【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 金斯 (johns hopkins)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室來(lái)研究和發(fā)展衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，稱為美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 NNSS(navy navigation satellite system)系統(tǒng)。同時(shí)也被稱為“子午衛(wèi)星系統(tǒng)”，因?yàn)?NNSS 中的衛(wèi)星軌道穿過(guò)了地極。 1959 年 9 月，一顆實(shí)驗(yàn)性衛(wèi)星在美國(guó)發(fā)射， 5 年的研究與測(cè)試后，即 1964 年，建成了 NNSS 系統(tǒng)。而在 1967 年，美國(guó)政府解鎖并開放了該系統(tǒng)，允許民間使用。為了給民間組織和軍 事部門提供實(shí)時(shí)的三維定位導(dǎo)航，在 1973 年，美國(guó)國(guó)防部就開始著手研究和建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也就是目前應(yīng)用非常廣泛的“授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)或稱全球定位系統(tǒng)” (navigation system timing and ranging/global positioning system—— NAVSTAR/GPS)，通常簡(jiǎn)稱為全球定位系統(tǒng) (GPS)。 由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目不多，工作衛(wèi)星只有 6 顆，同時(shí)只有平均約為 1000km 的運(yùn)行高度，而從地面站觀測(cè)到衛(wèi)星的時(shí)間的間隔也非常長(zhǎng)，平均約 個(gè)小時(shí)。雖然GPS 系 統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展是具有非常重大的意義，卻不能滿足軍事上高精度高穩(wěn)定性的苛刻要求。而且從大地測(cè)量學(xué)來(lái)看，由于它的定位速度慢，測(cè)站平均觀測(cè) 2天，精度較低，只有 35 米的單點(diǎn)定位精度和約為 1 米相對(duì)定位精度，所以，該系統(tǒng)很難運(yùn)作在大地測(cè)量學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)研究方面。 然而在耗掉 200 多億美元與 20 多年的時(shí)間后，終于在 1994 年全面建設(shè)完成了GPS 系統(tǒng)。 GPS 的建成歷經(jīng)了三個(gè)階段： 第一階段：完成方案的論證和初步設(shè)計(jì)。 1973 年到 1979 年間，美國(guó)政府一共發(fā)射了 4 顆試驗(yàn)型衛(wèi)星。研發(fā)了地面接收機(jī)，同時(shí)建成地面的衛(wèi)星 接收網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在硬件和軟件上進(jìn)行了全方面的試驗(yàn)。 第二階段：全方面研制以及試驗(yàn)。 1979 年到 1984 年間，美國(guó)政府又陸續(xù)將 7 顆試驗(yàn)型的衛(wèi)星送人軌道，同時(shí)也研發(fā)了各種用途的衛(wèi)星信號(hào)地面接收機(jī)。在實(shí)際測(cè)試中， GPS 的定位精度甚至遠(yuǎn)超乎設(shè)計(jì)者的預(yù)想。 第三階段：實(shí)用組網(wǎng)。 1989 年 2 月 4 日，第一顆 GPS 工作衛(wèi)星被送人軌道， GPS系統(tǒng)的建成進(jìn)入最后的階段。 1993 年底， 24 星座 GPS 系統(tǒng)終于全面建成。 4 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介 在機(jī)載單片機(jī)上輸入一系列 GPS 坐標(biāo)點(diǎn)，自動(dòng)生成相應(yīng)航線，同時(shí)從機(jī)載 GPS系 統(tǒng)中讀取定位數(shù)據(jù)，并與存儲(chǔ)的定位坐標(biāo)做實(shí)時(shí)比對(duì)，實(shí)時(shí)修正航線，并將定位坐標(biāo)顯示在液晶顯示屏上，處理并顯示當(dāng)前位置。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 圖 14 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)采用 STC89C52RC 單片機(jī)作為控制器 ，進(jìn)行收集經(jīng)緯度定位坐標(biāo)和衛(wèi)星時(shí)間，并通過(guò)與記錄的目的地坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行比較而進(jìn)行簡(jiǎn)單的導(dǎo)航。 顯示界面采用 11264點(diǎn)陣液晶顯示屏 顯示 GPS 芯片接收到的定位數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)以及單片機(jī)發(fā)出的導(dǎo)航數(shù)據(jù) ，它是 112 行 64 列 點(diǎn)陣 型液晶顯示模塊。 GPS 模塊型號(hào)為 HOLUX M89， 使用聯(lián)發(fā)科技公司 (MTK)所設(shè)計(jì)的低 耗電量芯片 MT3318。該模塊的優(yōu)勢(shì)是對(duì)漂移的處理，功耗在 30 毫安，通訊方式是 RS232(波特率 4800)，具有并行 12 通道，可同步跟蹤12 顆衛(wèi)星 。與 PC 機(jī)的通信，采用的是串行異步通信方式，從單片機(jī) TXD 和 RXD端的 TTL 電平到 PC 機(jī)的標(biāo)準(zhǔn) RS232 電平的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用美信公司的 MAX232 芯片。 設(shè)置兩個(gè)按鍵，用以切換不同界面以及設(shè)置目的地坐標(biāo)。 5 2 硬件設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì)框架如圖 21 所示，主要由以下模塊組成： (1)89C52RC 單片機(jī)，(2)GPS 模塊 (3)11264 點(diǎn)陣液晶 LCD 模塊 (4)電平轉(zhuǎn)換模塊。 圖 21 硬件原理圖 處理器的選擇 89C51 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 嵌入式處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)中最核心， 也是 最關(guān)鍵的部分，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的要求、體積、成本等因素選擇合適的處理器。 89C51 系列單片機(jī)帶有非易失性 的 Flash程序存儲(chǔ)器 ， 支持 12 時(shí)鐘和 6 時(shí)鐘操作 ，并 由先進(jìn) CMOS 工藝制造。 P89C51X2 具有 128 字節(jié) 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， P89C52X2/58X2 具有 256 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，都具有 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ，以及 32 條 I/O 口 ， 可用于多機(jī)通信、 I/O 擴(kuò)展或全雙工 UART， 此外，由于器件采用 了 靜態(tài)設(shè)計(jì) 的方案 ，時(shí)鐘停止 但 用戶數(shù)據(jù) 不會(huì)丟失，也 可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。 同時(shí) 頻率可降至 0，具有極寬的 操作頻率范圍。 該系列單片機(jī)擁有 6 由軟件選擇的 三個(gè)模式，分別為 空閑模式 ， 節(jié)電模式 以及 掉電模式。 在選擇 空閑模式時(shí)會(huì)將 CPU 凍結(jié) ，但 是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 、定時(shí)器 以及 中斷系統(tǒng)和串口 卻 仍然 在 工作。掉電模式 則會(huì)保存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 的內(nèi)容，但是 會(huì)將 振蕩器 凍結(jié) ， 這會(huì) 導(dǎo)致所有的 其它 片內(nèi)功能 將 停止工作 。 (1) 存儲(chǔ)器尋址范圍 64 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及 64K 字節(jié) 程序存儲(chǔ)器 (2) 電源控制模式 空閑模式 掉電模式 時(shí)鐘可停止和恢復(fù) (3) 兩個(gè)工作頻 率范圍 12 時(shí)鐘模式時(shí)為 0~33MZH 6 時(shí)鐘模式時(shí)為 0~20MHZ (4) 12 時(shí)鐘操作， 也 可通過(guò)軟件或并行編程器 選擇 6 時(shí)鐘時(shí)鐘操作 (5) 89C51 核心處理單元 全靜態(tài)操作 布爾處理器 89C51X2：具有 4k 字節(jié) 的 Flash 89C52X2：具有 8k 字節(jié) 的 Flash 89C54X2：具有 16k 字節(jié) 的 Flash 89C58X2：具有 32k 字節(jié) 的 Flash 89C51X2：具有 128k 字節(jié) 的 RAM 89C52X2/54X2/58X2：具有 256k 字節(jié) 的 RAM (6) 異步端口復(fù)位 (7) 3 個(gè)加密位 (8) 4 個(gè) 8 位 I/O 口 (9) LQFP， PLCC， 以及 DIP 封裝 (10) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T1 和 T0(80C51 標(biāo)準(zhǔn) )， T2(比較和捕獲 )是 增加的 (11) 溫度范圍擴(kuò)展 (12) 增強(qiáng)型 收發(fā) 全雙工 UART 識(shí)別自動(dòng)地址 檢測(cè)幀數(shù) 的 錯(cuò)誤 (13) 低 RMI(禁止 ALE 以及 6 時(shí)鐘模式 ) (14) 雙數(shù)據(jù)指針 (15) 可通過(guò)外部中斷 來(lái) 喚醒掉電模式 7 (16) 中斷優(yōu)先級(jí) 4 個(gè) (17) 中斷源 6 個(gè) (18) 可編程時(shí)鐘輸出 圖 22 51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 8 圖 23 單片機(jī) 管腳圖 單片機(jī)管腳說(shuō)明： VCC：供電電壓 5V。 GND：接地。 P0口： P0口每腳 都 可 以 吸收 TTL 門電流， 是 一個(gè) 8位 的 漏級(jí)開路雙向 I/O 口。 在校驗(yàn) FIASH 時(shí)， P0作為 原碼 輸出口 ，此時(shí) P0必須 通過(guò) 外部被拉高 ，也就是說(shuō)要外接上拉電阻 。當(dāng)編程 FIASH 時(shí)， P0口輸入 為原碼。 當(dāng) P0口的管腳第一次寫 1時(shí)， 就會(huì)被 定義為 高阻 輸入。外部 的 程序 存儲(chǔ)器和 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 也能使用 P0口 ， 同時(shí) P0口 也 可以 作為成 數(shù)據(jù) 的 低八位 地址 。 P1 口：輸出 的 4 個(gè) TTL 門電流 能被 P1 口 的 緩沖器接收。 P1 口是 8 位 的并且自身能 提供上拉電阻的雙向 I/O 口，在編程和校驗(yàn) FLASH 時(shí)， P1 口作為 低 八位地址接收。 P1 口管腳寫入 1 后，被 自身 上拉為高 電平 ，可用 為 輸入，由于內(nèi)部上拉的緣故 ，外部 將 P1 口下拉為低電平時(shí)，將輸出電流。 P2 口： P2 口緩沖器可 以 輸出 并接收 4 個(gè) TTL 門電流 。 P2 口為一個(gè) 8 位 的自身提供 上拉電阻的雙向 I/O 口 。 當(dāng) P2 口被寫 1 時(shí)，其管腳被 自身的 上拉電阻拉 為 高 電 9 平 ，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，由于內(nèi)部上拉的緣故 ，當(dāng) 外部 將 P2 口的管腳拉至低電平 ，將輸出電流。在給出地址“ 1”時(shí)， 由于自身提供 上拉 電阻 ， 在 對(duì)八位外部地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行 寫或讀的操作 時(shí)， P2 口輸出 的為它的 SFR 里的 內(nèi)容。在 校驗(yàn)和編程 FLASH 時(shí) P2 口接收地址信號(hào)和控制信號(hào) 的 高八位。當(dāng) 利用 外部 ROM 或16 位地址外部 RAM 進(jìn)行存取 數(shù)據(jù) 時(shí)， P2 口輸出 的是 地址的高八位。 P3 口： 4 個(gè) TTL 門電流 可由 P3 口 的 管腳輸出 并 接收， P3 口 有 8 個(gè) 自身提供 上拉電阻的雙向 I/O 口。作為輸入，由于外部下拉為低電平。當(dāng) P3 口寫“ 1” 時(shí) ， 因?yàn)樽陨砟芴峁?上拉 電阻， P3 口將輸出電流 (ILL)， 它們被 自身 上拉 成 高電平， 這是可作為 輸入。 P3 口也 是 AT89C51 的一些特殊功能口，如下 面 所示： P3 口管腳備選功能 ： (1) (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選 通 ) (2) (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) (3) T1(T1 外部輸入 ) (4) T0(T0 外部輸入 ) (5) (外部中斷 INT1) (6) (外部中斷 INT0) (7) TXD(串行 發(fā)送 口 ) (8) RXD(串行 接收 口 ) P3 口 在 閃爍編程和編程校驗(yàn) 時(shí)可以 接收一些控制信號(hào) 。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器 (0000HFFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 ， 在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源(VPP)。 在 加密方式 為 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL1 和 XTAL2：反向振蕩放大器的輸入 輸出引腳 及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入輸出引腳 。 RST：復(fù)位 腳 。 將 RST 腳 間保持 兩個(gè)機(jī)器周期的高電平 時(shí)間，單片機(jī)將被復(fù)位 。 ALE/PROG：在平時(shí)， ALE 端輸出 1/6 的 振蕩器頻率 的 正脈沖信號(hào) ， 頻率周期不 改 變 ，因此它可用作 對(duì)外 定時(shí) 器或 脈沖 輸出 。然而用 于 外部 RAM 時(shí)，將 會(huì) 跳過(guò)一個(gè) ALE脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 低電平 。 這個(gè)時(shí)候 ， ALE 只有在執(zhí)行 MOVC 和 MOVX 指令 時(shí) 才 能 起 到一定的 作用。另外，略微拉高該引腳 時(shí)， 如果微處理器在執(zhí)行 ALE 外部狀態(tài)禁止， 則 置位無(wú)效。 /PSEN：外部 ROM 的選通信號(hào)。在 讀 取外部程序存儲(chǔ)器 指令的 期間， /PSEN 選通兩次外部程序存儲(chǔ)器，也就是出現(xiàn) 2 次選通信號(hào) 。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 的時(shí)候 ，將不 會(huì) 出現(xiàn)這 樣的 有效 /PSEN 信號(hào)。 10 GPS 模塊 GPS 硬件介紹 HOLUX M89 GPS 模塊是一款采用 MTK 芯片方案的 GPS 模塊。該模塊采用聯(lián)發(fā)科技公司 (MTK)所設(shè)計(jì)的低耗電量芯片 MT3318。該模塊的優(yōu)勢(shì)是對(duì)漂移的處理，功耗在 30 毫安，性價(jià)比等多方面都優(yōu)于 SIRF3 芯片。該模塊通訊方式是 RS232(波特率4800)，具有并行 12 通道，可同步跟蹤 12 顆衛(wèi)星，定位精度高，體積小，功耗低。以下是它的一些參數(shù)： L1()接收頻率； 工作溫度： 40℃至 +85℃； 輸出資料格式： NMEA0183()； 啟動(dòng)時(shí)間 (TTFF)：熱啟動(dòng)： 1 秒；溫啟動(dòng)： 33 秒；冷啟動(dòng)： 36 秒； 敏感性： 159dBm。 工作電壓： + 至 +5v； 功耗：跟蹤模式 電壓下小于 35mA； 更新接收：每秒鐘 (1pps)； 外形體積尺寸 ： **3mm； 重量： 3g； 圖 24GPS 模塊實(shí)物 11 GPS 衛(wèi)星信號(hào) GPS 衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文是通過(guò)兩個(gè)載波頻 L1 為 ， L2 為 1227MHz向地面發(fā)射帶寬 F=50Hz，傳遞速率是 50bit/s 的基帶信號(hào)，即一組不歸零制二進(jìn)制編碼脈沖 D(t)。 采用了偽碼擴(kuò)頻技術(shù)將基帶信號(hào)的頻帶從 50hz 擴(kuò)展到 以將這種低碼率的導(dǎo)航文有效地發(fā)送給用戶。采用正交方式調(diào)制，在載波 L1 上調(diào)制了兩種碼 (P 碼和 C/A 碼 )，而在載波 L2 上只調(diào)制了一種偽碼 (P 碼 )。 總之， GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)是電文 D(t)經(jīng)過(guò)兩級(jí)調(diào)制后的信號(hào)。第一級(jí)是將 D(t)，碼調(diào)制 C/A 碼和 P 碼，實(shí)現(xiàn)對(duì) D(t)的偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻。第二級(jí)是將它們的組合碼分別調(diào)制在 L1 和 L2 載波頻率上。 GPS 定位誤差 在我們利用 GPS 進(jìn)行衛(wèi)星定位和導(dǎo)航的時(shí)候，會(huì)受到很多干擾。這些影響 GPS定位精度的因素可分為以下四大類： (1)SA 誤差 是 影響 GPS 定位誤差的最主要因素。 SA 干擾誤差是美國(guó) 國(guó)防部為之國(guó)家安全而防止非特許 用戶利用 GPS 進(jìn)行高精度 定點(diǎn) 點(diǎn)定位而采用的降低 GPS 系統(tǒng)精度的 一系列 政策，簡(jiǎn)稱 為