远程定位监控系统的硬件设计毕业设计论文(编辑修改稿)

远程定位监控系统的硬件设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

Positioning System）。 简单地说，这是一个由覆盖全球的 24 颗 卫星组成的卫星系统。 这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到 4 颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。 这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。 研究背景及意义 GPS 系统是目前应用最广泛的一种基于卫星的无源定位系统。 它可以提供陆海空使用者精确、持续、全天候、全球性航行、位置和时间的信息，广泛应用于航空、航天、航海导航 /制导以及地面交通等场合。 GPS 测量技术 能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通 (船舶、飞机、汽车等 )导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、 土地利用调查 、精确农业以及日常生活 (人员跟踪、休闲娱乐 )等不同领域。 本课题主要是在深入学习 GPS 系统原理的基础上，利用 GR85 集成模块，通过单片机编程实现对导航数据的处理和显示，来达到高精度定位的目的。 国内外相关研究情况 GPS 又称为 全球定位系统 （ Global Positioning System GPS）是美国从上世纪 70 年代开始研制，历时 20 年、耗资 200 亿美元，于 1994 年 3 月完成其整体部署，实现其全天候、高精度和全球的覆盖能力。 现在 GPS 与现代通信技术相结合，使得测定地球表面三维坐标的方法从静态发展到动态， 从数据后处理发展到实时的定位与导航，极大地扩展了它的应用广度和深度。 载波相位差分法 GPS技术可以极大提高相对定位精度，在小范围内可以达到厘米级精度。 此外由于GPS 测量技术对测点间地通视和几何图形等方面的要求比常规测量方法更加灵西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 2 活、方便，已完全可以用来施测各种等级的控制网。 GPS 全站仪的发展在地形和土地测量以及各种工程、变形、地表沉陷监测中已经得到广泛应用，在精度、效率、成本等方面显示出巨大的优越性。 我国已研究构造自主的 GPS 系统，北斗卫星导航系统，是继美国的 全球定位系统 （ GPS）和俄罗斯的 GLONASS 之后第三个成熟的 卫星导航系统。 系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。 截止20xx 年 5 月在轨卫星 12 颗，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。 北 斗卫星导航系统将在 2020 年形成全球覆盖能力。 目前其定位精度优于 20m，授时精度优于 100ns。 预计到 2020 初步建立起来覆盖全球的 GPS 系统。 设计 (论文 )的主要内容 (1) GPS 技术的相关文档 ,熟悉 GPS 技术的应用 ； (2) 学习和掌握单片机原理 ,软硬件接口；阅读相关英文资料 ,提高自己的阅读能力 ； (3) 通过系统的设计 ,调试等具体工作 ,熟悉系统的设计过程 ,提高自己综合应用所学知识 ,独立解决问题的能力。 主要技术指标：实现单片机与 GPS 模块之间得数据通讯，并用液晶显示相应数据，达到高精度定位的目 的。 GPS 技术的前景 (1) 在大地测量方面，利用 GPS 技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面，组织各部门参加1992 年全国 GPS 定位大会战 ； (2) 在工程测量方面，应用 GPS 静态相对定位技术，布设 精密工程控制网 ，用于城市和 矿区 油田地面沉降监测、大坝变形、高层建筑变形监测，隧道贯通测量等精密工程，测绘各种 比例尺地形图 和施工放样等 ； (3) 在 航空摄影测量 方面，应用 GPS 技术进行航测外业控制测量、摄航飞行导航、机 载 GPS 航测等航测成图等 ； (4) 在地球动力学方面，我国应用 GPS 技术于监测南极洲板块运动、青藏高原 地壳运动、 四川 鲜水河地壳断裂运动，建立了 中国 地壳形变观测网、 三峡库区 形变观测网、首都圈 GPS 形变监测网等 ； (5) 在海洋测绘方面，我国已经应用 GPS 技术 于海洋 测量、水下 地形测量。 2 GPS 原理 3 2 GPS 原理 GPS 的定义 利用 GPS 定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统， GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系统）的简称。 GPS 起始于 1958 年美国军方的一个项目， 1964 年投入使用。 20 世纪 70 年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统 GPS。 主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的 ，经过 20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到 1994年，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。 在机械领域 GPS则有另外一种含义：产品几何技术规 (Geometrical Product Specifications)简称GPS。 另外一种解释为 G/s（ GB per s）。 GPS 定位监控系统依托全球卫星定位系统（ GPS） ,通过 GPS 终端、传输网络和监控中心组成三层联网式综合监管系统，从而达到对人、车辆的位置、实时移动的轨迹进行管理，例如在对车辆的管理上，GPS 定位监控系统可以提供车辆防盗、反劫、 行驶路线监控、车内车外视频图像实时无线传输、事故快速响应、呼叫指挥等功能。 GPS 简介 GPS 功能必须具备 GPS 终端、传输网络和监控平台三个要素；这三个要素缺一不可；通过这三个要素，可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功 GPS 系统的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统（ Transit）， 1958年研制， 1964 年正式投入使用。 该系统用 5 到 6 颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球 13 次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。 然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位 取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为 GPS 系统的研制埋下了铺垫。 由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。 美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 4 为此，美国海军研究实验室（ NRL）提出了名为 Tinmation 的用 12 到18 颗卫星组成 10000km 高度的全球定位网计划，并于 67 年、 69 年和 74 年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这使GPS 系统精确定位的基础。 而美国空军则提出了 621B 的以每星群 4 到 5颗卫星组成 3 至 4 个星群的计划，这些卫星中除 1 颗采用同步轨道外其余的都使用周期为 24h 的倾斜轨道，该计划以伪随机码（ PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的 1%时也能将其检测出来。 伪随机码的成功运用是 GPS 系统得以取得成功的一个重要基础。 海军的计划主要用于为舰船提供低动态的 2 维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。 由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以 1973 年美国国防部将 2 者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航 定位联合计划局（ JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。 该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。 组成部分 空间部分 GPS 的空间部分主要成员是卫星星座；作用是发送信号，用于测距和告知自身的位置。 它是由 24 颗卫星组成（ 21 颗工作卫星； 3 颗备用卫星），它位于距地表 20200km 的上空，均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面 4 颗），轨道倾角为 55176。 卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星，并能在卫星中 预存导航信息， GPS 的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。 地面控制系统 地面控制系统主要由监测站 (Monitor Station）、主控制站（ Master Monitor Station）、地面天线（ Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（ Colorado Spring）。 地面控制系统的主要作用是监控、操纵系统，预报卫星轨道和钟差。 地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。 用户设备系统 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 用户设备部分即 GPS 信号接收机，主要成员是接收机及其辅助设备，它的主要作用是接受信号，用于定位、测速和授时。 其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。 当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。 根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。 接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设备。 GPS 接收机 的结构分为天线单元和接收单元两部分。 接收机一般采用机内和机外两种直流电源源。 设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。 在用机外电源时机内电池自动充电。 关机后机内电池为 RAM 存储器供电，以防止数据丢失。 目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。 其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。 工作原理 GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。 要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。 而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（ PR）：当 GPS 卫星正常工作时，会不断地用 1和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。 GPS 系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y） 码。 C/A 码频率，重复周期一毫秒，码间距 1微秒，相当于 300m； P 码频率 ，重复周期 天， 码间距 微秒，相当于 30m。 而 Y 码是在 P 码的基础上形成的，保密性能更佳。 导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。 它是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调制在载频上发射的。 导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。 前三帧各 10 个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。 后两帧共 15000b。 导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 3 数据块， 其中最重要的则为星历数据。 当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导 航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS84 大地坐标系中的位西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 6 置速度等信息便可得知。 可见 GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。 然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标 x、 y、 z 外，还要引进一个 Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。 所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到 4 个卫星的信号。 GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处 概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS 系统信息，如卫星状况等。 GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。 对 0A 码测得的伪距称为UA 码伪距，精度约为 20 米左右，对 P 码测得的伪距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右。 GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。 严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多 普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。 一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。 相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。 按定位方式， GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分。