【正文】 供選用 1800B/s（其他波特率可供選擇） 8 位數(shù)據(jù)位， 1 位停止位，無奇偶校驗(yàn)位 外觀尺寸： 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 引腳說明： Pin1 VDD ~ VDC input Pin2 UART Tx NMEA serial data output Pin3 UART Rx Serial data input Pin4 NC Not connect, must be floating for normal operation Pin5 GND Ground Pin6 LED For GPS status (LED) indication 接收模塊的輸出數(shù)據(jù)格式 Progin SR87 模塊的輸出數(shù)據(jù)采用 NMEA0183 協(xié)議表示。 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 接收模塊 GPS 接收模塊的任務(wù)就是從衛(wèi)星廣播信號(hào)中解調(diào)出導(dǎo)航電文，然后從導(dǎo)航電文中獲取 GPS 的各種軌道參數(shù)，再根據(jù)前述方程組解算出觀測站的實(shí)時(shí)位置。數(shù)據(jù)塊 IV 空置，留作備用。 數(shù)據(jù)塊 III 含在子幀 5 內(nèi)，它提供 GPS 衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。這是 GPS 定位中最常用的數(shù)據(jù)。 子幀 1 的第 310 個(gè)字碼為數(shù)據(jù)塊 I，它的主要內(nèi)容是 :標(biāo)志碼 (指明載 波 L2 的調(diào)制波類型、星期序號(hào)、衛(wèi)星的健康狀況 )、數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)。其中所含的同 步信號(hào)為各子幀提供了一個(gè)同步起點(diǎn)，使用戶便于解釋電文數(shù)據(jù)。導(dǎo)航電文的內(nèi)容包括遙測碼 （ TLM)、轉(zhuǎn)換碼 （ HOW） 、數(shù)據(jù)塊 I、數(shù)據(jù)塊 II 和數(shù)據(jù)塊 III 等 5 部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如 下 圖所示。一幀完整的電文共有375000bit，需要 750s 才能傳送完，花費(fèi)時(shí)間達(dá) 125min。每幀導(dǎo)航電文包括 5 個(gè)子幀，每個(gè)子 幀長 6s，共有300bit。這些信息以 50biUs的速率調(diào)制在載頻上，數(shù)據(jù)采用不歸零制困 RZ)的二進(jìn)制。 導(dǎo)航電文 導(dǎo)航電文是用戶用來定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)，是由衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制出來的數(shù)據(jù)碼，包含了衛(wèi)星的星歷、工作狀態(tài)、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延、大氣折射改正以及由 CA/碼捕獲 P 碼等導(dǎo)航信息。 其中 CA/碼為粗碼，碼結(jié)構(gòu)是公開的，供一般用戶使用，定位精度可達(dá) 2040米。在載波 Ll 調(diào)制有 CA/碼、 P 碼和數(shù)據(jù)碼，而在載波 LZ 上只調(diào)制 P 碼和數(shù)據(jù)碼。所有這些信號(hào)均在同一頻率介 的控制下產(chǎn)生的 151。可以采用許多線性化算法或迭代算法進(jìn)行解算。 聯(lián)立四個(gè)方程得到以上方程組，求解聯(lián)立方程組可求出用戶的三維坐標(biāo)。 如 下 圖所示，每一顆衛(wèi)星連續(xù)不斷地向 GPS 接收機(jī)發(fā)送可跟蹤的唯一編碼序列， GPS 接 收機(jī)可根據(jù)編碼辨認(rèn)相關(guān)的衛(wèi)星，進(jìn)而計(jì)算出接收機(jī)的確切位置和準(zhǔn)確時(shí)間。根據(jù)集合原理，在已知球心坐標(biāo)和半徑的條件下，寫出聯(lián)列的三個(gè)球面方程，求得的公共解坐標(biāo)就一定是觀測站（ GPS 接收機(jī)）在地球坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。具體如下： GPS 衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)已知，我們就在地球坐標(biāo)系中用它來做為一個(gè)球心O1，有知道衛(wèi)星到測站的距離 R1，則以它為半徑，可在地球系里面畫出一個(gè)球面來。 用戶設(shè)備主要由 GPS 接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件組成，而 GPS 接收機(jī)的硬件一般包括主機(jī)、天線和電源。 用戶設(shè)備部分 GPS 的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)，而用戶只有通過用戶設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn) GPS 導(dǎo)航和定位的目的。在整個(gè) GPS 的地面監(jiān)控部分，除主控站外無人值守。 (4)啟用備用衛(wèi)星以替代實(shí)效的工作衛(wèi)星。各監(jiān)測站和 GPS 衛(wèi)星的原子鐘均應(yīng)與主控站的原子鐘向步或測出其鐘差，并把這些鐘差信息編入導(dǎo)航電文送到注入站。主控站除協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作外，其主要任務(wù)是 :(1)根據(jù)本站和其他監(jiān)控站的所有觀測資料推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù) 據(jù)傳送到注入站。所有觀測資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，在存儲(chǔ)和傳達(dá)到主控站，用以確定衛(wèi)星的精密軌道。原子鐘提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。站內(nèi)設(shè)有雙頻 GPS 接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)和若干環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 地面監(jiān)控部分 GPS 的地面監(jiān)控部分目前由分布在全球的 5 個(gè)地面站組成，包括衛(wèi)星監(jiān) 控站、主控站和信息注入站。 (4)向用戶發(fā)送導(dǎo)航與定位信息。 (2)衛(wèi)星上設(shè)有微處理器，進(jìn)行部分必要的數(shù)據(jù)處理工作。空間部分的 3 顆備用衛(wèi)星在必要的時(shí)候，將根據(jù)指令代替發(fā) 生事故的衛(wèi)星工作，這對(duì)于保障 GPS 空間部分正常而高效地工作是極其重要的。 GPS 衛(wèi)星在空間的上述配置，保障了在地球任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均至少可以同時(shí)觀測到 4 顆衛(wèi)星。因此，同一觀測站上每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前 4mni。衛(wèi)星軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角為 55 度，各軌道平面升交點(diǎn)赤道相差 60 度 ，在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交角距相差 30 度。 LCD 顯示地圖，經(jīng)度，緯度，速度等導(dǎo)航數(shù)據(jù) NMEA 0183 HPI MMCX 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 3 GPS 全球定位系統(tǒng) 系統(tǒng)的組成 GPS 主要有三大組成部分 :GPS 衛(wèi)星 (空間星座部分 )、地面支撐系統(tǒng) (地面監(jiān)控部分 )、 GPS 接收機(jī) (用戶設(shè)備部分 )。 GPS 模塊從天線接收衛(wèi)星信號(hào)，輸出NMEA0183 協(xié)議導(dǎo)航數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)誤差情況，建立濾波模型；有信號(hào)時(shí)，進(jìn)行卡爾曼濾波；無信號(hào)時(shí)，進(jìn)行平滑處理，從而得到精確連續(xù)的導(dǎo)航數(shù)據(jù) 主控平臺(tái)，上面運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。 5，采用 ARM 和 UC/OS， UC/GUI 構(gòu)建主控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在地圖上顯示用戶的位置信息。這部分涉及 較 多數(shù)學(xué)上的復(fù)雜運(yùn)算，而且卡爾曼濾波器本身的參數(shù)會(huì)隨著濾波的次數(shù)增加而變化，達(dá)到一定的程度，才趨于穩(wěn)定，如果模型建立不合理，還會(huì)出現(xiàn)濾波誤差增大，甚至“發(fā)散”的現(xiàn)象； 4，掌握 DSP 芯片的工作原理及其匯編語言， C語言 編程 。不過卡爾曼濾波算法，涉及到大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，使用實(shí)時(shí)性能比較好的數(shù)字信號(hào)處理 按鍵中斷處理 UCGUI界面 UCOS 管理調(diào)度 與 DSP通信 GPS模塊 SR87 DSP TMS320VC5402 任務(wù)通信 任務(wù)通信 任務(wù) 調(diào)度 任務(wù) 調(diào)度 ARM7 S3C44B0X LCD lm7m632 任務(wù) 調(diào)度 HPI 口 傳遞導(dǎo)航數(shù)據(jù) 應(yīng)用軟件 操作系統(tǒng) 接收 GPS衛(wèi)星信號(hào) 實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波算 法及平滑處理 主 控平臺(tái) 顯示地圖等導(dǎo)航信息 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 器，是很有必要的，本設(shè)計(jì)采用 TI 公司的 TMS320VC5402，它能很好地滿足本設(shè)計(jì)的性能要求，而且它提供豐富的指令集，只是它沒具備異步串行通信接口，而 GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)是異步串行信號(hào)，為了在節(jié)省成本的前提下解決這個(gè)矛盾，本設(shè)計(jì)使用 DSP 的 I/O 口來接收 GPS 數(shù)據(jù)。這種模塊非常適用于手持設(shè)備或者車載嵌入式系統(tǒng)中，另外，考慮到 汽車的外殼，特別是汽車防爆膜會(huì) 對(duì) GPS 信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻礙 ，所以本設(shè)計(jì)采用 一個(gè)帶磁鐵（能吸附到車頂）的外接天線 來接收衛(wèi)星信號(hào)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 如下 所示： GPS 接收模塊的任務(wù)就是從衛(wèi)星廣播信號(hào)中解調(diào)出 導(dǎo)航電文，然后從導(dǎo)航電文中獲取 GPS的各種軌道參數(shù)，再根據(jù)定位方程組解算出觀測站的實(shí)時(shí)位置。 ： 該 GPS 導(dǎo)航儀具有易安裝，易使用的人性化設(shè)計(jì)特點(diǎn)， 適合廣大用戶使用。 高可靠性：所 設(shè)計(jì)的導(dǎo)航儀器必須有高可靠性，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，尤其是采用卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，從而得到高精度的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。 可擴(kuò)展性：應(yīng)用的技術(shù)不斷向前發(fā)展，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，或增加與其他系統(tǒng)的互連。 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2 設(shè)計(jì)說明 設(shè)計(jì)原則 根據(jù)以上需求分析、總體設(shè)計(jì)要求，結(jié)合 目標(biāo)產(chǎn)品的性能指標(biāo)，該車載 GPS 導(dǎo)航儀的設(shè)計(jì) 必須滿足以下設(shè)計(jì)原則： 本 設(shè)計(jì)以‘滿足客戶的需求’為第一前提，適當(dāng)超前，統(tǒng)一規(guī)劃；滿足客戶需求是根 據(jù)需求分析進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，本 設(shè)計(jì)的工作都能反映 客戶的需求。 目前，國內(nèi)外專家在這方面也取得了一定的突破 ，比如采用 GPS/INS 這樣的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，很大程度上解決了上述問題 ，可是，這種組合系統(tǒng)，成本較高，只適用于高端或者特殊場合，不便于 推廣。 可是 目前車輛導(dǎo)航系統(tǒng)所廣泛采用的GPS 定位系統(tǒng) 雖然 具有全天候、高效率、多功能、操作簡便、使用廣泛等顯著優(yōu)點(diǎn)，但 GPS的工作嚴(yán)重地受到環(huán)境的影響，尤其是電磁干擾、多路徑效應(yīng)、由樹木產(chǎn)生的信號(hào)衰減、城市高層建筑群及立交橋等對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的遮擋，使得 GPS 信號(hào)的可見性變差，甚至可見星少于 4 顆而無法定位。 要使用戶獲知車輛位置或者向用戶提供 操縱指示，就必須精確地確定車的位置。 業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì) ,未來三年內(nèi) ,我國車載 GPS 導(dǎo)航器的市場預(yù)計(jì)將有 100 億元以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國 2020 年汽車銷售達(dá)到 500 多萬輛，汽車保有量達(dá)到2500 多萬輛，私家車保有量達(dá)到 700 多萬輛。此類產(chǎn)品可以針對(duì)不同行業(yè)的需 求進(jìn)行組合，因而應(yīng)用非常廣泛，大部分功能都是基于定位功能延伸出來的。車載 GPS產(chǎn)品通常是指安裝在車輛上，可以確定車輛的位置，并結(jié)合通訊模塊把位置信息發(fā)送給服務(wù)中心的系統(tǒng)。 具有導(dǎo)航、定位、防盜等實(shí)用功能的車載 GPS 產(chǎn)品在我國有著廣闊的市場前景。盡管目前車載導(dǎo)航系統(tǒng)在國內(nèi)的使用還很有限，但其巨大的市場潛力已經(jīng)引起各方的關(guān)注。 改革開放后，隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的迅速發(fā)展，如何研究一套適合我國國情的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，使之能滿足國內(nèi)運(yùn)輸和車輛管理的需要，這對(duì)我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于巨大的市場潛力和不可估量的發(fā)展前景，日本幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家都參加了這一高科技角逐，僅近幾年投入市場的新系統(tǒng)就有 30 多個(gè)。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)，極大的解決了上述問題， 使提供全球，全天候和實(shí)時(shí)的導(dǎo)航成為現(xiàn)實(shí)， 也 從根本上促進(jìn)了 IT 技術(shù)的整體發(fā)展。 研究背景和前景分析 當(dāng)前，用在汽車導(dǎo)航的技術(shù)有多種，例如，將磁羅盤方位儀和速度儀結(jié)合在一起，利用航位推算技術(shù)可以對(duì)車輛進(jìn)行定位和測向。有人說，將來只有我們想像力的限制才會(huì)限制 GPS 的潛在應(yīng)用。 GPS 從根本上解決了人類在地球及其周圍空間的導(dǎo)航及定位問題，它不僅可以廣泛地應(yīng)用于海上、陸地和空中動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航、制導(dǎo)和定位，而且可為空間飛行器進(jìn)行精密定軌，滿足軍事部門的需要。從 GPS 計(jì)劃的提出到該系統(tǒng)的建成使用，歷經(jīng) 20 余年，耗資數(shù)百億美元。 1989 年的 2 月 4 日，發(fā)射了 GPS 第一顆工作衛(wèi)星，到 1994 年 3 月 10 日共研制發(fā)射了 28 顆工作衛(wèi)星。第一階段和第二階段共發(fā)射 11 顆試驗(yàn)衛(wèi)星，這些試驗(yàn)衛(wèi)星稱為第一代衛(wèi)星。 第一階段為原理方案可行性驗(yàn)證階段，從 1978 年到 1979 年，共發(fā)射了 4 顆試驗(yàn)衛(wèi)星，建立了地面跟蹤網(wǎng)，研制地面 GPS 接收機(jī)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。 GPS 是一種可以定時(shí)和測距的空間交會(huì)定點(diǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，滿足軍事部門和民用部門的需要。加之獲得一次定位 解所需時(shí)間較長，所以難以充分滿足軍事導(dǎo)航的需求。 1967 年美國政府宣布該系統(tǒng)解密并提供民用。在該系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星軌道通過地極，因此被稱為“子午衛(wèi)星系統(tǒng)”。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的前身是美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(稱為子午儀 )。 整個(gè)系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：GPS、 卡爾曼濾波技術(shù) 、嵌入式技術(shù)、 DSP， ARM、 UC/OS、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。 本設(shè)計(jì)采用卡爾曼濾波技術(shù)大大地提高 了 導(dǎo)航精度，在沒信號(hào)的 時(shí) 段， 則 采用預(yù)測估值的辦法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，既節(jié)省了成本，又能到得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的導(dǎo)航。 本課題的整體思路是將車載導(dǎo)航系統(tǒng)分成三部分：信號(hào)接收子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和 主控平臺(tái)。車載 GPS 導(dǎo)航儀 是融全球衛(wèi)星定位技術(shù) (GPS)和 嵌入式系統(tǒng) 技術(shù)于一體的高科技系統(tǒng)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 車載 GPS 導(dǎo)航儀設(shè)計(jì) The design of the car carry GPS navigater 學(xué)生姓名 梁智雄 所在專業(yè) 通信工程 所在班級(jí) 通信 1042 申請(qǐng)學(xué)位 工學(xué)學(xué)士 指導(dǎo)教師 馮青 職稱 講師 答辯時(shí)間 2020 年 6 月 14 日