【正文】 遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)的設(shè)計方案 課題的研究背景及研究意義曾經(jīng)風(fēng)靡全球的定位系統(tǒng)[1]（Global Positioning System）,縮寫GPS?，F(xiàn)在定位技術(shù)發(fā)展相當(dāng)成熟的年代，GPS定位技術(shù)[2]仍然是一塊不朽的豐碑，其研究意義仍然具有代表性。對GPS定位系統(tǒng)的不斷研究可以使定位系統(tǒng)不斷的向小型化，智能化與多功能化發(fā)展。 研究背景信息革命時代，高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)[3]發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍愈來愈廣。GPS定位系統(tǒng)可以比比喻成一個在太空中的設(shè)置的無線導(dǎo)航臺，該系統(tǒng)是由24顆定位衛(wèi)星組成[4]，無論在什么時候，都可為地球上的各種客戶確定其所在地的地理位置的經(jīng)緯度以及海拔高度等數(shù)據(jù)信息。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即一個按相應(yīng)分布原理分布在地球上空的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，保證了在地球上任何一個地面位置上在同一時刻都可以同時檢測到4顆或4顆以上的衛(wèi)星,從而保證衛(wèi)星可以準(zhǔn)確采集到該觀測點的經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息,迅速實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航、定位、授時等功能[5]。還可用于飛機(jī)、船舶、車輛以及個人導(dǎo)航，按指定路線精確抵達(dá)目的地。有效的降低了用戶為了尋找目的地而付出的資源浪費(fèi)，從一定程度上提高了作業(yè)效率、科學(xué)水平以及人們的生活質(zhì)量[2]。 研究意義課題研究的基于GPS與GPRS的定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，基于不同的領(lǐng)域都是有其相適應(yīng)的研究意義，下面簡單的介紹一下課題研究的幾點意義：216。 車船防盜系統(tǒng)：GPS定位技術(shù)可以應(yīng)用于汽車、輪船等交通設(shè)備的防盜系統(tǒng)[6]。安裝該防盜系統(tǒng)終端在汽車、船只等設(shè)備上面，該終端能夠自由的獲取GPS的定位信息，在該設(shè)備被盜的情況下就可以向終端發(fā)送定位請求，這樣就可以通過接收到由終端傳來的GPS定位信息，尋找丟失的車輛與船只等。216。 導(dǎo)航系統(tǒng)：憑借GPS的定位系統(tǒng)具有全球、全天候工作、高精度定位、觀測時間短等特點，在海上作業(yè)、陸路運(yùn)輸、野外勘測等其他行業(yè)都承擔(dān)著導(dǎo)航定位的重任。216。 其他領(lǐng)域：除了防盜系統(tǒng)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)在其他的領(lǐng)域也同樣扮演者重要的角色。例如，該定位系統(tǒng)為游客們在出門旅游時也提供了相當(dāng)?shù)谋憬菖c安全。在測繪領(lǐng)域也大有作為[7]，為工程師們提供便捷服務(wù)。216。 市場價值：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[8]的不斷發(fā)展，人們對高品質(zhì)生活質(zhì)量的不斷提高，高精度的定位電子產(chǎn)品以及相關(guān)技術(shù)將不斷應(yīng)用在人們的日常生活必需的產(chǎn)品中。隨著相關(guān)電子產(chǎn)品（例如：智能手機(jī)）的普及，該技術(shù)也將擁有巨大的市場價值。 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r美國GPS：GPS是由美國國防部在1970年代初開始設(shè)計與研發(fā)，直到1993年才基本全部建成[9]。美國政府在1994年宣布在未來10年內(nèi)會免費(fèi)向世界各國提供GPS使用權(quán)限，由于軍事原因，美國也只會提供精度相對較低的定位信息[10]。這樣的定位系統(tǒng)也等價于為美國設(shè)計了一個退路，如果發(fā)生了軍事戰(zhàn)爭，美國軍方為了自己的安全，完全可以關(guān)閉對該地區(qū)的使用權(quán)。GPS導(dǎo)航定位技術(shù)的研究，國內(nèi)外的水平都是參差不齊,下面簡單的從國內(nèi)、國外兩個方面進(jìn)行介紹。 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國的衛(wèi)星定位技術(shù)相對于一些發(fā)達(dá)國家來說起步較晚，從上個世紀(jì)八十年代初期才開始從國外引進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，但我國的衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展卻非常的迅速?，F(xiàn)基本已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。初期的時候，我們引進(jìn)的定位技術(shù)主要用于工程測量，石油勘測等大型項目上面[11]。在80年代末期的時候我國又再次的引進(jìn)GPS定位技術(shù)，并開始自己研發(fā)基于GPS的定位系統(tǒng)，該技術(shù)還只是作用于小部分部分產(chǎn)業(yè)，但是帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。到上個世紀(jì)末期，中國就開始研發(fā)屬于中國人自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并在2003年6月份，已經(jīng)成功發(fā)射了覆蓋整個亞洲的3個同步衛(wèi)星，該定位衛(wèi)星主要用于國家安全領(lǐng)域，還沒有發(fā)展到民用領(lǐng)域。這三顆衛(wèi)星就標(biāo)著屬于中國人自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生，“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)[12]的誕生。發(fā)展中國自己的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，2000年10月31日和同年的12月21日，我國成功的發(fā)射了兩顆北斗一號衛(wèi)星，由這兩顆北斗衛(wèi)星構(gòu)成的獨特的“雙星有源定位系統(tǒng)”。第三顆北斗衛(wèi)星成功發(fā)射與2003年5月25日。它是北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備用衛(wèi)星，這三顆衛(wèi)星組成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 國外發(fā)展?fàn)顩r世界上第一個實用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是美國研制的子午儀(Transit)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),又稱為海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(Navy Nva1gation Satellite System[13]),于1964年正式投入使用,主要為美國海軍服務(wù),子午儀系統(tǒng)有46顆衛(wèi)星組成導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)[14]。衛(wèi)星軌道是近似圓形的極軌道,每個軌道上有一顆衛(wèi)星,衛(wèi)星沿南北方向運(yùn)行,軌道高約1100公里,衛(wèi)星繞地球一周的運(yùn)行周期約為107分鐘,子午儀系統(tǒng)能在全球范圍內(nèi),全天候?qū)崿F(xiàn)二維(經(jīng)度、緯度)定位,缺點是不能連續(xù)定位,一次定位的時間又較長,且不能確定用戶位置的高度,因此限制了飛機(jī)等用戶的使用。為更好地為軍方和人民提供高質(zhì)量的定位信息，最后美國決定于1973年開始研制一種新型衛(wèi)星定位系統(tǒng)[15]，并且命名為全球定位系統(tǒng)( Global Positioning System)，簡稱GPS。1978年之后,一些北大西洋組織的國家和澳大利亞也參加了GPS計劃，并于1993年全部建成[16]。為不受美國的限制，1999年歐洲空間局提出并計劃，準(zhǔn)備發(fā)射30顆衛(wèi)星，為滿足歐洲的海陸空導(dǎo)航系統(tǒng)等作用的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)就組成“伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng)[17]。日本研究了一種區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航和氣象導(dǎo)航雙重功能的導(dǎo)航系統(tǒng)[18]。該系統(tǒng)用兩顆同步衛(wèi)星：一顆是通信衛(wèi)星，保持飛機(jī)或船艦與地面站的通信聯(lián)絡(luò)；另一顆是氣象衛(wèi)星，用戶及地面站可接收其信號，用來協(xié)助選擇最佳航線。通過兩顆衛(wèi)星發(fā)出的信號的應(yīng)答，可實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。 本課題的研究內(nèi)容一款定位系統(tǒng)的終端性能的設(shè)計主要決定于GPS定位芯片的選取，以及主控中心器材性能的選擇?，F(xiàn)在大部分的定位終端的設(shè)計基本都是基于嵌入式方案實現(xiàn)的。對于本課題的研究，為了降低開發(fā)成本，主要是采用一款傳統(tǒng)51內(nèi)核的STC12單片機(jī)作為控制芯片。采取這樣STC12單片機(jī)不僅克服了使用普通單片機(jī)功能單一，資源分配不合理，或者避免使用更高端單片機(jī)的資源的浪費(fèi)，從而可以降低成本與節(jié)約資源，還可以使系統(tǒng)資源得到合理優(yōu)化。本課題研究內(nèi)容：設(shè)計時GPS定位系統(tǒng)采用的是STC12C5A60S單片機(jī)作為主控器，U_Blox Neo 6M作為定位信息接收模塊，SIM300作為通信模塊芯片，這樣的搭配節(jié)約了成本縮短了開發(fā)周期。實現(xiàn)功能是通過U_Blox接收GPS定位信息，單片機(jī)通過串口接收并且處理來自GPS的信息數(shù)據(jù)，處理好的數(shù)據(jù)然后通過單片機(jī)的另一個串口發(fā)送給SIM300模塊，該模塊就可以將接收到定位數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送給手機(jī)。這樣就實現(xiàn)了定位及定位信息發(fā)送的功能。 文章整體結(jié)構(gòu)本文共分為7章，各章的主要內(nèi)容如下：第1章：緒論。主要介紹課題的研究背景以及研究的意義，國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用現(xiàn)狀，以及論文所需要完成的主要內(nèi)容以及文章的整個組織結(jié)構(gòu)。第2章：定位系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)介紹。本章是論文的第一個重點，主要是全方位介紹與定位系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)，簡單分析了現(xiàn)在最流行的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)相關(guān)定位技術(shù)，分別從幾個方面對這四個定位系統(tǒng)作簡單的比較分析，完成分析過后然后再列出課題選擇的GPS定位系統(tǒng)的相對優(yōu)勢。章節(jié)最后對GPS定位系統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行介紹與學(xué)習(xí)。第3章：系統(tǒng)總體設(shè)計。對第2章GPS定位系統(tǒng)展開的全方位介紹，本章將繼續(xù)圍繞課題的第2個重點：定位系統(tǒng)總體設(shè)計框架與思路。了解系統(tǒng)需求，基于系統(tǒng)設(shè)計原則對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。這一章從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成部分、系統(tǒng)設(shè)計方案的選取及定位終端硬件模塊的選取這四個方面為突破口進(jìn)行突破。第4章：系統(tǒng)硬件設(shè)計。充分了解系統(tǒng)的功能及組成部分后，本章主要闡述了定位終端的硬件設(shè)計與實現(xiàn)過程。這一章主要從系統(tǒng)終端總體硬件結(jié)構(gòu)圖、單片機(jī)控制模塊選材與電路設(shè)計、GPS接收模塊選材與電路設(shè)計、SIM300模塊選材與電路設(shè)計、電源模塊設(shè)計、串口模塊設(shè)計、LCD顯示模塊設(shè)計等，全面介紹定位終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。第5章：系統(tǒng)軟件設(shè)計?；谟布娐吩O(shè)計的基礎(chǔ)上，下面主要任務(wù)就是通過單片機(jī)編寫主控制程序。主控制程序編寫設(shè)計模塊分別從定位系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計、MCU控制模塊的主要功能及流程設(shè)計、GPS模塊的主要功能及流程設(shè)計、SIM300模塊的主要功能與設(shè)計、LCD顯示模塊的功能與設(shè)計、串口操作模塊設(shè)計來進(jìn)行主控程序的說明與實現(xiàn)。第6章：系統(tǒng)測試過程。整個系統(tǒng)的設(shè)計和以及最后的調(diào)試都是重要的環(huán)節(jié)。調(diào)試和測試在整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中占有很大比重，只有在不斷的調(diào)試當(dāng)中才會發(fā)現(xiàn)錯誤并及時修改程序以達(dá)到最佳效果。本次調(diào)試分為硬件和軟件調(diào)試兩大部分。第7章：本次畢業(yè)設(shè)計的工作總結(jié)、不足之處以及今后繼續(xù)研究的問題。 本章小結(jié)本章主要圍繞著設(shè)計課題的研究背景和意義，國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，論文的整體結(jié)構(gòu)以及各章節(jié)所涉及的內(nèi)容，為后續(xù)章節(jié)的完成打下良好的基礎(chǔ)。第2章 定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù). 美國GPS定位系統(tǒng)GPS全球定位系統(tǒng)（Global Position System），美國國防部在上個世紀(jì)70年代制定的研究計劃，該計劃耗資200多億美元且歷時20年，于1994年正式完成了該計劃。也就是宣布了一個具有在海陸空都能全方位的、全天候的、高效的進(jìn)行定位導(dǎo)航的空間衛(wèi)星系統(tǒng)的誕生。該定位系統(tǒng)不是憑空而建的，而是基于美國當(dāng)時軍方使用的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(Navy Nva1gation Satellite System)又重新研制的更加全方位的定位衛(wèi)星系統(tǒng)。按照現(xiàn)在的GPS定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料顯示，該定位系統(tǒng)在地球上空20200公里的空間分布了24顆定位衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星群還包含了3顆備用衛(wèi)星，它們都是繞組地球以近似圓形的軌道運(yùn)行，24顆定位衛(wèi)星平均分布在6個空間軌道上面，每個軌道的傾角大約為55度，每顆衛(wèi)星的運(yùn)行周期大概為11小時58分鐘。這24顆衛(wèi)星的分布準(zhǔn)則是保證我們在地球上面任何地方都可以同時觀測到4顆或4顆以上的定期衛(wèi)星，這樣才能保證定位的準(zhǔn)確性、全方位及全天候性。隨著GPS定位系統(tǒng)日益完善，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，成為人們?nèi)粘Ｉ钪械牟豢苫蛉钡募夹g(shù)。 GPS系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由三個部分組成：空間組成部分、地面監(jiān)控部分、GPS接收用戶部分。下面簡單的從這三個部分作簡要說明。（1）空間組成部分：這部分即是由空間分布的24顆衛(wèi)星群組成的，通常記為（21+3）GPS衛(wèi)星群。24顆衛(wèi)星群還包含了3顆備用衛(wèi)星，它們都是繞組地球以近似圓形的軌道運(yùn)行，24顆定位衛(wèi)星平均分布在6個空間軌道上面，每個空間軌道的傾角大約為55度左右，每顆衛(wèi)星的運(yùn)行周期大概為11小時58分鐘。站在地球表面附近的的觀測者,每次大約時隔4分鐘就會見到同一顆定位衛(wèi)星。處于地球表面以上可觀察到的衛(wèi)星的數(shù)量會隨著時間或地點的不同而不盡相同,但是最少可觀察到4顆,最多甚至可到11顆衛(wèi)星。3顆備用衛(wèi)星，會在衛(wèi)星發(fā)生故障的時候，根據(jù)指揮部的指令與發(fā)生故障的衛(wèi)星進(jìn)行替換,這就為GPS空間部分能夠正常高效的工作提供了有力的保障。（2）地面監(jiān)控部分：GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由主控站、注入站和監(jiān)測站組成。GPS地面監(jiān)控站主要由一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站[19]組成，具體如圖21所示。主控站主要是管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，采集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)信息，編制導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，并送往注入站。注入站再將衛(wèi)星的星歷注入GPS衛(wèi)星，監(jiān)控該衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)，并向該衛(wèi)星發(fā)送控制指令信息；衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中去。如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間，但是導(dǎo)航精度會降低。圖21 GPS地面監(jiān)控中心（3）GPS接收用戶部分：即GPS 信號接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電源時機(jī)內(nèi)電