【文章內(nèi)容簡介】 金斯 (johns hopkins)大學物理實驗室來研究和發(fā)展衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，稱為美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)，簡稱 NNSS(navy navigation satellite system)系統(tǒng)。同時也被稱為“子午衛(wèi)星系統(tǒng)”，因為 NNSS 中的衛(wèi)星軌道穿過了地極。 1959 年 9 月，一顆實驗性衛(wèi)星在美國發(fā)射， 5 年的研究與測試后，即 1964 年，建成了 NNSS 系統(tǒng)。而在 1967 年，美國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 事部門提供實時的三維定位導航，在 1973 年，美國國防部就開始著手研究和建立新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也就是目前應用非常廣泛的“授時與測距導航系統(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，同時只有平均約為 1000km 的運行高度，而從地面站觀測到衛(wèi)星的時間的間隔也非常長，平均約 個小時。雖然GPS 系 統(tǒng)對導航定位技術的發(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。而且從大地測量學來看，由于它的定位速度慢，測站平均觀測 2天，精度較低，只有 35 米的單點定位精度和約為 1 米相對定位精度，所以，該系統(tǒng)很難運作在大地測量學和地球動力學研究方面。 然而在耗掉 200 多億美元與 20 多年的時間后，終于在 1994 年全面建設完成了GPS 系統(tǒng)。 GPS 的建成歷經(jīng)了三個階段： 第一階段：完成方案的論證和初步設計。 1973 年到 1979 年間，美國政府一共發(fā)射了 4 顆試驗型衛(wèi)星。研發(fā)了地面接收機，同時建成地面的衛(wèi)星 接收網(wǎng)絡系統(tǒng)，在硬件和軟件上進行了全方面的試驗。 第二階段：全方面研制以及試驗。 1979 年到 1984 年間，美國政府又陸續(xù)將 7 顆試驗型的衛(wèi)星送人軌道，同時也研發(fā)了各種用途的衛(wèi)星信號地面接收機。在實際測試中， GPS 的定位精度甚至遠超乎設計者的預想。 第三階段：實用組網(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)簡介 系統(tǒng)功能簡介 在機載單片機上輸入一系列 GPS 坐標點，自動生成相應航線，同時從機載 GPS系 統(tǒng)中讀取定位數(shù)據(jù)，并與存儲的定位坐標做實時比對，實時修正航線，并將定位坐標顯示在液晶顯示屏上，處理并顯示當前位置。 系統(tǒng)設計簡介 圖 14 系統(tǒng)設計框圖 系統(tǒng)采用 STC89C52RC 單片機作為控制器 ，進行收集經(jīng)緯度定位坐標和衛(wèi)星時間，并通過與記錄的目的地坐標點進行比較而進行簡單的導航。 顯示界面采用 11264點陣液晶顯示屏 顯示 GPS 芯片接收到的定位數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)以及單片機發(fā)出的導航數(shù)據(jù) ，它是 112 行 64 列 點陣 型液晶顯示模塊。 GPS 模塊型號為 HOLUX M89， 使用聯(lián)發(fā)科技公司 (MTK)所設計的低 耗電量芯片 MT3318。該模塊的優(yōu)勢是對漂移的處理，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 機的通信，采用的是串行異步通信方式，從單片機 TXD 和 RXD端的 TTL 電平到 PC 機的標準 RS232 電平的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用美信公司的 MAX232 芯片。 設置兩個按鍵，用以切換不同界面以及設置目的地坐標。 5 2 硬件設計 硬件總體設計 硬件總體設計框架如圖 21 所示，主要由以下模塊組成： (1)89C52RC 單片機，(2)GPS 模塊 (3)11264 點陣液晶 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 系列單片機簡介 嵌入式處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)中最核心， 也是 最關鍵的部分，應根據(jù)系統(tǒng)應用的要求、體積、成本等因素選擇合適的處理器。 89C51 系列單片機帶有非易失性 的 Flash程序存儲器 ， 支持 12 時鐘和 6 時鐘操作 ，并 由先進 CMOS 工藝制造。 P89C51X2 具有 128 字節(jié) 的數(shù)據(jù)存儲器， P89C52X2/58X2 具有 256 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲器，都具有 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 ，以及 32 條 I/O 口 ， 可用于多機通信、 I/O 擴展或全雙工 UART， 此外，由于器件采用 了 靜態(tài)設計 的方案 ，時鐘停止 但 用戶數(shù)據(jù) 不會丟失，也 可從時鐘停止處恢復。 同時 頻率可降至 0，具有極寬的 操作頻率范圍。 該系列單片機擁有 6 由軟件選擇的 三個模式，分別為 空閑模式 ， 節(jié)電模式 以及 掉電模式。 在選擇 空閑模式時會將 CPU 凍結(jié) ，但 是數(shù)據(jù)存儲器 、定時器 以及 中斷系統(tǒng)和串口 卻 仍然 在 工作。掉電模式 則會保存數(shù)據(jù)存儲器 的內(nèi)容，但是 會將 振蕩器 凍結(jié) ， 這會 導致所有的 其它 片內(nèi)功能 將 停止工作 。 (1) 存儲器尋址范圍 64 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲器以及 64K 字節(jié) 程序存儲器 (2) 電源控制模式 空閑模式 掉電模式 時鐘可停止和恢復 (3) 兩個工作頻 率范圍 12 時鐘模式時為 0~33MZH 6 時鐘模式時為 0~20MHZ (4) 12 時鐘操作， 也 可通過軟件或并行編程器 選擇 6 時鐘時鐘操作 (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) 異步端口復位 (7) 3 個加密位 (8) 4 個 8 位 I/O 口 (9) LQFP， PLCC， 以及 DIP 封裝 (10) 16 位定時 /計數(shù)器 T1 和 T0(80C51 標準 )， T2(比較和捕獲 )是 增加的 (11) 溫度范圍擴展 (12) 增強型 收發(fā) 全雙工 UART 識別自動地址 檢測幀數(shù) 的 錯誤 (13) 低 RMI(禁止 ALE 以及 6 時鐘模式 ) (14) 雙數(shù)據(jù)指針 (15) 可通過外部中斷 來 喚醒掉電模式 7 (16) 中斷優(yōu)先級 4 個 (17) 中斷源 6 個 (18) 可編程時鐘輸出 圖 22 51 單片機結(jié)構(gòu)圖 8 圖 23 單片機 管腳圖 單片機管腳說明： 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 8位 的 漏級開路雙向 I/O 口。 在校驗 FIASH 時， P0作為 原碼 輸出口 ，此時 P0必須 通過 外部被拉高 ，也就是說要外接上拉電阻 。當編程 FIASH 時， P0口輸入 為原碼。 當 P0口的管腳第一次寫 1時， 就會被 定義為 高阻 輸入。外部 的 程序 存儲器和 數(shù)據(jù)存儲器 也能使用 P0口 ， 同時 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 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 FLASH 時， 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，將輸出電流。 P2 口： P2 口緩沖器可 以 輸出 并接收 4 個 TTL 門電流 。 P2 口為一個 8 位 的自身提供 上拉電阻的雙向 I/O 口 。 當 P2 口被寫 1 時，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，由于內(nèi)部上拉的緣故 ，當 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， 由于自身提供 上拉 電阻 ， 在 對八位外部地址數(shù)據(jù)存儲器進行 寫或讀的操作 時， P2 口輸出 的為它的 SFR 里的 內(nèi)容。在 校驗和編程 FLASH 時 P2 口接收地址信號和控制信號 的 高八位。當 利用 外部 ROM 或16 位地址外部 RAM 進行存取 數(shù)據(jù) 時， P2 口輸出 的是 地址的高八位。 P3 口： 4 個 TTL 門電流 可由 P3 口 的 管腳輸出 并 接收， P3 口 有 8 個 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 P3 口寫“ 1” 時 ， 因為自身能提供 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)存儲器讀選 通 ) (2) (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) (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 時可以 接收一些控制信號 。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器 (0000HFFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲器 ， 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， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 XTAL1 和 XTAL2：反向振蕩放大器的輸入 輸出引腳 及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入輸出引腳 。 RST：復位 腳 。 將 RST 腳 間保持 兩個機器周期的高電平 時間，單片機將被復位 。 ALE/PROG：在平時， ALE 端輸出 1/6 的 振蕩器頻率 的 正脈沖信號 ， 頻率周期不 改 變 ，因此它可用作 對外 定時 器或 脈沖 輸出 。然而用 于 外部 RAM 時，將 會 跳過一個 ALE脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 低電平 。 這個時候 ， ALE 只有在執(zhí)行 MOVC 和 MOVX 指令 時 才 能 起 到一定的 作用。另外，略微拉高該引腳 時， 如果微處理器在執(zhí)行 ALE 外部狀態(tài)禁止， 則 置位無效。 /PSEN：外部 ROM 的選通信號。在 讀 取外部程序存儲器 指令的 期間， /PSEN 選通兩次外部程序存儲器，也就是出現(xiàn) 2 次選通信號 。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器 的時候 ，將不 會 出現(xiàn)這 樣的 有效 /PSEN 信號。 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)所設計的低耗電量芯片 MT3318。該模塊的優(yōu)勢是對漂移的處理，功耗在 30 毫安，性價比等多方面都優(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()； 啟動時間 (TTFF)：熱啟動： 1 秒；溫啟動： 33 秒；冷啟動： 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 模塊實物 11 GPS 衛(wèi)星信號 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的導航電文是通過兩個載波頻 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，即一組不歸零制二進制編碼脈沖 D(t)。 采用了偽碼擴頻技術將基帶信號的頻帶從 50hz 擴展到 以將這種低碼率的導航文有效地發(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)射的信號是電文 D(t)經(jīng)過兩級調(diào)制后的信號。第一級是將 D(t)，碼調(diào)制 C/A 碼和 P 碼，實現(xiàn)對 D(t)的偽隨機碼擴頻。第二級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 進行衛(wèi)星定位和導航的時候，會受到很多干擾。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 國防部為之國家安全而防止非特許 用戶利用 GPS 進行高精度 定點 點定位而采用的降低 GPS 系統(tǒng)精度的 一系列 政策，簡稱 為