【文章內(nèi)容簡介】 克，價格也從之前的十幾萬美元降為現(xiàn)在的幾十美元。當(dāng)前，全球的 GPS 產(chǎn)品制造商已經(jīng)超過 50多家，主要的領(lǐng)導(dǎo)商家有高明公司、 UBLOX 公司和麥哲倫公司等。 3 全球 GPS 市場狀況 伴隨著 GPS 應(yīng)用范圍的推廣， GPS 產(chǎn)品漸漸成為全球無線通信終端市場的一項(xiàng)重要的產(chǎn)品，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)與結(jié)合無線通信的 GPS 產(chǎn)品的普及化推動了 GPS 產(chǎn)品市 場的高度成長。根據(jù)市場調(diào)研公司 ABI 的報(bào)告， 20xx 年，這兩類產(chǎn)品在 GPS 應(yīng)用產(chǎn)品在市場的比率合計(jì)約為 %，至 20xx 年增長至 %，航海、航空、農(nóng)業(yè)和測量等總共僅占 %[6]。 無論是汽車導(dǎo)航還是 GPS 通信的應(yīng)用產(chǎn)品， 主要的消費(fèi)市場都是在歐、美、日等三個地區(qū)。將汽車導(dǎo)航作為例子，由于消費(fèi)電子技術(shù)和電子地圖的高度發(fā)展，再加上智能型的運(yùn)輸系統(tǒng)的成熟，使得日本成為了目前全球汽車導(dǎo)航系統(tǒng)市場值和普及率最高的國家。 20xx年，日本的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)總銷售值約為 670 萬 美元，占市場的 %，北美和 歐洲分別占%和 %。 但是在 20xx 年之后，伴隨著汽車導(dǎo)航系統(tǒng)全球的普及化，北美和歐洲的市場銷售值增至 590 萬美元和 710 萬美元，各占市場的 %和 27%，日本的市場因?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)的普及化使得增長率趨緩。 當(dāng)前已經(jīng)推出了整合無線通信和 GPS 解決方案的商家，有瑟孚科技、天寶公司和快速跟蹤公司等， 瑟孚公司和快速跟蹤公司是兩家發(fā)展較為積極的公司，而且已經(jīng)有手機(jī)制造廠商和移動通信運(yùn)營者采用這兩家的解決方案 [7]。 盡管當(dāng)前具有 GPS 定位功能的手機(jī)市場發(fā)展很被看好，但現(xiàn)在仍有幾項(xiàng)問題迫切需要解決：首先， GPS 組件運(yùn)作時將會大幅提高手機(jī)的耗電量；其次，無論手機(jī)采用的是外接的 GPS 模塊或者是內(nèi)建的 GPS 芯片作為解決方案，都不可避免的遇到制作成本高的問題；最后，當(dāng)前具有提高整合無線通信技術(shù)和整合 GPS 芯片的公司不多。 在經(jīng)歷了近 30 多年的發(fā)展， GPS 產(chǎn)品逐漸成為只為軍事方面服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄M(fèi)電子產(chǎn)品，而且其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到日常生活中的定位信息、 PDA、通信等方面。從現(xiàn)階段來觀察，因?yàn)镚PS 接收機(jī)的價格、技術(shù)以及市場應(yīng)用服務(wù)等方面都未成熟，在樂觀的看待 GPS 市場發(fā)展時 ， 諸如 GPS IC 設(shè)計(jì)的成本是否能降低、技術(shù)是否能達(dá)到 手機(jī)或 PDA 所需的最小體積與耗電量以及內(nèi)建 GPS 的新手機(jī)是否能引起消費(fèi)者的青睞等問題，必須謹(jǐn)慎的評估 [8]。 論文主要內(nèi)容 在此次設(shè)計(jì)過程中，主要熟悉選用的 GPS 接收模塊的性能指標(biāo)，結(jié)合單片機(jī)的相關(guān)知識能實(shí)現(xiàn)對 GPS 接收到的衛(wèi)星信息進(jìn)行提取，并在液晶顯示器上選擇性的顯示所需要的數(shù)據(jù)。 本文首先介紹了 GPS 定位系統(tǒng)的發(fā)展、基本原理、模塊定位流程、特點(diǎn)；然后對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行篩選，選擇易實(shí)現(xiàn)的方案；再進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，首先展示的是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，緊接著是接收機(jī)基本原理，具體介紹了硬件組成部分單片機(jī)最小系統(tǒng)、 LCD12864 液晶顯示屏、GPS 接收模塊；硬件實(shí)現(xiàn)后是對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)的串行通信，軟件的程序編寫，流程；最后是對 Keil 軟件的介紹和在此設(shè) 計(jì)中的作用。 通過 C 語言實(shí)現(xiàn)了 GPS 信號的提取、顯示等。經(jīng)過實(shí)踐測試 ,這種接收機(jī)可以達(dá)到基本 GPS 信再進(jìn)行息接收以及顯示，可以做到方便靈活、優(yōu)質(zhì)價廉、精度高、連續(xù)導(dǎo)航、抗干擾能力強(qiáng)，并可廣泛應(yīng)用于個人野外旅游探險(xiǎn)、出租汽車定位及海上作業(yè)等領(lǐng)域。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 50 頁 2 GPS 簡 介和方案選擇 GPS 定位系統(tǒng)簡介 GPS 定義與發(fā)展 GPS 的英文簡稱是 Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）。 GPS 起源于 1958 年美國軍方的一個軍事項(xiàng)目，于 1964 年投入使用。在 20 世紀(jì)的 70 年代，美國的海陸空三軍研發(fā)了新一代的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) GPS。它的主要目的是為海陸空三軍提供強(qiáng)大的全天候、全球性和實(shí)時的導(dǎo)航服務(wù)，并且用于情報(bào)搜集、應(yīng)急通訊和核爆監(jiān)控等一些軍事目的，再經(jīng)歷了 20 多年的研究實(shí)驗(yàn)，總耗資 300 億美元，截止到 1994 年為止， 24 顆全球覆蓋率高達(dá)98%的衛(wèi)星星座已經(jīng)布設(shè)完成 [9]。 以 24 顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)的 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，向全球各地全天候的提供三維速度、 三維位置等信息的一種無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它是由三部分組成的，一是地面監(jiān)控部分，是由監(jiān)測站、主控站、地面天線及通訊輔助系統(tǒng)組成的。二是用戶裝置部分，是由衛(wèi)星天線和GPS 接收機(jī)組成。三是空間部分，由 24 顆衛(wèi)星組成， 21 顆運(yùn)行衛(wèi)星和三顆備用衛(wèi)星，均勻分布在空間的 6 個軌道平面上 [10]。民用的 GPS 定位精度可以達(dá)到 10 米以內(nèi)。 GPS 以前是美國軍方研制的一種子午衛(wèi)星定位系統(tǒng)，于 1958 年開始研究， 1964 年正式的投入使用。此系統(tǒng)剛開始是由 5 顆到 6 顆衛(wèi)星組成星網(wǎng)工作，平均每天最多繞地球 13 次，還無法給出具體地高度信息 ，定位精度也不夠精確。子午儀系統(tǒng)對于研發(fā)部門對衛(wèi)星的研究有很大的幫助，驗(yàn)證了衛(wèi)星系統(tǒng)定位的可行性，成為 GPS 研究的奠基作用。因?yàn)樽游缦到y(tǒng)對于船艦和潛艇導(dǎo)航方面 有缺陷及衛(wèi)星定位顯示在導(dǎo)航方面有優(yōu)越性。美國的陸海空三方及民用部門都認(rèn)為一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航將為其能做出很大的改善作用 [11]。 基于此原因， 美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室 (NRL)提出了 一個叫做 Tinmation 的用 12 至 18 顆衛(wèi)星 所 組成 得 10000km 高度的全球定位網(wǎng)計(jì)劃，并 且分別在 1967 年、 1969 年和 1974 年各發(fā)射了一顆試驗(yàn)衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上 面 初步 測試 了 原子鐘 計(jì)時系統(tǒng)，這是 GPS 精確定位的基礎(chǔ)。美國空軍 卻 則提出了 621B的以每星群 4 至 5 顆衛(wèi)星組成 3 至 4 個星群的計(jì)劃，這些衛(wèi)星中除 了 1顆采用 同步軌道 以 外其余的 衛(wèi)星 都使用周期為 24h的傾斜軌道，該計(jì)劃以 偽隨機(jī)碼 (PRN)作 為基礎(chǔ) 導(dǎo)航電文來 傳播衛(wèi)星測距信號， 它的 強(qiáng)大 功能，當(dāng)信號 的 密度低于環(huán)境噪聲的 1%時也能將其檢測出來。偽隨機(jī)碼的成功運(yùn)用是 GPS 得以取得成功的一個重要基礎(chǔ)。空軍的計(jì)劃能 夠?yàn)槠?供提供高動態(tài)服務(wù)， 但是 系統(tǒng)過于復(fù)雜 ， 海軍的計(jì)劃主要 是 用于為船艦 提供低動態(tài)的 2 維定位 [12]。 因?yàn)?同 時 研究這 兩個系統(tǒng)會 花費(fèi)很高， 而且這兩個計(jì)劃都是為了提供全球定位而設(shè)計(jì)的，所以 1973 年美國國防部將 二 者合為一 體 ，并 且 由國防部 帶頭組織 的衛(wèi)星導(dǎo)航定位 ， 聯(lián)合計(jì)劃局 (JPO)領(lǐng)導(dǎo)，將辦事機(jī)構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機(jī)構(gòu) 的 成員 很 多，包括美國 海軍、陸軍、交通部、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、國防制圖局，北約和澳大利亞作為代表 [13]。 在美國聯(lián)合計(jì)劃局的領(lǐng)導(dǎo)下最初的 GPS 計(jì)劃誕生了，這個計(jì)劃方案是把 24 顆衛(wèi)星分布在互成 120 度的三個軌道上面。 8 顆衛(wèi)星均勻分布于一個軌道上，在地球表面上的任何一點(diǎn)都可以觀測到 6 到 9 顆衛(wèi)星。 精碼精度可達(dá) 10 米，粗碼精度可達(dá) 100 米。因?yàn)閴嚎s預(yù)算，GPS 計(jì)劃減少衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量，修改之前的為將 18 顆衛(wèi)星均勻分布在互成 60 度的六個軌道上，但是這個方案使得衛(wèi)星可靠性不能夠得到保障。于是在 1988 年又重新進(jìn)行了最后一次修改： 24 顆衛(wèi)星， 21 顆工作衛(wèi)星和三顆備用衛(wèi)星，均勻分布在互成 60 度的六個軌道上面[14]。 以全球 24 顆人造定位衛(wèi)星為基礎(chǔ)的 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，向全球各地全時段的提供三維速度、三維位置等信息。它是由三部分組成，一是地面監(jiān)控部分，由監(jiān)控站、主控站、地面天線和通訊輔助系統(tǒng)組成的。二是用戶裝置部分，由衛(wèi)星天線 和 GPS 接收機(jī)組成。三是空間部分 ，由 24 顆衛(wèi)星， 21 顆運(yùn)行衛(wèi)星和 3 顆備用衛(wèi)星，均勻分布在六個軌道平面上。 采 用 GPS 定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)進(jìn)行 導(dǎo)航、 定位 的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱 GPS。 GPS 是美國國防部 研究 建立的一種具有 全天候、 全方位、 高精度 、全時段 的衛(wèi)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 50 頁 星導(dǎo)航系統(tǒng)，能 夠?yàn)?全球用戶提供 高精度 、低成本的三 維位置、速度和精確定時等導(dǎo)航信息，是衛(wèi)星通信技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用典范 ，它極大地提高了地球社會的信息化水平，有力地推動了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 [15]。 GPS 可以提供車輛定位、 防盜 、反劫、行駛路線 監(jiān)控 及呼叫 指揮 等功能。要實(shí)現(xiàn)以上所有功能必須具備 GPS 終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和 監(jiān)控平臺 三個要素。 圖 GPS 衛(wèi)星空間分布圖 GPS定位系統(tǒng)的基本原理 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是 測量 出已知位置的 衛(wèi)星 到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的 數(shù)據(jù) 就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的， 衛(wèi)星 的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出 。而用戶到 衛(wèi)星 的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是 偽距 （ PR，）：當(dāng) GPS 衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用 1 和 0 二進(jìn)制碼元組成的 偽隨機(jī)碼 （簡稱偽碼）發(fā)射 導(dǎo)航電文 。 GPS 系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的 C/A 碼 和軍用的 P(Y)碼。 C/A 碼頻率 ，重復(fù)周期一毫秒，碼間距 1 微秒，相當(dāng)于 300m； P 碼 頻率 ，重復(fù)周期 天，碼間距 微秒，相當(dāng)于 30m。而Y 碼是在 P 碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。 導(dǎo)航電文 包括 衛(wèi)星 星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從 衛(wèi)星 信號中解調(diào)制出來，以 50b/s 調(diào)制在載頻上發(fā)射的。 導(dǎo)航電文 每個主幀中包含 5 個子幀每幀長 6s。 前三幀各 10 個字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時更新一次。后兩幀共 15000b。 導(dǎo)航電文 中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第 3 數(shù)據(jù)塊 ，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到 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(biāo)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(jī)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(biāo) x、 y、 z 外，還要引進(jìn)一個 Δt 即衛(wèi)星與接收機(jī)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(jī)所處的位置，至少要能接收到 4 個 衛(wèi)星 的信號。 GPS 接收機(jī) 可接收到可用于授時的準(zhǔn)確至 納秒 級的時間信息；用于預(yù)報(bào)未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星 所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；用于計(jì)算定位時所需衛(wèi)星坐標(biāo)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(jī)對碼的量測就可得到 衛(wèi)星 到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 50 頁 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(jī)對收到的 衛(wèi)星 信號，進(jìn)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(yán)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(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機(jī)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(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v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(dá)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(diǎn)定位和 相對定位 （ 差分定位 ）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)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(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點(diǎn)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(jìn)行相對定位 [18]。 在 GPS 觀測量中包含了 衛(wèi)星 和接收機(jī)的 鐘差 、大氣 傳播 延遲、 多路徑效應(yīng) 等誤差，在定位計(jì)算時還要受到衛(wèi)星 廣播 星歷誤差的影響，在進(jìn)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(jī) 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(jī)間距離較遠(yuǎn)時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用 雙頻接收機(jī) 。 GPS 定位的基本 原理 是根據(jù)高速運(yùn)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(diǎn)的位置 [19]。如圖所示，假設(shè) t 時刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS 接收機(jī)，可以測定 GPS 信號到達(dá)接收機(jī)的時間 △ t，再加上接收機(jī)所接收到的 衛(wèi)星 星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定