【正文】 稱ITRS )，是對車體進(jìn)行自主定位的系統(tǒng)，是各種信息技術(shù)，包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、計算機(jī)、電子傳感器以及軟件開發(fā)等的綜合系統(tǒng)。因此，將全球定位系統(tǒng)應(yīng)用于車輛導(dǎo)航將成為未來20年中全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用的最大的潛在市場之一。21世紀(jì)，汽車是現(xiàn)代文明社會中與每個人關(guān)系最密切的一種交通工具。第1章 緒論基于GPS汽車導(dǎo)航接收系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒論 2 課題背景 2 開發(fā)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的意義 3 車載定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 3 GPS的發(fā)展?fàn)顩r 3 車載GPS的發(fā)展?fàn)顩r 4 路徑尋優(yōu)的發(fā)展 4 本文主要的研究內(nèi)容和具體工作 4第2章 全球定位系統(tǒng) 5 全球定位系統(tǒng) 5 全球定位系統(tǒng)概述 5 全球定位系統(tǒng)的組成 5 GPS定位原理 6 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn) 7 GPS系統(tǒng)的誤差分析 9 10第3章 汽車導(dǎo)航接收系統(tǒng)的設(shè)計方案 11 車載定位導(dǎo)航硬件系統(tǒng)概述 11 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成 11 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu) 11 GPS接收機(jī)的選用 12 GPS接收機(jī)的分類 12 GARMIN GPS25LP接收機(jī) 14 GPS接收機(jī)與PC機(jī)間的接口電路 16 18第4章 接收機(jī)與計算機(jī)間通訊的連接設(shè)計 19 19 19 19 GPS接收機(jī)與車載計算機(jī)間的串行通訊 20—NMEA接收輸出語句 20 20 21 21第5章 定位導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑尋優(yōu)控制 25 最短路徑尋優(yōu) 25 最短路徑 25 最短路徑算法 25 集成環(huán)境下的路徑尋優(yōu) 28—數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)表的設(shè)計 28 29 35結(jié) 論 37參考文獻(xiàn) 39附錄 41附錄 46附錄 49附錄 55致謝 61第1章 緒論 課題背景近年來，隨著高精度、低價格、實(shí)時、安全可靠的定位測量和授時方法的出現(xiàn)，全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用。特別是全球定位系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)(Geography InformationSystem，簡稱GIS)相結(jié)合的導(dǎo)航產(chǎn)品或系統(tǒng)，在世界范圍內(nèi)己成為發(fā)展熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計，僅幾個發(fā)達(dá)國家的汽車保有量目前已達(dá)數(shù)千萬輛。在我國，僅特種車輛就有幾十萬輛，可以說，GPS導(dǎo)航定位在公路交通系統(tǒng)中的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。它也是駕車用戶直接使用和操作的部分，是綜合各種交通信息并以簡單友好的方式向用戶提供駕駛信息的關(guān)鍵設(shè)備。該系統(tǒng)要求:(1)具有快速的運(yùn)算能力、顯示畫面有豐富的色彩、能提供語音信息、有大量數(shù)據(jù)的讀取能力。(3)具有豐富的軟件，能向用戶提供豐富的駕駛信息，如:最佳的行車路線、地理信息查詢等。(5)適合于任何道路、任何天氣下，從大型貨車到高級轎車。根據(jù)導(dǎo)航臺的位置來看，導(dǎo)航系統(tǒng)可分為: (1)陸基導(dǎo)航系統(tǒng):導(dǎo)航臺位于陸地上，導(dǎo)航臺與導(dǎo)航設(shè)備之間用無線電波聯(lián)系。全球定位系統(tǒng)的出現(xiàn)，開創(chuàng)了人類導(dǎo)航技術(shù)的新時代。特別是把GPS定位的準(zhǔn)確性與電子地圖的直接性以及計算機(jī)的多媒體特性生動形象地結(jié)合在一起的車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，使導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)入了一個全新的領(lǐng)域。不僅使人們知道自己所處的地理位置，還可以對自己所處的環(huán)境及各種所需的專項(xiàng)信息有進(jìn)一步的了解，從而大大提高了導(dǎo)航的性能。 車載定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r GPS的發(fā)展?fàn)顩r80年代初，我國一些院校和科研單位開始研究GPS技術(shù)。80年代中期，我國開始引進(jìn)GPS接收機(jī)，并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)人士估計，目前我國的GPS接收機(jī)擁有量約在4萬臺左右，其中測量類約500700臺，航空類約幾百臺，航海類約3萬多臺，車載類數(shù)千臺，而且以每年兩萬臺的速度增加。目前，陸?？盏膶?dǎo)航核導(dǎo)彈的制導(dǎo)、大地測量和工程測量的精密定位、時間的傳遞和速度的測量等，都應(yīng)用了GPS技術(shù)。我國的《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》己于1992年10月1日起實(shí)施。GPS技術(shù)的應(yīng)用正向更深層次發(fā)展。GPS信號接收機(jī)在人們生活中的應(yīng)用，是一個難以用數(shù)字預(yù)測的廣闊天地。今后，所有運(yùn)載器，都將依賴于GPS。 車載GPS的發(fā)展?fàn)顩r 路徑尋優(yōu)的發(fā)展 本文主要的研究內(nèi)容和具體工作針對采用車載GPS接收機(jī)進(jìn)行自主定位的車輛很少，且成本較高、定位精度不夠等缺陷，本文提出了一套車載自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計方案，旨在研究一套成本低的具有現(xiàn)代化、智能化的車載自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的多項(xiàng)功能。(2)GPS與GIS兩系統(tǒng)的集成車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)是集GPS定位的準(zhǔn)確性與電子地圖的直接性以及計算機(jī)生動的多媒體特性于一體的系統(tǒng)，因此必須實(shí)現(xiàn)GPS與GIS兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，本文選用了適當(dāng)?shù)姆椒▽PS與GIS兩系統(tǒng)集成。 (3)最短路徑尋優(yōu)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的一個重要功能就是利用地理信息系統(tǒng)的空間優(yōu)勢快速生成通往目的地的最短行車路線，本文在集成后的車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)道路網(wǎng)中，采用Dijkstra算法求出最短的行車路線，為司機(jī)行車提供了幫助。目前，全球定位系統(tǒng)己成為迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，隨著GPS的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度。(2)地面監(jiān)控系統(tǒng):對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)己知點(diǎn)。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時間系統(tǒng)。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。(3)GPS信號接收機(jī):GPS信號接收機(jī)的任務(wù)是:能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。同時采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。在用機(jī)外電池的過程中，機(jī)內(nèi)電池自動充電。 GPS定位原理GPS是一種利用時間測距的定位系統(tǒng)，其定位的基本原理如下:pSdpiS 圖21地面點(diǎn)與衛(wèi)星的幾何關(guān)系如圖21所示，設(shè)用戶地面點(diǎn)P到衛(wèi)星S的距離為dpi,如果衛(wèi)星時鐘和接收機(jī)時鐘完全同步，則有如下方程: dpi= C(tprtsv)CτA ( 21 )式中: C 光速，m/s tpr地面接收機(jī)的同步觀測時刻，S tsv衛(wèi)星Si的同步發(fā)射時刻，S τA傳播路徑中的附加延時，S實(shí)際上，衛(wèi)星時鐘和接收機(jī)不可能完全同步，所以，實(shí)際測出的距離并非實(shí)際距離，稱為偽距，記為ρpi，并且有: ρpi = C(tpritsvi ) ( 22 )式中: t含鐘差的地面接收機(jī)的觀測時刻，Stsvi含鐘差的衛(wèi)星si的發(fā)射時刻，S其中 t=tpr+δtpri (23) tsvi=tsv +δtsvi (24)式中: δtprit地面接收機(jī)的鐘差，S δtsvi衛(wèi)星si發(fā)射時刻的鐘差，S則有:ρpi=C(tprtsv)+ C (δtpriδtsvi)=dpi+CτA +C(δtpriδtsvi) =dpi+dpi (25)式中: δd測距誤差另一方面，接收機(jī)可以通過衛(wèi)星星歷解算出S點(diǎn)的坐標(biāo)(Xsi,Ysi,Zsi),這里，設(shè)用戶位置p點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xp,Yp,Zp)，則有: dPi= (26)將式(26 )代入式(25)ρpi =+δdpi (27)其中，Xp ，Yp，Zp和δdpi為未知數(shù)，因此，若同時觀測到4顆不同衛(wèi)星到P點(diǎn)的偽距值ρpi(i =1,2,3,4)，根據(jù)式( 27 )導(dǎo)出的四個方程聯(lián)立成方程組，即可求出各未知數(shù)，從而求出P點(diǎn)的坐標(biāo)(Xp,Yp,Zp)。 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)GPS導(dǎo)航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)著稱。在3001500m工程精密定位中，1小時以上觀測的解析平面位置誤差小于1 mm，與ME5000電磁波測距儀測定的邊長比較。快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流動站與基準(zhǔn)站相距在15Km以內(nèi)時，流動站觀測時間只需12分鐘，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。由于無需點(diǎn)間通視，點(diǎn)位位置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點(diǎn)工作甚為靈活，也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測量工作。(5)可提供三維坐標(biāo)經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測量的精度。接收機(jī)的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強(qiáng)度，使野外工作變得輕松愉快。而且，目前GPS觀測可在一天24小時內(nèi)的任何時間進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。 GPS系統(tǒng)的誤差分析GPS在定位過程中產(chǎn)生各種誤差，這種誤差按性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。影響GPS定位精度的因素可分為以下四大類: (1)與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素① SA：美國政府在GPS基準(zhǔn)信號中加入高頻抖動等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時的精度。星歷誤差的大小主要取決于衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的質(zhì)量。由于衛(wèi)星上的原子鐘帶來的誤差主要表現(xiàn)為系統(tǒng)誤差。(2)與傳播途徑有關(guān)的因素①電離層延遲：由于地球周圍的電離層對電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。②對流層延遲：由于地球周圍的對流層對電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為對流層延遲。③多路徑效應(yīng)：由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號中還包含有各種反射和折射信號的影響，就是所謂的多路徑效應(yīng)。②接收機(jī)天線相位中心偏差：接收機(jī)天線相位中心偏差是GPS接收機(jī)天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)的相位中心之間的差異。(4)其他因素① GPS控制部分人為或計算機(jī)造成的影響：由于GPS控制部分的問題或用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時引入的誤差等。上述的各項(xiàng)誤差對測距的影響可達(dá)數(shù)十米，有時甚至可超過百米，比觀測噪聲大幾個數(shù)量級。消除和削弱這些誤差的主要方法有:(1)建立誤差改正數(shù)模型(2)求差法：利用誤差在觀測之間的相關(guān)性或定位結(jié)果之間的相關(guān)性，安排適當(dāng)?shù)挠^測綱要和數(shù)據(jù)處理方法(如同步觀測、相對定位等)，通過求差的方法來消除或大幅度的削弱其影響。(4)差分法或軟件修正法改善SA：在眾多的誤差源中，SA是美國為防止未經(jīng)許可的用戶把GPS用于軍事目的，采取了SA(Selective Availability)政策，人為地加入誤差信號，故意降低定位精度。另一種是軟件修正法，這種方法硬件不用投入，軟件修正后的顯示精度可達(dá)l0m。但對精度要求高的系統(tǒng)，軟件修正法便不能勝任，只能采用差分法了。第3章 汽車導(dǎo)航接收系統(tǒng)的設(shè)計方案第3章 汽車導(dǎo)航接收系統(tǒng)的設(shè)計方案 車載定位導(dǎo)航硬件系統(tǒng)概述本系統(tǒng)要求在強(qiáng)烈的震動沖擊、高低溫等惡劣條件下仍能正常工作，通訊系統(tǒng)也必須有足夠的可靠性。針對這些具體的要求，本文提出了一套定位導(dǎo)航系統(tǒng)的整體方案和設(shè)計思想，對信號的接收做了研究。其中，開發(fā)車載智能系統(tǒng)的車載計算機(jī)一般是使用便攜計算機(jī)和使用購買的準(zhǔn)計算機(jī)(如cardPC, PC / 104, palmtopPC等)為基本平臺，本課題考慮到車載計算機(jī)體積小、重量輕等特點(diǎn)，一般選用PC/104。 GPS衛(wèi)星 通訊衛(wèi)星 GPS衛(wèi)星