【文章內(nèi)容簡介】 新的嘗試，也加深了對 C8051F 系列的掌握。 (4)針對導(dǎo)航電子地圖，由于生產(chǎn)廠家各自為陣，電子地圖的數(shù)據(jù)質(zhì)量也參差不齊，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。如果利用專業(yè)電子地圖開發(fā)軟件，其開發(fā)成本昂貴。并且隨著我國城市建設(shè)和改造步伐加快，城區(qū)道路不斷新建，錯(cuò)綜復(fù)雜的道路時(shí)而涌現(xiàn)。因此如何根據(jù)用戶實(shí)際需要，開發(fā)出一套價(jià)格低廉且適合于用戶工作環(huán)境的導(dǎo)航地圖尤為重要。 本文 的研究內(nèi)容 GPS 定位導(dǎo)航終端中控制器的選擇直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。目前，定位導(dǎo)航終端一般采用基于嵌入式、單板機(jī)或單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案?；谇度胧降能囕d定位航終端開發(fā)難度較大，開發(fā)周期也相對較長 。單板機(jī)開發(fā)成本較高，體積大， 一般適用于大型基于單片機(jī)的 GPS 導(dǎo)航裝置的設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。因此，為了開發(fā)成本低、體積小、性能穩(wěn)定的定位導(dǎo)航終端，選擇一種合適的控制器至關(guān)重要。如今，高性能、高可靠性、低價(jià)位的 SOC 單片機(jī)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，使用 SOC 單片機(jī)不僅可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，而且節(jié)約了資源和成本。 SOC 單 片機(jī)克服了普通單片機(jī)功能單一、資源分配不靈活的缺點(diǎn)，從眾多單片機(jī)中脫穎而出。選擇合適 CPU 內(nèi)核和 IP 模塊構(gòu)架成具有特定功能的 SOC 單片機(jī)，使得其滿足位導(dǎo)航終端功能所需。本文設(shè)計(jì)的 GPS 定位導(dǎo)航終端采用基于 SOC 技術(shù)的單片機(jī)C8051F020 作為核心控制器，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期。 該課題主要的任務(wù)是 :以 Silicon Labs公司生產(chǎn)的 C8051F020芯片作為系統(tǒng)中心控制處理器，結(jié)合部分外圍器件設(shè)計(jì)出控制、顯示的硬件電路，并通過自制的 GPS 接收機(jī)接收來自 GPS 定位衛(wèi)星的定位信息 。系統(tǒng)通過串口實(shí)現(xiàn)和 GPS 接收機(jī)通信，實(shí)時(shí)提取相關(guān)的定位數(shù)據(jù) (經(jīng)度、緯度、高度等 )并通過自制的電子地圖，由液晶屏顯示用戶位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的目的。 課題完成的工作 4點(diǎn) : (1)研究了目前國內(nèi)外 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、 GPS 技術(shù)，討論了定位導(dǎo)航終端的設(shè)計(jì)以及先進(jìn)的 SOC 單片機(jī)技術(shù)。 (2)選擇合適的 GPS 模塊和 SOC 單片機(jī)，構(gòu)建基于 SOC 技術(shù)的定位導(dǎo)航終端，并進(jìn)行可行性論證。 (3)設(shè)計(jì)了 GPS 接收板電路和控制板電路并制作 PCB 板。焊接 元器件做系統(tǒng)調(diào)試。 (4)通過核心控制器 C805IF020 與 GPS 接收機(jī)進(jìn)行通信，提取定位數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和定位顯示，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航終端的基本功能。 (5)通過實(shí)際點(diǎn) 的取 樣，對道路進(jìn)行描繪。實(shí)現(xiàn)簡單的自制電子地圖顯示。 (6)將基于 SOC 技術(shù)的定位導(dǎo)航終端應(yīng)用于實(shí)際定位導(dǎo)航中，對定位導(dǎo)航終端進(jìn)行靈敏度和定位精度測試。 論文的組織 論文的第一章為緒論，介紹了論文研究的背景以及國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和研究意義等內(nèi)容 :第二章對 GPS 全球定位系統(tǒng)各方面作簡單介紹和進(jìn)行一般性的論述 。第 三章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 。第四章提出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)各模塊功能進(jìn)行硬件電路芯片的選擇和線路連接 。第五章主要簡要介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 。第六章為系統(tǒng)調(diào)試總結(jié)，闡述了在調(diào)試過程中所遇到的問題及解決方法。第七章總結(jié)，概括了所做的工作及不足，并給出下一步的研究方向。 第 2 章衛(wèi)星定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù) GLONASS(格魯納斯 )衛(wèi)星定位系統(tǒng) 該系統(tǒng)是 1982 年底由前蘇聯(lián)開始建設(shè)，期間因蘇聯(lián)解體，幾經(jīng)周折最后由俄羅斯于 1996 年建成全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng) (Global Navigation Satellite System GLONASS )。該系統(tǒng)與美國的 GPS 系統(tǒng)同屬于第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng) (3]a .1 系統(tǒng)組成 1)衛(wèi)星星座 :全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由分布在三個(gè)獨(dú)立橢圓軌道的 24 顆 GLONASS 衛(wèi)星組成 (另加 1顆備用衛(wèi)星 )，平均每個(gè)軌道上分布 8顆衛(wèi)星，各軌道升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差 120 度 。軌道偏心率 e=。衛(wèi)星軌道傾角為 度 。衛(wèi)星運(yùn)行周期 T=11 時(shí) 15 分 (恒星時(shí) 小時(shí) )。衛(wèi)星高度 H=19100km。衛(wèi)星設(shè)計(jì)的使用壽命為 年，直至 1995 年衛(wèi)星星座布成，經(jīng)過數(shù)據(jù)加載、調(diào)整和檢驗(yàn)，已于 19%年 1 月 18 日整個(gè)系統(tǒng)正式運(yùn)轉(zhuǎn) 。 2)地面系統(tǒng) :地面控制站組 (GCS)設(shè)有 1 個(gè)系統(tǒng)控制中心， 1 個(gè)指令跟蹤站(CTS 整個(gè)跟蹤網(wǎng)絡(luò)分布于俄羅斯境內(nèi) 。CTS 跟蹤遙控著所有 GLONASS 可視衛(wèi)星，對其進(jìn)行測距數(shù)據(jù)的采集和處理，并向各衛(wèi)星發(fā)送控制指令和導(dǎo)航信息。在 GCS 內(nèi)裝有激光測距設(shè)備對測距數(shù)據(jù)作周期修正，為此所有的 GLONASS 衛(wèi)星上都裝有激光反射鏡 。 技術(shù)特點(diǎn) 1)衛(wèi)星信號 每顆 GLONASS 衛(wèi)星配有艷原子鐘，以便為所有星載設(shè)備提供高穩(wěn)定的時(shí)標(biāo)信號。 GLONASS 衛(wèi)星同樣向地面發(fā)射兩種載波信號 L1 載波信號的頻率為16021616MHz。LZ 載波信號的頻率為 1246^ 1256MHz。其中 L1 載波信號為民用， L2載波信號為軍用。 GLONASS 衛(wèi)星之間的識別方法采用頻分復(fù)用 (FDMA)技術(shù)， L1載波信號的頻道間隔為 , L2 載波信號的頻道間隔為 GLONASS 衛(wèi)星測距粗碼 (C/A 碼 )的頻率為 MHz，碼長為 511 比特，重復(fù)周期為 lms。 GLONASS 衛(wèi)星也采用類似 GPS 信號的 P碼 。 2)定位精度 水平精度 :士 50^70m。垂直精度 :士 75m。測速精度 :士 15cm/s。 3)定位原理 與 GPS 相同。 伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng) 為了打破美國 GPS 在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的壟斷， 1999 年歐洲提出了建立伽利略 (Galileo)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的計(jì)劃，這是歐洲開發(fā)的最重要的航天計(jì)劃。 20xx年 12 月 27 日，第一顆伽利略衛(wèi)星 GLOVEA 發(fā)射升空，第二顆衛(wèi)星 GLOVEB于 20%年發(fā)射，這標(biāo)志著伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)正式進(jìn)入實(shí)施論證階段。伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)是歐洲空間局 (ESA)主導(dǎo)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系 統(tǒng)，由 27+3 顆衛(wèi)星分布在3 個(gè)軌道平面上，計(jì)劃于 20xx 年運(yùn)行，目前己經(jīng)推遲到 20xx 年。伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)將提供高精度、全球覆蓋的導(dǎo)航定位服務(wù)，并可以與 GPS, GLONASS 互操作和兼容。 20xx 年 10月，中歐 Galileo 計(jì)劃技術(shù)合作協(xié)議在北京正式簽署，中國投入 2 億歐元參與了這項(xiàng)計(jì)劃 (9l0 系統(tǒng)組成 1)衛(wèi)星星座 :由 3 個(gè)獨(dú)立的圓形軌道， 30 顆中等高度衛(wèi)星 (MEOMiddle Earth Orbit)衛(wèi)星組成 ((27 顆工作衛(wèi)星， 3 顆備用衛(wèi)星 )。衛(wèi)星的軌道傾角為 56度，公轉(zhuǎn)周期 T=14 小時(shí) 23 分 14 秒，軌道高度 H=23616km。 2)地面系統(tǒng) :在歐洲建立 2 個(gè)控制中心，在全球構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng) 。 3)定位原理 :與 GPS 相同 。 4)定位精度 :導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。 中國“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng) GPS 和“格魯納斯”都是為軍事應(yīng)用而發(fā)展起來的，完全由軍方控制，無法保證服務(wù)信息始終保持不中斷。例如，美國在 20 世紀(jì) 90 年代的海灣戰(zhàn)爭期間，不僅中斷了全球定位系統(tǒng)，而且給 P 碼加密，使對方無法使用。雖然“伽利略”系統(tǒng)是一個(gè)民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，這個(gè)導(dǎo)航也會(huì) 遭到控制，特別是美國會(huì)直接插手“伽利略”。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過程中，出于軍事需要的考慮，中國必須發(fā)展自己獨(dú)立的系統(tǒng)。 20xx 年 10 月 31 日和 12 月 21 日，我國發(fā)射了兩顆北斗一號衛(wèi)星，并由其構(gòu)成獨(dú)特的“雙星有源定位系統(tǒng)”。第三顆北斗一號衛(wèi)星于 20xx 年 5 月 25 日發(fā)射升空，它是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備份星，與前兩顆工作衛(wèi)星組成我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) [(}10 系統(tǒng)組成 1)衛(wèi)星星座 :由 3 顆同步靜止衛(wèi)星組成 (其中 1 顆在軌備用 )，分別定位于東經(jīng)80 度和東經(jīng) 140 度，軌道 傾角 i=0 度，公轉(zhuǎn)周期 T=24 小時(shí)，軌道高度 H=36000km。 2)地面系統(tǒng) :一個(gè)中心站，負(fù)責(zé)系統(tǒng)測控、定位信號的發(fā)射與接收、用戶坐標(biāo)的解算與發(fā)布、雙向授時(shí)、發(fā)送導(dǎo)航電文，監(jiān)視和控制整個(gè)系統(tǒng)的工作情況等 。 3)標(biāo)校系統(tǒng) :有測軌、定位、測高三類標(biāo)校站。測軌標(biāo)校站為精確測量衛(wèi)星的位置提供基準(zhǔn)測量數(shù)據(jù) 。定位標(biāo)校站為差分定位提供基準(zhǔn)測量數(shù)據(jù) 。測高標(biāo)校站為氣壓測高法提供基準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)。 技術(shù)特點(diǎn) 1)服務(wù)區(qū)域 :東經(jīng) 70 度 ~145 度，北緯 50 度 ~55 度 。 2)用戶設(shè)備 :定位收發(fā)機(jī)的瞬間發(fā)射功率 較大 。 3)定位精度 :平面精度士 20m,垂直精度士 l Or n. 定位原理 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理為 :地面中心站通過 2 顆同步靜止定位衛(wèi)星傳送測距問詢信號，如果用戶需要定位則馬上回復(fù)應(yīng)答信號。地面中心站可根據(jù)用戶的應(yīng)答信號的時(shí)差計(jì)算出戶星距離，這樣以兩顆定位衛(wèi)星為中心以兩個(gè)戶星距離為半徑可作出兩個(gè)定位球。而兩個(gè)定位球又和地面相交產(chǎn)生兩個(gè)定位圓，用戶必定位于兩個(gè)定位圓相交的兩個(gè)點(diǎn)上 (這兩個(gè)交點(diǎn)一定是以赤道為對稱軸南北對稱的 )。地面中心站求出用戶坐標(biāo)后，再根據(jù)坐標(biāo)在地面數(shù)字高程模型讀出用 戶高程一進(jìn)而讓衛(wèi)星轉(zhuǎn)告用戶。 北斗定位系統(tǒng)采用三球交會(huì)測量原理進(jìn)行定位，即分別以兩顆衛(wèi)星為球心、到用戶的距離為半徑作兩個(gè)球面，再以地球質(zhì)心為球心，到用戶的距離為半徑作一個(gè)球面，三個(gè)球面的交會(huì)點(diǎn)就是用戶的位置 (計(jì)算時(shí)要排除其鏡像點(diǎn) )。衛(wèi)星到用戶的距離可以用定位信號的傳播延時(shí)計(jì)算出來，而地心到用戶的距離則可用中心站的數(shù)字地形圖查出或用氣壓高度表測量出來，于是求解如下方程可以計(jì)算出用戶坐標(biāo) (x0, y0, z0):(xi一 xo)2 +(Yr 一 Yo)2 +(Z，一 Zo)2=R。2,i=1,2,3 (21)式中，(xi, yi, zi) (i=1, 2, 3)分別表示衛(wèi)星 1, 2 和地球質(zhì)心的坐標(biāo)。 RI, R2,R3 分別表示用戶機(jī)到衛(wèi)星 1, 2 和地球質(zhì)心的距離。兩顆衛(wèi)星的坐標(biāo)、地球質(zhì)心的坐標(biāo)以及衛(wèi)星到用戶的距離、地心到用戶的距離都可以測出，所以可以解算出用戶坐標(biāo)。當(dāng) 然，在實(shí)際中要考慮到各種誤差對測距的影響，以便對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。北斗定位系統(tǒng)與 GPS 系統(tǒng)的主要區(qū)別在于 :GPS 采用的是非同步多衛(wèi)星定位原理，一般要求獲取 4 顆以上衛(wèi)星位置和到用戶的距離，才可以得到用戶的經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)，其定位處理部分分散到各個(gè)用戶 機(jī)來完成。在雙星系統(tǒng)中，高程值由數(shù)字地圖或氣壓測高站提供。并且，信息處理中心具有定時(shí)和短報(bào)文通信功能 [al0 2. 4 GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng) (Global Positioning System)是美國從本世紀(jì) 70 年代由美國國防部批準(zhǔn)開始研制，歷時(shí) 20 年，耗資 200 億美元，于 1994 年全面建成，是具有在海、陸、空，進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。按目前的方案， 全球定位系統(tǒng)的空間部分使用 24 顆高度約 20200 千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。 24 顆衛(wèi)星 (其中 3 顆為備用衛(wèi)星 )均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為 11 小時(shí) 58 分，分布在六個(gè)軌道面上 (每軌道面 4 顆 )，軌道傾角為 55 度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測到 4 顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前己遍及國民經(jīng)濟(jì)各部門， 并開始逐步深入人們的日常生活。 2. 4. 1 GPS 系統(tǒng)的組成 GPS系統(tǒng)包括三大部分 :空間部分一 GPS衛(wèi)星星座 。地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng) 。用戶設(shè)備部分一 GPS 信號接收機(jī)。 1)空間部分一 GPS 衛(wèi)星星座 :由 21顆工作衛(wèi)星和 3 顆在軌備用衛(wèi)星組成 GPS衛(wèi)星星座，記作 ((21+3)GPS 星座。 24 顆衛(wèi)星均勻分布在 6 個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為 55 度，各個(gè)軌道平面之間相距 60 度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差 90 度，一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30 度。在兩萬公里高空 的 GPS 衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行約二周，繞地球一周的時(shí)間為差兩分鐘 12 恒星時(shí)。這樣，對于地面觀測者來說，每天將提前 4 分鐘見到同一顆 GPS 衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到 4 顆，最多可見到 11 顆?？臻g部分的三顆備用衛(wèi)星，可在必要時(shí)根據(jù)指令代替發(fā)生故障的衛(wèi)星，這對于保障 GPS空間部分的正常高效的工作極為重要。