【正文】 ，車載 GPS 產(chǎn)品市場需求將進(jìn)入一個(gè)快速增長期，研制國產(chǎn)化車載 GPS 產(chǎn)品近年內(nèi)可望形成一項(xiàng)利潤空間較大產(chǎn)業(yè)。主要由 GPS 接收機(jī)主機(jī)板、天線通訊模塊和顯示屏組成。武漢科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所專家認(rèn)為，車載 GPS 產(chǎn)品在國內(nèi)有著廣闊的市場前景。從實(shí)際情況來看，近年來我國運(yùn)輸市場持續(xù)升溫，各種物流系統(tǒng)均顯示出對 GPS 車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)的明顯需求。 然而，目前市場上的導(dǎo)航儀普遍存在著一些問題。因此，對任何性能良好的車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)來說，精確、可靠的車輛定位是必要的先決條件。因此， 如何實(shí)現(xiàn)確定穩(wěn)定的導(dǎo)航，將成為一個(gè)必須面對的問題。本課題采用卡爾曼濾波技 術(shù)和平滑處理技術(shù)，既降低了成本，又在很大程度上滿足了廣大用戶對準(zhǔn)確 穩(wěn)定導(dǎo)航的需求。 先進(jìn)性：本 產(chǎn)品 技術(shù)領(lǐng)先期長、產(chǎn)品豐富，價(jià)格適中 ，適和 將來發(fā)展的應(yīng)用，這是為未來的發(fā)展作前景性的考慮。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮滿足易于系統(tǒng)在未來使用上擴(kuò)充和升級的要求 ，并且預(yù)留了相應(yīng)接口 。 標(biāo)準(zhǔn)化：作為一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)，必須遵守國 際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而 各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)以及元?dú)饧倪x取 都有一定的標(biāo)準(zhǔn)， 只有符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，才能 保證設(shè)計(jì)的通用性。 設(shè)計(jì)依據(jù) （一） GB/T 193922020 《汽車 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)通用規(guī)范》 （二） GB/T 《全球定位系統(tǒng)（ GPS）術(shù)語及定義》 （三） SJ/T 106942020《 電子產(chǎn)品制造與應(yīng)用系統(tǒng)防靜電檢測通用規(guī)范 》 （四） SJ 208822020《 印制電路組件裝焊工藝要求 》 （五） SJ/Z 90711987《 微處理機(jī)系統(tǒng)的二進(jìn)制浮點(diǎn)運(yùn)算 》 （六） SJ/T 111691998《 鋰電池標(biāo)準(zhǔn) 》 （七） SJ/T 113432020《 數(shù)字電視液晶顯示器通用規(guī)范 》 （八） SJ/T 106942020《 電子產(chǎn)品制造與應(yīng)用系統(tǒng)防靜電檢測通用規(guī)范 》 （九） SJ/T 113642020《 電子信息產(chǎn)品污染控制標(biāo)識要 求 》 目標(biāo)產(chǎn)品介紹： 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 基本參數(shù) 型號 ZLC1 微處理器 S3C44B0， TMS320VC5402 GPS 芯片 SiRF 第三代 內(nèi)存 32MB ROM + 64MB SDRAM 天線 外置 衛(wèi)星天線 數(shù)據(jù)更新率 1 次 /秒 GPS 通道 20 通道 數(shù)據(jù)接口 HPI/MMCX 操作系統(tǒng) UC/OS 屏幕參數(shù) ： 屏幕尺寸 英寸 屏幕特性 TFT 液晶顯示面版 ,LED 背光模塊 ,240320 分辨率 ,6 萬 5 千色彩顯示 坐標(biāo)基準(zhǔn) WGS84 地圖比例尺 從 100 米到 40 公里的比例尺縮放 其他參數(shù) 電池 1350mAH 可充電鋰電池 尺寸 98mm*84mm* 重量 145g 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)的主要思路是： 通過 DSP 接收 GPS 數(shù)據(jù) ， 然后 進(jìn)行卡爾曼濾波或者平滑處理，再 把處理 的 結(jié)果通過 HPI 口遞交給 以 ARM7 為載體的主控平臺，在主控平臺上將用戶的位置和速度等信息實(shí)時(shí)顯示出來。本設(shè)計(jì)采用 Progin 公司的 SR87 接收模塊，該模塊采用高靈敏度，性能良好的 SiRF III 芯片，能夠跟蹤同時(shí)跟蹤多達(dá) 20 顆衛(wèi)星。 用 GPS 進(jìn)行定位的一個(gè)基本問題就是存在多種誤差源影響導(dǎo)航精度，克服誤差，提高精度的方法多種多樣，其 中卡爾曼濾波器是使用比較廣泛的一種， 它 采用 遞推線形最小方差估計(jì)思想，即利用上一時(shí)刻的估計(jì)值和該時(shí)刻的觀測值，估算出該時(shí)刻在 數(shù) 學(xué)意義上的最優(yōu)值，濾波效果非常顯著，加上平滑處理算法，可以得到精確穩(wěn)定的導(dǎo)航參數(shù)。 作為一款大眾化消費(fèi)類導(dǎo)航產(chǎn)品 ，構(gòu)建一個(gè)人性化的主控平臺，是嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本要求，本設(shè)計(jì)選用三星公司的 S3C44B0X 芯片作為處理器 ，嵌入式 UC/OS 作為操作系統(tǒng)， UCGUI 作為圖形用戶界面的開發(fā)環(huán)境，而且很好地對它們進(jìn)行了移植和組合 數(shù)據(jù)流程圖如下所示： 主要內(nèi)容 該設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有如下幾點(diǎn)： 1，根據(jù) 國家消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范，以及相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，確定系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo) 2，掌握 GPS 的基本工 作原理，分析 GPS 衛(wèi)星信號的結(jié)構(gòu)和誤差源，理解 NMEA0183數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議； 3，建立卡爾曼濾波模型，對其進(jìn)行仿真和編程實(shí)現(xiàn)。在節(jié)省硬件成本的前提下，實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波算法，對 GPS 模塊 輸出的 異步 串行信號進(jìn)行 接收 ，而且向主控平臺遞交處理結(jié)果。其中涉及到操作系統(tǒng)和圖形用戶界面的移植應(yīng)用知識 。操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理調(diào)度，應(yīng)用軟件響應(yīng)按鍵操作，接收 DSP 數(shù)據(jù)，控制 LCD顯示等。 空間星座部分 GPS 的空間衛(wèi)星星座由 24 顆衛(wèi)星組成 (其中有 3 顆備用衛(wèi)星 )5fl，這些衛(wèi)星分布在 6 個(gè)軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道面上有 4 顆衛(wèi)星。軌道平均高度約為 ZOZO0mk，衛(wèi)星運(yùn)行周期為 1lh58mni。每顆衛(wèi)星每天約有 sh 在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少為4 顆，最多可達(dá) n 顆。衛(wèi)星信號的傳播和接收不受天氣的影響，這就是使 GPS 成為一種全球性、全天候的連續(xù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。 GPS 衛(wèi)星的基本功能是 : （ l）接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的指令。 (3)通過星載高精度艷鐘和鉚鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。 在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。監(jiān)控站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。接收機(jī)連續(xù)觀測 GPS 衛(wèi)星、采集數(shù)據(jù)、監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況。環(huán)境傳感器收集當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)的氣象數(shù)據(jù)。主控站設(shè)在科羅拉多州。 (2)提供 GPS 的時(shí)間基準(zhǔn)。 (3)調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。注入站現(xiàn)有 3 個(gè)，注入站的主要設(shè)備包括天線、 C 波段發(fā)射機(jī)和計(jì)算機(jī)，其主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其他控制指令等注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。各站間用現(xiàn)代化的通信系統(tǒng) 聯(lián)系起來，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的精確控制下自動(dòng)運(yùn)行。用戶設(shè)備的主要任務(wù)是接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理完成導(dǎo)航和定位工作。 定位的基本原理 GPS 的基本定位原理是 :衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷 參數(shù)和時(shí)間信息，用戶收到這些信息后，經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。同理，倘若該 GPS 接收機(jī)同時(shí)能觀測到第二，第三顆 GPS 衛(wèi)星，并由前述步驟算出第二，三顆衛(wèi)星在地球系中的位置 O2， O3 的坐標(biāo)來，將它們亦作為球心，根據(jù)測站到 O2， O3的觀測距離 R2， R3，再畫出兩個(gè)球面來，由于測站要同時(shí)滿足既在球面 1 上，又要在球 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 面和球 面上，則它必定是在三個(gè)球面的交點(diǎn)上，這意味找由三個(gè)球心 O1， O2， O3 和三個(gè)半徑 R1， R2， R3 作出的球面必交與一點(diǎn)。 另外 ，由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了 用三顆衛(wèi)星確定 用戶的三維坐標(biāo) x、 y、 z 外，還要 利用一個(gè)衛(wèi)星來求出 衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差 Δt。 設(shè)有四顆衛(wèi)星 1,2,3,4，坐標(biāo)為 (Xi， Yi， Zi)(i=1,2,3,4)，用戶坐標(biāo)為 （ Xu， Yu， Zu） Ri 為偽距離，即接收機(jī)到衛(wèi)星的距離 Ri=T*Ci； Δ t 是用戶時(shí)鐘偏差。此為非線性方程組。 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 4 信號接收子系統(tǒng) 的廣播信號 的信號結(jié)構(gòu) GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號包括三種信號分量 :載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼 (即導(dǎo)航電文 )。如 下 圖所示 GPS 利用 L 波段的兩種頻率的信號 Ll 和 LZ 作載波，其頻率分別為 ，目的在于測量和消除因電離層效應(yīng)引起的延遲誤差。GPS 發(fā)射兩種測距碼 :CA/碼和 P 碼，均為偽隨機(jī)噪聲碼，簡稱為偽碼。 P 碼是精碼，是結(jié)構(gòu)不公 開的保密碼，難于捕獲，易于保密，定位精度可達(dá)510 米。它是由衛(wèi)星信號解調(diào)出來的數(shù)據(jù)碼。導(dǎo)航電文采用主幀、子幀、字碼和頁碼格式，每主幀電文長度為 1500bit，傳送速率為 5bit/s，所以發(fā)送一幀電文需要 30s 時(shí)間。第 3 子幀各有 10個(gè)字碼，這三個(gè)子幀的內(nèi)容每 30s 重復(fù)一次，每 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 hl 更新一次，第 5 子幀各有 25 頁，共有 15000bit。電文內(nèi)容在衛(wèi)星注入新的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行更新。 各部分內(nèi)容如下 : 每一個(gè)子幀的第一個(gè)字碼都是遙測碼，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。 每一個(gè)子幀的第二個(gè)字碼都是轉(zhuǎn)換碼，它的主要作用是幫助用戶從已捕獲的C/A 碼轉(zhuǎn)換到 P 碼。 數(shù)據(jù)塊 II 含在子幀 2 和子幀 3 內(nèi)，它載有衛(wèi)星的星歷，即描述有關(guān)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的信息。 。當(dāng)接收機(jī)捕獲到某顆衛(wèi)星后，利用數(shù)據(jù)塊 m 的信息可以得 到其它衛(wèi)星的概略星歷、時(shí)鐘改正、碼分地址和衛(wèi)星狀態(tài)等數(shù)據(jù)。 當(dāng)采用 GPS 進(jìn)行定位解算時(shí)，可通過上述導(dǎo)航電文獲取 GPS 衛(wèi)星的各種軌道參數(shù)，在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)位置。 本設(shè)計(jì)采用 Progin 公司的 SR87 接收模塊，該模塊采用高靈敏度，性能良好的 SiRF III 芯片，能夠跟蹤同時(shí)跟蹤多大 20 顆衛(wèi)星。 NMEA 協(xié)議是為了在不同的 GPS（全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的 BTCM（海事無線電技術(shù)委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，由美國國家海洋電子協(xié)會(huì)（ NMEAThe National Marine Electronics Association）制定的一套通訊協(xié)議。 NMEA0183 協(xié)議是 GPS 接收機(jī)應(yīng)當(dāng)遵守的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也是目前 GPS 接收機(jī)上使用最廣泛的協(xié)議，大多數(shù)常見的 GPS 接收機(jī)、 GPS 數(shù)據(jù)處理軟件、導(dǎo)航軟件都遵守或者至少兼容這個(gè)協(xié)議 NMEA0183 協(xié)議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有 $GPGGA、$GPGSA、 $GPGSV、 $GPRMC、 $GPVTG、 $GPGLL 等。 例： $GPGGA,S,E,1,04,M,0000*1F 字段 0： $GPGGA，語句 ID，表明該語句為 Global Positioning System Fix Data（ GGA） GPS定位信息 字段 1： UTC 時(shí)間， ，時(shí)分秒格式 字段 2：緯度 ，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0） 字段 3：緯度 N（北緯）或 S（南緯） 字段 4：經(jīng)度 ，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0） 字段 5：經(jīng)度 E（東經(jīng)）或 W（西經(jīng)） 字 段 6： GPS 狀態(tài)， 0=未定位， 1=非差分定位， 2=差分定位， 3=無效 PPS， 6=正在估算 字段 7：正在使用的衛(wèi)星數(shù)量（ 00 12）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0） 字段 8： HDOP 水平精度因子（ ） 字段 9：海拔高度（ ） 字段 10：地球橢球面相對大地水準(zhǔn)面的高度 字段 11：差分時(shí)間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數(shù)，如果不是差分定位將為空） 字段 12：差分站 ID 號 0000 1023（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0，如果不是差分定位將為空） 字段 13： 校驗(yàn)值 另外， 在 NMEA 協(xié)議中，數(shù)據(jù)按 8 位 ASCII 碼傳輸，速率是 4800Baud。 但是需要注意的是 GPS 接收機(jī)中會(huì)用到 TTL 或 RS232 兩種接口，這兩 種接口的電平是不一致的， SR87 模塊是 TTL 接口 . 廣東 海洋大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 的誤差源 用 GPS 進(jìn)行定位的一個(gè)基本問題就是如何提高它的定位精度。下面簡要介紹一下造成定位數(shù)據(jù)誤差的誤差源。 與 GPS 衛(wèi)星有關(guān)的誤差有 : （ 1） 衛(wèi)星星歷誤差 GPS 衛(wèi)星星歷誤差是指由衛(wèi)星廣播星歷或其它軌道信息所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星的實(shí)際位置之間的偏差。二是采用軌道改進(jìn)法，來計(jì)算衛(wèi)星定軌參數(shù)。盡管 GPS 衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘，但與理想的 GPS 時(shí)之間仍存在著偏差或漂移。 （ 3） .相對論效應(yīng)產(chǎn)生的誤差 相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘 之間產(chǎn)生相對鐘差的現(xiàn)象。 但是由于相對論效應(yīng)主要取決于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度和重力位，并且是以衛(wèi)星鐘的誤差這 一形式表現(xiàn)的，所以我們將其 歸入此類誤差。所以用信號的傳播時(shí)間乘上真空中光速而得到的距離就會(huì)不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離，這種偏差叫電離層折射誤差。 （ 2） .對流層折射誤差的影響 對流層是高度為 40 公里以下的大氣底層，其大