【正文】 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 。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。 在硬件設(shè)計中采用了模塊化設(shè)計思想。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。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。 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 [” ]。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 ”。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。 (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。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(zhǔn)，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)據(jù)無效 第 3 章系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)功能 本文研究 的定位導(dǎo)航系統(tǒng)是綜合運用 soc 技術(shù)、 GPS 技術(shù)和通信技術(shù)。利用 GPS 進行導(dǎo)航定位 ， 1 秒即可完成一次定位，對高動態(tài)用戶尤其重要。盡管 GLONASS系統(tǒng)沒有進行 SA 千擾，但由于俄羅斯政府的經(jīng)濟狀況不佳，無法及時發(fā)射新的衛(wèi)星以替代達到或接近服務(wù)壽命的衛(wèi)星。為 GPS 信號的傳播速度 (即光速 )。而測距精碼 ((P 碼 )的測距精度約為士 。 GPS 衛(wèi)星的測距和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上，即在兩個波段 (L1= 和 L2=)的載波信號中。廣播星歷所預(yù)報的衛(wèi)星位置的切向誤差士 5m。注入站的主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其他控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并檢測注入信息的正確性。對于某地某時，甚至不能測得精確的點位坐標(biāo)，這種時間段叫做“間隙段”。 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。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到 4 顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形。兩顆衛(wèi)星的坐標(biāo)、地球質(zhì)心的坐標(biāo)以及衛(wèi)星到用戶的距離、地心到用戶的距離都可以測出，所以可以解算出用戶坐標(biāo)。 3)定位精度 :平面精度士 20m,垂直精度士 l Or n. 定位原理 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理為 :地面中心站通過 2 顆同步靜止定位衛(wèi)星傳送測距問詢信號，如果用戶需要定位則馬上回復(fù)應(yīng)答信號。第三顆北斗一號衛(wèi)星于 20xx 年 5 月 25 日發(fā)射升空，它是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備份星，與前兩顆工作衛(wèi)星組成我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) [(}10 系統(tǒng)組成 1)衛(wèi)星星座 :由 3 顆同步靜止衛(wèi)星組成 (其中 1 顆在軌備用 )，分別定位于東經(jīng)80 度和東經(jīng) 140 度，軌道 傾角 i=0 度，公轉(zhuǎn)周期 T=24 小時，軌道高度 H=36000km。 2)地面系統(tǒng) :在歐洲建立 2 個控制中心，在全球構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng) 。測速精度 :士 15cm/s。 技術(shù)特點 1)衛(wèi)星信號 每顆 GLONASS 衛(wèi)星配有艷原子鐘，以便為所有星載設(shè)備提供高穩(wěn)定的時標(biāo)信號。軌道偏心率 e=。 論文的組織 論文的第一章為緒論，介紹了論文研究的背景以及國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和研究意義等內(nèi)容 :第二章對 GPS 全球定位系統(tǒng)各方面作簡單介紹和進行一般性的論述 。 課題完成的工作 4點 : (1)研究了目前國內(nèi)外 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、 GPS 技術(shù)，討論了定位導(dǎo)航終端的設(shè)計以及先進的 SOC 單片機技術(shù)。單板機開發(fā)成本較高，體積大， 一般適用于大型基于單片機的 GPS 導(dǎo)航裝置的設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。因此將C8051F020 單片機運用于本次設(shè)計，也是一種新的嘗試，也加深了對 C8051F 系列的掌握。利用 GPS 進行定位是個不錯的選擇。由于現(xiàn)在可用于系統(tǒng)的技術(shù)選擇比較多，每個公司都在根據(jù)自己最熟悉的技術(shù)，或依據(jù)自己對市場和現(xiàn)有以及未來技術(shù)發(fā)展方向的理解，構(gòu)建自己的系統(tǒng)。這將標(biāo)志著我國將擁有自主研發(fā)的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。但是這兩個系統(tǒng)都受到美、俄兩國軍方的嚴(yán)密控制，其信號的可靠性無法得到保證。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進步，導(dǎo)航定位相關(guān)產(chǎn)品的成本在不斷下降，可以預(yù)言，導(dǎo)航與定位系統(tǒng)將向著小型化，智能化，多功能化方向發(fā)展。 C8051F020。 然后針對系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和軟硬件聯(lián)合調(diào)試等方面展開論述。并從系統(tǒng)功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過分析比較選出合適的實現(xiàn)方案，在此基礎(chǔ) 上對系統(tǒng)所需硬件模塊的選取作了簡要介紹。 關(guān)鍵詞 :GPS。發(fā)展我國的導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)適逢其時，機不可失。 目前國外己有兩大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在運行 :一是美國的全球定位系統(tǒng)(GPS ),二是俄羅斯的“格魯納斯” (GLONASS )定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)將用于交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災(zāi)害預(yù)報、通信、公安及其他領(lǐng)域的導(dǎo)航定位服務(wù)。 國內(nèi)也有許多公司和機構(gòu)參與導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研制，各家正在研制和已推出的系統(tǒng)之間，應(yīng)該說各有優(yōu)缺點。目前，城市建設(shè)發(fā)展速度越來越快，道路變得也越來越復(fù)雜，在這種情況下，找到一種方式，使人們能夠從容的面對錯綜復(fù)雜的交通網(wǎng)，已經(jīng)迫在眉睫。具有與 80C51 系列單片機相同的指令系統(tǒng)，并且功能更加全面?；谇度胧降能囕d定位航終端開發(fā)難度較大，開發(fā)周期也相對較長 。系統(tǒng)通過串口實現(xiàn)和 GPS 接收機通信，實時提取相關(guān)的定位數(shù)據(jù) (經(jīng)度、緯度、高度等 )并通過自制的電子地圖，由液晶屏顯示用戶位置，實現(xiàn)導(dǎo)航定位的目的。 (6)將基于 SOC 技術(shù)的定位導(dǎo)航終端應(yīng)用于實際定位導(dǎo)航中，對定位導(dǎo)航終端進行靈敏度和定位精度測試。該系統(tǒng)與美國的 GPS 系統(tǒng)同屬于第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng) (3]a .1 系統(tǒng)組成 1)衛(wèi)星星座 :全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由分布在三個獨立橢圓軌道的 24 顆 GLONASS 衛(wèi)星組成 (另加 1顆備用衛(wèi)星 )，平均每個軌道上分布 8顆衛(wèi)星，各軌道升交點的赤經(jīng)相差 120 度 。在 GCS 內(nèi)裝有激光測距設(shè)備對測距數(shù)據(jù)作周期修正，為此所有的 GLONASS 衛(wèi)星上都裝有激光反射鏡 。垂直精度 :士 75m。衛(wèi)星的軌道傾角為 56度，公轉(zhuǎn)周期 T=14 小時 23 分 14 秒，軌道高度 H=23616km。 20xx 年 10 月 31 日和 12 月 21 日，我國發(fā)射了兩顆北斗一號衛(wèi)星，并由其構(gòu)成獨特的“雙星有源定位系統(tǒng)”。 2)用戶設(shè)備 :定位收發(fā)機的瞬間發(fā)射功率 較大 。 RI, R2,R3 分別表示用戶機到衛(wèi)星 1, 2 和地球質(zhì)心的距離。 24 顆衛(wèi)星 (其中 3 顆為備用衛(wèi)星 )均為近圓形軌道，運行周期約為 11 小時 58 分，分布在六個軌道面上 (每軌道面 4 顆 )，軌道傾角為 55 度。 1)空間部分一 GPS 衛(wèi)星星座 :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。這 4 顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對 GPS 衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計算每顆 GPS 衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。因測站數(shù)量少，故衛(wèi)星定軌精度不高 。每個 GPS 衛(wèi)星在兩個頻率波段上發(fā)布獨立信號。 3)定位精度 :利用偽隨機碼 (測距碼 )的信號單機測量，理論上按照目前測距碼 的對齊精度約為測距碼波長的 1/100 計算，測距粗碼 (C/A 碼 )的測距精度約為 士3m。 Oti (i=1, 2, 3, 4)分別為衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 4 的信號到達接收機所 經(jīng)歷的時間。但隨著 19%年俄羅斯 GLONAS S 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的組建完畢和歐洲 GALILEO 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)計劃的啟動，使美國政府迫于競爭壓力于 20xx 年 5 月 1 日撤銷對 GPS 的 SA 干擾，使位置精度提升到 20 米，授時精度提高到 40 納秒，并承諾加速星座改善，增加兩個民用頻率。與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，主要特點有如下幾個方面 : 1)定位精度高，觀測時間短 GPS 定位技術(shù)定位精度高，理論上可以達到五到十米 。 NMEA0183 協(xié)議定 義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有 $GPGGA, $GPGSA, $GPGSV, $GPRMC, $GPVTG, $GPGLL等 f+1。開發(fā)嵌入式系統(tǒng)成本較高，對于以定位導(dǎo)航為主的來說，使用嵌入式系統(tǒng)容易造成資源浪費。 (3)基于單片機的實現(xiàn)方案 單片機又稱嵌入式微控制器，它在一塊芯片上集成了 CPU, RAM, ROM (EPROM 或 EEPROM )、時鐘、定時 /計數(shù)器、多種功能的串行和 并行 I/0 口。 定位導(dǎo)航終端的硬件模塊的選取 單片機的選取 綜合考慮目前常見定位導(dǎo)航終端的實現(xiàn)方案，本設(shè)計采用基于 SoC 單片機 (C8051F020)的實現(xiàn)方案，即采用 GPS 接收機與 C8051F020 單片機構(gòu)成定位導(dǎo)航終端。結(jié)構(gòu)圖 (如圖 41 所示 ): 圖 41 總體設(shè)計框圖 GPS 接收板接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)來的原始導(dǎo)航電文，并根據(jù)從三顆以上不同衛(wèi)星發(fā)來的電文以 秒的刷新間隔提供被測點的運動狀態(tài)，如 :經(jīng)度、緯度、高度、時間、速度、航向等數(shù)據(jù)，送給微處理器處理并存儲，以便隨時在顯示屏上顯示定位點。這兩個串口的波特率產(chǎn)生是獨立的，使用起來相當(dāng)靈活。 S1112 系列是使用 CMOS 技術(shù)開發(fā)的低壓差、高精度輸出電壓、低消耗電流的正電壓型電壓穩(wěn)壓器。具有超輕、超薄、亮度高、可視角度大，功耗低、響應(yīng)速度快等特點。 SBAS GPS 協(xié)議 NMEA, UBX 二進制 一捕獲冷啟動 29s 輔助啟動 :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 熱啟動 :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 重捕獲時間 :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 接口 : USB 12Mbit/s 一串口 1 個 UART 端口 一數(shù)字 1/0 可配置的時間脈沖， 1 個 EXTINT 輸入 一串口和 I/0 電壓 3V 電平，最大 5V 輸入電平 電氣特性 : 一工作電壓 到 一備用電源 到 ，典型值 25uA 一天線供電方式外部或內(nèi)部 VCC RF LEA 模塊具有包含 50 個通道的 ublox5 定位引擎，通過無與倫比的捕獲與導(dǎo)航性。 8. VDD 180UT 輸出端，提供 的輸出電壓，不用時懸空 。 RF 輸出端輸出電壓射頻部分，可作為 外部有源天線供電 (VCC RF 連 接到 V ANT)，天線的最大功率消耗不能超過具體的規(guī)定值，不用時懸空 。 28, TIMEPULSE 輸入端，時間脈沖信號，默認(rèn)值為每秒一個脈沖 。天線的做法及原理想當(dāng)復(fù)雜，有源天線內(nèi)核更是技術(shù)含量較高，由于涉及到硬件調(diào)試及高頻，因此只能選擇成品的