【正文】 (3)設(shè)計了 GPS 接收板電路和控制板電路并制作 PCB 板。實現(xiàn)簡單的自制電子地圖顯示。第四章提出了系統(tǒng)硬件設(shè)計，根據(jù)各模塊功能進行硬件電路芯片的選擇和線路連接 。 第 2 章衛(wèi)星定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù) GLONASS(格魯納斯 )衛(wèi)星定位系統(tǒng) 該系統(tǒng)是 1982 年底由前蘇聯(lián)開始建設(shè)，期間因蘇聯(lián)解體，幾經(jīng)周折最后由俄羅斯于 1996 年建成全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng) (Global Navigation Satellite System GLONASS )。衛(wèi)星運行周期 T=11 時 15 分 (恒星時 小時 )。CTS 跟蹤遙控著所有 GLONASS 可視衛(wèi)星，對其進行測距數(shù)據(jù)的采集和處理，并向各衛(wèi)星發(fā)送控制指令和導(dǎo)航信息。LZ 載波信號的頻率為 1246^ 1256MHz。 2)定位精度 水平精度 :士 50^70m。 伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng) 為了打破美國 GPS 在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的壟斷， 1999 年歐洲提出了建立伽利略 (Galileo)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的計劃，這是歐洲開發(fā)的最重要的航天計劃。 20xx 年 10月，中歐 Galileo 計劃技術(shù)合作協(xié)議在北京正式簽署，中國投入 2 億歐元參與了這項計劃 (9l0 系統(tǒng)組成 1)衛(wèi)星星座 :由 3 個獨立的圓形軌道， 30 顆中等高度衛(wèi)星 (MEOMiddle Earth Orbit)衛(wèi)星組成 ((27 顆工作衛(wèi)星， 3 顆備用衛(wèi)星 )。 4)定位精度 :導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過程中，出于軍事需要的考慮，中國必須發(fā)展自己獨立的系統(tǒng)。 3)標校系統(tǒng) :有測軌、定位、測高三類標校站。 技術(shù)特點 1)服務(wù)區(qū)域 :東經(jīng) 70 度 ~145 度，北緯 50 度 ~55 度 。而兩個定位球又和地面相交產(chǎn)生兩個定位圓，用戶必定位于兩個定位圓相交的兩個點上 (這兩個交點一定是以赤道為對稱軸南北對稱的 )。2,i=1,2,3 (21)式中，(xi, yi, zi) (i=1, 2, 3)分別表示衛(wèi)星 1, 2 和地球質(zhì)心的坐標。北斗定位系統(tǒng)與 GPS 系統(tǒng)的主要區(qū)別在于 :GPS 采用的是非同步多衛(wèi)星定位原理，一般要求獲取 4 顆以上衛(wèi)星位置和到用戶的距離，才可以得到用戶的經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)，其定位處理部分分散到各個用戶 機來完成。按目前的方案， 全球定位系統(tǒng)的空間部分使用 24 顆高度約 20200 千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。用戶設(shè)備部分一 GPS 信號接收機。在兩萬公里高空 的 GPS 衛(wèi)星，當?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時，它們繞地球運行約二周，繞地球一周的時間為差兩分鐘 12 恒星時。 在用 GPS 信號導(dǎo)航定位時，為了計算測點的三維坐標，必須觀測 4 顆 GPS 衛(wèi)星，稱為定位星座。 GPS 工作衛(wèi)星的編號和試驗衛(wèi)星基本相同。主控站設(shè)在范登堡空軍基地，它對地面監(jiān)控部實 行全面控制。 3)用戶設(shè)備部分一 GPS 信號接收機 GPS 信號接收機的任務(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)星的運行，對所接收到的 GPS 信號進行變換、放大和處理，以便測量出 GPS 信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出 GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測點的三維位置，甚至三維速度和時間。目前，世界上有很多廠家生產(chǎn) GPS 接收機，產(chǎn)品數(shù)目繁多，性能差異也各有千秋 [(6](710 技術(shù)特點 1)定軌精度 :廣播星歷是由美國本土以及海外軍事基地上的 5 個衛(wèi)星監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)解算的。法向誤差士 3m。這些信號分量都是在同一個基本頻率 FO= 的控制下產(chǎn)生的。 l] e 美國國 防部 1992 年宣布在所有 GPS 衛(wèi)星上實施選擇可用性 (SA,Selective Availability)技術(shù)，降低 C/A 碼的水平定位精度和垂直方向的定位精度，在水平方向上為 100 米，垂直方向上為 156 米。為了盡量降低 SA 政策對定位精度的影響和盡可能的消除或減少上面提到的誤差，人們提出了差分 GPS 技術(shù)，即 DGPS(Differential GPS)。對于載波信號雙頻機，它能有效的消除電離層延時誤差，其相對定位精度可達 :士 ((1 mm+lppm X D )。衛(wèi)星 4 到接收機之間的距 離。 xi, yi, zi (i=1, 2, 3, 4)一分別為衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 4 在 t 時刻 的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。應(yīng)用最廣的是美國的 GPS 全球定位系統(tǒng)，以前由于美軍人為施加了 SA干擾，使美軍之外的用戶只能得到位置精度 100 米，授時精度 340 納秒的服務(wù)。因此， GLONASS 很難在由 GPS 統(tǒng)治的全球?qū)Ш椒?wù)市場中占據(jù)一席之地。當前在我國應(yīng)用最多的還是美國的 GPS 系統(tǒng) yu10 2. 6 GPS 系統(tǒng)的優(yōu)點 GPS 系統(tǒng)是一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng) [[31]。這種方式隱蔽性好，而且可容納無數(shù)多用戶。 GPS 接收機根據(jù)NMEA0183 協(xié)議的標準規(guī)范，將位置、速度等信息通過串口傳送到 PC 機、 PDA等設(shè)備。 系統(tǒng)的組成 GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個多技術(shù)融合的技術(shù)系統(tǒng)，需要的基礎(chǔ)支持技術(shù)包括GPS 定位技術(shù)、地理信息描述、通信技術(shù)及信息處理技術(shù)等。由于嵌入式操作系統(tǒng)種類繁多，而且?guī)缀趺恳环N操作系統(tǒng)都有自己的一套集成開發(fā)環(huán)境，這些開發(fā)環(huán)境相互之間差別較大，而且和應(yīng)用廣泛的 PC 集成開發(fā)環(huán)境也不相同，所以基于嵌入式的開發(fā)難度較大，開發(fā)周期也相對較長，人力、財力投入較大，適 合并行開發(fā)。在開發(fā)應(yīng)用上可以將單板機看作通用 PC 來處理。相對于單片機和嵌入式系統(tǒng)，單板機開發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。在定位導(dǎo)航過程中，定位導(dǎo)航終端需存儲大量的歷史定位數(shù)據(jù)，一般常用的單片機 (如 51 單片機、 MOTOROLA 單片機等 )自帶的 FLASH ROM 一般為 4K, 8K 等，遠不能滿足存儲要求。 綜合分析后，由于考慮到開發(fā)成本、控制模塊的性能以及調(diào)試和維護等方面的因素，本設(shè)計選用方案 3 來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。并通過單片機控制液晶顯示屏，根據(jù)提取的有用信息在我們描述的道路中顯示當前的測試點，以達到定位導(dǎo)航的目的。 第 4 章系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)終端的總體硬件結(jié)構(gòu) 由于該系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提取和處理，還涉及到導(dǎo) 航定位顯示的問題，其主要組成部分是 GPS 接收板， C8051F020 微處理器，時鐘芯片，穩(wěn)壓電源模塊， OCM12864 顯示屏及外接按鍵、 LED 顯示燈等。由于 GPS 接收機使用串口與單片機相連，而連接 PC 機也要占用單片機的一個串口資源，因此所選單片機必須有兩個硬件串口。在本次開發(fā)中，主要考慮對 C8051F020 的以下功能部件的設(shè)計 : 首先，使用兩個硬件串口。通過 JTAG 接口與用戶系統(tǒng)直接連接，不再需要另外的仿真工具，可以在線調(diào)試和下載。 2,穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計 穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計，我們采用了精工穩(wěn)壓電源芯片 S1112，可以保證數(shù)據(jù)終端工作穩(wěn)定可靠。此外，還內(nèi)置電源開 /關(guān)控制電路，以延長電池的使用壽命。1a 4. 1. 3 LCD 模塊電路設(shè)計 本設(shè)計選擇的是 OCM128641 型 LCD，它是一款 128 列 X64 行的點陣單色字符圖形顯示模塊，它有 8 位并行數(shù)據(jù)接口，模塊內(nèi)藏 64X64 的顯示數(shù)據(jù) RAM，其中的每位數(shù)據(jù)都對應(yīng)于 LCD 屏上一個點的亮、暗狀態(tài)。同時，模塊化設(shè)計也有助于系統(tǒng)開發(fā)的組織管理。其它參數(shù) 如下所示 : 性能參數(shù) : L 1 頻率， GPS C/A 碼 4Hz的定位更新速率 一精確度，定位 。它采用新穎的方案來抑制干擾并降低多基于單片機的 GPS 導(dǎo)航裝置的設(shè)計徑效應(yīng)，從而以較低的功耗，在最具挑戰(zhàn)性的室內(nèi)外場所提供出色的服務(wù)。 GND，輸入端接地，接公共地端，大地 。 11. Vwe BAT 輸入端，備用電源，接備用電源，增強熱啟動特性，否則接地。如果使用的 是有源天線則在該引腳的輸入端加 100hm 電阻，連到天線偏置電壓或 VCCJ 妞，作為電路短路保護和天線監(jiān)測 。 輸入端，串口輸入，最大容許輸入電壓 5V，內(nèi)置上拉電阻到 V BAT。 N 輸入端，硬件復(fù)位，不用時懸空 。 ， USB 啟動時間配置引腳，不用時懸空 。一般選用天線的參數(shù)為增益 27dB 左右，噪聲系數(shù) 左右。 ，不用時懸空。 17. EXTINTO 外部中斷，內(nèi)置上拉電阻到 V BAT，不用時懸空 。 DP, I/0 口 USB 輸入 /出端。 20. ADDET N 輸入端，有源天線保護，作為天線監(jiān)測電路的信號輸入端，不用時 懸空。注意引腳到天線間 SOOhm阻抗匹配 。 S. VDDIO 輸入端，為數(shù)字 I/0 引腳提供輸入電壓，必須與 VDD 180UT } VCC 或 其他特定值的電壓源相連，不能懸空，否則輸出端將不工作 。這些特點的組合使此模塊能適應(yīng)包括高性能、低電耗和小體積等關(guān)鍵要求的運用場合 [” ]。由一百多萬個相關(guān)器組成的專用捕獲引擎可以在整個時間 /頻率空間內(nèi)進行搜索，即便在信號惡劣的條件下也可瞬間找到衛(wèi)星，首次定位時間小于 1秒，捕獲靈敏度可達 160dBm?？删幊糖铱膳渲玫?Flash EPROM 為數(shù)據(jù)的存儲提供了充足的空間。 在硬件設(shè)計中采用了模塊化設(shè)計思想。因采用 SNT 6A (H(僅限 S1112 系列 )。由于內(nèi)置了低導(dǎo)通電阻晶體管，因而電壓差低，且能夠獲得較大的輸出電流。數(shù)據(jù)存儲器用來做數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。串口 1 經(jīng)過 SP3223E 電平轉(zhuǎn)換芯片與 PC 機進行通信，串口 0 與 GPS模塊連接，實現(xiàn)與接收機的通信。選擇此單片機作為主控芯片不僅僅是因為它具有兩個硬件串口而是基于諸多因素考慮 :C8051F020 功能強大，幾乎在單片機中包括了所有常用的功能 。 4. 1. 1 GPS 接收板的設(shè)計 GPS 接收板作為衛(wèi)星導(dǎo)航電文的接收端，它通過外接的有源天線將接收來的 高頻信號送到 GPS 模塊的 RF 端口，經(jīng)過運算處理后將定位數(shù)據(jù)通過其串口傳送給上位機 [” ]。目前商用的 GPS 模塊，大都支持 16 通道，采用 C/A 編碼，其中最大更新速率為 4Hz，對于具有授時功能，或具有 DGPS 差分功能等的模在 價格上要高出許多。整個定位導(dǎo)航終端的系統(tǒng)軟件都存放在該單片機的存儲器中，它是該終端的“心臟 ”。而且一般常用的51 單片機本身沒有看門狗電路，程序在運行中遇到干擾容易跑 飛，更增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。單片機由于具有成本低、控制系統(tǒng)組成靈活方便、調(diào)試方便和維護簡單的特點，因此獲得廣泛應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)上，單板機和通用 PC 一樣，可支持通用的 PC 操 作系統(tǒng)，通用 PC 上的應(yīng)用軟件可直接進行移植。 (2)基于單板機的實現(xiàn)方案 單板機即單板計算機，又稱嵌入式 PC，它將通用 PC 上的必要資源如微處理器、各種 1/0 端口， PCI 插槽等集成到一個體積較小的單板上，一因此在性能上和通用 PC 沒有太大的區(qū)別。 系統(tǒng)方案選取 常見導(dǎo)航定位系統(tǒng)實現(xiàn)方案 目前，針對各種 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)雖然它們的性能有所差異，開發(fā)環(huán)境各不相同，但是其實現(xiàn)方案大致如下 : (1)基于嵌入式的實現(xiàn)方案 嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng)，其硬件部分包括處理器 /微處理器，存儲器及外設(shè)器件和 I/0 端口、圖形處理器等 。要對 GPS信息進行提取首先要明白其幀結(jié)構(gòu) ( 如圖 22 所示 ):NMEA Protocol Frame$一 }Acidress仁毛 value}_「牛咋曲贖 cksum}CRLF圖 22 NMEA協(xié)議幀結(jié)構(gòu) 本課題中我們所需要的信息比如經(jīng)緯度、經(jīng)緯度方向、 GPS 定位狀態(tài)、和接收信號的時間等都可以從“ $GPRMC”幀中獲取，因此下面對“ $GPRMC”具體幀格式簡要介紹 : $GPRMC,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12*hhCRLF 1 UTC 時間， hhmmss(時分秒 )格式 2定位狀態(tài)， A=有效定位， V 二無效定位 3緯度 (度分 )格式 (前面的 0 也將被傳輸 ) 4緯度半球 N(北半球 )或 S(南半球 ) 5經(jīng)度 (度分 )格式 (前面的 0 也將被傳輸 ) 6經(jīng)度半球 E(東經(jīng) )或 W(西經(jīng) ) 7地面速率 (^ 節(jié)，前面的 0 也將被傳輸 ) 8地面航向 (^ 度，以真北為參考基準，前面的 0 也將被傳輸 ) 9 UTC 日期， ddmmyy 舊月年 )格式 10磁偏角 ( 度，前面的 0 也將被傳輸 ) 11磁偏角方向， E(東 )或 W(西 ) 12模式指示 (僅 NMEA0183 版本輸出， A=自主定位， D=差分， E 二估算， N 二數(shù)