【文章內容簡介】 它能滿足多用戶系統(tǒng)的導航、高精度定位的需要。 GPS衛(wèi)星信號包含的載波、測距碼 (包含 P碼、 C/A碼 )、數(shù)據(jù)碼 (導航電文、或稱 D碼 )都是在同一個基準頻率 f0=。 GPS使用的 L 段載波有兩種不同的頻率，它們的頻率和波長分別為 : L、載波 :fl=154xfo=，入 。= L:載波 :f2=120xf0=，從 = 在載波 L。上調制有 C/A碼、 P碼和數(shù)據(jù)碼 。在載波 L:上只調制有 P碼和數(shù)據(jù)碼。 GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼是采用調相技術調制到載波上的，由于偽隨機 碼只有‘ 1’和‘ 0’，兩種狀態(tài)。當碼值取 O時，對應的碼狀態(tài)為 +1。而碼值取 1時， 對應的碼狀態(tài)為 1 。載波和相應的碼狀態(tài)相乘后便實現(xiàn)了載波的調制，此時碼信號被加載到載波上，經(jīng)過播發(fā)可供用戶接收，GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結構如圖 。 嵌入式系統(tǒng)在車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)中的應用 圖 GPS衛(wèi)星采用兩種測距碼，即 C/A碼和 P碼，均屬于偽隨機碼 (PRN)，這種二進制的數(shù)碼序列 不僅具有良好的自相關特性，而且又是一種結構確定，可以復制的周期性序列。 P碼常用于精密導航和定位。雖然 P碼的精度很高，但其結構不公開，專供美國軍方特許用戶使用，而 C/A碼的精度雖然較低，但碼的結構是公開的，可供 GPS接收機的廣大用戶使用。 GPS信號的產(chǎn)生如圖 。 南華大學電氣工程學院課程設計 4 圖 SA 技術，即有選擇可用性技術，它是人為地將誤差引入衛(wèi)星時鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低GPS定位精度。使 C/A 碼定位的精度由原來的 20m 降低到 loom。 As(AntiSpoofing)技術即反電子 欺詐技術，其目的是為防止敵方使用 P碼進行精密導航定位。 SA和 AS技術的使用將對定位產(chǎn)生很大影響 : 降低單點定位精度 。 降低長距離相對定位地精度 。 AS技術會對高精度相對定位數(shù)據(jù)處理、整周 未知數(shù)的確定帶來不便。 但鑒于 GPS技術巨大的實用價值，美國將 GPS向民用領域免費開放，同時于 2021年 5月 1日起停止 SA政策，即不再對民用定位碼加入人為干擾，使民用定位精度大大提高。 (二 )GPS衛(wèi)星定位的基本原理 GPS 衛(wèi)星的定位原理是利用測繪學中的測距交會的原理確定點位。在繞地球運行的人造地球衛(wèi)星上裝有無 線電信號發(fā)射機，在接收機時鐘的控制下，可以測定信號到達接收機的時間△ t，進而求出衛(wèi)星和接收機之間的距離 。從為各項改正數(shù)。但是，衛(wèi)星上的原子鐘和地面接收機的鐘不會嚴格同步，假如衛(wèi)星的鐘差為 ut，接收機的鐘差為御，則由于衛(wèi)星上的原子鐘和地面上接收機的鐘不同步對距離的影響為△ s。 (式 )現(xiàn)在欲確定待定點 P 的位置，可以在該處安置一臺 GPS接收機。如果在某一時刻 ti同時測得了 4顆 GPS衛(wèi)星 A、 B、C、 D的距離 S。、 SBP、 sep、 sop，則可列出 4個觀測方程為 : 南華大學電氣工程學院課程設計 5 圖 GPS衛(wèi)星定位的原理示意圖。 圖 由此可見 GPS定位的實質就是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知數(shù)據(jù)的起算數(shù)據(jù)，采取空間距離后方交會的方法，確定待定點的空間位置。利用 GPS進行定位有多種方式，如果就用戶接收機天線所處的狀態(tài)而言，定位方式分為靜態(tài)定位與動態(tài)定位，如果按參考點位置的不同，又分為單點定位和相對定位。 (l)靜態(tài)定位與動態(tài)定位 靜態(tài)定位是指 GPS接收機在進行定位時，待定點的位置相對其周圍的點位置沒有發(fā)生變化，其天線位置處于固定不動的靜止狀態(tài)。此時，接收機可以連續(xù)地在不同歷元同步觀測不同的衛(wèi)星，獲得充分的多余觀測量，根據(jù) GPS衛(wèi)星的已知瞬間位置，解算出接收機天線相位中心的三維坐標。動態(tài)定位是指在定位過程中，接收機位于運動著的載體，天線也處于運動狀 態(tài)的定位。動態(tài)定位是用 GPS信號實時地測得運動載體的位置。其特點是測定一個動態(tài)點的實時位置，多余觀測量少，定位精度低。 (2)單點定位與相對定位 單點定位的實質就是空間距離后方交會，理論上取 3個獨立的距離測量便可，但是由于 GPS采用了單程測距的原理，此時衛(wèi)星時鐘與用戶接收機時鐘不同步，將這種誤差稱為偽距。其中衛(wèi)星鐘差可以用衛(wèi)星電文中提供的鐘差參數(shù)加 以修正，而接收機參數(shù)只能作為一個未知參數(shù)，與測站的坐標在數(shù)據(jù)處理中一并求解。因此，在一個測站上為求出 4個未知參數(shù)，至少需要 4 個觀測值。相對定位又稱差分定位，是采用兩臺以上的接收機同步觀測相同的 GPS衛(wèi)星，以確定接收機天線間的相互位置關系的一種方法。其最基本的情況是用兩臺接收機分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的 GPS衛(wèi)星，確定基線端點在世界大地坐標系中的相對 南華大學電氣工程學院課程設計 6 位置或坐標差，在一個端點坐標己知的情況下，用基線向量推求另一待定點的坐標。 GPS 定位的基本方法 (l)偽距法定位 偽距法定位的原理是在某一 瞬間利用 GPS接收機同時測定至少 4顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用距離交會法求出接收機的三維坐標和時鐘改正數(shù)。偽距法定位一次的精度并不高，但定位速度快，經(jīng)幾小時的定位也能達到米級。 (2)載波相位測量 GPS 接收機接收到的衛(wèi)星信號中，已用相位調制技術在載波上調制了測距碼和衛(wèi)星導航電文，所以載波己不在連續(xù)。為此，在載波相位測量之前先進行解調以恢復載波相位。 (3)多普勒定位法 根據(jù)多普勒原理，當波源與觀測者做相對運動時，觀測者接收到的信號頻率與波源發(fā)射的信號頻率不同。利用 GPS衛(wèi)星的較高的 射電頻率，由積分多普勒計數(shù)得出偽距差。當采用積分多普勒計數(shù)法進行測量時，所需觀測時間一般較長，同時，在觀測過程中接收機振蕩器要求保持較高的穩(wěn)定。 2． 4 GIS簡介 地理信息系統(tǒng) (Geographic Information System，簡稱 GIS)是綜合性技術，它已經(jīng)與其他技術互相融合。 GIS應用需要利用和集成其他技術，同時，其它信息技術的應用也需要 GIS。 GIS與其他技術的融合如下 (1)GISCADCAD是一種計算機輔助制圖和設計技術，主要面向工程設計，在圖形數(shù)據(jù)的采集與編輯方面具有很強的 功能，而 GIS是一門空間綜合管理技術，既可以管理空間位置，又可以管理空間對應的屬性信息，并具有很好的對應關系。 (2)GIS遙感：遙感技術的發(fā)展為 GIS數(shù)據(jù)快速更新提供了一個有效的辦法， 當前 InSAR的發(fā)展更是 GIS數(shù)據(jù)采集的革命。同時， GIS應用的發(fā)展也提高了遙感的數(shù)據(jù)提取和分析能力。隨著高精度遙感的發(fā)展和遙感動態(tài)網(wǎng)絡的出現(xiàn)， GIS與遙感的結合會更加密切。 (3)GISGPS： GPS被認為是二十世紀影響人類社會 12大技術之一，然而 GPS如與 GIS結合，才能普及它的應用，而不只是停留在大地測量領域， 如智能化交通 (ITS)中基于電子地圖的車輛導航系統(tǒng)等，同時與 GPS結合也提高 TGIS動態(tài)分析的能力。 (4)GISInter技術：基于 Inter技術的 GIS，已成為 GIS發(fā)展的重要方向，可以利用Inter在 Web上發(fā)布和出版空間數(shù)據(jù)，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析的功能，從而使 GIS的應用更加靈活。 (5)GIS多媒體技術： GIS也是一種重要的多媒體。 GIS與多媒體結合已經(jīng)成為現(xiàn)實，在多媒體系統(tǒng)中嵌入 GIS功能，或在 GIS系統(tǒng)增加多媒體功 能極大 地增強 GIS交互能力并加大 GIS提供的信息量。 南華大學電氣工程學院課程設計 7 (6)GIS虛擬現(xiàn)實技術： GIS與虛擬現(xiàn)實技 ： GIS與虛擬現(xiàn)實技術結合，提高 TGIS圖形顯示 真 實感和對圖形的可操作性。使用戶能身臨其地理環(huán)境中實現(xiàn)觀察、觸摸、操作和檢測等。 3．系統(tǒng)總體方案設計 本系統(tǒng)主要為解決機動車輛的導航調度、圖像監(jiān)控、關鍵信息存儲等智能化管理問題而進行設計開發(fā)。系統(tǒng)主要用于城市機動車輛的導航調度智能化管理，也可用于私人轎車的導航娛樂，同時也可作為高科技車輛防盜系統(tǒng) :車主一旦發(fā)現(xiàn)車輛被盜，可以報失公安部門或相關管理部門，通過短信設定，啟動程序，不斷報告該車的 地理位置，從而使公安機關可以迅速定位失竊車方位，將竊賊繩之以法。系統(tǒng)采用 Intel公司 Xscale架構的 PXA255處理器為核心處理器，操作系統(tǒng)選用嵌入式 Linux系統(tǒng)。本系統(tǒng)所包含的功能如下 :視頻取證功能 。衛(wèi)星防盜功能 。無線追蹤功能 。輔助倒車功能 。語音留言功能等。本章將對整個系統(tǒng)的軟硬件方案作一個總體描述。 擇 嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000 多種，流行體系結構有 30 多個系列。但與全球 PC 市場不同的是，沒有 一種微處理器和微處理器公司可以主導嵌入式系統(tǒng)市場。設計者在選擇處理器時要考慮的主要因素有 :處理性能、技術指標、功耗、軟件支持工具、是否內置調試工具、供應商是否提供評估板等，綜合以上幾點，決定采用 Intel公司 Xscale架構的 PXA255處理器作為系統(tǒng)核心處理器。 IntelXsealePXA255處理器是新一代的 32位嵌入式處理器，采用 。內核采用 ARMVersionSTE型指令結構，具有 7級超流水線，其中 T指 Thumb指令集， E(DSP一Enhance)指加強的 DSP 指令集，能進行整數(shù) 和浮點數(shù)處理。具有犯 K 數(shù)據(jù)緩存 /32K 指令緩存等。 PXA255處理器除了采用 Xscale體系的內核外，還具有以下特點 : (l)內核工作頻率高 :202100MHz (2)系統(tǒng)存儲器接口 :100MHzS