【正文】 第1章 緒論基于GPS汽車導(dǎo)航接收系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒論 2 課題背景 2 開發(fā)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的意義 3 車載定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 3 GPS的發(fā)展?fàn)顩r 3 車載GPS的發(fā)展?fàn)顩r 4 路徑尋優(yōu)的發(fā)展 4 本文主要的研究內(nèi)容和具體工作 4第2章 全球定位系統(tǒng) 5 全球定位系統(tǒng) 5 全球定位系統(tǒng)概述 5 全球定位系統(tǒng)的組成 5 GPS定位原理 6 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn) 7 GPS系統(tǒng)的誤差分析 9 10第3章 汽車導(dǎo)航接收系統(tǒng)的設(shè)計方案 11 車載定位導(dǎo)航硬件系統(tǒng)概述 11 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成 11 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu) 11 GPS接收機(jī)的選用 12 GPS接收機(jī)的分類 12 GARMIN GPS25LP接收機(jī) 14 GPS接收機(jī)與PC機(jī)間的接口電路 16 18第4章 接收機(jī)與計算機(jī)間通訊的連接設(shè)計 19 19 19 19 GPS接收機(jī)與車載計算機(jī)間的串行通訊 20—NMEA接收輸出語句 20 20 21 21第5章 定位導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑尋優(yōu)控制 25 最短路徑尋優(yōu) 25 最短路徑 25 最短路徑算法 25 集成環(huán)境下的路徑尋優(yōu) 28—數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)表的設(shè)計 28 29 35結(jié) 論 37參考文獻(xiàn) 39附錄 41附錄 46附錄 49附錄 55致謝 61第1章 緒論 課題背景近年來，隨著高精度、低價格、實時、安全可靠的定位測量和授時方法的出現(xiàn)，全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用。特別是全球定位系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)(Geography InformationSystem，簡稱GIS)相結(jié)合的導(dǎo)航產(chǎn)品或系統(tǒng)，在世界范圍內(nèi)己成為發(fā)展熱點(diǎn)。21世紀(jì)，汽車是現(xiàn)代文明社會中與每個人關(guān)系最密切的一種交通工具。據(jù)統(tǒng)計，僅幾個發(fā)達(dá)國家的汽車保有量目前已達(dá)數(shù)千萬輛。因此，將全球定位系統(tǒng)應(yīng)用于車輛導(dǎo)航將成為未來20年中全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用的最大的潛在市場之一。在我國，僅特種車輛就有幾十萬輛，可以說，GPS導(dǎo)航定位在公路交通系統(tǒng)中的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)(Vehicle Location and Navigation System，簡稱VLNS)，簡而言之，就是利用現(xiàn)今普遍流行的全球定位系統(tǒng)(GPS)，對車體所在位置進(jìn)行地理定位，并與地理信息系統(tǒng)GIS相結(jié)合，配合城市電子地圖及主要交通車載自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)(Automatic Vehicle Location and NavigationSystem，簡稱AV LNS)或稱智能交通引導(dǎo)系統(tǒng)(Intelligent Transport RoutingSystem，簡稱ITRS )，是對車體進(jìn)行自主定位的系統(tǒng)，是各種信息技術(shù)，包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、計算機(jī)、電子傳感器以及軟件開發(fā)等的綜合系統(tǒng)。它也是駕車用戶直接使用和操作的部分，是綜合各種交通信息并以簡單友好的方式向用戶提供駕駛信息的關(guān)鍵設(shè)備。公路電子地圖，為司機(jī)提供實時行車導(dǎo)航信息的系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求:(1)具有快速的運(yùn)算能力、顯示畫面有豐富的色彩、能提供語音信息、有大量數(shù)據(jù)的讀取能力。(2)具有接收GPS信號的定位功能(包括完成差分定位)，全天候為車輛提供位置信息，必要時還將使用慣性導(dǎo)航或采集車輛的速度和方向進(jìn)行航位推算。(3)具有豐富的軟件，能向用戶提供豐富的駕駛信息，如:最佳的行車路線、地理信息查詢等。(4)具有對車輛的控制功能并能采集車輛的行駛數(shù)據(jù)，控制車輛的電路、油路和動力等，保障車輛的安全、舒適、省力和防盜竊。(5)適合于任何道路、任何天氣下，從大型貨車到高級轎車。 開發(fā)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的意義導(dǎo)航是一個技術(shù)門類的總稱，它是引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個人(總稱作運(yùn)載體)安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時到達(dá)目的地的一種手段。根據(jù)導(dǎo)航臺的位置來看，導(dǎo)航系統(tǒng)可分為: (1)陸基導(dǎo)航系統(tǒng):導(dǎo)航臺位于陸地上，導(dǎo)航臺與導(dǎo)航設(shè)備之間用無線電波聯(lián)系。 (2)星基導(dǎo)航系統(tǒng):導(dǎo)航臺設(shè)在人造衛(wèi)星上，以擴(kuò)大覆蓋范圍。全球定位系統(tǒng)的出現(xiàn)，開創(chuàng)了人類導(dǎo)航技術(shù)的新時代。全球定位系統(tǒng)以其全天候、全球連續(xù)覆蓋、導(dǎo)航定位精度高和速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，使導(dǎo)航技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。特別是把GPS定位的準(zhǔn)確性與電子地圖的直接性以及計算機(jī)的多媒體特性生動形象地結(jié)合在一起的車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，使導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)入了一個全新的領(lǐng)域。配合電子地圖，GPS的定位信息可以通過計算機(jī)在電子地圖上實時、準(zhǔn)確和形象的顯示出來。不僅使人們知道自己所處的地理位置，還可以對自己所處的環(huán)境及各種所需的專項信息有進(jìn)一步的了解，從而大大提高了導(dǎo)航的性能。 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)可以為車輛等交通工具提供實時具體的導(dǎo)航服務(wù)，是一種環(huán)保節(jié)能、信息化的高科技產(chǎn)品，因此，車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用對社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。 車載定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r GPS的發(fā)展?fàn)顩r80年代初，我國一些院校和科研單位開始研究GPS技術(shù)。十多年來，我國的測繪工作者在GPS定位基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用開發(fā)方面作了大量工作。80年代中期，我國開始引進(jìn)GPS接收機(jī)，并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。同時，我國已著手建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(雙星定位系統(tǒng))，生產(chǎn)導(dǎo)航型GPS接收機(jī)。據(jù)有關(guān)人士估計，目前我國的GPS接收機(jī)擁有量約在4萬臺左右，其中測量類約500700臺，航空類約幾百臺，航海類約3萬多臺，車載類數(shù)千臺，而且以每年兩萬臺的速度增加。這些數(shù)據(jù)都足以說明GPS技術(shù)在我國各行業(yè)中應(yīng)用的廣泛性。目前，陸?？盏膶?dǎo)航核導(dǎo)彈的制導(dǎo)、大地測量和工程測量的精密定位、時間的傳遞和速度的測量等，都應(yīng)用了GPS技術(shù)。對于測繪領(lǐng)域，GPS衛(wèi)星定位技術(shù)己經(jīng)用于建立高精度的全國性的大地測量控制網(wǎng)，測定地球動態(tài)參數(shù)、高精度的海洋測繪、工程量測等。我國的《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》己于1992年10月1日起實施。此外，在軍事部門、交通部門、郵電部門、地礦、煤礦、石油、建筑以及農(nóng)業(yè)、氣象、土地管理、金融、公安等部門和行業(yè)，在航空航天、測時授時、物理探礦、姿態(tài)測定等領(lǐng)域，也都開展了GPS技術(shù)的研究和應(yīng)用。GPS技術(shù)的應(yīng)用正向更深層次發(fā)展。目前，GPS的應(yīng)用也將進(jìn)入人們的日常生活。GPS信號接收機(jī)在人們生活中的應(yīng)用，是一個難以用數(shù)字預(yù)測的廣闊天地。例如，手表式的GPS接GPS將改變我們的生活方式。今后，所有運(yùn)載器，都將依賴于GPS。GPS就像移動電話、傳真機(jī)、計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)對我們生活的影響一樣，人們?nèi)粘Ｉ顚㈦x不開它。 車載GPS的發(fā)展?fàn)顩r 路徑尋優(yōu)的發(fā)展 本文主要的研究內(nèi)容和具體工作針對采用車載GPS接收機(jī)進(jìn)行自主定位的車輛很少，且成本較高、定位精度不夠等缺陷，本文提出了一套車載自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計方案，旨在研究一套成本低的具有現(xiàn)代化、智能化的車載自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的多項功能。具體工作如下：(1)設(shè)計GPS數(shù)據(jù)的接收和處理工作采用全球定位系統(tǒng)對車體進(jìn)行地理定位，必須能夠?qū)崟r將GPS數(shù)據(jù)的定位數(shù)據(jù)采集到車載計算機(jī)中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所以本文設(shè)計了一套軟、硬件設(shè)計方案實時地接收和處理GPS數(shù)據(jù)。(2)GPS與GIS兩系統(tǒng)的集成車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)是集GPS定位的準(zhǔn)確性與電子地圖的直接性以及計算機(jī)生動的多媒體特性于一體的系統(tǒng)，因此必須實現(xiàn)GPS與GIS兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，本文選用了適當(dāng)?shù)姆椒▽PS與GIS兩系統(tǒng)集成。GIS系統(tǒng)不在本文研究范圍，請參照參考文獻(xiàn)。 (3)最短路徑尋優(yōu)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的一個重要功能就是利用地理信息系統(tǒng)的空間優(yōu)勢快速生成通往目的地的最短行車路線，本文在集成后的車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)道路網(wǎng)中，采用Dijkstra算法求出最短的行車路線，為司機(jī)行車提供了幫助。第2章 全球定位系統(tǒng)第2章 全球定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng)概述全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System——GPS)是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。目前，全球定位系統(tǒng)己成為迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，隨著GPS的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓。 全球定位系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)包括三大部分:空間部分——GPS衛(wèi)星星座地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機(jī)(1)GPS衛(wèi)星星座:GPS工作衛(wèi)星及其星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作(21+3) GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。(2)地面監(jiān)控系統(tǒng):對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)己知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運(yùn)動及其軌道的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。(3)GPS信號接收機(jī):GPS信號接收機(jī)的任務(wù)是:能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。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大部分。GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電池的過程中，機(jī)內(nèi)電池自動充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止丟失數(shù)據(jù)。 GPS定位原理GPS是一種利用時間測距的定位系統(tǒng)，其定位的基本原理如下:pSdpiS 圖21地面點(diǎn)與衛(wèi)星的幾何關(guān)系如圖21所示，設(shè)用戶地面點(diǎn)P到衛(wèi)星S的距離為dpi,如果衛(wèi)星時鐘和接收機(jī)時鐘完全同步，則有如下方程: dpi= C(tprtsv)CτA ( 21 )式中: C 光速，m/s tpr地面接收機(jī)的同步觀測時刻，S tsv衛(wèi)星Si的同步發(fā)射時刻，S τA傳播路徑中的附加延時，S實際上，衛(wèi)星時鐘和接收機(jī)不可能完全同步，所以，實際測出的距離并非實際距離，稱為偽距，記為ρpi，并且有: ρpi = C(tpritsvi ) ( 22 )式中: t含鐘差的地面接收機(jī)的觀測時刻，Stsvi含鐘差的衛(wèi)星si的發(fā)射時刻，S其中 t=tpr+δtpri (23) tsvi=tsv +δtsvi (24)式中: δtprit地面接收機(jī)的鐘差，S δtsvi衛(wèi)星si發(fā)射時刻的鐘差，S則有:ρpi=C(tprtsv)+ C (δtpriδtsvi)=dpi+CτA +C(δtpriδtsvi) =dpi+dpi (25)式中: δd測距誤差另一方面，接收機(jī)可以通過衛(wèi)星星歷解算出S點(diǎn)的坐標(biāo)(Xsi,Ysi,Zsi),這里，設(shè)用戶位置p點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xp,Yp,Zp)，則有: dPi= (26)將式(26 )代入式(25)ρpi