【正文】 良好的抗干擾性和保密性。如圖 21所示。這 24顆衛(wèi)星均勻分布在距離地面大約 20183km的 6個(gè)軌道平面內(nèi)，每條軌道與赤道面的交角為 55度，各個(gè)軌道平面之間相距 60度（即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差 60度），每條軌道上有 4顆衛(wèi)星。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，最多可以見(jiàn)到 11顆。每顆 GPS作衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號(hào)。 主控站即衛(wèi)星操作控制中心（ CSOS） ,位于加州 Falcon空軍基地，主控站內(nèi)設(shè)有工作人員。這些更新數(shù)據(jù)送到注入站，利用 S頻段（ 1750～ 1850MHs）向衛(wèi)星發(fā)射。主控站本身還是監(jiān)控站，還可用于完成診斷衛(wèi)星的工作狀態(tài)，進(jìn)行調(diào)度等工作。除主控站上的監(jiān)控站外，還在美國(guó)夏威夷、北太平洋上的 Kwajalein島、印度洋上的 Diogo Garcia島、大西洋島上的 Ascension島上設(shè)有監(jiān)控站。 3個(gè)注入站，與三大洋的 Kwajalein島、 Diogo Garcia島、 Ascension島上監(jiān)控站并置。 地面支撐系統(tǒng) GPS 系統(tǒng) 用戶 空間系統(tǒng) 24 顆衛(wèi)星 GPS 接收機(jī) 三個(gè)注入站 五個(gè)監(jiān)控站 一個(gè)主控站 （論文） 7 3)用戶設(shè)備部分 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 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)站的三維位置 ，位置，甚至三維速度和時(shí)間。而動(dòng)態(tài)定位則是用 GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤 GPS衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)。 接收機(jī)硬件和機(jī)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。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在測(cè)站上，接收單元置于測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤?，用電纜線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。 GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為 RAM存儲(chǔ)器供電，以防止丟失 數(shù)據(jù)。如圖 22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。常用的是前三種?，F(xiàn)在，商用 GPS接收機(jī)主要采用偽距測(cè)量定位法。 基于 GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 22 GPS定位原理圖 GPS Fixed position principle diagram 偽距定位原理是基于到達(dá)時(shí)間（ TOA）的測(cè)距原理。接收機(jī)從多個(gè)已知位置的發(fā)射機(jī)接收多個(gè)信號(hào)用于確定接收機(jī)的位置。為了確定接收機(jī)位置，接收機(jī)知道跟蹤衛(wèi)星的偽距和衛(wèi)星的位置。在相關(guān)接收中，衛(wèi)星上發(fā)射的 C/A碼偽隨機(jī)信號(hào)是由衛(wèi)星鐘控制的，用戶接收機(jī)的 C/A碼偽隨機(jī)信號(hào)是由本地時(shí)鐘控制的。在相關(guān)接收時(shí)，將這兩組偽隨機(jī)信號(hào)碼位對(duì)齊，即完成跟蹤和延時(shí)鎖定。 圖 23設(shè)地面點(diǎn) P到 iS 衛(wèi)星的距離矢量為 iPR ，地心原點(diǎn) O到衛(wèi)星的距離矢量為 iR ，地心原點(diǎn) O到地面點(diǎn) P的距離矢量為 PR 。式中 PRt 為地面 接收機(jī)己同步的觀測(cè)時(shí)刻，SVt 為衛(wèi)星己同步的發(fā)射時(shí)刻， At 為傳播途徑中的附加時(shí)延。式中， iPRt 為含有時(shí)鐘差的地面站 接收時(shí)刻， iSVt 為含有時(shí)鐘差的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻。設(shè)時(shí)鐘差為 PRt?和 SVt? 即 iPRt = PRt + PRt? iSVt = SVt + SVt? 則 iPr =C（ PRt SVt ） +C（ PRt? SVt? ） = iPR + AiC +C（ PRt? SVt? ） （公式21） 當(dāng)接收 機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)跟蹤鎖定后，可以得到偽距觀測(cè)量和導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文中，包括衛(wèi)星星歷參數(shù) 衛(wèi)星鐘改正數(shù)和電離層修正參數(shù)等導(dǎo)航計(jì)算用的改正參數(shù)由衛(wèi)星星歷參數(shù)可以計(jì)算 出衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻此衛(wèi)星在地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo) sX ， sY ， sZ 對(duì)于衛(wèi)星鐘差可以利用鐘改正數(shù)按下列公式修正： SVt? = 0a + 1a （ t oct ） + 2a 2)( octt? 式中 oct 為衛(wèi)星鐘基準(zhǔn)時(shí)間，ｔ為觀測(cè)時(shí)間。上式只有 4個(gè)未知量， PX ， PY ， PZ ，PRt? , SVt? 。 GPS衛(wèi)星信號(hào) GPS衛(wèi)星信號(hào)是 GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo) 航定位的調(diào)制波，它包含有：載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼 。 GPS使用 L波段的兩種載頻： 1L 載波： f 1L =154* 0f =，波長(zhǎng) : 1? =。 選擇這兩個(gè)載頻， 目的在于測(cè)量出或消除因?yàn)殡婋x層效應(yīng)而引起的延遲誤差。 GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)碼即 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，它是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)礎(chǔ)。這些信息是以二進(jìn)制碼的形式，按規(guī)定格式組成，按幀向外播送。 GPS信號(hào)中使用了偽隨機(jī)碼技術(shù)，識(shí)別和分離各顆衛(wèi)星信號(hào)，并提供了無(wú)模糊度的測(cè)距數(shù)據(jù)。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部規(guī)定， P碼是專為軍用的。 PPS的主要服務(wù)對(duì)象是美國(guó)軍事部門(mén)和其他特許部門(mén)。利用 P碼進(jìn)行單點(diǎn)實(shí)時(shí) 定位的精度可以優(yōu)于 10m。利用 SPS所得到的觀測(cè)量精度較低，并且只能采用調(diào)制在一種頻率上的 C/A碼進(jìn)行測(cè)距，無(wú)法利用雙頻技術(shù)消除電離層折射的影響，其單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位的精度約為 20～ 30m。其主要功能是接收 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并對(duì)所接收到的 GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以獲取導(dǎo)航電文及必要的觀測(cè)量，實(shí)時(shí)地計(jì)算出載體（ GPS信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體）所在的三維位置、 速度和時(shí)間。機(jī)內(nèi)軟件是與接收機(jī)融為一體的控制接收機(jī)信號(hào)，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以及自動(dòng)操作的程序等； GPS數(shù)據(jù)的后期處理的軟件系統(tǒng)又稱為機(jī)外軟件。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)，在用機(jī)外電池的過(guò)程中，機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。 目前，各種類型的 GPS接收機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于觀測(cè)。 所有的 NMEA語(yǔ)句格式都是以 ASCII碼 “$”開(kāi)始，以 “CRLF”(回車(chē)換行符 )結(jié)束，語(yǔ)句中的數(shù)據(jù)字段以逗號(hào)分隔；每條語(yǔ)句末端都有校驗(yàn)符（ hh）該校驗(yàn)符是 “$”后的所有字節(jié)的 8個(gè)比特 “按位異或 ”生成的，用戶可通過(guò)校驗(yàn)符驗(yàn)證得到的結(jié)果。 SA（ Selective Availability）技術(shù)即選擇可用性技術(shù)，它人為地將誤差引入衛(wèi)星時(shí)鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（ SPS）采用了 ? 技術(shù)和 ? 技術(shù)，故意降低 GPS定位精度，使C/A碼在 95%的時(shí)間內(nèi)，水平定位的精度為 100m，高層定位的精度為 140m，定時(shí)的精度為 340ns。當(dāng)實(shí)施 AS技術(shù)時(shí)，非特許用戶將不能接收到 P碼。 但鑒于 GPS巨大的實(shí)用價(jià)值，美國(guó)總統(tǒng)頒布法令，將 GPS向民用領(lǐng)域免費(fèi)開(kāi)放，同時(shí)在 2020年 5月 1日午夜起停止 SA政策。 SA政策的取消，大大提高了單機(jī)定位的精度，測(cè)量導(dǎo)航不必采用差分的方式，一般的城市和鄉(xiāng)村的車(chē)輛完全可以采用單機(jī)模式進(jìn)行導(dǎo)航。本設(shè)計(jì)將由單片機(jī)和雙口 RAM 等外圍電路組成采集卡，用通用的串行通信口與 GPS 接收機(jī)通訊，將 GPS 的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)于雙口 RAM 中，當(dāng)采集完一幀數(shù)據(jù)后，通過(guò)中斷方式使另一片單片機(jī)讀取雙口 RAM 數(shù)據(jù)，并送給 GSM 移動(dòng)通信平臺(tái)。 圖 31 GPS 數(shù)據(jù)采集框圖 The graph of GPS data collecting GPS數(shù)據(jù)采集卡各部分功能 監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)的 CPU 由 AT89C52 組成。其主要工作特點(diǎn)是： 1)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)含 8KB 的 Flash 程序存儲(chǔ)器，可檫寫(xiě)壽命為 100 次； 2)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含 256 字節(jié)的 RAM； A7 . . . A0 ALE A7...A0 D7...D0 地址 鎖存器 單片機(jī) 監(jiān)控系統(tǒng) 通用異 步串行 通訊口 （ UART ） D7...D0 RD/WR A2...A0 TXD RTS DTR CTS RXD 地 GPS 接收機(jī) A1...A8 CS 雙口 RAM CLK 地址譯碼器 和分頻器 OE CE OE / CE （論文） 15 3)具有 32 根可編程 I/O 口線； 4)具有 3 個(gè)可編程定時(shí)器； 5)中斷系統(tǒng)是具有 8 個(gè)中斷源、 6 個(gè)中斷矢量、 2 級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； 6)串行口是具有一個(gè)全雙工的可編程串行通信口； 7)具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR； 8)低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式； 9)具有可編程的 3 級(jí)程序鎖定位； 10)工作電源電壓為 5（ 1? ） V，且典型值為 5V； 11)最高工作頻率為 24MHz AT89C52 單片機(jī)的引腳排列如圖 32 所示。表 31 列出了 和 的替代功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。 表 31 和 的替代功能 and alternative function 引 腳 替代功能 說(shuō) 明 T2 定時(shí)器 2 的外部事件輸入端可編程脈沖輸出端 T2EX 定時(shí)器 2 的捕捉 /重裝觸發(fā)器輸入端；定時(shí)器 2 的計(jì)數(shù)方向控制端 200 0HFFFFH外部ROMROM 區(qū)1FFFH000 0H內(nèi)部ROMEA =1外部ROMEA =0FFH80H7FH00H內(nèi)部RAM內(nèi)部SFR內(nèi)部RAM外部RAMRAM 區(qū)FFFFH000 0H 圖 33 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) Data storage structure 訪問(wèn)這些不同的邏輯空間時(shí)，應(yīng)選用不同形式的指令。 AT89C52 的片內(nèi) /外程序存儲(chǔ)器在 0000H～ 1FFFH 地址空間重疊，由 EA 信號(hào)來(lái)區(qū)分。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 16 位地址，用數(shù)據(jù)指針 DPTR間址，用 MOVX 類指令訪問(wèn)。 （論文） 17 AT89C52 片內(nèi) RAM 的低 128 字節(jié)（ 00H～ 7FH）也劃分為 3 個(gè)區(qū)域：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶 RAM 區(qū)。使用直接尋址方式訪問(wèn) 80H～ FFH 空間時(shí)，訪問(wèn)的是 SFR；用間接地址（用 0R 和 1R 間址）訪問(wèn) 80H～ FFH 空間時(shí)，訪問(wèn)的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 與 AT89C51 相比， AT89C52 的 SFR 增加到 27 個(gè)，表 32 列出了新增加的 SFR 的基本情況。在此，采集卡采用可編程串行異步通訊口做收發(fā)器。但是，單片機(jī) AT89C52 在擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 作為鎖存地址低位字節(jié)，并以不變的頻率周期輸出。為了克服這種現(xiàn)象，可在內(nèi)部寄存器 SFR 8EH 地址上置 “0”來(lái)禁止 ALE 的輸出。由于 SFR 8EH 地址上置 “0”，即禁基于 GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 止了單片機(jī)波特率發(fā)生器。 1）異步通信芯片 16C552 的原理 16C552 是 TI（ TI16C552）、 VLSI（ VL16C552）等公司生產(chǎn)的異步通信芯片，功能特點(diǎn)如下： 增強(qiáng)的雙向打印機(jī)端口 16 字節(jié)的 FIFO 可減少 CPU 中斷 每個(gè)通道具有獨(dú)立的發(fā)送，接 受，線路狀態(tài)和設(shè)置中斷功能 每個(gè)通道具有獨(dú)立的 MODEM 控制信號(hào) 每個(gè)通道具有可編程串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式 數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為 8 偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn) 停止位長(zhǎng)度為 、 2 可編程波特率發(fā)生器 每個(gè)通道對(duì)數(shù)據(jù)和控制總線具有三態(tài) TTL 驅(qū)動(dòng) (1)16C552 的管腳及功能框圖 16C552 是 68 針 PLCC（ Plastic Leaded Chip Carrier）封皮，其管腳功能如圖 34 所示。在正常操作的過(guò)程中， CPU 每時(shí)每刻都可以讀 16C552 的完成狀態(tài)。另外 16C552 還具有完整的調(diào)制解調(diào)器控制功能，包括： 允許發(fā)送（ CTS）； 請(qǐng)求發(fā)送（ RTS）； 數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好（ DSR）； 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好（ DTR）； 振鈴指示（ RL）； 載波檢測(cè)（ DCD）； 16C552 的并口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的打印機(jī)接口，它可以通過(guò) PEMD 管腳信號(hào)控制是工作在兼容模式還是擴(kuò)展模式。 圖 34 功能框圖 The graph for function (2)串行接口寄存器 16C552 內(nèi)部對(duì)串行口操作有 11 個(gè)單字節(jié)寄存器。串行口的這 11 個(gè)寄存器占用了 7 個(gè) I/O 端口地址，有些寄存器共同使用一個(gè)端口地址，可以通過(guò)讀 /寫(xiě)信號(hào)和線路控制寄存器的 D7（ DLAB）來(lái)區(qū)分。 表 33 串行接口寄存器 The serial port Register DLAB A2 A1 A0 符號(hào) 寄存器 L L L L RBR 接收緩沖寄存器 L L L L THR 發(fā)送保持寄存器 L L L H IER 中斷允許寄存器 X L H L IIR 中斷識(shí)別寄存器 X L H L FCR FIFO 控制寄存器 X L H H LCR 線路