组测距码（P码或C/A码），通过延迟器与接收机收到的信号进行比较，当两组信号彼此完全重合（相关）时，测出的本机信号延迟量即为卫星信号的传输时间，加上一系列的改正后乘以光速，得出卫星与天线香味中心点饿斜距。如果同时观测了四颗（或以上）卫星，即可以按距离交会法算出测站的位置和始终误差四个未知数，伪距发的测量精度相对较低。载波相位法：该方法是把载波作为测量信号，对载波进行量测，确定卫星信号和接受机参考信号的相位差，推算出相位观测值。然后采用和伪距法类似的原理

25、，求出观测站的位置和时钟误差等。相对于伪距法，载波相位法拥有较高的测量精度。2.2 GPS无线定位系统的核心技术2.2.1 无线定位的概念与其定位方法无线定位技术通常指人们通过无线设备获取设备所处的地理坐标，以与对其在一定的地图围进行精确定位的技术，它又被成为移动定位（Mobile-Location），无线电定位（Radio-Location），或是地理定位（Geo-Location）。无线定位里有两个重要的概念：基站（Base-Station）与移动站（Mobile Station）。基站（Base Station）是指，位于固定位置的专门用户收发移动设备信号的通信站，它是进行无线定位的核心

26、组成部分，多个基站组合即构成一个能够对移动设备进行转却定位的系统。移动站（Mobile Station）是指被定位对象，它可以是一个GPS定位设备、一部手机或是一个专用定位装置等。在进行无线定位时，我们可以又几种不同的选择，即无线定位工作可以是以下定位方式中的任意一种：基于方向的定位、基于距离的定位、基于指纹的定位等。方法一：基于方向的定位基于方向的无线定位也称作Angle of Arrival（AOA）定位技术，该技术通过至少两个位于不同位置的基站（Base Station）对移动设备进行测量。测量开始时，以基站为原点，把经过基站的某一固定方向作为角的一边，将基站与移动设备相连形成的射线作为

27、角的另外一边，由此可以确定处移动设备相对于基站的偏移角，当有两个基站时，两条偏移射线相交将会形成一个交点，该交点即为移动设备的准确位置。但如果移动设备恰好位于两个基站之间的直线上，两个基站将无法准确测出设备的位置，因此需要在第三个位置引入一个基站。因此，实际上，3个不在同一直线上的基站可以准确的获取在移动设备在任何位置上的实时信息。图1.1显示了基于方向的无线定位（AOA）的工作原理.方法二：基于距离的定位因为电子波在空气中的传播速度即光速，因此我们可以通过无线信号从移动设备发出的时刻与无线信号被基站接收的时刻推算处移动设备与基站之间的距离，由该距离我们可以知道移动设备存在于距离基站一定距离的

28、圆周上，当由2至3个基站存在时，我们可以确定处移动设备对应于每个基站的圆周，而这些圆周的交点即是移动设备的具体位置，因此完成对设备的准确定位。方法三：基于指纹的定位基于指纹的定位方法，又称作射频指纹（Radio Frequency Fingerprinting）技术，相较于之前两种定位技术，射频指纹（RF Fingerprinting）是一种能够高精度进行无线设备定位的技术。在进行设备定位之前，先建立起基于定位建筑场所的WLAN覆盖区域信号热图，由于无线信号会因为距离远近以与墙壁等障碍物而出现信号衰减，因此在特定建筑物的每一个特定区域都将有其特定的无线信号强度数据，无线定位系统首先根据这些不同

29、的信号强度建立该区域的信号数据库，并为每一个位置标志上唯一性的指纹。当有无线设备进入该检测局域时，系统便能快速精确的确定处该设备的坐标信息（RF指纹识别）。射频指纹技术一定在一些领域得到了成熟的应用，比如跟踪无线语音的E911*/系统和无线资产管理系统等。2.2.3 无线定位系统的结构无线定位系统的功能性体系结构必须具备两个功能单元：1）移动台（MS）的位置估计。2）和网络共享某些属性的此位置估计信息。定位系统测量来自移动终端的无线电波的有关参数，同时系统测量某些固定接收器或者某些固定发送器发送到移动接收器的无线电波参数，因此有两种办法可以获得对MS的世纪位置信息的估计；自我定位系统，即常被称

30、为基于移动终端为中心的定位系统，MS通过测量自己相对某个已知位置发送器的距离或者方向来确定自己的位置（例如GPS接收器）；远距离定位系统，即常被叫做基于网络的饿定位系统，它采用很多地理定位基站（GBS）一起来确定MS位置，可以通过分析接收信号的强度、信号相位以与到达时间等属性来确定MS的距离，至于MS的方向则可以通过接收信号的到达角来获得，最终系统根据每个接收器测量到的移动终端的距离或者方向来联合计算移动终端的位置，自我定位系统也可以使用相似的方法。一个定位服务提供商为用户提供位置信息和位置感知服务，每当用户提出申请要求有关某个MS的位置信息时，定位服务提供商将首先联络位置控制中心，查询MS的

31、位置坐标，用户可能是希望跟踪某一移动设备的商业用户，或者是试图应答一个E-911的公共安全应大点PSAP（Public Safety Answering Point）。然后位置控制中心收集所需的信息来计算MS的位置，此信息可能是诸如接收信号强度、BSID、信号的TOA等参数。根据MS过去的信息，一系列BS可被用来寻呼MS，并且直接或者间接获得定位参数。这些BS有时候被称为地理定位基站（GBS），一旦收集到这些信息，位置控制中心就能够以某一精确度确定MS的位置，并且把此信息反馈给定位服务提供商，服务提供商然后可以利用此信息为用户可视化显示MS的位置。为了提供无线定位服务，传统的移动网络的骨干网必

32、须进行体系结构上的调整，如图2所示，MSC把位置参数传输给E-911业务的选择路由器，由路由器负责发送信息到适当的PSAP。PSAP根据收到的位置参数来查询一个自动位置信息（ALI）数据库，并返回此位置和与MS有关的信息，在PSAP上可以附加地理信息业务（GIS），可以可视化细微地显示公路、街道、地址和管辖区域等等，最终一个无线智能网络或者数据骨干网络可以合并起来通过无线网络骨干网接入地理信息系统，从BS/GBS向PSAP传递数据有很多种方法，如传统电信支撑网-7号信令系统，数据骨干网GPRS等等。图2 支持移动定位服务的GSM移动骨干网结构GSM标准组织发展了分组无线数据业务GPRS，它不仅

33、能在无线信道上提供9.05171.2kbit/s的可变速率，更实现了无线信道上数据分组传送，在现有电路交换网络中引入了分组网，为GSM运营者由仅提供话音业务向提供综合信息服务业务领域拓展提供了重要的网络平台，并为GSM网向第三代演进打下了基础。引入GPRS后的GSM网在传统话音接下基础上，提供了分组数据的接入，对现有频谱下话音与数据等综合业务接入能力的分析有利于GPRS升级时综合考虑业务与网络的同步发展，从而为GPRS大规模应用的规划和设计提供合理的理论指导。2.2.3 GPS定位系统的核心技术GPS定位系统的核心技术主要包括四部分：网上查车操作平台、嵌入式操作系统、 GSM/GPRS通信模块

34、、 GPS 模块。本节主要介绍GPS定位系统核心技术中的GPS模块。GPS模块就是继承了RF射频芯片，基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。目前GPS模块的GPS芯片大部分还是采用全球市占率第一的SIRF系列为主。由于GPS模块采用的芯片组不一样，性能和价格也有区别，采用SIRF三代芯片组的GPS模块性能最优，价格也要比采用MTK或者MSTAR等GPS芯片组的贵很多。且采用SIRF第三代芯片，主要是定位灵敏度大大提高，例如：在汽车上应用时，只要靠近车窗就能较好工作，使用更方便，定位也更准确。2.2.4 GPS模块下面是GPS模块的软件流程图。该软件的流程主要是设置GPS

35、模块与MCU之间的串口通信、参数显示与人机接口。主要包括初始化、串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理、电源管理等部分。其中初始化包括MSP430中各种寄存器的配置、串口相关参数配置（波特率，模式）与外围电路（LCD、电源等设备检测）的初始化等；串口通信包括数据发送、接收、校验，通信故障提示等；数据处理主要是对接收数据的解码、存储和数据刷新等； 故障提示包括设备故障、通信故障、电源故障等。电源管理主要是电源欠压提示和当前电源状态显示。另外，设计时还应注意GPS模块的天线要求，具体有以下两点： （1）天线增益应为30dB，阻抗应为50。 （2）无线频率信号环境方面要求，即RF输入L1的载波

36、频率应为10MHZ，带宽中心点应为0dBW。 GPS模块的常见问题：1。GPS模块的16通道是什么含义？GPS模块有一个通道数量的参数，例如最新型的为16通道，它表示该模块最大可以同时和16颗卫星建立通讯，模块只有同时收到3颗以上卫星信号后，经过复杂运算后才能获得正确的定位数据，如果同时通讯的卫星颗数越多，模块就能越快越准确地获得定位数据，在地球表面只有在地理条件特别理想的条件下才可能同时与16颗卫星通讯，一般的城市环境下通常可以同时和48颗卫星同时通讯。2。GPS模块为什么开机后很长时间才能获得定位数据？GPS模块有冷开机和热开机两个参数，如果GPS模块初次通电，或者移动超过1000公里后通

37、电时，模块要重新计算一次星历数据，一般需要15分钟，然后将星历数据存储在模块部，靠模块部的锂电池保存数据，这叫冷开机，需要较长的时间。如果下次开机，因为锂电池已经保存了有效的星历数据，所以能快速定位，一般在30秒以，所以叫热开机，如果模块断电时间超过10小时，锂电池放电放光，那么再开机也相当于冷开机。3。如果出现长时间无法冷开机时怎么办？只有在极少数情况下会出现超过15分钟无法冷开机，这时一般只要将模块重新断电开机或者将GPS天线移动一段距离再开机就能解决问题，当然GPS天线必须放到室外较为空旷的地方才能收到卫星！第三章 GPS的系统组成3.1 GPS的系统整个GPS系统主要由空间部分、地面控

38、制部分与用户接收机三部分组成：一、GPS空间星座部分：GPS的空间部分由24颗GPS工作卫星组成，早先这些卫星被分成8颗一组，分布在3个不同的绕地轨道上，之后人们对这样的安排做了调整，最终将24颗卫星划分为6组，每组四颗，分布在6个不同的绕地轨道上，轨道平均高度为20200公里，不同轨道之间的倾角为55度，卫星运行周期约为11小时58分钟。GPS卫星轨道经过调整之后，能够保证在世界上几乎所有的地方都能够至少有6颗卫星处于地平线以上，即可见围，最多时neng 达到12颗。这样布局从理论上可以保证GPS在地球上任何时间、任何地点对物体进行定位。加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS是

39、一个全球性、全天候的连续实时的导航和定位系统。1、 GPS卫星星座（1）设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55， 周期11h 58min（顾 与地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星（2）当前星座：28颗2、 GPS卫星（1）作用： 发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置（2）类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部

40、研制的。卫星重774kg（包括310 kg燃料），采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为1.5m。星体两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。对日定向系统控制两翼帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15AH的镉镍蓄电池充电，以保证卫星在地影区能正常工作。在星体底部装有多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。工作卫星的设计寿命为7年。从试验卫星的工作情况看，

41、一般都能超过或远远超过设计寿命。（3）第一代卫星现已停止工作。（4）第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。Block A的功能比Block 大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。Block 只能存储供45天用的导航电文，而Block A则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。（5）第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当

42、。二、 GPS地面控制部分：地面控制部分是整个系统的中枢，且分布于全球围，由1个主控站、5个监控站和3个注入站组成。主控站位于美国科罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，根据各监控站对GPS的监测计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去，以调整偏离轨道的卫星至预定轨道，或启用备用卫星替代失效卫星等。监控站的作用负责接收卫星信号，监控卫星工作状态。注入站负责将主控站计算出的卫星星历和卫星改正数据注入到卫星中去。地面监控系统另一个重要作用是保持各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫

43、星，卫星再由导航电文发给用户设备。1、GPS的地面控制部分（地面监测系统）（1）组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个）（2）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。2、主控站（1个）（1）作用：收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。（2）地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。 主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户，这就用所用的广播星历。3、 跟踪站（5个）（1）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将

44、所收集到的数据传送给主控站。（2）地点：夏威夷、主控站与三个注入站。跟踪站又称监测站,每个监测站配有GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6S进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大洋的美军基地上，保证了全球GPS定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。4、注入站（3个）（1）作用：将导航电文注入GPS卫星。（2）地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。三、GPS用户设备部分：用户接收部分主要

45、由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。GPS卫星接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的带侧卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行交换、放大和处理，以使测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解释出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。1、 用户设备部分 - GPS信号接收机与相关设备（1）接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备（2）多数采用石英钟2、GPS接收机（1）组成（2）基本结构（3）类型3、天线单元4、接收单元5、接收机的通道以上这三个部

46、分共同组成了一个完整的GPS系统。3.2 GPS信号处理平台的研究GPS系统作为一门具有开创性意义的高新技术之一，其全球性、全天候性的导航定位、定时、测速优势使其在诸多领域中得到悦来越广泛的应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和交通工程。目前，GPS技术在中国航空航天技术与道路工程等领域的应用还刚刚起步，随着中国经济的发展，空天事业的迅速成长，高等级公路的快速修建，对GPS技术的应用研究必将会逐步深入并取得长足进步。当前，国外各研究机构、大学与相关公司对GPS系统的研究热点整逐步转向小型化、模块化、功能多样化、不断提高GPS接收机的集成度，并增强其可移植性，传统商用GPS接收机中

47、的核心部件一般采用专用集成电路（ASIC）实现，虽然性能稳定，但技术被某些机构与公司垄断，灵活性与可扩展性也较差，传统上，一个新的GPS捕获、跟踪算法的开发不得不经历软硬件开发软硬件测试系统软硬件整合样片研制板级实时测试，其中样片研制阶段不仅会设计一些知识产权相关的问题，而且需要投入大量的人才和财力，非常不利于GPS数字信号处理算法的研究与验证工作。另一方面，随着今年来俄罗斯的GLONASS系统，欧洲的伽利略俄日性系统与我国自行研制的北斗区域性卫星系统的研究和开发工作迅速发展，GPS数字信号处理算法的开发灵活度迫切需要得到提高，算法开发的周期也逐步成为一个重要的瓶颈。现场可编程门阵列（Fiel

48、d Programmable Gate Array，FPGA）是一种大规模、高速、低功耗、可反复变成的集成电路芯片，支持在系统编程，具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。这给系统开发提供了很大的灵活性，可以借助于它方便地实现各种数字信号处理算法的前期开发与测试，而ARM（Advanced RISC Machines）微控制器作为一种低功耗高性能的32位RISC处理器，具有很强的事务管理功能，凭借其体积小、低功耗、成本低、高性能的优势，在嵌入式设备与通信领域得到了广发使用。综合分析GPS信号处理平台的功能特点，使得FPGA实现GPS处理系统中的硬件

49、逻辑，完成数字中频信号相关器的功能；同时采用ARM微控制器作为主控单元，实现基带电文解算与系统逻辑控制，则系统在保持较好定位性能的同时，灵活度和适用性也得到大幅提高。可以实现算法软硬件开发测试实时下载验证，不但能更好地慢走算法研究的实时性需求，而且还可以作为深入理解GPS系统工作原理的开放式学习平台。基于上述原因，本文提出一种基于ARM与FPGA的GPS实时处理系统的设计方案并给出系统测试结果。当前基于FPGA与ARM微控制器实现的GPS实时处理平台中比较具有代表性的是澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）导航定位实验室（SNAAP）与澳大利亚信息与通信技术中心（NICTA）共同开发的一款基于AL

50、TERA FPGA的GPS实时处理平台。研究人员已经在该平台基础上对多种算法进行了开发与验证，取得了较为理想的成果。3.3 GPS信号处理系统的框架GPS信号采用的是码分多址形式（CDMA,Code Division Multiple Access），它是一种扩频多址数字式通信技术，通过独特的代码序列建立信道。不同卫星传输信息所用的信号不是依据频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分的。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的，接收机所用相关器可以在多个CDMA信号中检出其中使用预定码型的信号，其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。CDM

51、A的基本技术之一是扩频，因此这一多址技术具有很强的性，60年代以后在军用卫星通讯中被广泛采用。在系统容量、通信质量和性方面均有较大优势。其具体的特点描述如下：所有通道信号在同一频段下传输；信号隐没在噪声中传输编码对于每个用户是唯一的，且互相关影响很小传输带宽远大于信息带宽能耗小GPS卫星信号包括三种信号分量，载波（Carrier），两个伪随机噪声码C/A code和P code，以与数据码（D code）。载波是携带调制信号的高频振荡波，其振幅、频率和相位能随调制信号的变化而变化。伪码是用于测量从卫星到接收机间的距离的二进制编码，测距码中包含了两种性质和精度均不同的编码C/A码和P码。C/A码

52、是用于跟踪锁定和测量的伪随机噪声码。每颗卫星的C/A码都不一样，以PRN号来区分。C/A码是测定接收机到卫星间的距离的一种主要的信号，二进制导航电文包含了卫星发送给用户的导航定位数据。GPS信号接收端主要包括射频前端、GPS数字相关器、数字基带处理器以与上位机显示界面。卫星广播的射频信号首先经天线接收，通过射频前段芯片GP2015的放大和下变频处理，采样为中频数字信号流，后者再通过FPCA上的12通道数字相关器变换至基带，配合ARM微控制器完成数字基带处理，经解调解扩得到导航电文并计算出接收机经纬度，最终将实时处理结果显示在上位机界面上。GPS信号实时处理系统的硬件框图如图1-4所示上位机软件

53、主要使用MFC实现数据接收与显示，主要包括：串口数据接收数据校验数据的可视化处理3.4 GPS定位系统的功能1）车辆跟踪功能：利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并可任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。2）提供出行路线规划和导航功能：提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速功能路段次数最少的路线的计算。人工

54、线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立路线库。线路规划完毕收，显示器能够在电子地图上显示设计路线，并同时显示汽车运行路径和运行方法。3）信息查询功能：为用户提供主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。4）话务指挥功能：指挥中心也可监测区域车辆的运行状况，对被监测车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。5）紧急援助功能：通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控

55、台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理等各种人性服务。3.5 GPS的特点全球定位系统的主要特点：1、全球、全天候工作。2、定位精度高。单击定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级个毫米级。3、功能多，应用广。GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。第四章 GPS在车载终端的功能需求与分析4.1 软件设计概述车载系统的初始化主要包括GPS模块的初始化，GPRS模块的初始化，显示模块的初始化以与特殊功能寄存器的初始化。GPS的初始化主要是设置接收数据的模式。GPRS的设置要复杂一些，为了保证通讯的顺利进行

56、，要正确的设置所有连接端口的串口波特率，保持他们的一致；然后进行拨号设置，设置GPRS使系统连接到网络上，再进行通讯双方的端口匹配，并进行TCP连接，成功后便可以接收和发送数据（在此系统中我们将车载部分作为通信的客户端，监控中心作为服务器端。）系统初始化完毕以后，程序应当进入循环和等待中断阶段，当有外部中断和串口中断时进行相应的中断处理。当GPRS触发串口中断时，进入串口中断服务程序，判断是读取信息还是发送信息，如果是发送，则将要发送的信息打包成所规定的帧格式发送出去，如果是读取，则对受到的信心进行解释，执行相应的操作。4.2 总体功能分析车载中断的软件设计主要集中在各层网络协议的实现。网络协

57、议层次结构如图5.1所示，PPP协议主要用于创建连接；IP协议层主要作用是为上层提供无连接和不可靠的包交换服务，该协议体现在一个Internet数据包中；TCP层的作用是提供面向连接的端到端的无差错的报文传送。 TCP/UDP协议 IP协议 PPP协议 图 4.1网络协议层次结构PPP协议是对使用PPP连接提供传输多种协议报文的标准方法，各种协议的报文最后被封装在PPP数据包中，由物理层送出，在这里由MC35i模块送出。图5.2描述了用户数据的封装流程。PPP由三部分组成：（1） 对各协议封装成PPP数据包的方法；（2）建立连接、配置和测试数据连路的LCP协议；（3）建立的配置不同网络层协议的

58、NCP协议组。 用户数据用户数据TCP/UDP首部用户数据TCP/UDP首部IPPPP帧尾FCS用户数据TCP/UDP首部IP首部PPP 图 4.2 数据封装流程图单片机的整体程序设计包括模块的初始化和数据的封装发送与报文解析，各子程序在设计时要保证其能够协调工作和较高的可靠性。程序要能够对一些错误惊醒处理，以减少网络通讯负担，如连接超时、接收数据错误等。具体程序的流程如图5.3所示。开始读串口数据GPRS拨号链接 是是否是参数配置命令直接数据传送 否GPRS链路是否正常重新链接 否 是延时切断油路数据发送用控制中心命令吗？ 否 有图4.3 单片机程序流程图第五章 GPS车辆定位系统的现状与未

59、来5.1 GPS车辆定位系统的关键技术与存在问题面对GPS极具规模生产潜力的市场就是汽车这一应用领域。GPS车辆应用又可以分为两大类：车来那个定位系统和车辆导航系统。而车来那个定位系统是目前国GPS应用的主流，约占70%以上。在车辆定位系统的应用中，几个关键技术起到主导作用：GPS技术、车载设备的设计、无线传输技术、GIS技术、计算机网络技术、数据库技术等。（1）GPS技术GPS技术本身是成熟的。特别是2000年5月美国前总统克林顿颁布命令取消SA扰码以来，大幅度提高了民用GPS系统的定位精度，更使得GPS技术在国的应用变得畅通无阻。GPS技术在应用上也并不困难，因为很少由GPS公司将开发定位

60、到开发核心GPS定位算法上，多是直接购买国外公司生产的OEM板加上正确的电压，就能通过OEM板提供的通信口（如串口）直接读取定位信息，普通的51单片机就能很容易地实现。并且现在一块GPS OEM板的价格也相对比较低廉，400元以就由号几种型号可供选择。但是GPS OEM板也存在着固有的弱点，如冷启动时间较长、隧道等由遮挡环境无法定位等。（2）GPS车载设备的设计通常采用嵌入式单片机作为核心部件，外围电路宝库电源电路、GPS控制电路、GSM控制电路、通信电路、音频处理电路、数据存储电路、I/O口控制电路、显示屏控制电路等。虽然技术并不算十分复杂，但要设计出一个适合车辆工作环境、24小时连续工作的