【正文】 又陸續(xù)發(fā)射了 7 顆試驗衛(wèi)星。第一階段和第二階段共發(fā)射 11 顆試驗衛(wèi)星，這些試驗衛(wèi)星稱為第一代衛(wèi)星。 第三階段為最后的工程發(fā)展與完成階段。 1989 年的 2 月 4 日，發(fā)射了 GPS 第一顆工作衛(wèi)星，到 1994 年 3 月 10 日共研制發(fā)射了 28 顆工作衛(wèi)星。這些工作衛(wèi)星稱為 BlockII 和BlockIIA 衛(wèi)星，與此同時，不僅研制了高精度導(dǎo)航型 接收機，還研制了能對衛(wèi)星載被信號進行相位測量的定位精度極高的接收機和采用相位差分的 GPS 載體姿態(tài)測量接收機，滿足了精密導(dǎo)航與制導(dǎo)等一系列軍事目的之要求。從 GPS 計劃的提出到該系統(tǒng)的建成使用，歷經(jīng) 20 余年，耗資數(shù)百億美元。這一工程項目是美國政府繼阿波羅登月計劃和航天計劃之后的第三項龐大空間項目。 GPS 從根本上解決了人類在地球及其周圍空間的導(dǎo)航及定位問題，它不僅可以廣泛地應(yīng)用于海上、陸地和空中動目標的導(dǎo)航、制導(dǎo)和定位，而且可為空間飛行器進行精密定軌，滿足軍事部門的需要。同時，它在各種民用部門也獲得了成功的應(yīng)用， 在大地測量、工程勘探、地形普查測量、地殼監(jiān)測等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。有人說，將來只有我們想像力的限制才會限制 GPS 的潛在應(yīng)用。 GPS 將對人類活動產(chǎn)生極大的影響 。 研究背景和前景分析 當(dāng)前，用在汽車導(dǎo)航的技術(shù)有多種，例如，將磁羅盤方位儀和速度儀結(jié)合在一起，利用航位推算技術(shù)可以對車輛進行定位和測向。但這些技術(shù)都有較多的缺點，有些系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差會隨時間而積累，不適合長時間的單獨導(dǎo)航，有些系統(tǒng)受地理位置或者天氣的限制較大，不能提供全球，全天候和實時的導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)，極大的解決了上述問題， 使提供全球，全天候和實時的導(dǎo)航成為現(xiàn)實， 也 從根本上促進了 IT 技術(shù)的整體發(fā)展。 車載導(dǎo)航儀技術(shù)的靈活運用為現(xiàn)代交通的便利提供了廣泛和深入的幫助，該技術(shù)一 經(jīng)問世，即顯示出強大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景，并產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟效益，成為 90 年代后整個世界新的經(jīng)濟增長點之一。由于巨大的市場潛力和不可估量的發(fā)展前景，日本幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家都參加了這一高科技角逐，僅近幾年投入市場的新系統(tǒng)就有 30 多個。根據(jù)《 GPSWord》雜志刊登的美國工業(yè)發(fā)展研究機構(gòu)的統(tǒng)計預(yù)測，在 2020 年，日本、北美和歐洲每年至少有 15002500 萬套產(chǎn)品售出，在20202020 年間，將 有 50％的汽車在出廠時，就已裝備了車載導(dǎo)航系統(tǒng)，在以后時間里該系統(tǒng)的普及率將會逐漸提高到 100％。 改革開放后，隨著我國交通運輸事業(yè)的迅速發(fā)展，如何研究一套適合我國國情的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，使之能滿足國內(nèi)運輸和車輛管理的需要，這對我國的國民經(jīng)濟建設(shè)有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。隨著國內(nèi)私人汽車的普及，車載導(dǎo)航系統(tǒng)將逐漸被人們所認識。盡管目前車載導(dǎo)航系統(tǒng)在國內(nèi)的使用還很有限，但其巨大的市場潛力已經(jīng)引起各方的關(guān)注。前兩年讓消費者翹首等待的威馳車最大的亮點和賣點就是車載導(dǎo)航 系 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 3 統(tǒng)，這被視作在中國產(chǎn)的汽車上安裝車載導(dǎo)航系統(tǒng)的開端，也是豐田公司對中國車載導(dǎo)航系統(tǒng)市場的一次探路行動。 具有導(dǎo)航、定位、防盜等實用功能的車載 GPS 產(chǎn)品在我國有著廣闊的市場前景。武漢科學(xué)技術(shù)情報研究所預(yù)測 2020 年開始，車載 GPS 產(chǎn)品市場需求將進入一個快速增長期，研制國產(chǎn)化車載 GPS 產(chǎn)品近年內(nèi)可望形成一項利潤空間較大產(chǎn)業(yè)。車載 GPS產(chǎn)品通常是指安裝在車輛上，可以確定車輛的位置，并結(jié)合通訊模塊把位置信息發(fā)送給服務(wù)中心的系統(tǒng)。主要由 GPS 接收機主機板、天線通訊模塊和顯示屏組成。此類產(chǎn)品可以針對不同行業(yè)的需 求進行組合，因而應(yīng)用非常廣泛，大部分功能都是基于定位功能延伸出來的。武漢科學(xué)技術(shù)情報研究所專家認為，車載 GPS 產(chǎn)品在國內(nèi)有著廣闊的市場前景。據(jù)統(tǒng)計，我國 2020 年汽車銷售達到 500 多萬輛，汽車保有量達到2500 多萬輛，私家車保有量達到 700 多萬輛。從實際情況來看，近年來我國運輸市場持續(xù)升溫，各種物流系統(tǒng)均顯示出對 GPS 車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)的明顯需求。 業(yè)內(nèi)人士預(yù)計 ,未來三年內(nèi) ,我國車載 GPS 導(dǎo)航器的市場預(yù)計將有 100 億元以上。 然而，目前市場上的導(dǎo)航儀普遍存在著一些問題。 要使用戶獲知車輛位置或者向用戶提供 操縱指示，就必須精確地確定車的位置。因此，對任何性能良好的車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)來說，精確、可靠的車輛定位是必要的先決條件。 可是 目前車輛導(dǎo)航系統(tǒng)所廣泛采用的GPS 定位系統(tǒng) 雖然 具有全天候、高效率、多功能、操作簡便、使用廣泛等顯著優(yōu)點，但 GPS的工作嚴重地受到環(huán)境的影響，尤其是電磁干擾、多路徑效應(yīng)、由樹木產(chǎn)生的信號衰減、城市高層建筑群及立交橋等對衛(wèi)星信號的遮擋，使得 GPS 信號的可見性變差，甚至可見星少于 4 顆而無法定位。因此， 如何實現(xiàn)確定穩(wěn)定的導(dǎo)航，將成為一個必須面對的問題。 目前，國內(nèi)外專家在這方面也取得了一定的突破 ，比如采用 GPS/INS 這樣的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，很大程度上解決了上述問題 ，可是，這種組合系統(tǒng)，成本較高，只適用于高端或者特殊場合，不便于 推廣。本課題采用卡爾曼濾波技 術(shù)和平滑處理技術(shù)，既降低了成本，又在很大程度上滿足了廣大用戶對準確 穩(wěn)定導(dǎo)航的需求。 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 4 2 設(shè)計說明 設(shè)計原則 根據(jù)以上需求分析、總體設(shè)計要求，結(jié)合 目標產(chǎn)品的性能指標，該車載 GPS 導(dǎo)航儀的設(shè)計 必須滿足以下設(shè)計原則： 本 設(shè)計以‘滿足客戶的需求’為第一前提，適當(dāng)超前，統(tǒng)一規(guī)劃；滿足客戶需求是根 據(jù)需求分析進行合理的設(shè)計，本 設(shè)計的工作都能反映 客戶的需求。 先進性：本 產(chǎn)品 技術(shù)領(lǐng)先期長、產(chǎn)品豐富，價格適中 ，適和 將來發(fā)展的應(yīng)用，這是為未來的發(fā)展作前景性的考慮。 可擴展性：應(yīng)用的技術(shù)不斷向前發(fā)展，往往需要對系統(tǒng)進行擴充，或增加與其他系統(tǒng)的互連。設(shè)計時充分考慮滿足易于系統(tǒng)在未來使用上擴充和升級的要求 ，并且預(yù)留了相應(yīng)接口 。 高可靠性：所 設(shè)計的導(dǎo)航儀器必須有高可靠性，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，尤其是采用卡爾曼濾波技術(shù)對數(shù)據(jù)進行了處理，從而得到高精度的實時導(dǎo)航。 標準化：作為一項網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計，必須遵守國 際相關(guān)標準，而 各個模塊的設(shè)計以及元氣件的選取 都有一定的標準， 只有符合相關(guān)行業(yè)標準，才能 保證設(shè)計的通用性。 ： 該 GPS 導(dǎo)航儀具有易安裝，易使用的人性化設(shè)計特點， 適合廣大用戶使用。 設(shè)計依據(jù) （一） GB/T 193922020 《汽車 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)通用規(guī)范》 （二） GB/T 《全球定位系統(tǒng)（ GPS）術(shù)語及定義》 （三） SJ/T 106942020《 電子產(chǎn)品制造與應(yīng)用系統(tǒng)防靜電檢測通用規(guī)范 》 （四） SJ 208822020《 印制電路組件裝焊工藝要求 》 （五） SJ/Z 90711987《 微處理機系統(tǒng)的二進制浮點運算 》 （六） SJ/T 111691998《 鋰電池標準 》 （七） SJ/T 113432020《 數(shù)字電視液晶顯示器通用規(guī)范 》 （八） SJ/T 106942020《 電子產(chǎn)品制造與應(yīng)用系統(tǒng)防靜電檢測通用規(guī)范 》 （九） SJ/T 113642020《 電子信息產(chǎn)品污染控制標識要 求 》 目標產(chǎn)品介紹： 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 5 基本參數(shù) 型號 ZLC1 微處理器 S3C44B0， TMS320VC5402 GPS 芯片 SiRF 第三代 內(nèi)存 32MB ROM + 64MB SDRAM 天線 外置 衛(wèi)星天線 數(shù)據(jù)更新率 1 次 /秒 GPS 通道 20 通道 數(shù)據(jù)接口 HPI/MMCX 操作系統(tǒng) UC/OS 屏幕參數(shù) ： 屏幕尺寸 英寸 屏幕特性 TFT 液晶顯示面版 ,LED 背光模塊 ,240320 分辨率 ,6 萬 5 千色彩顯示 坐標基準 WGS84 地圖比例尺 從 100 米到 40 公里的比例尺縮放 其他參數(shù) 電池 1350mAH 可充電鋰電池 尺寸 98mm*84mm* 重量 145g 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 總體設(shè)計方案 本設(shè)計的主要思路是： 通過 DSP 接收 GPS 數(shù)據(jù) ， 然后 進行卡爾曼濾波或者平滑處理，再 把處理 的 結(jié)果通過 HPI 口遞交給 以 ARM7 為載體的主控平臺，在主控平臺上將用戶的位置和速度等信息實時顯示出來。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 如下 所示： GPS 接收模塊的任務(wù)就是從衛(wèi)星廣播信號中解調(diào)出 導(dǎo)航電文，然后從導(dǎo)航電文中獲取 GPS的各種軌道參數(shù)，再根據(jù)定位方程組解算出觀測站的實時位置。本設(shè)計采用 Progin 公司的 SR87 接收模塊，該模塊采用高靈敏度，性能良好的 SiRF III 芯片，能夠跟蹤同時跟蹤多達 20 顆衛(wèi)星。這種模塊非常適用于手持設(shè)備或者車載嵌入式系統(tǒng)中，另外，考慮到 汽車的外殼，特別是汽車防爆膜會 對 GPS 信號產(chǎn)生嚴重的阻礙 ，所以本設(shè)計采用 一個帶磁鐵（能吸附到車頂）的外接天線 來接收衛(wèi)星信號。 用 GPS 進行定位的一個基本問題就是存在多種誤差源影響導(dǎo)航精度，克服誤差，提高精度的方法多種多樣，其 中卡爾曼濾波器是使用比較廣泛的一種， 它 采用 遞推線形最小方差估計思想，即利用上一時刻的估計值和該時刻的觀測值，估算出該時刻在 數(shù) 學(xué)意義上的最優(yōu)值，濾波效果非常顯著，加上平滑處理算法，可以得到精確穩(wěn)定的導(dǎo)航參數(shù)。不過卡爾曼濾波算法，涉及到大量的數(shù)學(xué)運算，使用實時性能比較好的數(shù)字信號處理 按鍵中斷處理 UCGUI界面 UCOS 管理調(diào)度 與 DSP通信 GPS模塊 SR87 DSP TMS320VC5402 任務(wù)通信 任務(wù)通信 任務(wù) 調(diào)度 任務(wù) 調(diào)度 ARM7 S3C44B0X LCD lm7m632 任務(wù) 調(diào)度 HPI 口 傳遞導(dǎo)航數(shù)據(jù) 應(yīng)用軟件 操作系統(tǒng) 接收 GPS衛(wèi)星信號 實現(xiàn)卡爾曼濾波算 法及平滑處理 主 控平臺 顯示地圖等導(dǎo)航信息 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 器，是很有必要的，本設(shè)計采用 TI 公司的 TMS320VC5402，它能很好地滿足本設(shè)計的性能要求，而且它提供豐富的指令集，只是它沒具備異步串行通信接口，而 GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)是異步串行信號，為了在節(jié)省成本的前提下解決這個矛盾，本設(shè)計使用 DSP 的 I/O 口來接收 GPS 數(shù)據(jù)。 作為一款大眾化消費類導(dǎo)航產(chǎn)品 ，構(gòu)建一個人性化的主控平臺，是嵌入式產(chǎn)品設(shè)計的基本要求，本設(shè)計選用三星公司的 S3C44B0X 芯片作為處理器 ，嵌入式 UC/OS 作為操作系統(tǒng)， UCGUI 作為圖形用戶界面的開發(fā)環(huán)境，而且很好地對它們進行了移植和組合 數(shù)據(jù)流程圖如下所示： 主要內(nèi)容 該設(shè)計的主要內(nèi)容有如下幾點： 1，根據(jù) 國家消費電子產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范，以及相關(guān)的國際標準，確定系統(tǒng)參數(shù)指標 2，掌握 GPS 的基本工 作原理，分析 GPS 衛(wèi)星信號的結(jié)構(gòu)和誤差源，理解 NMEA0183數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議； 3，建立卡爾曼濾波模型，對其進行仿真和編程實現(xiàn)。這部分涉及 較 多數(shù)學(xué)上的復(fù)雜運算，而且卡爾曼濾波器本身的參數(shù)會隨著濾波的次數(shù)增加而變化，達到一定的程度，才趨于穩(wěn)定，如果模型建立不合理，還會出現(xiàn)濾波誤差增大，甚至“發(fā)散”的現(xiàn)象； 4，掌握 DSP 芯片的工作原理及其匯編語言， C語言 編程 。在節(jié)省硬件成本的前提下，實現(xiàn)卡爾曼濾波算法，對 GPS 模塊 輸出的 異步 串行信號進行 接收 ，而且向主控平臺遞交處理結(jié)果。 5，采用 ARM 和 UC/OS， UC/GUI 構(gòu)建主控平臺，實現(xiàn)在地圖上顯示用戶的位置信息。其中涉及到操作系統(tǒng)和圖形用戶界面的移植應(yīng)用知識 。 GPS 模塊從天線接收衛(wèi)星信號，輸出NMEA0183 協(xié)議導(dǎo)航數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)誤差情況，建立濾波模型；有信號時，進行卡爾曼濾波；無信號時，進行平滑處理，從而得到精確連續(xù)的導(dǎo)航數(shù)據(jù) 主控平臺，上面運行實時操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務(wù)管理調(diào)度，應(yīng)用軟件響應(yīng)按鍵操作，接收 DSP 數(shù)據(jù)，控制 LCD顯示等。 LCD 顯示地圖，經(jīng)度，緯度，速度等導(dǎo)航數(shù)據(jù) NMEA 0183 HPI MMCX 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 3 GPS 全球定位系統(tǒng) 系統(tǒng)的組成 GPS 主要有三大組成部分 :GPS 衛(wèi)星 (空間星座部分 )、地面支撐系統(tǒng) (地面監(jiān)控部分 )、 GPS 接收機 (用戶設(shè)備部分 )。 空間星座部分 GPS 的空間衛(wèi)星星座由