嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用研究(编辑修改稿)

嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用研究(编辑修改稿)内容摘要：

户系统的导航、高精度定位的需要。 GPS卫星信号包含的载波、测距码 (包含 P码、 C/A码 )、数据码 (导航电文、或称 D码 )都是在同一个基准频率 f0=。 GPS使用的 L 段载波有两种不同的频率，它们的频率和波长分别为 : L、载波 :fl=154xfo=，入。 = L:载波 :f2=120xf0=，从 = 在载波 L。 上调制有 C/A码、 P码和数据码。 在载波 L:上只调制有 P码和数据码。 GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上 的，由于伪随机 码只有‘ 1’和‘ 0’，两种状态。 当码值取 O时，对应的码状态为 +1。 而码值取 1时， 对应的码状态为 1。 载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制，此时码信号被加载到载波上，经过播发可供用户接收，GPS卫星的数据结构如图。 嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用 图 GPS卫星采用两种测距码，即 C/A码和 P码，均属于伪随机码 (PRN)，这种二进制的数码序列不仅具有良好的自相关特性，而且又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。 P码常用于精密 导航和定位。 虽然 P码的精度很高，但其结构不公开，专供美国军方特许用户使用，而 C/A码的精度虽然较低，但码的结构是公开的，可供 GPS接收机的广大用户使用。 GPS信号的产生如图。 南华大学电气工程学院课 程设计 4 图 SA 技术，即有选择可用性技术，它是人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，故意降低GPS定位精度。 使 C/A 码定位的精度由原来的 20m 降低到 loom。 As(AntiSpoofing)技术即反电子欺诈技术，其目的是为防止敌方使用 P码进行精密导航定位。 SA和 AS技术的使用将对定位产生 很大影响 : 降低单点定位精度。 降低长距离相对定位地精度。 AS技术会对高精度相对定位数据处理、整周 未知数的确定带来不便。 但鉴于 GPS技术巨大的实用价值，美国将 GPS向民用领域免费开放，同时于 2020年 5月 1日起停止 SA政策，即不再对民用定位码加入人为干扰，使民用定位精度大大提高。 (二 )GPS卫星定位的基本原理 GPS 卫星的定位原理是利用测绘学中的测距交会的原理确定点位。 在绕地球运行的人造地球卫星上装有无线电信号发射机，在接收机时钟的控制下，可以测定信号到达接收机的时间△ t，进而求出卫星和 接收机之间的距离。 从为各项改正数。 但是，卫星上的原子钟和地面接收机的钟不会严格同步，假如卫星的钟差为 ut，接收机的钟差为御，则由于卫星上的原子钟和地面上接收机的钟不同步对距离的影响为△ s。 (式 )现在欲确定待定点 P 的位置，可以在该处安置一台 GPS接收机。 如果在某一时刻 ti同时测得了 4颗 GPS卫星 A、 B、C、 D的距离 S。 、 SBP、 sep、 sop，则可列出 4个观测方程为 : 南华大学电气工程学院课 程设计 5 图 GPS卫星定位的原理示意图。 图 由此可见 GPS定位的实质就是根据高速运动 的卫星瞬间位置作为已知数据的起算数据，采取空间距离后方交会的方法，确定待定点的空间位置。 利用 GPS进行定位有多种方式，如果就用户接收机天线所处的状态而言，定位方式分为静态定位与动态定位，如果按参考点位置的不同，又分为单点定位和相对定位。 (l)静态定位与动态定位 静态定位是指 GPS接收机在进行定位时，待定点的位置相对其周围的点位置没有发生变化，其天线位置处于固定不动的静止状态。 此时，接收机可以连续地在不同历元同步观测不同的卫星，获得充分的多余观测量，根据 GPS卫星的已知瞬间位置，解算出接收机天线相位中心的三 维坐标。 动态定位是指在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状 态的定位。 动态定位是用 GPS信号实时地测得运动载体的位置。 其特点是测定一个动态点的实时位置，多余观测量少，定位精度低。 (2)单点定位与相对定位 单点定位的实质就是空间距离后方交会，理论上取 3个独立的距离测量便可，但是由于 GPS采用了单程测距的原理，此时卫星时钟与用户接收机时钟不同步，将这种误差称为伪距。 其中卫星钟差可以用卫星电文中提供的钟差参数加以修正，而接收机参数只能作为一个未知参数，与测站的坐标在数据处理中一并求解。 因此，在一 个测站上为求出 4个未知参数，至少需要 4 个观测值。 相对定位又称差分定位，是采用两台以上的接收机同步观测相同的 GPS卫星，以确定接收机天线间的相互位置关系的一种方法。 其最基本的情况是用两台接收机分 南华大学电气工程学院课 程设计 6 别安置在基线的两端，同步观测相同的 GPS卫星，确定基线端点在世界大地坐标系中的相对位置或坐标差，在一个端点坐标己知的情况下，用基线向量推求另一待定点的坐标。 GPS 定位的基本方法 (l)伪距法定位 伪距法定位的原理是在某一瞬间利用 GPS接收机同时测定至少 4颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采用距 离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。 伪距法定位一次的精度并不高，但定位速度快，经几小时的定位也能达到米级。 (2)载波相位测量 GPS 接收机接收到的卫星信号中，已用相位调制技术在载波上调制了测距码和卫星导航电文，所以载波己不在连续。 为此，在载波相位测量之前先进行解调以恢复载波相位。 (3)多普勒定位法 根据多普勒原理，当波源与观测者做相对运动时，观测者接收到的信号频率与波源发射的信号频率不同。 利用 GPS卫星的较高的射电频率，由积分多普勒计数得出伪距差。 当采用积分多普勒计数法进行测量时，所需观测时间一 般较长，同时，在观测过程中接收机振荡器要求保持较高的稳定。 2． 4 GIS简介 地理信息系统 (Geographic Information System，简称 GIS)是综合性技术，它已经与其他技术互相融合。 GIS应用需要利用和集成其他技术，同时，其它信息技术的应用也需要 GIS。 GIS与其他技术的融合如下 (1)GISCADCAD是一种计算机辅助制图和设计技术，主要面向工程设计，在图形数据的采集与编辑方面具有很强的功能，而 GIS是一门空间综合管理技术，既可以管理空间位置，又可以管理空间对应的属性信息 ，并具有很好的对应关系。 (2)GIS遥感：遥感技术的发展为 GIS数据快速更新提供了一个有效的办法， 当前 InSAR的发展更是 GIS数据采集的革命。 同时， GIS应用的发展也提高了遥感的数据提取和分析能力。 随着高精度遥感的发展和遥感动态网络的出现， GIS与遥感的结合会更加密切。 (3)GISGPS： GPS被认为是二十世纪影响人类社会 12大技术之一，然而 GPS如与 GIS结合，才能普及它的应用，而不只是停留在大地测量领域，如智能化交通 (ITS)中基于电子地图的车辆导航系统等，同时与 GPS结合也提高 TGIS动 态分析的能力。 (4)GISInter技术：基于 Inter技术的 GIS，已成为 GIS发展的重要方向，可以利用Inter在 Web上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，从而使 GIS的应用更加灵活。 (5)GIS多媒体技术： GIS也是一种重要的多媒体。 GIS与多媒体结合已经成为现实，在多媒体系统中嵌入 GIS功能，或在 GIS系统增加多媒体功 能极大 南华大学电气工程学院课 程设计 7 地增强 GIS交互能力并加大 GIS提供的信息量。 (6)GIS虚拟现实技术： GIS与虚拟现实技 ： GIS与虚拟现实技术结合，提高 TGIS图形显示 真 实感和对图形的可操作性。 使用户能身临其地理环境中实现观察、触摸、操作和检测等。 3．系统总体方案设计 本系统主要为解决机动车辆的导航调度、图像监控、关键信息存储等智能化管理问题而进行设计开发。 系统主要用于城市机动车辆的导航调度智能化管理，也可用于私人轿车的导航娱乐，同时也可作为高科技车辆防盗系统 :车主一旦发现车辆被盗，可以报失公安部门或相关管理部门，通过短信设定，启动程序，不断报告该车的地理位置，从而使公安机关可以迅速定位失窃车方位，将窃贼绳之以法。 系统采用 Intel公司 Xscale架构的 PXA255处理器为核心处理器，操作系统选用嵌入式 Linux系统。 本系统所包含的功能如下 :视频取证功能。 卫星防盗功能。 无线追踪功能。 辅助倒车功能。 语音留言功能等。 本章将对整个系统的软硬件方案作一个总体描述。 择 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过 1000 多种，流行体系结构有 30 多个系列。 但与全球 PC 市场不同的是，没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统市场。 设计者在选择处理器时要 考虑的主要因素有 :处理性能、技术指标、功耗、软件支持工具、是否内置调试工具、供应商是否提供评估板等，综合以上几点，决定采用 Intel公司 Xscale架构的 PXA255处理器作为系统核心处理器。 IntelXsealePXA255处理器是新一代的 32位嵌入式处理器，采用。 内核采用 ARMVersionSTE型指令结构，具有 7级超流水线，其中 T指 Thumb指令集， E(DSP一Enhance)指加强的 DSP 指令集，能进行整数和浮点数处理。 具有犯 K 数据缓存 /32K 指令缓存等。 PXA255处理器除了 采用 Xscale体系的内核外，还具有以下特点 : (l)内核工作频率高 :200400MHz (2)系统存储器接口 :100MHz。