【文章內(nèi)容簡介】 到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知[16]。可見GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。GPS接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。GPS接收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離，由于含有接收機衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對 CA碼測得的偽距稱為CA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號，進行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值[17]。按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進行相對定位[18]。在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機。GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置[19]。如圖所示，假設(shè)t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式。 衛(wèi)星星歷方程公式如下： [(X1X)2+(Y1Y)2+(Z1Z)2]12+cνt1νt0=d1 [(X2X)2+(Y2Y)2+(Z2Z)2]12+cνt2νt0=d2 [(X3X)2+(Y3Y)2+(Z3Z)2]12+cνt3νt0=d3 [(X4X)2+(Y4Y)2+(Z4Z)2]12+cνt4νt0=d4 GPS模塊定位流程⑴搜索可用衛(wèi)星，接收衛(wèi)星信號，與衛(wèi)星信號同步，提取導(dǎo)航電文信息。 ⑵從導(dǎo)航電文中獲取計算位置所需的信息，這些信息應(yīng)該包括時鐘信息和星歷等數(shù)據(jù)。 ⑶計算衛(wèi)星的精確位置，這包括計算衛(wèi)星的高度和方位角，從而進行必要的對流層校正。 ⑷計算偽距，并進行電離層校正等。 ⑸重復(fù)上述過程，對所有可用衛(wèi)星進行相應(yīng)的計算。⑹進行其他必要的校正，例如根據(jù)衛(wèi)星信號到達GPS接收機的時間，校正地球旋轉(zhuǎn)所造成的衛(wèi)星位置的偏差。⑺根據(jù)定位原理，計算出GPS接收機的初始位置，并將其轉(zhuǎn)換成所需的坐標格式進行顯示或輸出。⑻加入閏秒和UTC（標準世界時）時間補償計算當前精確的時間。⑼分析可用衛(wèi)星的信息，計算做好的DOP，進行選星，并計算和修正GPS接收機的位置，給出GPS接收機的三維坐標和準確的時間信息。 GPS特點⑴全球全天候定位GPS衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布均勻，保證了地球上任何地方任何時間至少可以同時觀測到4顆GPS衛(wèi)星，確保實現(xiàn)全球全天候連續(xù)的導(dǎo)航定位服務(wù)（除打雷閃電不宜觀測外）。⑵定位精度高應(yīng)用實踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達106m，100500km可達107m，1000km可達109m。在3001500m工程精密定位中，1小時以上觀測時解其平面位置誤差小于1mm，與ME5000電磁波測距儀測定的邊長比較。實時單點定位(用于導(dǎo)航)：P碼1~2m ；C/A碼5~10m。靜態(tài)相對定位：50km之內(nèi)誤差為幾mm+(1~2ppm*D)；~。實時偽距差分(RTD)：精度達分米級。實時相位差分(RTK)：精度達1~2cm。⑶觀測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需1520分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內(nèi)時，流動站觀測時間只需12分鐘；采取實時動態(tài)定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘。因而使用GPS技術(shù)建立控制網(wǎng)，可以大大提高作業(yè)效率。⑷測站間無需通視GPS測量只要求測站上空開闊，不要求測站之間互相通視，因而不再需要建造覘標。這一優(yōu)點既可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間（一般造標費用約占總經(jīng)費的30%～50%），同時也使選點工作變得非常靈活，也可省去經(jīng)典測量中的傳算點、過渡點的測量工作。⑸儀器操作簡便隨著GPS接收機的不斷改進，GPS測量的自動化程度越來越高，有的已趨于“傻瓜化”。在觀測中測量員只需安置儀器，連接電纜線，量取天線高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其它觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。結(jié)束測量時，僅需關(guān)閉電源，收好接收機，便完成了野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。如果在一個測站上需作長時間的連續(xù)觀測，還可以通過數(shù)據(jù)通訊方式，將所采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)全自動化的數(shù)據(jù)采集與處理。另外，接收機體積也越來越小，相應(yīng)的重量也越來越輕，極大地減輕了測量工作者的勞動強度。⑹可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標GPS測量可同時精確測定測站平面位置和大地高程。GPS水準可滿足四等水準測量的精度，另外，GPS定位是在全球統(tǒng)一的WGS84坐標系統(tǒng)中計算的，因此全球不同地點的測量成果是相互關(guān)聯(lián)的。⑺應(yīng)用廣泛 總方案的設(shè)計本次設(shè)計要求通過單片機控制GPS器件實現(xiàn)定位信息顯示功能。在這里使用常見的STC89C52單片機的串行接口接收GPS信號接收模塊輸出的數(shù)據(jù)信號，并通過軟件篩選出其中有用的定位數(shù)據(jù)，最后通過單片機的并行接口輸出至液晶顯示模塊顯示的方案。該GPS定位信息顯示系統(tǒng)硬件部分主要由以下幾個部分組成：⑴接收部分：以GPS接收模塊為核心的GPS接收機；⑵控制電路：由52單片機為微處理器控制GPS信號；⑶顯示部分：12864LCD液晶顯示模塊；⑷電源電路部分:用以提供系統(tǒng)工作時所必須的電壓。單片機系統(tǒng)：本次設(shè)計使用52單片機作為微處理器，控制GPS數(shù)據(jù)的讀取和傳輸過程。利用其串行接口接收GPS接收模塊輸出的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選和處理后發(fā)送到12864液晶顯示器上顯示。外圍電路：外圍電路一部分是由GPS接收器件及其輔助電路組成，一部分是LCD液晶顯示模塊的電源和顯示電路。GPS接收模塊主要由變頻器、信號通道、存儲器、中央處理器和輸入輸出接口構(gòu)成。它接收天線獲取的衛(wèi)星信號，經(jīng)過變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等一系列處理，可以實現(xiàn)對天線視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測量定位。單片機控制程序：編寫程序，實現(xiàn)單片機控制系統(tǒng)的初始化，控制GPS器件完成數(shù)據(jù)的采集，進行相應(yīng)的信號處理，并通過單片機接口輸出至液晶顯示模塊顯示必要的數(shù)據(jù)。由此可知：GPS接收模塊將接收到的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文調(diào)制解碼，轉(zhuǎn)換為標準格式后，送給單片機，當單片機接收到GPS發(fā)送過來的導(dǎo)航電文后，經(jīng)過片內(nèi)程序的識別篩選，將篩選出來的導(dǎo)航電文送到顯示模塊，并且最后通過液晶顯示器按照要求顯示出來。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖課題要求研制的GPS接收機要具有接受、處理、顯示信息的功能。硬件上必須有相應(yīng)的接受處理部分、顯示部分和配置輸入部分，同時需要處理器實現(xiàn)各部分功能的聯(lián)合。由于單片機集成度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，同時技術(shù)成熟，處理器部分使用單片機實現(xiàn)。本課題設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要由：單片機、GPS模塊、顯示部分等組成。：單片機模塊GPS模塊電源模塊液晶顯示模塊 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖按照上面的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖制作硬件電路，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)我們想要達到的任務(wù)，硬件的核心控制任務(wù)是由單片機完成的，單片機的采用使硬件電路設(shè)計大大簡化；GPS模塊完成數(shù)據(jù)信息的采集，通過室外天線，將信息、數(shù)據(jù)傳達到GPS模塊，GPS模塊接收到衛(wèi)星信號后，通過全球系統(tǒng)導(dǎo)航，計算、定位和確定時間信息，通過串口移植到STC89C52單片機。STC89C52單片機解碼定位導(dǎo)航和時間信息，并轉(zhuǎn)換成時間、緯度和經(jīng)度信號，然后將它們發(fā)送到單片機液晶顯示模塊LCD12864模塊。電源部分是為單片機提供能使其正常工作的電壓，電壓值為+5V；晶振電路、復(fù)位電路和單片機組成單片機的最小系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)工作的最主要動力。LCD12864液晶顯示部分則是對定位信息和時間信息的一個展示，也是很重要的一部分。 GPS接收機基本原理接收機主機主要由變頻器、信號通道、微處理器、存儲器及顯示器組成，：GPS天線前置放大器電源頻率放大頻率綜合基準頻率信號解擴調(diào)頻C/A碼發(fā)生器P碼發(fā)生器D(t)偽碼測量載波相位測量存儲器CPU顯示器 GPS接收機原理圖 單片機最小系統(tǒng)一個最小的單片機應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)包括單片機、復(fù)位電路和振蕩電路三個部分，其中，單片機是系統(tǒng)的核心部件，復(fù)位電路給單片機提供復(fù)位信號以供單片機進行完整的復(fù)位操作，振蕩電路則為單片機提供工作所必需的振蕩源。單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。在本設(shè)計中，最小系統(tǒng)應(yīng)該包括：單片機、晶振電路、復(fù)位電路等。晶振電路由30pF的C1與C2和晶振組成，晶振是給單片機提供工作的、信號脈沖的。它的速度就是單片機的工作速率。簡單地說，沒有晶振，就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期，就無法執(zhí)行程序代碼，單片機就無法工作。并在晶振的兩個引腳處接入兩個10pF50pF的瓷片電容接地來消減諧波對電路的穩(wěn)定性的影響。復(fù)位電路采取的為手動按鍵復(fù)位電路，如電容C10uF,電阻R10K和1K,和開關(guān)RESET組成，當單片機的復(fù)位引腳RESET出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。每次復(fù)位后，單片機的程序都會從第一條開始從新執(zhí)行。 LCD12864顯示電路 帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864,內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。可以顯示84行1616點陣的漢字也可完成圖形顯示。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實現(xiàn)的。根據(jù)寫入內(nèi)容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM（中文字庫）、HCGROM（ASCII碼字庫）及CGRAM（自定義字形）的內(nèi)容。三種不同字符/字型的選擇編碼范圍為：0000～0006H（其代碼分別是0000、0000000006共4個）顯示自定義字型，02H～7FH顯示半寬ASCII碼字符，A1A0H～F7FFH顯示8192種GB2312中文字庫字形。字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H～9FH。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。 單片機與12864的接口電路其中管腳20接地；管腳119接高電平；管腳3接對比調(diào)整度電路，通過調(diào)節(jié)該電路的滑動變阻器來實現(xiàn)顯示屏的背光的；，，；，來實現(xiàn)GPS模塊和單片機的數(shù)據(jù)交流傳輸?；咎匦裕?1)低電源電壓：（VDD:+~+）。(2)顯示分辨率：12864點。(3)內(nèi)置漢字字庫，提供8192個1616點陣漢字(簡繁體可選)。(4)內(nèi)置128個168點陣字符。(5)2MHZ時鐘頻率。(6)顯示方式：STN、半透、正顯。(7)驅(qū)動式：1/32DUTY，1/5BIAS。(8)視角方向：6點。(9)背光方式：側(cè)部亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5~1/10。(10)通