【正文】 CSkyView 類框架圖如下： C S k y V i e wP r e C r e a t e W i n d o ( )重 載 ， 添 加 O p e n G L必 要 信 息O n S i z e ( )窗 體 大 小 控 制O n U p d a t e ( )數(shù) 據(jù) 更 新O n D e s t r o y ( )窗 體 銷 毀S e t W i n d o w P i x e l F o r m a t ( )設(shè) 置 像 素 格 式C r e a t e V i e w G L C o n t e x t ( )生 成 當(dāng) 前 R CI n i t G L ( )O p e n G L 初 始 化O n C r e a t e ( )創(chuàng) 建 基 于 O p e n G L 的窗 體O n E r a s e B k g n d ( )設(shè) 定 背 景 重 繪 機(jī) 制O n D r a w ( )圖 像 繪 制 SkyView 窗體效果： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 34 5) Tracking Map 窗口的實(shí)現(xiàn) TrackingView 窗口用于實(shí)現(xiàn) 相對位置移動軌跡的跟蹤 分析。 CGPSReceiverView 類框架圖如下： C G P S R e c e i v e r V i e wO n I n i t i a l U p d a t e ( )初 始 化O n S i z e ( )窗 體 大 小 控 制O n U p d a t e ( )數(shù) 據(jù) 更 新O n D e s t r o y ( )窗 體 銷 毀 NMEA 窗體效果： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 32 3) SNR 窗口的實(shí)現(xiàn) SNR窗口用于實(shí)現(xiàn) 中提到的 多通道信號的接收質(zhì)量分析 。軟件的重要環(huán)節(jié)在 于數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)，通過將 NMEA0183 碼中的有用數(shù)據(jù)（即第三章中所涉及的數(shù)據(jù)）提取出來后，存入文檔類中，通過 SDMV 的數(shù)據(jù)更新機(jī)制，更新子窗口中視圖顯示數(shù)據(jù)。這種方法在極大程度上保證了數(shù)據(jù)同步性，并簡化了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，只需要在數(shù)據(jù)改變處使用 UpdateAllViews()函數(shù)，所有的視圖就會相應(yīng)的調(diào)用自身定義的 OnUpdate()函數(shù)來完成數(shù)據(jù)更新。使用 GARMIN 接收機(jī)， 除了能夠獲得標(biāo)準(zhǔn) NMEA 碼數(shù)據(jù)幀， 還可以 從自身特有的數(shù)據(jù)幀中 獲得 時間精度因子（ TDOP）等 信息。 如果固定了用戶位置，相對位置移動軌跡就可以 當(dāng)作 對同一經(jīng)緯度的統(tǒng)計(jì)測量結(jié)果 ，即靜態(tài)位置偏移軌跡 。以前文中所截取的 NMEA0183 碼為例， 各衛(wèi)星的仰角、方向角和狀態(tài)如下： 衛(wèi)星 PRN 仰角 方向角 狀態(tài) 31 58 6 跟蹤 16 49 235 跟蹤 14 47 135 跟蹤 32 37 230 跟蹤 29 32 70 未捕獲 6 31 163 跟蹤 20 19 299 未捕獲 30 17 45 捕獲 22 4 176 未捕獲 23 3 318 未捕獲 5 0 49 未捕獲 3 0 37 未捕獲 由以上數(shù)據(jù)可繪制當(dāng)前衛(wèi)星天空視圖（如下圖）。為“天頂”（即當(dāng)前位置的正上方）。 通道 衛(wèi)星 PRN 信噪比 SNR 捕獲狀態(tài) 1 31 34 跟蹤 2 16 27 跟蹤 3 14 22 跟蹤 4 32 15 跟蹤 5 29 未捕獲 6 06 25 跟蹤 7 20 未捕獲 8 30 22 捕獲 9 22 未捕獲 10 23 未捕獲 11 05 未捕獲 12 03 未捕獲 第五節(jié) 天空衛(wèi)星視圖的分析 對于確定數(shù)據(jù)精確度和 GPS 穩(wěn)定性，衛(wèi)星的位置是非常重要的信息。它們的數(shù)據(jù)格式在 中 已有描述 ，下面通過實(shí)際截取的 NMEA0183 碼來闡述如何實(shí)現(xiàn)多通道信號質(zhì)量的解讀。隨著四面體體積 V 的增大， GDOP 減小。 影響定位精度的主要因素是偽距的測量誤差和已知衛(wèi)星位置的誤差。 1. 打開串口，初始化串口配置 使用 CreateFile 函數(shù)打開指定串行端口 (例如設(shè)定邏輯端口名稱為“ COM1” )獲取串口句柄，并設(shè)定共享模式為獨(dú)占，訪問模式為讀寫，創(chuàng)建方式為打開已存串口，傳輸方式為異步。 串行端口在傳輸方式上可分為 3 種：單工通信、半雙工通信和全雙工通信。目前大多數(shù)常見的 GPS 接收機(jī)、 GPS 數(shù)據(jù)處理分析軟件、導(dǎo)航系統(tǒng)大多支持或至少兼容 NMEA0183 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。即時碼用于將輸入的數(shù) 字信號中的 C/A 剝離掉，輸出是含有導(dǎo)航數(shù)據(jù)引起相位跳變的 CW 信號，并將其作為載波環(huán)的輸入。 頻率相位τΔ f 當(dāng)接收到信號頻率和相位落入該搜索單元時， 2()Sk 取得極大值。 GPS 軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)如下： 捕 獲內(nèi) 部 時 鐘奇 偶 校 驗(yàn)子 幀 同 步導(dǎo) 航 處 理測 量 推 倒跟 蹤 環(huán)中 頻數(shù) 字信 號圖 2 . 3 . 2 G P S 軟 件 接 收 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 14 第四節(jié) 軟件接收機(jī)中頻數(shù)據(jù)處理的核心算法 一、 C/A 碼信號捕獲 為了跟蹤 GPS 信號并進(jìn)行信息解碼，就必須先用捕獲程序來檢測信號的存在。 最后在導(dǎo)航處理單元中，計(jì)算出用戶的經(jīng)緯度坐標(biāo)、行進(jìn)速度等信息，實(shí)現(xiàn)用戶的導(dǎo)航定位。 四、 算法軟件實(shí)現(xiàn) 軟件無線電的本質(zhì)是用軟件定義無線通信。噪聲功率比（ CNR），定義為陷波濾波器帶內(nèi)噪聲功率譜密度之比，可提供與如何限制信道間互干擾的信息。寬帶的軟件無線電的射頻部分要求 ： 在濾波器的滾降特性的銳利程度受到損害的情況下 ， 強(qiáng)調(diào)仍然能提供線性的功率放大。 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。 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。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jì)的 GPS 軟件接收機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。 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(jī)器自動裝置為主的網(wǎng)絡(luò)集群，位置信息無處不在。尤其是在當(dāng)今無線電標(biāo)準(zhǔn)和接口種類層出不窮的時期 ， 為了節(jié)約成本 ，從經(jīng)濟(jì)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 （ SDR） 是指在一個開放的，標(biāo)準(zhǔn)化的、模塊化的通用硬件平臺上，通過軟件加載實(shí)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 )。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(diǎn) 所吸引。用戶設(shè)備部分就是用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的終端設(shè)備 ，由接收機(jī)硬件、數(shù)據(jù)處理軟件及微處理器構(gòu)成 [2]。 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。 Location Based Services (LBS) 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shí)現(xiàn)連續(xù)的實(shí)時三維導(dǎo)航。使用軟件無線電思想構(gòu)建的 GPS 軟件接收機(jī)，在開放性和可重配置性上有著傳統(tǒng)接收機(jī)所無法比擬的優(yōu)勢，對接收算法研究和后續(xù)優(yōu)化有著重大研究意義。 本文的研究工作涉及 GPS 軟件接收的關(guān)鍵技術(shù)研究、捕獲跟蹤算法與研究分析，以及基于 NMEA0183 數(shù)據(jù)幀的實(shí)時采集軟件設(shè)計(jì)與研究。所謂導(dǎo)航（ navigation），在這里的定義是實(shí)時的測定運(yùn)動載體在途行進(jìn)時的位置和速度，引導(dǎo)運(yùn)動載體沿一定的航線經(jīng)濟(jì)而安全的到達(dá)目的地 [1]。 美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（ GPS）計(jì)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。 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。 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(jī)等運(yùn)動物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。其核心是： 使中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shí)現(xiàn)。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(shí)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)。近年來，隨著電子、計(jì)算機(jī)、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(yùn)營商的一項(xiàng) 增值業(yè)務(wù)。 并以 PC 機(jī)為平臺， Visual C++的 MFC 框架為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了 GPS 應(yīng)用 分析 軟件。相對位置 移動 軌跡跟蹤測量是 GPS 對在測繪學(xué)上重要應(yīng)用。硬件驅(qū)動層主要實(shí)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(shí)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(jī)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(shí)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(dú)使用 [5]。 二、 中頻 AD/DA A/D 變換器要求有較高的采樣 速率和 分辨率 ， 以便在恢復(fù)時降低失真。 三、 數(shù)字信號處理模塊 在數(shù)字信號處理模塊的實(shí)現(xiàn) 方式 上 ，主流 趨勢為 DSP（ Digital Signal Processor， 數(shù)字信號處理器 ）、 FPGA（ Field Programmable Gate Array， 現(xiàn)場可編程門陣列 ）和 ASIC（ Application Specific Integrated Circuits， 專用集成電路 ） 。 通過軟件，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從信號解調(diào)、濾波、捕獲跟蹤等一系列原先要通過復(fù)雜硬件才能完成的基本軟件無線點(diǎn)功能。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 13 預(yù) 放 大 下 變 頻 濾 波A / D射 頻 前 端信 號 捕 獲 信 號 跟 蹤導(dǎo) 航 信 息解 調(diào)信 號 處 理 單 元導(dǎo) 航處 理單 元D i g i t a l I F圖 2 . 3 . 1 G P S 接 受 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 圖 GPS 軟件接收機(jī)是在軟件無線電（ SDR）思想知道下實(shí)現(xiàn)的。一旦檢測到信號，必須測出兩個重要參數(shù)，一個是 C/A 碼 信號的延時 ，另一個是載波信號的 載波頻率 。將 2()Sk 與識別門限進(jìn)行比較，根據(jù)判定算法進(jìn)行判定是否成功捕獲到信號。載波環(huán)的輸出信號是頻率為輸入信號的載頻 CW 信號，這個信號 可用于剝離 輸入信號 中的 載波 信號，剝離后是一個只包含 C/A 碼而沒有載波的信號，這正好是碼環(huán)的輸入。 NMEA0183 協(xié)議對電器和數(shù)據(jù)規(guī)格都做了相應(yīng)的規(guī)定。在通信方式上又可分為同步通信方式和異步通信方式兩種。 在獲取 串口句柄后，設(shè)置輸入和輸出緩沖區(qū)的大小（本軟件中緩沖區(qū)大小為 4096），超時信息（ COMMTIMEOUTS 結(jié)構(gòu)體初始化）及串口信息（ 串口設(shè)備控制塊 DCB 初始化）。造成偽距測量誤差的因素很多， 例如：電離層、對流層、多普勒頻移等 。 ．當(dāng) V 達(dá)到最 大時 GDOP 最小，由于正四面體的體積最大。 $GPGSA,A,3,16,14,31,32,06,*38 $GPGSV,3,1,12,31,58,006,34,16,49,235,27,14,47,135,22,32,37,230,15*7C 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 24 $GPGSV,3,2,12,29,32,070,06,31,163,25,20,19,299,30,17,045,22*7D $GPGSV,3,3,12,22,04,176,23,03,318,05,00,049,03,00,197,*72 GPGSA 的第 3 位到第 14 位表示用于解算的衛(wèi)星 PRN，即被顯示 PRN 的衛(wèi)星已被接收機(jī)捕獲并跟蹤。 GPS 衛(wèi)星 二十四 小時在軌道上旋轉(zhuǎn)，它們在任意時間，任 意地點(diǎn)都至少有六顆被用戶觀測到，這樣就可以盡量減少接受盲點(diǎn)。方位角則以北極 N 為 0176。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 26 圖中，紅色表示該衛(wèi)星未捕獲，藍(lán)色表示衛(wèi)星處于捕獲狀態(tài)，綠色表示衛(wèi)星處于跟蹤狀態(tài)。它在一定程度上反映了 GPS 接收機(jī)的測量精度。這些數(shù)據(jù)在定位精度因子（ GDOP）分析、衛(wèi)星天空視圖實(shí)現(xiàn)、多通道衛(wèi)星信號 質(zhì)量 分析及 相對位置偏移 軌跡跟蹤研究上都扮演這重 要的角色。 SDMV 應(yīng)用程序本身是 MFC 的 MDI 應(yīng)用程序的擴(kuò)展型。 六個子窗口分別實(shí)現(xiàn)了上圖中所示的數(shù)據(jù)分析功能，下面將對各子窗口的實(shí)現(xiàn)方式加以說明。