【正文】 GPS。 NMEA0 Location Based Services (LBS) 中國科學技術(shù)大學畢業(yè)論文 5 第一章 緒論 第一節(jié) GPS 的 概念及 發(fā)展概況 GPS 是全球定 位系統(tǒng)（ Global Positioning System）的英文縮寫 ，它可以用來實現(xiàn)連續(xù)的實時三維導(dǎo)航。所謂導(dǎo)航（ navigation），在這里的定義是實時的測定運動載體在途行進時的位置和速度，引導(dǎo)運動載體沿一定的航線經(jīng)濟而安全的到達目的地 [1]。 完成高精度的導(dǎo)航定位，需要導(dǎo)航裝置作為輔助手段。 其中有一類導(dǎo)航裝置，發(fā)射無線電信號，使用戶能夠通過終端設(shè)備接受多個該類導(dǎo)航裝置的無線電信號計算出其位置，我們稱這類導(dǎo)航裝置為無線電導(dǎo)航裝置。 無線電導(dǎo)航裝置通?？煞譃槁坊托腔鶅纱箢?。路基無線電導(dǎo)航基于較少的無線 電標臺站，不但精度和范圍有限，而且易受無線電干擾。 50 年代末，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，美國科學家通過跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)了多普勒頻移現(xiàn)象，并利用該原理促成了多普勒衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) TRANSIT 的建立 ，開創(chuàng)了陸?？招l(wèi)星無線電導(dǎo)航的新時代，這是第一代星基無線電導(dǎo)航裝置。 但由于多普勒衛(wèi)星軌道高度低，系統(tǒng)含星座較少，所以存在這軌道精度難以提高，定位時間間隔過長等明顯缺點。 正 是這些缺陷， 促使 了美國的 全球定位系統(tǒng)（ GPS） 和俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（ GLONASS）的 快速 發(fā)展。 美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（ GPS）計劃自 1973 年起步， 1978 年發(fā)射首顆導(dǎo)航衛(wèi)星， 1994 年完成 24 顆中等高度圓軌道（ MEO）衛(wèi)星組網(wǎng)，歷時 16 年，耗資 120 億美元。至今，已先后發(fā)展了 3 代衛(wèi)星。 整個 GPS 系統(tǒng)由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分組成。 空 間星座部分主要由 24 顆 GPS 衛(wèi)星（ 21 顆衛(wèi)星加 3 顆軌道備用衛(wèi)星）組成，衛(wèi)星高度 20200km，軌道周期 11 小時 58 分，有 6 個軌道面，每個軌道至少 4 顆衛(wèi)星，軌道傾角 55176。這樣的設(shè)計保證了地球上及近地空間在任何時間都至少可見 4顆衛(wèi)星滿足最基本的定位要求。 地面監(jiān)控部分包括衛(wèi)星監(jiān)控站、主控臺和信息注入站。監(jiān)控站 是在主控站的直接控制下的數(shù)據(jù)自動采集中心，對 GPS 衛(wèi)星進行連續(xù)監(jiān)測； 主控站設(shè)在美國本土的 科羅拉多 （ Colorado） 的法爾孔 （ Falcon） 空中國科學技術(shù)大學畢業(yè)論文 6 軍基地 ，協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)，同時計算各衛(wèi)星的星歷、時鐘誤差和大氣修正參數(shù)并送到注入站，控制衛(wèi)星，使衛(wèi)星正常運轉(zhuǎn)；注入站的主要工作是將衛(wèi)星軌道、時鐘糾正信息，控制命令上行注入衛(wèi)星。用戶設(shè)備部分就是用戶進行導(dǎo)航定位的終端設(shè)備 ，由接收機硬件、數(shù)據(jù)處理軟件及微處理器構(gòu)成 [2]。 GPS 衛(wèi)星采用碼分多址（ CDMA）技術(shù)在兩個頻率上廣播測距碼和導(dǎo)航。這兩個載波頻率 分別是 L 波段的 1L （ ）和 2L （ ）。測距碼有 C/A 碼和 P 碼，分別用于民用的標準定位服務(wù)（ SPS）和軍用的精密定位服務(wù)（ PPS），兩者在定位精度上有著較大差異。導(dǎo)航數(shù)據(jù)主要是衛(wèi)星軌道坐標、衛(wèi)星鐘差方程式參數(shù)、電離層現(xiàn)時修正等廣播星歷，它向用戶提供了 定位一直參考點（信號發(fā)射衛(wèi)星）的起算坐標和系統(tǒng)參考時間及相關(guān)傳播誤差修正 [3]。 “ GPS 的應(yīng)用 ， 僅受人們的想象力制約。 ” GPS 問世以來，已充分 顯示了其在導(dǎo)航定位領(lǐng)域的霸主地位。許多領(lǐng)域也由于 GPS 的出現(xiàn)而產(chǎn)生革命性變化。目前，幾乎全世界所有需要導(dǎo)航 定位的用戶，都被 GPS 的高精度，全天候，全球覆蓋，方便靈活和優(yōu)質(zhì)價廉 的特點 所吸引。 按其作用， GPS 的應(yīng)用可分為以下三類： 1. 導(dǎo)航，主要是為船舶 、 汽車 、 飛機等運動物體進行定位導(dǎo)航。例如：船舶遠洋導(dǎo)航和進港引水；飛機航路引導(dǎo)和進場降落；汽車自主導(dǎo)航；地面車輛跟蹤和城市智能交通管理；緊急救生；個人旅游及野外探險；個人通訊終端 。 2. 授時校頻。 例如： 電力，郵電，通訊等的時間同步；準確時間頻率的授入。 3. 高精度測量。 例 如： 各種等級的大地測量，控制測量；道路和各種線路放樣；水下地形測量；地殼形變測量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測； GIS 應(yīng)用；工程機械（輪胎吊，推土機等）控制；精細農(nóng)業(yè) 。 第二節(jié) 軟件無線電 技術(shù)的 發(fā)展 概況 在 1992 年 5 月美國電信系統(tǒng)會議上， Jeo Mitola 首次提出了軟件無線電（ Software Defined Radio）的概念。軟件無線電 （ SDR） 是指在一個開放的，標準化的、模塊化的通用硬件平臺上，通過軟件加載實現(xiàn)各種無線電通信功能 (如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式和通信協(xié)議等 )。其核心是： 使中國科學技術(shù)大學畢業(yè)論文 7 寬帶 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器并盡可能地靠近天線；無線電功能盡可能地通過軟件來實現(xiàn)。理想的軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器、通用或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理器以及各種軟件組成。 射 頻天 線模 塊R F 模 塊A / D D / A高 速 ( D S P )處 理 器軟 件 實 現(xiàn)各 種 功 能模 擬 接 口A / D D / A數(shù) 字 接 口圖 1 . 2 理 想 軟 件 無 線 電 模 型 由于計算機技術(shù) ， 特別是微處理機在高速數(shù)字信號處理技術(shù)和通信中的應(yīng)用 ， 無線通信系統(tǒng)從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)化 ； 最近快速發(fā)展的寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號處理技術(shù)、日益提高了的硬件工藝水平、日臻成熟的可編程器件和 EDA 工具 ， 使軟件無線電的概念轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用成為可能。無論是從軍用還是商用或是民用的 要求考慮 ， 軟件無線電都是通信系統(tǒng)用戶需求的必然產(chǎn)物。軍用無線電系統(tǒng)為了實現(xiàn)海、陸、空、天一體化的立體戰(zhàn)爭環(huán)境 ， 要求在不同頻段、不同通信制式和不同的管理體制下均可以互聯(lián)通信 ； 商業(yè)和民用客戶要求通信系統(tǒng)能支持多媒體服務(wù) ,包括移動通信、高速傳真和高速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。為了滿足這些服務(wù)需求 ， 物理層需要有高度靈活性和適應(yīng)性 ， 必須是兼容多標準操作和功能。傳統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)對多標準通信解決方法并不靈活 ， 當介質(zhì)和信道特性改變時 ， 硬件就必須完全更新。尤其是在當今無線電標準和接口種類層出不窮的時期 ， 為了節(jié)約成本 ，從經(jīng)濟角度考慮 ， 傳統(tǒng) 的無線電通信系統(tǒng)必將被每層可軟件重構(gòu)的軟件無線電設(shè)備所取代。軟件無線電的出現(xiàn) ， 使無線電技術(shù)由以硬件為主的時代走向以軟件為主的時代 ， 事實上它是繼模擬通信技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)之后的第三代無線通信技術(shù)。 軟件無線電具有以下一些特點 ： 1. 軟件無線電具有完全的可編程性 ， 可通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的功能 ， 包括對無線波段、信道調(diào)制、接入方式、數(shù)據(jù)速率的編程等 ， 因此通過程序進行控制和操作 ， 這是軟件無線電最突出的特點之一。但是軟件無線電不是不要硬件 ， 而是把硬件作為一個基本平臺來架構(gòu)。 2. 軟件無線電的另一個重要特點是 A/D、 D/A 變換與天線十分靠近 ， 因而能比較迅速地將接收到的射頻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 ， 比較 晚 地將要發(fā)送的數(shù)中國科學技術(shù)大學畢業(yè)論文 8 字信號變換為射頻模擬信號 ， 這就充分地利用了數(shù)字信號處理 （ DSP） 器件的功能和軟件的資源。 3. 軟件無線電遵循開放平臺的設(shè)計思想 ， 采用了模塊化的結(jié)構(gòu) ， 因而能夠方便的進行硬件模塊的更換和軟件的升級 ， 并能通過運行不同的算法 ， 實時的配置自己的信號波形 ， 提供各種各樣的通信業(yè)務(wù)。其新業(yè)務(wù)僅需在電臺中加載新的軟件模塊即可實現(xiàn) ， 從而降低了通信設(shè)備的硬件成本。 第三節(jié) 本文的主要研究內(nèi)容 及意義 一、 課題背景 LBS（ Location Based Services，基于位置服務(wù)）是定位技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，它的工作原理是：用戶終端設(shè)備（一般為手機、 PDA、 手提電腦 等移動終端）采用衛(wèi)星定位或其它方式獲取用戶位置等信息，并實時地將這些信息通過移動通信方式傳至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)用戶的請求做出響應(yīng)，并將響應(yīng)回饋到用戶終端。 位置信息在大眾生活中占據(jù)著越來越重要的 地位 ，尤其是從服務(wù)于人的信息應(yīng)用發(fā)展到借助傳感器的分布式網(wǎng)絡(luò)，再到以機器自動裝置為主的網(wǎng)絡(luò)集群，位置信息無處不在。近年來，隨著電子、計算機、信息等技術(shù)的飛速發(fā)展和交叉研究，位置信息服務(wù)不再局限于運營商的一項 增值業(yè)務(wù)。它已經(jīng)將電子地圖、車載導(dǎo)航、無線導(dǎo)航、交通信息四個領(lǐng)域形成了產(chǎn)業(yè)模式 ?？梢灶A(yù)測，位置服務(wù)已經(jīng)由業(yè)務(wù)的概念逐步外延到產(chǎn)業(yè)發(fā)展層面上。 LBS的發(fā)展已經(jīng)進入了黃金時期。面向數(shù)字化城市的基于位置服務(wù)的系統(tǒng)實現(xiàn)了定位、通信和 GIS技術(shù)的集成以及生活指南信息的獲取，為人們的生活帶來了很多便利，在未來數(shù)字化工作和生活中也將發(fā)揮重要作用 [4]。 本文的研究工作受上海市國際合作基金項目“基于位置的移動信息服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范”的資助，項目是針對 GPS 定位信息在區(qū)域范圍內(nèi)的分布和基于地面衛(wèi)星增強系統(tǒng)三維高精度定 位系統(tǒng)的性能評估與驗證。本文的研究正是接收系統(tǒng)中數(shù)據(jù)幀應(yīng)用軟件設(shè)計與研究，同時基于軟件無線電的 GPS 接收機開發(fā)是本文研究的系統(tǒng)基礎(chǔ)。 中國科學技術(shù)大學畢業(yè)論文 9 二、 主要研究內(nèi)容 在本文中，主要闡述軟件無線電（ SDR）概念 ， NMEA0183 協(xié)議 ，以及基于軟件無線電思想設(shè)計的 GPS 軟件接收機的體系結(jié)構(gòu)。 并以 PC 機為平臺， Visual C++的 MFC 框架為基礎(chǔ)，設(shè)計了 GPS 應(yīng)用 分析 軟件。 通過串口連接，從接收機中讀取基于 NMEA0183 協(xié)議的數(shù)據(jù)幀， 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀顯示，導(dǎo)航信息顯示，接收機多通道衛(wèi)星信號信噪比（ SNR）分析，天空衛(wèi)星視圖顯示 ，定位精度因子（ GDOP）分析，用戶位置跟蹤，數(shù)據(jù)保存回放等主要功能，并使用 GARMIN 15L GPS 接收機模塊 和 Fastrax itrax 300 接收機模塊 對軟件的性能進行了驗證和分析。 各章分述如下： 第一章簡要介紹了 GPS 系統(tǒng)和軟件無線電的基本概念。 第二章 中 針對軟件無線電 的特點，描述了 GPS 軟件接收機的構(gòu)架，以及中頻數(shù)字處理中的兩步核心流程的算法。 第三章介紹了 NMEA0183 協(xié)議和使用 Windows API 的串口通信機制，給出了 通過讀取 NMEA 碼可 以 實現(xiàn)的接收機功能描述。 第四章描述了基于 NMEA0183 協(xié)議的 GPS 接收機軟件的實現(xiàn)過程，并對其功能加以驗證，綜合分析影響定位精度和位置移動軌跡的因素。 第五章為總結(jié)以及本文所描述的 GPS 應(yīng)用軟件 的發(fā)展前景 。 三、 課題 意義 降低 定位精度因子 ， 是 在 偽距測量誤差一定的情況下優(yōu)化 GPS 定位精度的有效途徑。相對位置 移動 軌跡跟蹤測量是 GPS 對在測繪學上重要應(yīng)用。 通過編寫 GPS 應(yīng)用分析軟件， 研究如何影響定位精度因子的因素和 引發(fā) 跟蹤軌跡 誤差的來源對提高 GPS 定位精度，實現(xiàn)精確測繪有著重要的意義。 而高質(zhì)量的定位和跟蹤軌跡能夠使區(qū)域位置服務(wù)更為精確 、 高效。 中國科學技術(shù)大學畢業(yè)論文 10 第二章 基于 軟 件無線電技術(shù) 的 GPS接收機研究 第一節(jié) 基于軟件無線電技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架 軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)軟件無線電這一概念的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)，包括硬件、軟件和接口協(xié)議等部分。 硬件系統(tǒng)硬 件驅(qū) 動 層信 道復(fù) 用 層用 戶 / 系統(tǒng) 模 塊開 發(fā) 調(diào)試 環(huán) 境應(yīng) 用 層接口協(xié)議軟 件 部 分圖 2 . 1 基 于 軟 件 無 線 電 系 統(tǒng) 的 體 系 結(jié) 構(gòu) 理想的軟件無線電接收機的硬件應(yīng)包括寬帶射頻信號接受部分、高速采樣部分（ A/D），中央?yún)f(xié)調(diào)控制部分和總線接口部分。由數(shù)據(jù)總線和控制總線將各部連接在一起，為硬件設(shè)備驅(qū)動層上的軟件提供物理支持。當系統(tǒng)處于接受狀態(tài)時，無線電信號通過天線耦合到寬帶射頻接收部分，通過下變頻采樣，轉(zhuǎn)化為中頻數(shù)字信號通過數(shù) 據(jù)總線傳輸?shù)浇涌谥鳈C中 。 軟件部分應(yīng)包括硬件驅(qū)動層、信道復(fù)用層、開發(fā)調(diào)試環(huán)境層、用戶 /系統(tǒng)模塊層和應(yīng)用層組成。硬件驅(qū)動層主要實現(xiàn)了對硬件資源的調(diào)用，為上層軟件提供了良好的硬件操作接口；信道復(fù)用層主要實現(xiàn)了多路信號復(fù)用的通信功能；開發(fā)調(diào)試環(huán)境層工作在用戶主機上，為用戶提供了易用開放的軟件開發(fā)平臺；用戶 /系統(tǒng)模塊層主要包括了用于系統(tǒng)開發(fā)的底層模塊，通過調(diào)用這些模塊可以實現(xiàn)大部分 通信功能；應(yīng)用層則是以開發(fā)好的各種軟件無線電應(yīng)用，可以脫離開發(fā)調(diào)試環(huán)境單獨使用 [5]。 接口協(xié)議部分主要由數(shù)據(jù)幀格式定義和通信過程操作時 序組成。該協(xié)議要能過表達硬件平臺應(yīng)用的各種功能和設(shè)備驅(qū)動層的各種請求，并具備可擴展性。 中國科學技術(shù)大學畢業(yè)論文 11 第二節(jié) 軟件無線電 設(shè)計 的關(guān)鍵 技術(shù)分析 一、 射頻轉(zhuǎn)換 （ RF 到 IF） 目前 A/D 轉(zhuǎn)換器的速率不高，很難實現(xiàn)在射頻（ RF）及較高的中頻直接進行 A/D 轉(zhuǎn) 換 ， 所 以 在 接 收 機 前 端 處 理 中 ， 通 常 要 先 進 行 下 變 頻（ Downconversion）。 RF 變換模塊需要完成的任務(wù)包括 ：