【正文】 月 18 日整個(gè)系統(tǒng)正式運(yùn)轉(zhuǎn) 。 GLONASS 衛(wèi)星之間的識(shí)別方法采用頻分復(fù)用 (FDMA)技術(shù)， L1載波信號(hào)的頻道間隔為 , L2 載波信號(hào)的頻道間隔為 GLONASS 衛(wèi)星測(cè)距粗碼 (C/A 碼 )的頻率為 MHz，碼長(zhǎng)為 511 比特，重復(fù)周期為 lms。伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)是歐洲空間局 (ESA)主導(dǎo)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系 統(tǒng)，由 27+3 顆衛(wèi)星分布在3 個(gè)軌道平面上，計(jì)劃于 20xx 年運(yùn)行，目前己經(jīng)推遲到 20xx 年。例如，美國(guó)在 20 世紀(jì) 90 年代的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，不僅中斷了全球定位系統(tǒng)，而且給 P 碼加密，使對(duì)方無(wú)法使用。定位標(biāo)校站為差分定位提供基準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù) 。 北斗定位系統(tǒng)采用三球交會(huì)測(cè)量原理進(jìn)行定位，即分別以兩顆衛(wèi)星為球心、到用戶的距離為半徑作兩個(gè)球面，再以地球質(zhì)心為球心，到用戶的距離為半徑作一個(gè)球面，三個(gè)球面的交會(huì)點(diǎn)就是用戶的位置 (計(jì)算時(shí)要排除其鏡像點(diǎn) )。并且，信息處理中心具有定時(shí)和短報(bào)文通信功能 [al0 2. 4 GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng) (Global Positioning System)是美國(guó)從本世紀(jì) 70 年代由美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)開(kāi)始研制，歷時(shí) 20 年，耗資 200 億美元，于 1994 年全面建成，是具有在海、陸、空，進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)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)。 2. 4. 1 GPS 系統(tǒng)的組成 GPS系統(tǒng)包括三大部分 :空間部分一 GPS衛(wèi)星星座 。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見(jiàn)到 4 顆，最多可見(jiàn)到 11 顆。監(jiān)控站設(shè)有 GPS 用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量 GPS 信號(hào)的接收設(shè)備，即 GPS 信號(hào)接收機(jī)，就可以在任何時(shí)候用 GPS 信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。值得指出的是，由國(guó)際 GPS 地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)組織 (IGS)所測(cè)算預(yù)報(bào)的精密星歷比美國(guó)軍方測(cè)定的精密星歷的精度要高得多，衛(wèi)星位置精度可達(dá)土 3 厘米 。由于 SA 的影響，引起的等效偽距測(cè)量誤差大約為 30 米，這是影響 GPS 定位精度的最主要原因。每顆 GPS 衛(wèi)星時(shí)刻發(fā)布其位置和時(shí)間數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶接收機(jī)可以測(cè)量每顆衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)的時(shí)間延遲，根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)乃俣染涂梢杂?jì)算出接收機(jī)到不同衛(wèi)星的距離。 vto 一為接收機(jī)的鐘差。而且北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)需要中心站提供數(shù)字高程圖數(shù)據(jù)和用戶機(jī)發(fā)上行信號(hào)，從而使該系統(tǒng)的用戶容量、導(dǎo)航定位維數(shù)、隱蔽性方面受到限制。 2. 7 GPS 通信協(xié)議 NMEA0183 協(xié)議是 GPS 接收機(jī)應(yīng)當(dāng)遵守的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議， 也是目前 GPS 接收機(jī)上使用最廣泛的協(xié)議，大多數(shù)常見(jiàn)的 GPS 接收機(jī)、 GPS 數(shù)據(jù)處理軟件、導(dǎo)軟件都遵守或者至少兼容這個(gè)協(xié)議。 系統(tǒng)方案選取 常見(jiàn)導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案 目前，針對(duì)各種 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)雖然它們的性能有所差異，開(kāi)發(fā)環(huán)境各不相同，但是其實(shí)現(xiàn)方案大致如下 : (1)基于嵌入式的實(shí)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(chǔ)器及外設(shè)器件和 I/0 端口、圖形處理器等 。在結(jié)構(gòu)上，單板機(jī)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(jìn)行移植。而且一般常用的51 單片機(jī)本身沒(méi)有看門狗電路，程序在運(yùn)行中遇到干擾容易跑 飛，更增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。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(duì)于具有授時(shí)功能，或具有 DGPS 差分功能等的模在 價(jià)格上要高出許多。選擇此單片機(jī)作為主控芯片不僅僅是因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)硬件串口而是基于諸多因素考慮 :C8051F020 功能強(qiáng)大，幾乎在單片機(jī)中包括了所有常用的功能 。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)做數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。因采用 SNT 6A (H(僅限 S1112 系列 )?？删幊糖铱膳渲玫?Flash EPROM 為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供了充足的空間。這些特點(diǎn)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(yùn)用場(chǎng)合 [” ]。注意引腳到天線間 SOOhm阻抗匹配 。 DP, I/0 口 USB 輸入 /出端。 ，不用時(shí)懸空。 ， USB 啟動(dòng)時(shí)間配置引腳，不用時(shí)懸空 。 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。 11. Vwe BAT 輸入端，備用電源，接備用電源，增強(qiáng)熱啟動(dòng)特性，否則接地。它采用新穎的方案來(lái)抑制干擾并降低多基于單片機(jī)的 GPS 導(dǎo)航裝置的設(shè)計(jì)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(chǎng)所提供出色的服務(wù)。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)也有助于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的組織管理。此外，還內(nèi)置電源開(kāi) /關(guān)控制電路，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。通過(guò) 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。由于 GPS 接收機(jī)使用串口與單片機(jī)相連，而連接 PC 機(jī)也要占用單片機(jī)的一個(gè)串口資源，因此所選單片機(jī)必須有兩個(gè)硬件串口。并通過(guò)單片機(jī)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(dāng)前的測(cè)試點(diǎn)，以達(dá)到定位導(dǎo)航的目的。在定位導(dǎo)航過(guò)程中，定位導(dǎo)航終端需存儲(chǔ)大量的歷史定位數(shù)據(jù)，一般常用的單片機(jī) (如 51 單片機(jī)、 MOTOROLA 單片機(jī)等 )自帶的 FLASH ROM 一般為 4K, 8K 等，遠(yuǎn)不能滿足存儲(chǔ)要求。在開(kāi)發(fā)應(yīng)用上可以將單板機(jī)看作通用 PC 來(lái)處理。 系統(tǒng)的組成 GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個(gè)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。這種方式隱蔽性好，而且可容納無(wú)數(shù)多用戶。因此， GLONASS 很難在由 GPS 統(tǒng)治的全球?qū)Ш椒?wù)市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。 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(shí)刻 的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。對(duì)于載波信號(hào)雙頻機(jī)，它能有效的消除電離層延時(shí)誤差，其相對(duì)定位精度可達(dá) :士 ((1 mm+lppm X D )。 l] e 美國(guó)國(guó) 防部 1992 年宣布在所有 GPS 衛(wèi)星上實(shí)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。法向誤差士 3m。 3)用戶設(shè)備部分一 GPS 信號(hào)接收機(jī) GPS 信號(hào)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(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的 GPS 信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出 GPS 信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出 GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。 GPS 工作衛(wèi)星的編號(hào)和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。在兩萬(wàn)公里高空 的 GPS 衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵?lái)說(shuō)自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行約二周，繞地球一周的時(shí)間為差兩分鐘 12 恒星時(shí)。全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。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(gè)用戶 機(jī)來(lái)完成。而兩個(gè)定位球又和地面相交產(chǎn)生兩個(gè)定位圓，用戶必定位于兩個(gè)定位圓相交的兩個(gè)點(diǎn)上 (這兩個(gè)交點(diǎn)一定是以赤道為對(duì)稱軸南北對(duì)稱的 )。 3)標(biāo)校系統(tǒng) :有測(cè)軌、定位、測(cè)高三類標(biāo)校站。 4)定位精度 :導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。 伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng) 為了打破美國(guó) 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(jì)劃，這是歐洲開(kāi)發(fā)的最重要的航天計(jì)劃。LZ 載波信號(hào)的頻率為 1246^ 1256MHz。衛(wèi)星運(yùn)行周期 T=11 時(shí) 15 分 (恒星時(shí) 小時(shí) )。第四章提出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)各模塊功能進(jìn)行硬件電路芯片的選擇和線路連接 。 (3)設(shè)計(jì)了 GPS 接收板電路和控制板電路并制作 PCB 板。如今，高性能、高可靠性、低價(jià)位的 SOC 單片機(jī)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，使用 SOC 單片機(jī)不僅可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，而且節(jié)約了資源和成本。如果利用專業(yè)電子地圖開(kāi)發(fā)軟件，其開(kāi)發(fā)成本昂貴。昂貴的費(fèi)用 不僅讓眾多消費(fèi)者望而卻步，而且定位精度的落差時(shí)常使得他們?cè)孤曒d道。后 PC 時(shí)代的來(lái)臨為我們快速拉近與發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)科技距離提供了前所未有的機(jī)遇。所以在本文所研究的課題中，所用的導(dǎo)航定位系統(tǒng)仍然是美國(guó)建立的 GPS 定位系統(tǒng) 。該計(jì)劃還在實(shí)施當(dāng)中。它是一個(gè)由覆蓋全球的 24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng) {11。OCM12864。其中，接收天線的選取、天線座到模塊 RF 1N 端的50歐姆阻抗匹配設(shè)計(jì)以及電源模塊的設(shè)計(jì)等都在本文中作了詳細(xì)闡述。給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案并闡述了終端設(shè)計(jì)方法、開(kāi)發(fā)方法和開(kāi)發(fā)過(guò)程。 最后文中詳細(xì)描述了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程、所遇到的問(wèn)題以及解決方法，通過(guò)調(diào)試、修改，成功實(shí)現(xiàn)小范圍的定位導(dǎo)航，完成課題設(shè)計(jì)的要求。本課題設(shè)計(jì)正是基于此開(kāi)展 GPS 自主定位系統(tǒng)的研究。從而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。 20xx 年 12月 21 日我國(guó)成功發(fā)射第二顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”，與發(fā)射的第一顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”構(gòu)成了“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異，以及 GPS 等技術(shù)都是由國(guó)外首 先擁有和使用，所以國(guó)外在 GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究、應(yīng)用方面都比國(guó)內(nèi)早，現(xiàn)在已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品。雖然與現(xiàn)階段比較成熟的定位導(dǎo)航產(chǎn)品有一定差異，但也算是對(duì)定位導(dǎo)航的一種簡(jiǎn)單嘗試。 (3) C8051F 系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與 8051 兼容的 CIP51微控制器內(nèi)核。 本文 的研究?jī)?nèi)容 GPS 定位導(dǎo)航終端中控制器的選擇直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文設(shè)計(jì)的 GPS 定位導(dǎo)航終端采用基于 SOC 技術(shù)的單片機(jī)C8051F020 作為核心控制器，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，節(jié)約了成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。 (5)通過(guò)實(shí)際點(diǎn) 的取 樣，對(duì)道路進(jìn)行描繪。第七章總結(jié)，概括了所做的工作及不足，并給出下一步的研究方向。 2)地面系統(tǒng) :地面控制站組 (GCS)設(shè)有 1 個(gè)系統(tǒng)控制中心， 1 個(gè)指令跟蹤站(CTS 整個(gè)跟蹤網(wǎng)絡(luò)分布于俄羅斯境內(nèi) 。 GLONASS 衛(wèi)星也采用類似 GPS 信號(hào)的 P碼 。伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)將提供高精度、全球覆蓋的導(dǎo)航定位服務(wù)，并可以與 GPS, GLONASS 互操作和兼容。雖然“伽利略”系統(tǒng)是一個(gè)民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，這個(gè)導(dǎo)航也會(huì) 遭到控制，特別是美國(guó)會(huì)直接插手“伽利略”。測(cè)高標(biāo)校站為氣壓測(cè)高法提供基準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)。衛(wèi)星到用戶的距離可以用定位信號(hào)的傳播延時(shí)計(jì)算出來(lái)，而地心到用戶的距離則可用中心站的數(shù)字地形圖查出或用氣壓高度表測(cè)量出來(lái)，于是求解如下方程可以計(jì)算出用戶坐標(biāo) (x0, y0, z0):(xi一 xo)2 +(Yr 一 Yo)2 +(Z，一 Zo)2=R。全球定位系統(tǒng)是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng) 。空間部分的三顆備用衛(wèi)星，可在必要時(shí)根據(jù)指令代替發(fā)生故障的衛(wèi)星，這對(duì)于保障 GPS空間部分的正常高效的工作極為重要。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的 GPS 信號(hào)接收機(jī)也各有差異。 2) GPS 信號(hào)包含有三種信號(hào)分量，即載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。由 于美國(guó) SA 政策 (雖然美國(guó)己經(jīng)宣布取消了 SA，但是美國(guó)政府隨時(shí)可能起用 SA 政策 )，民用的定位精度，這樣的精度在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中，往往會(huì)出現(xiàn)車子在 A 道路上，在監(jiān)控中心的電子地圖上卻顯示出車輛在 B 道路上行駛的問(wèn)題。同時(shí)收集到至少四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)時(shí)就可以解算出三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間 (如圖 21 所示 )[301a 假設(shè) t 時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置 GPS 接收機(jī)，可以測(cè)定 GPS 信號(hào)到 達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定四個(gè)方程式(如公式 22 所 示 ): 上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) x, y, z和 vto 為未知參數(shù)，其中 di=cAti Q I, 2, 3, 4), di (i=1, 2, 3, 4)分別為衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 3, 由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo) x, y, z和接收機(jī)的鐘差 Vt0 0 目前各種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的比較 隨著衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)已基本取代 了無(wú)線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)，己成為一種普遍采用的導(dǎo)航定位技術(shù)，并在精度、實(shí)時(shí)性、全天候等方面取得進(jìn)步。雖然伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于民用，且在導(dǎo)航精度上要優(yōu)于其他系統(tǒng)，但是目前該系統(tǒng)正處于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及相關(guān)技術(shù)的驗(yàn)證階段，離實(shí)用還有一段距離。 NMEA 協(xié)議是為了在不同的 GPS(全球定位系統(tǒng) )導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的BTCM(海事無(wú)線電技術(shù)委員會(huì) )標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì) (NM