【文章內(nèi)容簡介】 ........................................................................ 45 浙江工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 1 第 1 章 緒 論 課題的研究背景及研究意義 曾經(jīng)風(fēng)靡全球的定位系統(tǒng) [1]（ Global Positioning System） ,縮寫 GPS。 現(xiàn)在定位技術(shù)發(fā)展相當(dāng)成熟的年代， GPS 定位技術(shù) [2]仍然是一塊不朽的豐碑，其研究意義仍然具有代表性。對 GPS 定位系統(tǒng)的不斷研究可以使定位系統(tǒng)不斷的向小型化，智能化與多功能化發(fā)展。 研究背景 信息革命時代，高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù) [3]發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍愈來愈廣。 GPS定位系統(tǒng)可以比比喻成一個在太空中的設(shè)置的無線導(dǎo)航臺，該系統(tǒng)是由 24 顆定位衛(wèi)星組成 [4]，無論在什么時候，都可 為地球上的各種客戶確定 其 所在地的地理位置的經(jīng)緯度以及海拔高度等數(shù)據(jù)信息。 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即一個按相應(yīng)分布原理分布在地球上空的 24 顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，保證 了在地球上任何一個地面位置上在同一時刻都可以同時檢測到 4 顆或 4 顆以上的衛(wèi)星 ,從而保證衛(wèi)星可以準確采集到該觀測點的經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息 ,迅速實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航、定位、授時等功能 [5]。還可用于飛機、船舶、車輛以及個人導(dǎo)航，按指定路線精確抵達目的地。有效的降低了用戶為了尋找目的地而付出的資源浪費 ， 從一定程度上提高了作業(yè)效率、科學(xué)水平以及人們的生活質(zhì) 量 [2]。 研究意義 課題研究的基于 GPS 與 GPRS 的定位系統(tǒng)的 應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，基于不同的領(lǐng)域都是有其相適應(yīng)的研究意義，下面 簡單的介紹一下課題研究的 幾點意義： ? 車船防盜系統(tǒng)： GPS 定位技術(shù)可以應(yīng)用于汽車、輪船等交通設(shè)備的防盜系統(tǒng) [6]。安裝該防盜系統(tǒng)終端在 汽車、船只等設(shè)備上面，該終端能夠自由的獲取 GPS 的定位信息，在該設(shè)備被盜的情況下就可以向終端發(fā)送定位請求，這樣就可以通過接收到由終端傳來的 GPS 定位信息，尋找丟失的車輛與船只等。 ? 導(dǎo)航系統(tǒng)：憑借 GPS 的定位系統(tǒng)具有全球、全天候工作、高精度定位、觀測時間短浙江工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 2 等特點，在海上作業(yè)、陸路運輸、野外勘測等其他行業(yè)都承擔(dān)著導(dǎo)航定位的重任。 ? 其他領(lǐng)域：除了防盜系統(tǒng)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)在其他的領(lǐng)域也同樣扮演者重要的角色。例如 ，該定位系統(tǒng)為游客們在出門旅游時也提供了相當(dāng)?shù)谋憬菖c安全。在測繪領(lǐng)域也大有作為 [7]，為工程師們提供便捷服務(wù)。 ? 市場價值：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) [8]的不斷發(fā)展，人們對高品質(zhì)生活質(zhì)量的不斷提高，高精度的定位電子產(chǎn)品以及相關(guān)技術(shù)將不斷應(yīng)用在人們的日常生活必需的產(chǎn)品中。隨著相關(guān)電子產(chǎn)品（例如：智能手機）的普及，該技術(shù)也將擁有巨大的市場價值。 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 美國 GPS： GPS 是由美國國防部在 1970 年代初開始設(shè)計與研發(fā)，直到 1993 年才基本全部建成 [9]。美國政府在 1994 年宣布在未來 10 年內(nèi)會免費向世界各國提供 GPS使用權(quán)限，由于軍事原因，美國也只會提供精度相對較低的定位信息 [10]。這樣的定位系統(tǒng)也等價于為美國設(shè)計了一個退路，如果發(fā)生了軍事戰(zhàn)爭，美國軍方為了自己的安全，完全可以關(guān)閉對該地區(qū)的使用權(quán)。 GPS 導(dǎo)航定位技術(shù)的研究，國內(nèi)外的水平都是參差不齊 ,下面簡單的從國內(nèi)、國外兩個方面進行介紹。 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國的衛(wèi)星定位技術(shù)相對于一些發(fā)達國家來說起 步較晚，從上個世紀八十年代初期才開始從國外引進衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，但我國的衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展卻非常的迅速。現(xiàn) 基本已經(jīng) 處于國際領(lǐng)先水平。初期 的時候，我們引進的定位技術(shù)主要用于工程測量，石油勘測等大型項目上面 [11]。在 80 年代末期的時候我國又再次的引進 GPS 定位技術(shù)，并開始自己研發(fā)基于 GPS 的定位系統(tǒng)，該技術(shù)還只是作用于小部分部分產(chǎn)業(yè)，但是帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益。到上個世紀末期，中國就開始研發(fā)屬于中國人自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并在 2020 年 6 月份，已經(jīng)成功發(fā)射了覆蓋整個亞洲的 3 個同步衛(wèi)星，該定位衛(wèi)星主要用于國家安全領(lǐng)域，還沒有發(fā)展到民用領(lǐng)域。這三顆衛(wèi)星就標著屬于中國人自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生， “北斗 ”導(dǎo)航系統(tǒng) [12]的誕生。 發(fā)展中國自己的導(dǎo)航定位 系統(tǒng)， 2020 年 10 月 31 日和同年的 12 月 21 日，我國成功的發(fā)射了兩顆北斗一號衛(wèi)星，由這兩顆北斗衛(wèi)星構(gòu)成的獨特的 “雙星有源定位系統(tǒng) ”。第三顆北斗衛(wèi)星成功發(fā)射與 2020 年 5 月 25 日。它是北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備用衛(wèi)星，這三顆衛(wèi)星組成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 浙江工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 3 國外發(fā)展?fàn)顩r 世界上第一個實用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ,是美國研制的子午儀 (Transit)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ,又稱為海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) (Navy Nva1gation Satellite System[13]),于 1964 年正式投入使用 ,主要為美國海軍服務(wù) ,子午儀系統(tǒng)有 46 顆衛(wèi)星組成導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng) [14]。衛(wèi)星軌道是近似圓形的極軌道 ,每個軌道上有一顆衛(wèi)星 ,衛(wèi)星沿南北方向運行 ,軌道高約 1100 公里 ,衛(wèi)星繞地球一周的運行周期約為 107 分鐘 ,子午儀系統(tǒng)能在全球范圍內(nèi) ,全天候?qū)崿F(xiàn)二維 (經(jīng)度、緯度 )定位 ,航行定位精度 海里 ,缺點是不能連續(xù)定位 ,一次定位的時間又較長 ,且不能確定用戶位置的高度 ,因此限制了飛機等用戶的使用。 為 更好地為軍方 和人民 提供高質(zhì)量的定位信息 ， 最后美國決定于 1973 年開始研制一種新型衛(wèi)星定位系統(tǒng) [15]， 并且命名為全球定位 系統(tǒng) ( Global Positioning System)， 簡稱GPS。 1978 年之后 ,一些北大西洋組織的國家和澳大利亞也參加了 GPS 計劃，并于 1993年全部建成 [16]。 為 不受美國的限制， 1999 年歐洲空間局提出并計劃，準備發(fā)射 30 顆衛(wèi)星，為滿足歐洲的海陸空導(dǎo)航系統(tǒng)等作用的定位系統(tǒng)， 該系統(tǒng)就組成 “伽利略 ”衛(wèi)星定位系統(tǒng) [17]。 日本研究了一種區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航和氣象導(dǎo)航雙重功能的導(dǎo)航系統(tǒng) [18]。該系統(tǒng)用兩顆同步衛(wèi)星 ： 一顆是通信衛(wèi)星 ， 保持飛機或船艦與地面站的通信聯(lián)絡(luò) ； 另一顆是氣象衛(wèi)星 ， 用戶及地面站可接收其信號 ， 用來協(xié)助選擇最佳航線。 通過 兩顆衛(wèi)星發(fā)出的信號的應(yīng)答 ， 可 實現(xiàn)準確定位。 本課題的研究內(nèi)容 一款定位系統(tǒng)的終端性能的設(shè)計主要決定于 GPS 定位芯片的選取，以及主控中心器材性能的選擇?，F(xiàn)在大部分的定位終端的設(shè)計基本都是基于嵌入式方案實現(xiàn)的。對于本課題的研究，為了降低開發(fā)成本，主要是采用一款傳統(tǒng) 51 內(nèi)核的STC12 單片機作為控制芯片。采取這樣 STC12 單片機不僅克服了使用普通單片機功能單一，資源分配不合理，或者避免使用更高端單片機的資源的浪費，從而可以降低成本與節(jié)約資源，還可以使系 統(tǒng)資源得到合理優(yōu)化。本課題研究內(nèi)容：設(shè)計時 GPS 定位系統(tǒng)采用的是 STC12C5A60S 單片機作為主控器， U_Blox Neo 6M作為定位信息接收模塊， SIM300 作為通信模塊芯片，這樣的搭配節(jié)約了成本縮短了開發(fā)周期。實現(xiàn)功能是通過 U_Blox 接收 GPS 定位信息，單片機通過串口接收浙江工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 4 并且處理來自 GPS 的信息數(shù)據(jù)，處理好的數(shù)據(jù)然后通過單片機的另一個串口發(fā)送給 SIM300 模塊，該模塊就可以將接收到定位數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送給手機。這樣就實現(xiàn)了定位及定位信息發(fā)送的功能。 文章整體結(jié)構(gòu) 本文共分為 7 章，各章的主 要內(nèi)容如下： 第 1 章：緒論。主要介紹 課題的研究背景以及研究的意義，國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用現(xiàn)狀，以及論文所需要完成的主要內(nèi)容以及文章的整個組織結(jié)構(gòu)。 第 2 章 ：定位系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)介紹。本章是論文的第一個重點，主要是全方位介紹與定位系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù) ，簡單分析了現(xiàn)在最流行的 GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)相關(guān)定位技術(shù)，分別從幾個 方面對這四個定位系統(tǒng)作簡單的比較分析，完成分析過后然后再列出課題 選擇的 GPS 定位系統(tǒng)的相對優(yōu)勢。章節(jié)最后 對 GPS 定位系統(tǒng)的通信協(xié)議進行介紹與學(xué)習(xí)。 第 3 章：系統(tǒng)總體設(shè)計。 對 第 2 章 GPS 定位系統(tǒng)展開的全方位介紹， 本章將繼續(xù)圍繞課題 的第 2 個重點：定位系統(tǒng)總體設(shè)計框架與思路。了解系統(tǒng)需求， 基于系統(tǒng)設(shè)計原則對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進行 詳細說明。 這一 章從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成部分、系統(tǒng)設(shè)計方案的選取 及定位終端硬件模塊的選取 這四個方面為突破口 進行突破。 第 4 章：系統(tǒng)硬件設(shè)計。充分了解系統(tǒng)的功能及組成部分后，本章主要闡述了定位終端的硬件設(shè)計與實現(xiàn)過程。這一 章主要從系統(tǒng)終端總體硬件結(jié)構(gòu)圖、單片機控制模塊選材與電路設(shè)計、 GPS 接收模塊選材與電路設(shè)計、 SIM300 模塊選材與電路設(shè)計、電源模塊設(shè)計、串口模塊設(shè)計、 LCD 顯示 模塊設(shè)計等，全面介紹定位終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 。 第 5 章：系統(tǒng)軟件設(shè)計?；谟布娐吩O(shè)計的基礎(chǔ)上，下面 主要任務(wù)就是通 過單片機編寫主控制程序。主控制程序編寫設(shè)計模塊 分別從定位系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計、 MCU控制模塊的主要功能及流程設(shè)計、 GPS 模塊的主要功能及流程設(shè)計、 SIM300 模塊的主要功能與設(shè)計、 LCD 顯示模塊的功能與設(shè)計、串口操作模塊設(shè)計來進行主控程序的說明與實現(xiàn)。 第 6 章：系統(tǒng)測試過程。整個系統(tǒng)的 設(shè)計和 以及最后的調(diào)試都是重要的 環(huán)節(jié)。調(diào)試和測試在整個 系統(tǒng)的設(shè)計過程中占有很大比重，只有在不斷的調(diào)試當(dāng)中才會發(fā)現(xiàn)錯誤并及時修改程序以達到最佳效果。本次調(diào)試分為硬件和軟件調(diào)試兩大部分 。 第 7 章： 本次畢業(yè)設(shè)計的工作 總結(jié) 、不足之處以及今后繼續(xù)研究的 問題 。 浙江工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 5 本章小結(jié) 本章主要圍繞著設(shè)計課題的 研究背景和意義， 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 ，論文的整體結(jié)構(gòu)以及各章節(jié)所涉及的內(nèi)容，為后續(xù)章節(jié)的完成打下良好的基礎(chǔ)。 浙江工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 6 第 2 章 定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù) . 美國 GPS 定位系統(tǒng) GPS 全球定位系統(tǒng)（ Global Position System）， 美國國防部在上個世紀 70 年代制定的研究計劃，該計劃耗資 200 多億美元 且歷時 20 年， 于 1994 年正式完 成了該計劃。也就是宣布了一個具有在海陸空都能全方位的、全天候的、高效的進行定位導(dǎo)航的空間衛(wèi)星系統(tǒng)的誕生。該定位系統(tǒng)不是憑空而建的，而是基于美國當(dāng)時軍方使用的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) (Navy Nva1gation Satellite System)又重新研制的更加全方位的定位衛(wèi)星系統(tǒng)。按照現(xiàn)在的 GPS 定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料顯示，該定位系統(tǒng)在地球上空 20200 公里的空間分布了 24 顆定位衛(wèi)星。這 24 顆衛(wèi)星群還包含了 3 顆備用衛(wèi)星，它們都是繞組地球以近似圓形的軌道運行， 24 顆定位衛(wèi)星平均分布在 6 個空間軌道上面，每個軌道的傾角大約為 55 度，每顆衛(wèi)星的運行周期大概為 11 小時 58 分鐘。這 24 顆衛(wèi)星的分布準則是保證我們在地球上面任何地方都可以同時觀測到 4 顆或 4 顆以上的定期衛(wèi)星，這樣才能保證定位的準確性、全方位及全天候性。隨著 GPS 定位系統(tǒng)日益完善，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大，成為 人們?nèi)粘Ｉ钪械牟豢苫蛉钡募夹g(shù)。 GPS系統(tǒng)組成 GPS 系統(tǒng)由三個部分組成：空間組成部分、地面監(jiān)控部分、 GPS 接收用戶部分。下面簡單的從這三個部分作簡要說明。 （ 1）空間組成部分：這部分即是由空間分布的 24 顆衛(wèi)星群組成的，通常記為（ 21+3）GPS 衛(wèi)星群。 24 顆衛(wèi)星群還包含了 3 顆備用衛(wèi)星，它們都是繞組地球以近似圓形的軌道運行， 24 顆定位衛(wèi)星平均分布在 6 個空間軌道上面，每個空間軌道的傾角大約為 55度左右，每顆衛(wèi)星的運行周期大概為 11 小時 58 分鐘。站在地球表面附近的的觀測者 ,每次大約時隔 4 分鐘就會見到同一顆定位衛(wèi)星。處于地球表面以上可觀察到的衛(wèi)星的數(shù)量會隨著時間或地點的不同而不盡相同 ,但是最少可觀察到 4顆 ,最多甚至可到 11 顆衛(wèi)星。3 顆備用衛(wèi)星，會在衛(wèi)星發(fā)生故障的時候，根據(jù)指揮部的指令與發(fā)生故障的衛(wèi)星進行替換 ,這就為 GPS 空間部分能夠正常高效的工作提供了有力的保障。 （ 2）地面監(jiān)控部分： GPS 工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由主控站、注入站和監(jiān)測浙江工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 7 站組成。 GPS 地面監(jiān)控站主要由一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站 [19]組成，具體如圖 21 所示。主控站主要是管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，采集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)信息，編制導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，并送往注入站。注入站再將衛(wèi)星的星歷注入 GPS 衛(wèi)星，監(jiān)控該衛(wèi)星的運行狀態(tài)，并向該衛(wèi)星發(fā)送控制指令信息；衛(wèi)星維護與異常情況的處理。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對 GPS 衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘 差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中去。如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間，但是導(dǎo)航精度會降低。 注 入 站無線信號監(jiān) 測 站無線信號主 控 制 器無線信號無