【正文】 GPS 模塊實現數據的接收， 能顯示所在地的經緯度及時間信息 ，完成功能調試。 畢業(yè)設計 進度安排 : ─ ：查閱資料（參考文獻不少于 10 篇），進行方案論證，完成開題報告 。 指 導 教 師 鄭爭兵 系 (教 研 室 ) 通 信 教 研 室 系 (教研室 )主任簽名 批準日期 接受論文 (設計 )任務開始執(zhí)行日期 學生簽名 基于單片機的定位裝置 設計 王孟可 （陜西理工學院物理與電信工程學院通信 1104 班，陜西 漢中 723003） 指導教師：鄭爭兵 [摘要 ] GPS是一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的 全球定位 系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精度定時等導航信息。因其具有性能好、精度高、應用廣 的特點，使其成為了迄今為止最好的定位導航系統(tǒng)，所以對 GPS 的研究很有必要。 GPS 定位的基本 原理 是根據高速運動的 衛(wèi)星 瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法 ，確定待測點的位置。如果能夠在 LCD12864液晶顯示屏上顯示時 間，經緯度等信息，就證明該系統(tǒng)能夠正常工作，可以滿足課題的要求 。全球定位系統(tǒng) 。 global positioning system。 GPS 始 源 于 1958 年美國的一個軍方項目， 1964 年被投入使用。其目的主要是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于核爆監(jiān)測、情報搜集和應急通訊等一些軍事目的，經過 20 多 年的研究實驗， 共 耗資 300 億美元， 截止 到 1994 年，全球覆蓋率高達 98%的 24 顆 GPS 衛(wèi)星星座己 經 全部布設完成。 GPS 的組成有三部分： 空間部分： GPS 的空間部分是由 24 顆衛(wèi)星構成（ 21 顆工作衛(wèi)星； 3 顆備用衛(wèi)星），它位于距地球表面的上空 20200km，運行的周期為 12h。衛(wèi)星分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并且能夠在衛(wèi)星中預存導航信息， GPS 的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導航精度會逐漸的降低。地面控制站負責收集由衛(wèi)星傳回其信息，如衛(wèi)星星歷、大氣校正、并計算相對距離。它的主要功能是能捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并且跟蹤這些衛(wèi)星的運行。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可以按照定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、速度、高度、時間等信息。 GPS 系統(tǒng)通過使用來自多個衛(wèi)星的信號來確定近地面任何位置的移動接收機的位置。利用 GPS 衛(wèi)星信號接收機，來跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的 GPS 信號進行變換、放 大和處理，測量傳播時間，得到導航電文。 GPS 技術主要有如下用途： GPS 技術的陸地應用 GPS 技術在地面上的開發(fā)與應用體現在許多方面，比如旅游者或旅游車的導游；應急車輛的快速引導行駛；各種車輛的行駛監(jiān)控；高精度時間對比及頻率控制；大氣物理的探測；地球物理資源的勘測；工程建設施工放樣的測量；沉降監(jiān)測大型建筑和天然氣領域；板內運動狀態(tài)和地殼形變測量；陸地和海洋大地測量基準的測定；工程、區(qū)域、國家等各種類型大地控制 網的測量和建設等。 GPS 技術的航空應用 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 2 頁 共 50 頁 對 GPS 技術在航空中的應 用主要體現在自主導航方式的民航飛機；飛機著陸精度；飛機的空中加油控制；飛機編隊飛行的安全保護；航空援救搜索和定點測量；機載地球物理勘探；飛機探測災區(qū)大小和標定探測；攝影和遙感飛機的三維姿態(tài)參數測量等。 GPS 技術已經延到多個領域的方方面面，但是要完成上面所說的各個用途，基本 的就是要具備能夠接受 GPS 信號并且能夠調制輸出的設備，而這種設備最基本的功能就是要具備能夠接受顯示當地所處地點的經緯度以及 UTC 標準時間。所以在這種情況下，本次設計針對于普通用戶使用 GPS 的切實需要，設計制作基于單片機的 GPS 定位信息顯示系統(tǒng)。在發(fā)達國家，GPS 技術已經開始應用于交通運輸與道路工程中。 課題研究現狀 全球定位系統(tǒng) GPS 作為近年來 最具有開創(chuàng)意義的高新技術之一， 它的 全球性、 全天候性全能性的 定位、定時、測速在 許 多領域中 得到了更廣泛的應用 。當前 ， GPS 技術在我國 的 交通 運輸 管理 和道路建設工程中的應用才 剛剛 開始 ，相信 伴 隨著我國經濟的 快速 發(fā)展，高等級公路的快速修建和 GPS 技術應用 的 逐漸 深入 研究 ， 其 在道路工程中的應用也會更加 深入和 廣泛，并 且將會 發(fā)揮更大的作用 [4]。伴隨著 GPS 技術的快速進步與應用需求的增加， GPS 的授時校頻、精密測量、定位導航等方面的強大功能以及全天候、自動化、高精度、高效率等顯著特點，已經涉及許多應用領域。除此之外， GPS 對于消防、醫(yī)療、警察等部門的緊急救援、追蹤目標和個人野外旅游探險的引導等都有得天獨厚的優(yōu)勢。 在使用的時候，只需要按下 GPS 手機按鈕，急救中心和警務監(jiān)控中心便會在幾秒鐘內獲得報警人的具體位置，并且及時的提供救助 [5]。 ⑵ 軍事領域 在軍事領域 方面 ， GPS 技術從之前的只為飛機、軍艦、戰(zhàn)車和地面作戰(zhàn)人員提供連續(xù)實時、全天候、高精度的定位導航，擴展到目前高精度制導武器復合制導的一種非常重要的技術手段。軍方使用的精密定位服務 區(qū)別于精度較低、誤差較大的民用標準服務。 2 全球 GPS 產業(yè)的結構與現狀 GPS 技術在進入民用之后，當前 GPS 主要市場內容便是使用者終端的 GPS 產品。 截止去年為止，全球已經有幾十家生產 GPS 專用芯片的制造商家。當前，全球的 GPS 產品制造商已經超過 50多家，主要的領導商家有高明公司、 UBLOX 公司和麥哲倫公司等。根據市場調研公司 ABI 的報告， 20xx 年，這兩類產品在 GPS 應用產品在市場的比率合計約為 %，至 20xx 年增長至 %，航海、航空、農業(yè)和測量等總共僅占 %[6]。將汽車導航作為例子，由于消費電子技術和電子地圖的高度發(fā)展，再加上智能型的運輸系統(tǒng)的成熟，使得日本成為了目前全球汽車導航系統(tǒng)市場值和普及率最高的國家。 但是在 20xx 年之后，伴隨著汽車導航系統(tǒng)全球的普及化，北美和歐洲的市場銷售值增至 590 萬美元和 710 萬美元，各占市場的 %和 27%，日本的市場因為導航系統(tǒng)的普及化使得增長率趨緩。 盡管當前具有 GPS 定位功能的手機市場發(fā)展很被看好，但現在仍有幾項問題迫切需要解決：首先， GPS 組件運作時將會大幅提高手機的耗電量；其次，無論手機采用的是外接的 GPS 模塊或者是內建的 GPS 芯片作為解決方案，都不可避免的遇到制作成本高的問題；最后，當前具有提高整合無線通信技術和整合 GPS 芯片的公司不多。從現階段來觀察，因為GPS 接收機的價格、技術以及市場應用服務等方面都未成熟，在樂觀的看待 GPS 市場發(fā)展時 ， 諸如 GPS IC 設計的成本是否能降低、技術是否能達到 手機或 PDA 所需的最小體積與耗電量以及內建 GPS 的新手機是否能引起消費者的青睞等問題，必須謹慎的評估 [8]。 本文首先介紹了 GPS 定位系統(tǒng)的發(fā)展、基本原理、模塊定位流程、特點；然后對設計方案進行篩選，選擇易實現的方案；再進行硬件設計，首先展示的是系統(tǒng)總體結構圖，緊接著是接收機基本原理，具體介紹了硬件組成部分單片機最小系統(tǒng)、 LCD12864 液晶顯示屏、GPS 接收模塊；硬件實現后是對軟件進行設計，包括單片機的串行通信，軟件的程序編寫，流程；最后是對 Keil 軟件的介紹和在此設 計中的作用。經過實踐測試 ,這種接收機可以達到基本 GPS 信再進行息接收以及顯示，可以做到方便靈活、優(yōu)質價廉、精度高、連續(xù)導航、抗干擾能力強，并可廣泛應用于個人野外旅游探險、出租汽車定位及海上作業(yè)等領域。 GPS 起源于 1958 年美國軍方的一個軍事項目，于 1964 年投入使用。它的主要目的是為海陸空三軍提供強大的全天候、全球性和實時的導航服務，并且用于情報搜集、應急通訊和核爆監(jiān)控等一些軍事目的，再經歷了 20 多年的研究實驗，總耗資 300 億美元，截止到 1994 年為止， 24 顆全球覆蓋率高達98%的衛(wèi)星星座已經布設完成 [9]。它是由三部分組成的，一是地面監(jiān)控部分，是由監(jiān)測站、主控站、地面天線及通訊輔助系統(tǒng)組成的。三是空間部分，由 24 顆衛(wèi)星組成， 21 顆運行衛(wèi)星和三顆備用衛(wèi)星，均勻分布在空間的 6 個軌道平面上 [10]。 GPS 以前是美國軍方研制的一種子午衛(wèi)星定位系統(tǒng)，于 1958 年開始研究， 1964 年正式的投入使用。子午儀系統(tǒng)對于研發(fā)部門對衛(wèi)星的研究有很大的幫助，驗證了衛(wèi)星系統(tǒng)定位的可行性，成為 GPS 研究的奠基作用。美國的陸海空三方及民用部門都認為一種新的衛(wèi)星導航將為其能做出很大的改善作用 [11]。美國空軍 卻 則提出了 621B的以每星群 4 至 5 顆衛(wèi)星組成 3 至 4 個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除 了 1顆采用 同步軌道 以 外其余的 衛(wèi)星 都使用周期為 24h的傾斜軌道，該計劃以 偽隨機碼 (PRN)作 為基礎 導航電文來 傳播衛(wèi)星測距信號， 它的 強大 功能，當信號 的 密度低于環(huán)境噪聲的 1%時也能將其檢測出來。空軍的計劃能 夠為其 供提供高動態(tài)服務， 但是 系統(tǒng)過于復雜 ， 海軍的計劃主要 是 用于為船艦 提供低動態(tài)的 2 維定位 [12]。該機構 的 成員 很 多，包括美國 海軍、陸軍、交通部、海軍陸戰(zhàn)隊、國防制圖局，北約和澳大利亞作為代表 [13]。 8 顆衛(wèi)星均勻分布于一個軌道上，在地球表面上的任何一點都可以觀測到 6 到 9 顆衛(wèi)星。因為壓縮預算，GPS 計劃減少衛(wèi)星的發(fā)射數量，修改之前的為將 18 顆衛(wèi)星均勻分布在互成 60 度的六個軌道上，但是這個方案使得衛(wèi)星可靠性不能夠得到保障。 以全球 24 顆人造定位衛(wèi)星為基礎的 GPS 導航系統(tǒng)，向全球各地全時段的提供三維速度、三維位置等信息。二是用戶裝置部分，由衛(wèi)星天線 和 GPS 接收機組成。 采 用 GPS 定位衛(wèi)星，在全球范圍內進行 導航、 定位 的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱 GPS。 GPS 可以提供車輛定位、 防盜 、反劫、行駛路線 監(jiān)控 及呼叫 指揮 等功能。 圖 GPS 衛(wèi)星空間分布圖 GPS定位系統(tǒng)的基本原理 GPS 導航系統(tǒng)的基本原理是 測量 出已知位置的 衛(wèi)星 到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的 數據 就可知道接收機的具體位置。而用戶到 衛(wèi)星 的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是 偽距 （ PR，）：當 GPS 衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用 1 和 0 二進制碼元組成的 偽隨機碼 （簡稱偽碼）發(fā)射 導航電文 。 C/A 碼頻率 ，重復周期一毫秒，碼間距 1 微秒，相當于 300m； P 碼 頻率 ，重復周期 天，碼間距 微秒，相當于 30m。 導航電文 包括 衛(wèi)星 星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。 導航電文 每個主幀中包含 5 個子幀每幀長 6s。后兩幀共 15000b。當用戶接受到 導航電文 時，提取出衛(wèi)星 時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的 衛(wèi)星星歷數據推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在 WGS84 大地坐標系中的位置速度等信息便可 得知 [16]。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與 衛(wèi)星 星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標 x、 y、 z 外，還要引進一個 Δt 即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數，然后用 4 個方程將這 4 個未知數解出來。 GPS 接收機 可接收到可用于授時的準確至 納秒 級的時間