【文章內(nèi)容簡介】 它能滿足多用戶系統(tǒng)的導(dǎo)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(dǎo)航電文、或稱 D碼 )都是在同一個基準(zhǔn)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(diào)制有 C/A碼、 P碼和數(shù)據(jù)碼 。在載波 L:上只調(diào)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(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的，由于偽隨機(jī) 碼只有‘ 1’和‘ 0’，兩種狀態(tài)。當(dāng)碼值取 O時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為 +1。而碼值取 1時， 對應(yīng)的碼狀態(tài)為 1 。載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后便實(shí)現(xiàn)了載波的調(diào)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(jié)構(gòu)如圖 。 嵌入式系統(tǒng)在車輛導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)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(jī)碼 (PRN)，這種二進(jìn)制的數(shù)碼序列 不僅具有良好的自相關(guān)特性，而且又是一種結(jié)構(gòu)確定，可以復(fù)制的周期性序列。 P碼常用于精密導(dǎo)航和定位。雖然 P碼的精度很高，但其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是公開的，可供 GPS接收機(jī)的廣大用戶使用。 GPS信號的產(chǎn)生如圖 。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計 4 圖 SA 技術(shù)，即有選擇可用性技術(shù)，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(shù)即反電子 欺詐技術(shù)，其目的是為防止敵方使用 P碼進(jìn)行精密導(dǎo)航定位。 SA和 AS技術(shù)的使用將對定位產(chǎn)生很大影響 : 降低單點(diǎn)定位精度 。 降低長距離相對定位地精度 。 AS技術(shù)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(shù)巨大的實(shí)用價值，美國將 GPS向民用領(lǐng)域免費(fèi)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(xué)中的測距交會的原理確定點(diǎn)位。在繞地球運(yùn)行的人造地球衛(wèi)星上裝有無 線電信號發(fā)射機(jī)，在接收機(jī)時鐘的控制下，可以測定信號到達(dá)接收機(jī)的時間△ t，進(jìn)而求出衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離 。從為各項(xiàng)改正數(shù)。但是，衛(wèi)星上的原子鐘和地面接收機(jī)的鐘不會嚴(yán)格同步，假如衛(wèi)星的鐘差為 ut，接收機(jī)的鐘差為御，則由于衛(wèi)星上的原子鐘和地面上接收機(jī)的鐘不同步對距離的影響為△ s。 (式 )現(xiàn)在欲確定待定點(diǎn) P 的位置，可以在該處安置一臺 GPS接收機(jī)。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(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)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(shí)質(zhì)就是根據(jù)高速運(yùn)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(diǎn)的空間位置。利用 GPS進(jìn)行定位有多種方式，如果就用戶接收機(jī)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(diǎn)位置的不同，又分為單點(diǎn)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(jī)在進(jìn)行定位時，待定點(diǎn)的位置相對其周圍的點(diǎn)位置沒有發(fā)生變化，其天線位置處于固定不動的靜止?fàn)顟B(tài)。此時，接收機(jī)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(jī)天線相位中心的三維坐標(biāo)。動態(tài)定位是指在定位過程中，接收機(jī)位于運(yùn)動著的載體，天線也處于運(yùn)動狀 態(tài)的定位。動態(tài)定位是用 GPS信號實(shí)時地測得運(yùn)動載體的位置。其特點(diǎn)是測定一個動態(tài)點(diǎn)的實(shí)時位置，多余觀測量少，定位精度低。 (2)單點(diǎn)定位與相對定位 單點(diǎn)定位的實(shí)質(zhì)就是空間距離后方交會，理論上取 3個獨(dú)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(jī)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(jī)參數(shù)只能作為一個未知參數(shù)，與測站的坐標(biāo)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(jī)同步觀測相同的 GPS衛(wèi)星，以確定接收機(jī)天線間的相互位置關(guān)系的一種方法。其最基本的情況是用兩臺接收機(jī)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(diǎn)在世界大地坐標(biāo)系中的相對 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計 6 位置或坐標(biāo)差，在一個端點(diǎn)坐標(biāo)己知的情況下，用基線向量推求另一待定點(diǎn)的坐標(biāo)。 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(jī)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(jī)的三維坐標(biāo)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(dá)到米級。 (2)載波相位測量 GPS 接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號中，已用相位調(diào)制技術(shù)在載波上調(diào)制了測距碼和衛(wèi)星導(dǎo)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(jìn)行解調(diào)以恢復(fù)載波相位。 (3)多普勒定位法 根據(jù)多普勒原理，當(dāng)波源與觀測者做相對運(yùn)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(dāng)采用積分多普勒計數(shù)法進(jìn)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(jī)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(shù)，它已經(jīng)與其他技術(shù)互相融合。 GIS應(yīng)用需要利用和集成其他技術(shù)，同時，其它信息技術(shù)的應(yīng)用也需要 GIS。 GIS與其他技術(shù)的融合如下 (1)GISCADCAD是一種計算機(jī)輔助制圖和設(shè)計技術(shù)，主要面向工程設(shè)計，在圖形數(shù)據(jù)的采集與編輯方面具有很強(qiáng)的 功能，而 GIS是一門空間綜合管理技術(shù)，既可以管理空間位置，又可以管理空間對應(yīng)的屬性信息，并具有很好的對應(yīng)關(guān)系。 (2)GIS遙感：遙感技術(shù)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(dāng)前 InSAR的發(fā)展更是 GIS數(shù)據(jù)采集的革命。同時， GIS應(yīng)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(luò)的出現(xiàn)， GIS與遙感的結(jié)合會更加密切。 (3)GISGPS： GPS被認(rèn)為是二十世紀(jì)影響人類社會 12大技術(shù)之一，然而 GPS如與 GIS結(jié)合，才能普及它的應(yīng)用，而不只是停留在大地測量領(lǐng)域， 如智能化交通 (ITS)中基于電子地圖的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)等，同時與 GPS結(jié)合也提高 TGIS動態(tài)分析的能力。 (4)GISInter技術(shù)：基于 Inter技術(shù)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(yīng)用更加靈活。 (5)GIS多媒體技術(shù)： GIS也是一種重要的多媒體。 GIS與多媒體結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，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(qiáng) GIS交互能力并加大 GIS提供的信息量。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計 7 (6)GIS虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)： GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技 ： GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，提高 TGIS圖形顯示 真 實(shí)感和對圖形的可操作性。使用戶能身臨其地理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)觀察、觸摸、操作和檢測等。 3．系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本系統(tǒng)主要為解決機(jī)動車輛的導(dǎo)航調(diào)度、圖像監(jiān)控、關(guān)鍵信息存儲等智能化管理問題而進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)主要用于城市機(jī)動車輛的導(dǎo)航調(diào)度智能化管理，也可用于私人轎車的導(dǎo)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(guān)管理部門，通過短信設(shè)定，啟動程序，不斷報告該車的 地理位置，從而使公安機(jī)關(guān)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)嵌入式系統(tǒng)市場。設(shè)計者在選擇處理器時要考慮的主要因素有 :處理性能、技術(shù)指標(biāo)、功耗、軟件支持工具、是否內(nèi)置調(diào)試工具、供應(yīng)商是否提供評估板等，綜合以上幾點(diǎn)，決定采用 Intel公司 Xscale架構(gòu)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(nèi)核采用 ARMVersionSTE型指令結(jié)構(gòu)，具有 7級超流水線，其中 T指 Thumb指令集， E(DSP一Enhance)指加強(qiáng)的 DSP 指令集，能進(jìn)行整數(shù) 和浮點(diǎn)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(nèi)核外，還具有以下特點(diǎn) : (l)內(nèi)核工作頻率高 :202100MHz (2)系統(tǒng)存儲器接口 :100MHzS