【文章內(nèi)容簡介】 Positioning System）。簡單地說，這是一個由覆蓋全球的 24 顆 衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到 4 顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時等功能。這項技術(shù)可以用來引導(dǎo)飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時到達目的地 。 研究背景及意義 GPS 系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的一種基于衛(wèi)星的無源定位系統(tǒng)。它可以提供陸?？帐褂谜呔_、持續(xù)、全天候、全球性航行、位置和時間的信息，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海導(dǎo)航 /制導(dǎo)以及地面交通等場合。 GPS 測量技術(shù) 能夠快速、高效、準(zhǔn)確地提供點、線、面要素的精確三維坐標(biāo)以及其他相關(guān)信息，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛應(yīng)用于軍事、民用交通 (船舶、飛機、汽車等 )導(dǎo)航、大地測量、攝影測量、野外考察探險、 土地利用調(diào)查 、精確農(nóng)業(yè)以及日常生活 (人員跟蹤、休閑娛樂 )等不同領(lǐng)域。 本課題主要是在深入學(xué)習(xí) GPS 系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，利用 GR85 集成模塊，通過單片機編程實現(xiàn)對導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理和顯示，來達到高精度定位的目的。 國內(nèi)外相關(guān)研究情況 GPS 又稱為 全球定位系統(tǒng) （ Global Positioning System GPS）是美國從上世紀(jì) 70 年代開始研制，歷時 20 年、耗資 200 億美元，于 1994 年 3 月完成其整體部署，實現(xiàn)其全天候、高精度和全球的覆蓋能力?，F(xiàn)在 GPS 與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，使得測定地球表面三維坐標(biāo)的方法從靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)， 從數(shù)據(jù)后處理發(fā)展到實時的定位與導(dǎo)航，極大地擴展了它的應(yīng)用廣度和深度。載波相位差分法 GPS技術(shù)可以極大提高相對定位精度，在小范圍內(nèi)可以達到厘米級精度。此外由于GPS 測量技術(shù)對測點間地通視和幾何圖形等方面的要求比常規(guī)測量方法更加靈西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 活、方便，已完全可以用來施測各種等級的控制網(wǎng)。 GPS 全站儀的發(fā)展在地形和土地測量以及各種工程、變形、地表沉陷監(jiān)測中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優(yōu)越性。 我國已研究構(gòu)造自主的 GPS 系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國的 全球定位系統(tǒng) （ GPS）和俄羅斯的 GLONASS 之后第三個成熟的 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 。系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并兼具短報文通信能力。截止20xx 年 5 月在軌衛(wèi)星 12 顆，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r能力。北 斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在 2020 年形成全球覆蓋能力。目前其定位精度優(yōu)于 20m，授時精度優(yōu)于 100ns。預(yù)計到 2020 初步建立起來覆蓋全球的 GPS 系統(tǒng)。 設(shè)計 (論文 )的主要內(nèi)容 (1) GPS 技術(shù)的相關(guān)文檔 ,熟悉 GPS 技術(shù)的應(yīng)用 ； (2) 學(xué)習(xí)和掌握單片機原理 ,軟硬件接口；閱讀相關(guān)英文資料 ,提高自己的閱讀能力 ； (3) 通過系統(tǒng)的設(shè)計 ,調(diào)試等具體工作 ,熟悉系統(tǒng)的設(shè)計過程 ,提高自己綜合應(yīng)用所學(xué)知識 ,獨立解決問題的能力 。 主要技術(shù)指標(biāo)：實現(xiàn)單片機與 GPS 模塊之間得數(shù)據(jù)通訊，并用液晶顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，達到高精度定位的目 的。 GPS 技術(shù)的前景 (1) 在大地測量方面，利用 GPS 技術(shù)開展國際聯(lián)測，建立全球性大地控制網(wǎng)，提供高精度的地心坐標(biāo)，測定和精化大地水準(zhǔn)面，組織各部門參加1992 年全國 GPS 定位大會戰(zhàn) ； (2) 在工程測量方面，應(yīng)用 GPS 靜態(tài)相對定位技術(shù)，布設(shè) 精密工程控制網(wǎng) ，用于城市和 礦區(qū) 油田地面沉降監(jiān)測、大壩變形、高層建筑變形監(jiān)測，隧道貫通測量等精密工程，測繪各種 比例尺地形圖 和施工放樣等 ； (3) 在 航空攝影測量 方面，應(yīng)用 GPS 技術(shù)進行航測外業(yè)控制測量、攝航飛行導(dǎo)航、機 載 GPS 航測等航測成圖等 ； (4) 在地球動力學(xué)方面，我國應(yīng)用 GPS 技術(shù)于監(jiān)測南極洲板塊運動、青藏高原 地殼運動、 四川 鮮水河地殼斷裂運動，建立了 中國 地殼形變觀測網(wǎng)、 三峽庫區(qū) 形變觀測網(wǎng)、首都圈 GPS 形變監(jiān)測網(wǎng)等 ； (5) 在海洋測繪方面，我國已經(jīng)應(yīng)用 GPS 技術(shù) 于海洋 測量、水下 地形測量 。2 GPS 原理 3 2 GPS 原理 GPS 的定義 利用 GPS 定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)， GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。 GPS 起始于 1958 年美國軍方的一個項目， 1964 年投入使用。 20 世紀(jì) 70 年代，美國陸?？杖娐?lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng) GPS 。主要目的是為陸?？杖箢I(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的 ，經(jīng)過 20 余年的研究實驗，耗資 300 億美元，到 1994年，全球覆蓋率高達 98%的 24 顆 GPS 衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。在機械領(lǐng)域 GPS則有另外一種含義：產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī) (Geometrical Product Specifications)簡稱GPS。另外一種解釋為 G/s（ GB per s）。 GPS 定位監(jiān)控系統(tǒng)依托全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（ GPS） ,通過 GPS 終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成三層聯(lián)網(wǎng)式綜合監(jiān)管系統(tǒng)，從而達到對人、車輛的位置、實時移動的軌跡進行管理，例如在對車輛的管理上，GPS 定位監(jiān)控系統(tǒng)可以提供車輛防盜、反劫、 行駛路線監(jiān)控、車內(nèi)車外視頻圖像實時無線傳輸、事故快速響應(yīng)、呼叫指揮等功能。 GPS 簡介 GPS 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；這三個要素缺一不可；通過這三個要素，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 GPS 系統(tǒng)的前身是美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)（ Transit）， 1958年研制， 1964 年正式投入使用。該系統(tǒng)用 5 到 6 顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球 13 次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位 取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為 GPS 系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 為此，美國海軍研究實驗室（ NRL）提出了名為 Tinmation 的用 12 到18 顆衛(wèi)星組成 10000km 高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于 67 年、 69 年和 74 年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這使GPS 系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。而美國空軍則提出了 621B 的以每星群 4 到 5顆衛(wèi)星組成 3 至 4 個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除 1 顆采用同步軌道外其余的都使用周期為 24h 的傾斜軌道，該計劃以偽隨機碼（ PRN）為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，當(dāng)信號密度低于環(huán)境噪聲的 1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是 GPS 系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎(chǔ)。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的 2 維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設(shè)計的，所以 1973 年美國國防部將 2 者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航 定位聯(lián)合計劃局（ JPO）領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。 組成部分 空間部分 GPS 的空間部分主要成員是衛(wèi)星星座；作用是發(fā)送信號，用于測距和告知自身的位置。它是由 24 顆衛(wèi)星組成（ 21 顆工作衛(wèi)星； 3 顆備用衛(wèi)星），它位于距地表 20200km 的上空，均勻分布在 6 個軌道面上（每個軌道面 4 顆），軌道傾角為 55176。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到 4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中 預(yù)存導(dǎo)航信息， GPS 的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題；隨著時間的推移，導(dǎo)航精度會逐漸降低。 地面控制系統(tǒng) 地面控制系統(tǒng)主要由監(jiān)測站 (Monitor Station）、主控制站（ Master Monitor Station）、地面天線（ Ground Antenna）所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（ Colorado Spring）。 地面控制系統(tǒng)的主要作用是監(jiān)控、操縱系統(tǒng)，預(yù)報衛(wèi)星軌道和鐘差。地面控制站負責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計算衛(wèi)星星歷、相對距離，大氣校正等數(shù)據(jù)。 用戶設(shè)備系統(tǒng) 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 用戶設(shè)備部分即 GPS 信號接收機，主要成員是接收機及其輔助設(shè)備，它的主要作用是接受信號，用于定位、測速和授時。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及 GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的 GPS 用戶設(shè)備。 GPS 接收機 的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后機內(nèi)電池為 RAM 存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。其次則為使用者接收器，現(xiàn)有單頻與雙頻兩種，但由于價格因素，一般使用者所購買的多為單頻接收器。 工作原理 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)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，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 二進制碼元組成的偽隨機碼（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)系中的位西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 置速度等信息便可得知。 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，還要引進一個 Δt 即衛(wèi)星與接收機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所處的位置，至少要能接收到 4 個衛(wèi)星的信號。 GPS 接收機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)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處 概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(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 接收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離，由于含有接收機衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對 0A 碼測得的偽距稱為UA 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 接收機對收到的衛(wèi)星信號，進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本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機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和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(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，而要達到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。 按定位方式， GPS 定位分為單點定位和相對定位（差分