【正文】 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(duì)定位導(dǎo)航終端進(jìn)行靈敏度和定位精度測(cè)試。第三章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。第五章主要簡(jiǎn)要介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。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。該系統(tǒng)與美國(guó)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。衛(wèi)星運(yùn)行周期T=11時(shí)15分()。直至1995年衛(wèi)星星座布成，經(jīng)過(guò)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)。CTS跟蹤遙控著所有GLONASS可視衛(wèi)星，對(duì)其進(jìn)行測(cè)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。 1)衛(wèi)星信號(hào) 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(hào)。LZ載波信號(hào)的頻率為1246^ 1256MHz。GLONASS衛(wèi)星之間的識(shí)別方法采用頻分復(fù)用(FDMA)技術(shù)，, GLONASS衛(wèi)星測(cè)距粗碼(C/A碼) MHz，碼長(zhǎng)為511比特，重復(fù)周期為lms。 2)定位精度水平精度:士50^70m。測(cè)速精度:士15cm/s。 為了打破美國(guó)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(kāi)發(fā)的最重要的航天計(jì)劃。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2008年運(yùn)行，目前己經(jīng)推遲到2010年。2004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(guó)投入2億歐元參與了這項(xiàng)計(jì)劃(9l0 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)。 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)。 4)定位精度:導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。例如，美國(guó)在20世紀(jì)90年代的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，不僅中斷了全球定位系統(tǒng)，而且給P碼加密，使對(duì)方無(wú)法使用。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，出于軍事需要的考慮，中國(guó)必須發(fā)展自己獨(dú)立的系統(tǒng)。第三顆北斗一號(hào)衛(wèi)星于2003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(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[(}10 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。 3)標(biāo)校系統(tǒng):有測(cè)軌、定位、測(cè)高三類標(biāo)校站。定位標(biāo)校站為差分定位提供基準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)。1)服務(wù)區(qū)域:東經(jīng)70度~145度，北緯50度~55度。3)定位精度:平面精度士20m,垂直精度士l Or n. 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理為:地面中心站通過(guò)2顆同步靜止定位衛(wèi)星傳送測(cè)距問(wèn)詢信號(hào)，如果用戶需要定位則馬上回復(fù)應(yīng)答信號(hào)。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(duì)稱軸南北對(duì)稱的)。 北斗定位系統(tǒng)采用三球交會(huì)測(cè)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))。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)。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(cè)出，所以可以解算出用戶坐標(biāo)。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(lái)完成。并且，信息處理中心具有定時(shí)和短報(bào)文通信功能[al02. 4 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是美國(guó)從本世紀(jì)70年代由美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)開(kāi)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)。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。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(cè)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。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)。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。用戶設(shè)備部分一GPS信號(hào)接收機(jī)。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。在兩萬(wàn)公里高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵?lái)說(shuō)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)。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(jiàn)到4顆，最多可見(jiàn)到11顆。 在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)，為了計(jì)算測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。對(duì)于某地某時(shí)，甚至不能測(cè)得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)，這種時(shí)間段叫做“間隙段”。GPS工作衛(wèi)星的編號(hào)和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。主控站設(shè)在范登堡空軍基地，它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。注入站的主要任務(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(chǔ)系統(tǒng)，并檢測(cè)注入信息的正確性。 3)用戶設(shè)備部分一GPS信號(hào)接收機(jī)GPS信號(hào)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(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備，即GPS信號(hào)接收機(jī)，就可以在任何時(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。目前，世界上有很多廠家生產(chǎn)GPS接收機(jī)，產(chǎn)品數(shù)目繁多，性能差異也各有千秋[(6](710 1)定軌精度:廣播星歷是由美國(guó)本土以及海外軍事基地上的5個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算的。廣播星歷所預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置的切向誤差士5m。法向誤差士3m。值得指出的是，由國(guó)際GPS地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)組織(IGS)所測(cè)算預(yù)報(bào)的精密星歷比美國(guó)軍方測(cè)定的精密星歷的精度要高得多，衛(wèi)星位置精度可達(dá)土3厘米。這些信號(hào)分量都是在同一個(gè)基本頻率FO=。GPS衛(wèi)星的測(cè)距和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上，即在兩個(gè)波段(L1==)的載波信號(hào)中。 l] e 美國(guó)國(guó)防部1992年宣布在所有GPS衛(wèi)星上實(shí)施選擇可用性(SA,SelectiveAvailability)技術(shù)，降低C/A碼的水平定位精度和垂直方向的定位精度，在水平方向上為100米，垂直方向上為156米。由于SA的影響，引起的等效偽距測(cè)量誤差大約為30米，這是影響GPS定位精度的最主要原因。為了盡量降低SA政策對(duì)定位精度的影響和盡可能的消除或減少上面提到的誤差，人們提出了差分GPS技術(shù)，即DGPS(Differential GPS)。而測(cè)距精碼((P碼)。對(duì)于載波信號(hào)雙頻機(jī)，它能有效的消除電離層延時(shí)誤差，其相對(duì)定位精度可達(dá):士((1 mm+lppm X D )。每顆GPS衛(wèi)星時(shí)刻發(fā)布其位置和時(shí)間數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶接收機(jī)可以測(cè)量每顆衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)的時(shí)間延遲，根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)乃俣染涂梢杂?jì)算出接收機(jī)到不同衛(wèi)星的距離。衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。為GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。 xi, yi, zi (i=1, 2, 3, 4)一分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。 vto一為接收機(jī)的鐘差。應(yīng)用最廣的是美國(guó)的GPS全球定位系統(tǒng)，以前由于美軍人為施加了SA干擾，使美軍之外的用戶只能得到位置精度100米，授時(shí)精度340納秒的服務(wù)。盡管GLONASS系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行SA千擾，但由于俄羅斯政府的經(jīng)濟(jì)狀況不佳，無(wú)法及時(shí)發(fā)射新的衛(wèi)星以替代達(dá)到或接近服務(wù)壽命的衛(wèi)星。因此，GLONASS很難在由GPS統(tǒng)治的全球?qū)Ш椒?wù)市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。而且北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)需要中心站提供數(shù)字高程圖數(shù)據(jù)和用戶機(jī)發(fā)上行信號(hào)，從而使該系統(tǒng)的用戶容量、導(dǎo)航定位維數(shù)、隱蔽性方面受到限制。當(dāng)前在我國(guó)應(yīng)用最多的還是美國(guó)的GPS系統(tǒng)yu102. 6 GPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) GPS系統(tǒng)是一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)[[31]。利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位，1秒即可完成一次定位，對(duì)高動(dòng)態(tài)用戶尤其重要。這種方式隱蔽性好，而且可容納無(wú)數(shù)多用戶。2. 7 GPS通信協(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(jiàn)的GPS接收機(jī)、GPS數(shù)據(jù)處理軟件、導(dǎo)軟件都遵守或者至少兼容這個(gè)協(xié)議。GPS接收機(jī)根據(jù)NMEA0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過(guò)串口傳送到PC機(jī)、PDA等設(shè)備。要對(duì)GPS信息進(jìn)行提取首先要明白其幀結(jié)構(gòu)(如圖22所示):NMEA Protocol Frame$一}Acidress仁毛value}_「牛咋曲贖cksum}CRLF圖22 NMEA協(xié)議幀結(jié)構(gòu) 本課題中我們所需要的信息比如經(jīng)緯度、經(jīng)緯度方向、GPS定位狀態(tài)、和接收信號(hào)的時(shí)間等都可以從“$GPRMC”幀中獲取，因此下面對(duì)“$GPRMC”具體幀格式簡(jiǎn)要介紹:$GPRMC,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12*hhCRLF 1 UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式 2定位狀態(tài)，A=有效定位，V二無(wú)效定位 3(度分)格式(前面的0也將被傳輸) 4緯度半球N(北半球)或S(南半球) 5(度分)格式(前面的0也將被傳輸) 6經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng)) 7地面速率(^，前面的0也將被傳輸) 8地面航向(^，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸) 9 UTC日期，ddmmyy舊月年)格式 10磁偏角(，前面的0也將被傳輸) 11磁偏角方向，E(東)或W(西) 12模式指示(僅NMEA0183 ，A=自主定位，D=差分，E二估算，N二數(shù)據(jù)無(wú)效第3章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本文研究的定位導(dǎo)航系統(tǒng)是綜合運(yùn)用soc技術(shù)、GPS技術(shù)和通信技術(shù)。 GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個(gè)多技術(shù)融合的技術(shù)系統(tǒng)，需要的基礎(chǔ)支持技術(shù)包括GPS定位技術(shù)、地理信息描述、通信技術(shù)及信息處理技術(shù)等。 目前，針對(duì)各種GPS導(dǎo)航系統(tǒng)雖然它們的性能有所差異，開(kāi)發(fā)環(huán)境各不相同，但是其實(shí)現(xiàn)方案大致如下: (1)基于嵌入式的實(shí)現(xiàn)方案 嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，其硬件部分包括處理器/微處理器，存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/0端口、圖形處理器等。由于嵌入式操作系統(tǒng)種類繁多，而且?guī)缀趺恳环N操作系統(tǒng)都有自己的一套集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，這些開(kāi)發(fā)環(huán)境相互之間差別較大，而且和應(yīng)用廣泛的PC集成開(kāi)發(fā)環(huán)境也不相同，所以基于嵌入式的開(kāi)發(fā)難度較大，開(kāi)發(fā)周期也相對(duì)較長(zhǎng)，人力、財(cái)力投入較大，適合并行開(kāi)發(fā)。 (2)基于單板機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案 單板機(jī)即單板計(jì)算機(jī)，又稱嵌入式PC，它將通用PC上的必要資源如微處理器、各種1/0端口，PCI插槽等集成到一個(gè)體積較小的單板上，一因此在性能上和通用PC沒(méi)有太大的區(qū)別。在開(kāi)發(fā)應(yīng)用上可以將單板機(jī)看作通用PC來(lái)處理。在結(jié)構(gòu)上，單板機(jī)和通用PC一樣，可支持通用的PC操作系統(tǒng)，通用PC上的應(yīng)用軟件可直接進(jìn)行移植。相對(duì)于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，單板機(jī)開(kāi)發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。單片機(jī)由于具有成本低、控制系統(tǒng)組成靈活方便、調(diào)試方便和維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此獲得廣泛應(yīng)用。在定位導(dǎo)航過(guò)程中，定位導(dǎo)航終端需存儲(chǔ)大量的歷史定位數(shù)據(jù)，一般常用的單片機(jī)(如51單片機(jī)、MOTOROLA單片機(jī)等)自帶的FLASH ROM一般為4K, 8K等，遠(yuǎn)不能滿足存儲(chǔ)要求。而且一般常用的51單片機(jī)本身沒(méi)有看門(mén)狗電路，程序在運(yùn)行中遇到干擾容易跑飛，更增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 綜合分析后，由于考慮到開(kāi)發(fā)成本、控制模塊的性能以及調(diào)試和維護(hù)等方面的因素，本設(shè)計(jì)選用方案3來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。整個(gè)定位導(dǎo)航終端的系統(tǒng)軟件都存放在該單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，它是該終端的“心臟”。并通過(guò)單片機(jī)控制液晶顯示屏，根據(jù)提取的有用信息在我們描述的道路中顯示當(dāng)前的測(cè)試點(diǎn)，以達(dá)到定位導(dǎo)航的目的。目前商用的GPS模塊，大都支持16通道，采用C/A編碼，其中最大更新速率為4Hz，對(duì)于具有授時(shí)功能，或具有DGPS差分功能等的模在價(jià)格上要高出許多。第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 由于該系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提取和處理，還涉及到導(dǎo)航定位顯示的問(wèn)題，其主要組成部分是GPS接收板，C8051F020微處理器，時(shí)鐘芯片，穩(wěn)壓電源模塊，OCM12864顯示屏及外接按鍵、LED顯示燈等。4. 1. 1 GPS接收板的設(shè)計(jì) GPS接收板作為衛(wèi)星導(dǎo)航電文的接收端，它通過(guò)外接的有源天線將接收來(lái)的高頻信號(hào)送到GPS模塊的RF端口，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后將定位數(shù)據(jù)通過(guò)其串口傳送給上位機(jī)[”]。由于GPS接收機(jī)使用串口與單片機(jī)相連，而連接PC機(jī)也要占用單片機(jī)的一個(gè)串口資源，因此所選單片機(jī)必須有兩個(gè)硬件串口。選擇此單片機(jī)作為主控芯片不僅僅是因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)硬件串口而是基于諸多因素考慮:C8051F020功能強(qiáng)大，幾乎在單片機(jī)中包括了所有常用的功能。在本次開(kāi)發(fā)中，主要考慮對(duì)C8051F020的以下功能部件的設(shè)計(jì): 首先，使用兩個(gè)硬件串口。串口1經(jīng)過(guò)SP3223E電平轉(zhuǎn)換芯片與PC機(jī)進(jìn)