【正文】 1 北斗 /BDS 精確 授時(shí)定位系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子與信息 學(xué)院 電子信息工程 專業(yè) 118552021015 楊 ** 指導(dǎo)老師 *** 【摘 要】 目的 :提取北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送出的經(jīng)緯度 /時(shí)間 /日期 /海拔 /時(shí)速 /航速信息 。方法 :采用廉價(jià)并且滿足要求的 MCS51 單片機(jī)，通過電路轉(zhuǎn)化成 TTL 電平供單片機(jī)處理，另一方面，通過將接收的信息，利用 MAX232 轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)、通過串口連接到 PC 機(jī)，在 PC機(jī)上通過 Unicore Control amp。 Display 軟件查看并顯示出的信息。結(jié)果：實(shí)現(xiàn)了以上信息 的提取并顯示并在 PC 機(jī)上顯示數(shù)據(jù) ， 完成 北斗定位模塊的應(yīng)用 與 研究 。結(jié)論： 在室內(nèi)和室外定位的時(shí)間長短不一，越空曠的地帶，提取定位信息速度越快，并且精度越高。 【關(guān)鍵詞】 GPS、 BDS/北斗 、定位、授時(shí)、 海拔 1. 前言 選題 背景 Global Positioning System即稱為 全球 衛(wèi)星 定位系統(tǒng) ，是采 用衛(wèi)星對(duì)某 地球表面 物進(jìn)行準(zhǔn)確定位的技術(shù)。 到 目前 為止有 美國的 GPS 全球定位系統(tǒng) （其優(yōu)點(diǎn)為技術(shù)成熟定位精度高 ， 目前 主導(dǎo) 著定位系統(tǒng)行業(yè) ）； 第二是 俄羅斯 的 CLONSS（格洛納斯 系統(tǒng) ） 全球衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng) （抗干擾能力極強(qiáng)）； 第 三是 歐洲 Galileo satellite navigation system（ 伽利略 ） 衛(wèi)星定位系統(tǒng)（精確最高比 CPS高 10 倍 ）， 第四 就是由我國 的 BeiDou Navigation Satellite System（ 北斗 ） 衛(wèi)星 導(dǎo)航 定位系統(tǒng)（ 自主研發(fā)并且 具有互動(dòng)性與 開放性 優(yōu)點(diǎn) ）； 統(tǒng)稱為 全球 四大 定位系統(tǒng)。 這些 全球定位系統(tǒng) 可以保證在任意的時(shí)間和空間 ， 不受天氣的影響 同步 觀測(cè)到 4 顆衛(wèi)星 以及 4 顆以上 ，這樣就可以在 定位 、 導(dǎo)航 、授時(shí)等方面得到很大的便捷 。 現(xiàn)今 廣泛應(yīng)用于航海作業(yè)、航空業(yè)、車輛定位 、 以及國家軍事安 全 的引導(dǎo) 等 ， 為個(gè)人 出行提供安全可靠的路線 ，同時(shí)被廣泛的應(yīng)用 還有 手機(jī)追蹤等 。 選題目的 正 是 由于 GPS 技術(shù) 所具有的 不受任何天氣影響、高精度和無需人工 測(cè)量 等的特點(diǎn) 。 伴隨著冷戰(zhàn)結(jié)束和 經(jīng)濟(jì) 全球化 的飛躍 發(fā)展， 從 美國政府宣布取消 SA 政策 開始 ， 全球加大了 GPS 在 民用信號(hào)精度的重視 ， 國防建設(shè) 、 社會(huì)發(fā)展 與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè) 的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 基本上都涉及甚至大力使用這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù) 。同時(shí) 利用 C/A碼 進(jìn)行單 個(gè) 點(diǎn)定位的精度由 100米提高到 將近 20米，這將進(jìn)一步推動(dòng) GPS 技術(shù)的應(yīng)用 。據(jù)有關(guān) 數(shù)據(jù) 顯示 ， 汽車 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 無論在國外還是國內(nèi) ， 利用率越來越高 ， 帶動(dòng)了一定程度上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展 。 可見， 開發(fā)屬于中國本土的定 位系統(tǒng)不容克緩，也對(duì)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)和巨大的機(jī)遇。 2. 衛(wèi)星定位原理 理論模型 2 圖 21 衛(wèi)星定位原理圖 美國、俄羅斯、歐盟、等國家大部分采用 WGS 84 地心坐標(biāo)定位體系 。 該坐標(biāo)的中心原點(diǎn)定在地球質(zhì)心處 ， 并且以該中心原點(diǎn)為基礎(chǔ)所建立的空間直角坐標(biāo)系中以 Z軸 的指向 BIH 。地球極（ CTP)方向， BIH 中的本初 零 子午面 和 CTP 赤道 中為 X 軸指向，其中 由三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)所構(gòu)成的三個(gè) 交點(diǎn) Y 軸與 Z 軸 X軸 互相 垂直 ， 并構(gòu)成 右手坐標(biāo)系 。 通過在地球上方的太空定位衛(wèi)星 為基礎(chǔ)而建立的 坐標(biāo) 參考系統(tǒng) 系統(tǒng) 。 該坐標(biāo) 體系 最開始投入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候 ， 所能提供 的最高分辨率為 12m，到了 ，通過 不斷的完善與 升級(jí)增加了 10 個(gè)衛(wèi)星觀測(cè)站 為基礎(chǔ)的 GPS， 從而得到了 G730 體系也就是后來所使用的 WGS84 升級(jí) ， 到了 1996 年 的時(shí)候 ， 由 美國 的的國家防衛(wèi)部門 National Imagery and Mapping Agency (NIMA)在原有的坐標(biāo)系統(tǒng)上修改并 通過 ( of Defense, DoD)建立 了一個(gè)新的參考坐標(biāo)體系 。 GPS 的衛(wèi)星 所 測(cè)量 到 的數(shù)據(jù) 時(shí)以 G 來表示 ，而 730 一般是表示在衛(wèi)星發(fā)送時(shí)所接收到的 第 730 個(gè)觀測(cè)周期 GPS 所用的時(shí)間 。 這樣 就由原來的 WGS 的老 版本 號(hào)升級(jí)打造了定位精度更高的 WGS（ G873） 的版本。 USNO和 北京站 的坐標(biāo)加入修正了之前的版本提高了 改正值 是其主要原因，改正 了以東 向?yàn)榛A(chǔ)的 3139cm， 修 改值 保持在 1min 之間 。 為衛(wèi)星定位提供了基礎(chǔ)，北斗衛(wèi)星定位采用的也是這種坐標(biāo)系，不過后期國內(nèi)也建立了屬于中國的坐標(biāo)系 大同小異 如圖 22 所示。 圖 22 WGS84 坐標(biāo)系 3 由空間解析幾何可知 ，在一個(gè)三維直角坐標(biāo)系中，任何一個(gè)點(diǎn)的位置都可以通過建立起來的三個(gè)坐標(biāo) X、 Y、 Z 來得到 確定。 在理想情況下， 當(dāng)我們通過計(jì)算只要獲取在空間上的 X、 Y、 Z 三個(gè)坐標(biāo)值的 數(shù)據(jù) 之后，空間上的任意一點(diǎn)我們通過坐標(biāo)計(jì)算即可獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù) 。 但在衛(wèi)星傳輸信號(hào)的過程中，只獲取 A、 B、 C三點(diǎn)的數(shù)據(jù)是不夠的 ， 由于 電離層等多 種因素干擾， 當(dāng) 測(cè)得某一點(diǎn)與這三 點(diǎn)的距離 時(shí) ，需要重新引入一個(gè)新的變量 t，通過 t 變量重新 建立起一個(gè)三元方程組， 通過幾何解析知識(shí)可獲得該點(diǎn)與 X、 Y、 Z 坐標(biāo)數(shù)據(jù)，該 空間 上的某點(diǎn)就可以通過計(jì)算獲取具體位置 。 北斗 的設(shè)計(jì)主要是基于這個(gè)原理 ， 在某個(gè)時(shí)刻太空中的衛(wèi)星位置都是確定的，只要根據(jù)用戶在地球上的任何地方都能看到至少三顆衛(wèi)星，并且能夠測(cè)得用戶和它們的 距離，就可以通過以上方法接觸自身的具體坐標(biāo)，不過這是需要在太空中建立衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，合理化設(shè)計(jì)衛(wèi)星軌道分布。具體分布和計(jì)算 如圖23 所示 ： 圖 23 空間幾何 計(jì)算方法 3. 設(shè)計(jì)總體方案 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 31 所示 M C U北 斗 接 收 模 塊 L C D 1 2 8 6 液 晶 顯 示P C 機(jī)電 源 系 統(tǒng) 圖 31 系統(tǒng)框圖 4 本設(shè)計(jì)主要有四大部分組成；電源系統(tǒng) ,北斗接收模塊，人機(jī)顯示， PC 機(jī)部分。 電源部分 電源采用 USB接口供電， 單片機(jī)控制部分同樣也是 +5V供電，倆個(gè)模塊同時(shí)采用與一個(gè)供電系統(tǒng)，節(jié)約了成本，也給設(shè)計(jì)電路帶來了方便。同時(shí)也 方便安裝于行程記錄儀，電腦接口，以及各種 IPAD 電器接口 等。采用 +5V 供電，同時(shí)輸入 +5v， UM220III3 采用 供電，通過板子上的 LM317 穩(wěn)壓芯片進(jìn)行供電。 北斗模塊 功能介紹： 本設(shè)計(jì) 采用 由 2021 年 和 星通科技（北京）有限公司 發(fā)布的 北斗三代 。 該公司設(shè)計(jì) 的UM220IIIN 是一款北斗 /GPS 雙模式系統(tǒng)的模塊， 主要 運(yùn)用于 車輛 行駛 導(dǎo)航、 給與一定時(shí)間反饋信號(hào)及其監(jiān)控功能，對(duì) 手持 通信可便捷攜帶的 設(shè)備 等 也具有一定程度上的使用率。升級(jí)之后的 UM220 系列模塊 的第 三代是 UM220III 采用的芯片是 采用 的是 自主開發(fā)的 GNSSSoC 芯片 —— (Humbird