【文章內(nèi)容簡介】 離。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(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時間。為GPS信號的傳播速度(即光速)。 式中: x, y, z待測點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。 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時刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。 Vti (i=1, 2, 3, 4)一分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。 vto一為接收機(jī)的鐘差。由以上四個方程即可解算出待測點(diǎn)的坐標(biāo)x, y, z和接收機(jī)的鐘差Vt0 0 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、實時性、全天候等方面取得進(jìn)步。應(yīng)用最廣的是美國的GPS全球定位系統(tǒng)，以前由于美軍人為施加了SA干擾，使美軍之外的用戶只能得到位置精度100米，授時精度340納秒的服務(wù)。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2000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。盡管GLONASS系統(tǒng)沒有進(jìn)行SA千擾，但由于俄羅斯政府的經(jīng)濟(jì)狀況不佳，無法及時發(fā)射新的衛(wèi)星以替代達(dá)到或接近服務(wù)壽命的衛(wèi)星。目前GLONASS系統(tǒng)19顆在軌衛(wèi)星中只有12顆處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，這些衛(wèi)星中只有7顆是改進(jìn)型衛(wèi)星，而其他的都達(dá)到或接近服務(wù)壽命終結(jié)。因此，GLONASS很難在由GPS統(tǒng)治的全球?qū)Ш椒?wù)市場中占據(jù)一席之地。此外我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位速度較慢，不能連續(xù)導(dǎo)航，無法適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境，只能提供低動態(tài)和靜態(tài)定位服務(wù)。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，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。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)開發(fā)以及相關(guān)技術(shù)的驗證階段，離實用還有一段距離。當(dāng)前在我國應(yīng)用最多的還是美國的GPS系統(tǒng)yu102. 6 GPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) GPS系統(tǒng)是一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)[[31]。與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，主要特點(diǎn)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(dá)到五到十米。利用GPS進(jìn)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。 2)被動式全天候?qū)Ш蕉ㄎ? 由GPS導(dǎo)航定位時，用戶設(shè)備只需接收機(jī)GPS信號就可進(jìn)行導(dǎo)航定位，而不需用戶發(fā)射任何信號。這種方式隱蔽性好，而且可容納無數(shù)多用戶。 3)全球覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位 由于GPS有24顆衛(wèi)星，且分布合理，軌道高達(dá)20200km，所以在地球上和近地空間上任何一點(diǎn)，均可連續(xù)同頻地觀測4顆以上衛(wèi)星、實現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。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協(xié)議。 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(海事無線電技術(shù)委員會)標(biāo)準(zhǔn)，由美國國家海洋電子協(xié)會(NMEAThe National MarinElectronics Association)制定的一套通訊協(xié)議。GPS接收機(jī)根據(jù)NMEA0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過串口傳送到PC機(jī)、PDA等設(shè)備。 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, $GPGLL等f+1。要對GPS信息進(jìn)行提取首先要明白其幀結(jié)構(gòu)(如圖22所示):NMEA Protocol Frame$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(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(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(^，前面的0也將被傳輸) 8地面航向(^，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(，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 ，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 本文研究的定位導(dǎo)航系統(tǒng)是綜合運(yùn)用soc技術(shù)、GPS技術(shù)和通信技術(shù)。系統(tǒng)采用串口通信，利用GPS定位技術(shù)信息處理等手段，結(jié)合運(yùn)用自制簡易電子地圖，對被測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測和跟蹤，獲取相應(yīng)地理信息并在顯示屏上加以顯示，以達(dá)到動態(tài)跟蹤顯示的效果。 GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個多技術(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。從總體上，該系統(tǒng)可分為三大功能模塊，GPS接收模塊、信息處理模塊與顯示模塊。 目前，針對各種GPS導(dǎo)航系統(tǒng)雖然它們的性能有所差異，開發(fā)環(huán)境各不相同，但是其實現(xiàn)方案大致如下: (1)基于嵌入式的實現(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，存儲器及外設(shè)器件和I/0端口、圖形處理器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序編程。由于嵌入式操作系統(tǒng)種類繁多，而且?guī)缀趺恳环N操作系統(tǒng)都有自己的一套集成開發(fā)環(huán)境，這些開發(fā)環(huán)境相互之間差別較大，而且和應(yīng)用廣泛的PC集成開發(fā)環(huán)境也不相同，所以基于嵌入式的開發(fā)難度較大，開發(fā)周期也相對較長，人力、財力投入較大，適合并行開發(fā)。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(fèi)。 (2)基于單板機(jī)的實現(xiàn)方案 單板機(jī)即單板計算機(jī)，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。單板機(jī)以各種工業(yè)控制機(jī)為代表，主要是針對工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了特殊的設(shè)計，實現(xiàn)各種抗干擾、以及小型化的工作。在開發(fā)應(yīng)用上可以將單板機(jī)看作通用PC來處理。通常來講，單板機(jī)的處理能力強(qiáng)于嵌入式系統(tǒng)，而且單板機(jī)的外圍接口豐富，所以開發(fā)西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文時不需要進(jìn)行外圍電路設(shè)計。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。對于大多數(shù)開發(fā)人員來說，在單板機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)比較容易掌握，而且開發(fā)難度小。相對于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，單板機(jī)開發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。 (3)基于單片機(jī)的實現(xiàn)方案 單片機(jī)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。單片機(jī)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(hù)簡單的特點(diǎn)，因此獲得廣泛應(yīng)用。目前多數(shù)定位導(dǎo)航采用基于單片機(jī)的實現(xiàn)方案。在定位導(dǎo)航過程中，定位導(dǎo)航終端需存儲大量的歷史定位數(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)不能滿足存儲要求。因此，必須擴(kuò)展可掉電保存數(shù)據(jù)的FLASH ROM芯片來增加存儲空間，這樣，不僅提高了開發(fā)成本，還降低了系統(tǒng)的抗干擾性。而且一般常用的51單片機(jī)本身沒有看門狗電路，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。但是選用具有功能強(qiáng)大的C8051F系列單片機(jī)就彌補(bǔ)了以上不足。 綜合分析后，由于考慮到開發(fā)成本、控制模塊的性能以及調(diào)試和維護(hù)等方面的因素，本設(shè)計選用方案3來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 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(jī)(C8051F020)的實現(xiàn)方案，即采用GPS接收機(jī)與C8051F020單片機(jī)構(gòu)成定位導(dǎo)航終端。整個定位導(dǎo)航終端的系統(tǒng)軟件都存放在該單片機(jī)的存儲器中，它是該終端的“心臟”。C8051F020通過串口與GPS接收機(jī)通信，將GPS串口輸出的字節(jié)流進(jìn)行處理，提取出測試點(diǎn)的地理信息(經(jīng)度、緯度、時間值)。并通過單片機(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)前的測試點(diǎn)，以達(dá)到定位導(dǎo)航的目的。3. 4. 2 GPS模塊的選取 對于GPS模塊的選擇而言，通常從技術(shù)參數(shù)，支持通信協(xié)議，控制接口和成本幾個方面考慮。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，對于具有授時功能，或具有DGPS差分功能等的模在價格上要高出許多。本系統(tǒng)選用的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊是LEA5W `l o 顯示面板的選擇目前多利用是LCD液晶顯示或者LED發(fā)光二級管顯示，本系統(tǒng)出于亮度和動態(tài)性能的要求，選擇的是OCM128641點(diǎn)陣液晶顯示模塊，它是一款128列64行的點(diǎn)陣單色字符圖形顯示模塊，它有8位并行數(shù)據(jù)接口，模塊內(nèi)藏64X64的顯示數(shù)據(jù)RAM，其中的每位數(shù)據(jù)都對應(yīng)于LCD屏上一個點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計 由于該系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提取和處理，還涉及到導(dǎo)航定位顯示的問題，其主要組成部分是GPS接收板，C8051F020微處理器，時鐘芯片，穩(wěn)壓電源模塊，OCM12864顯示屏及外接按鍵、LED顯示燈等。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，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(diǎn)。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(yùn)算處理后將定位數(shù)據(jù)通過其串口傳送給上位機(jī)[”]。其功能結(jié)構(gòu)(如圖42所示):圖42 GPS接收板功能結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)一方面與GPS接收機(jī)通信提取地位信息，另一方又要保留與PC機(jī)通信的接口。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)的一個串口資源，因此所選單片機(jī)必須有兩個硬件串口。在本次設(shè)計中，采用Cygnal公司的C8051F020作為數(shù)據(jù)終端的主控芯片。選擇此單片機(jī)作為主控芯片不僅僅是因為它具有兩個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。與普通的8051有相同的內(nèi)核，開發(fā)容易，而且支持C語言源程序調(diào)試。在本次開發(fā)中，主要考慮對C8051F020的以下功能部件的設(shè)計: 首先，使用兩個硬件串口。這兩個串口的波特率產(chǎn)生是獨(dú)立的，使用起來相當(dāng)靈活。串口1經(jīng)過SP3223E電平轉(zhuǎn)換芯片與PC機(jī)進(jìn)行通信，串口0與GPS模塊連接，實現(xiàn)與接收機(jī)的通信。 其次，使用JTAG接口。通過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。 再次，使用64K字節(jié)大容量閃速存儲器和4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM (4K+256). 64Kflash ROM可以滿足本次開發(fā)的需要，不需要另外擴(kuò)展程序存儲器。數(shù)據(jù)存儲器用來做數(shù)據(jù)緩沖區(qū)?？紤]到其數(shù)字內(nèi)存的大小和實際需要，外擴(kuò)了一片容量為8K的數(shù)據(jù)存貯器芯片62640 1, RS232C串口模塊設(shè)計 RS232C串口模塊采用SIPEX公司的SP3223E. SP3223E主要功能是連接單片機(jī)與 PC機(jī)實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 2,穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計 穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計，我們采用了精工穩(wěn)壓電源芯片S1112，可以保證數(shù)據(jù)終端工作穩(wěn)定可靠。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。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。為了使負(fù)載電流不超過輸出晶體管的電流容量，內(nèi)置了過載電流保護(hù)電路。此外，還內(nèi)置電源開/關(guān)控制電路，以延長電池的使用壽命。和以往CMOS工藝電壓穩(wěn)壓器相比，所能使用的電容器種類得以增多，也能使用小型的陶瓷電容器。因采用SNT 6A (H(僅限S1112系列)。TO235小型封裝，故可高密度安裝}139。1a4. 1. 3 LCD模塊電路設(shè)計 本設(shè)計選擇的是OCM128641型LCD，它是一款128列X64行的點(diǎn)陣單色字符圖形顯示模塊，它有8位并行數(shù)據(jù)接口，模塊內(nèi)藏64X64的顯示數(shù)據(jù)RAM，其中的每位數(shù)據(jù)都對應(yīng)于LCD屏上一個點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。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(diǎn)。 在硬件設(shè)計中采用了模塊化設(shè)計思想。采用模塊化設(shè)計可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，不僅容易設(shè)計也容易管理和修改，方便系統(tǒng)測試和調(diào)試，有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可修改性。同時，模塊化設(shè)計也有助于系統(tǒng)開發(fā)的組織管理。以下各節(jié)將詳細(xì)敘述各模塊接口的設(shè)計情況[161a4. 2 GPS接收板設(shè)計4. 2. 1 GPS模塊LEA5H介紹 LEA5H模塊的尺寸非常小(17**3mm )，具有高度的功能集成，從某種程度上減少了占板空間，擁有32通道捕獲引擎，18通道GPS+Galileo跟蹤引擎，帶有節(jié)