车载gps导航仪设计

车载gps导航仪设计内容摘要：

24 颗卫星组成 (其中有 3 颗备用卫星 )5fl，这些卫星分布在 6 个轨道面内，每个轨道面上有 4 颗卫星。 卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为 55 度，各轨道平面升交点赤道相差 60 度 ，在相邻轨道上，卫星的升交角距相差 30 度。 轨道平均高度约为 ZOZO0mk，卫星运行周期为 1lh58mni。 因此，同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前 4mni。 每颗卫星每天约有 sh 在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4 颗，最多可达 n 颗。 GPS 卫星在空间的上述配置，保障了在地球任何地点、任何时刻均至少可以同时观测到 4 颗卫星。 卫星信号的传播和接收不受天气的影响，这就是使 GPS 成为一种全球性、全天候的连续实时定位系统。 空间部分的 3 颗备用卫星在必要的时候，将根据指令代替发 生事故的卫星工作，这对于保障 GPS 空间部分正常而高效地工作是极其重要的。 GPS 卫星的基本功能是 : （ l）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的指令。 (2)卫星上设有微处理器，进行部分必要的数据处理工作。 (3)通过星载高精度艳钟和铆钟提供精密的时间标准。 (4)向用户发送导航与定位信息。 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 广东 海洋大学 2020 届本科生毕业设计 9 地面监控部分 GPS 的地面监控部分目前由分布在全球的 5 个地面站组成，包括卫星监 控站、主控站和信息注入站。 监控站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。 站内设有双频 GPS 接收机、高精度原子钟、计算机和若干环境数据传感器。 接收机连续观测 GPS 卫星、采集数据、监测卫星的工作状况。 原子钟提供时间标准。 环境传感器收集当地有关的气象数据。 所有观测资料由计算机进行初步处理，在存储和传达到主控站，用以确定卫星的精密轨道。 主控站设在科罗拉多州。 主控站除协调和管理所有地面监控系统的工作外，其主要任务是 :(1)根据本站和其他监控站的所有观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数 据传送到注入站。 (2)提供 GPS 的时间基准。 各监测站和 GPS 卫星的原子钟均应与主控站的原子钟向步或测出其钟差，并把这些钟差信息编入导航电文送到注入站。 (3)调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 (4)启用备用卫星以替代实效的工作卫星。 注入站现有 3 个，注入站的主要设备包括天线、 C 波段发射机和计算机，其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。 在整个 GPS 的地面监控部分，除主控站外无人值守。 各站间用现代化的通信系统 联系起来，在原子钟和计算机的精确控制下自动运行。 用户设备部分 GPS 的空间部分和地面监控部分，是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现 GPS 导航和定位的目的。 用户设备的主要任务是接收 GPS 卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经数据处理完成导航和定位工作。 用户设备主要由 GPS 接收机硬件和数据处理软件组成，而 GPS 接收机的硬件一般包括主机、天线和电源。 定位的基本原理 GPS 的基本定位原理是 :卫星不间断地发送自身的星历 参数和时间信息，用户收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、方向以及运动速度和时间信息。 具体如下： GPS 卫星在地球坐标系中的位置坐标已知，我们就在地球坐标系中用它来做为一个球心O1，有知道卫星到测站的距离 R1，则以它为半径，可在地球系里面画出一个球面来。 同理，倘若该 GPS 接收机同时能观测到第二，第三颗 GPS 卫星，并由前述步骤算出第二，三颗卫星在地球系中的位置 O2， O3 的坐标来，将它们亦作为球心，根据测站到 O2， O3的观测距离 R2， R3，再画出两个球面来，由于测站要同时满足既在球面 1 上，又要在球 广东 海洋大学 2020 届本科生毕业设计 10 面和球 面上，则它必定是在三个球面的交点上，这意味找由三个球心 O1， O2， O3 和三个半径 R1， R2， R3 作出的球面必交与一点。 根据集合原理，在已知球心坐标和半径的条件下，写出联列的三个球面方程，求得的公共解坐标就一定是观测站（ GPS 接收机）在地球坐标系中的三维坐标。 另外 ，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 用三颗卫星确定 用户的三维坐标 x、 y、 z 外，还要 利用一个卫星来求出 卫星与接收机之间的时间差 Δt。 如 下 图所示，每一颗卫星连续不断地向 GPS 接收机发送可跟踪的唯一编码序列， GPS 接 收机可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。 设有四颗卫星 1,2,3,4，坐标为 (Xi， Yi， Zi)(i=1,2,3,4)，用户坐标为 （ Xu， Yu， Zu） Ri 为伪距离，即接收机到卫星的距离 Ri=T*Ci； Δ t 是用户时钟偏差。 联立四个方程得到以上方程组，求解联立方程组可求出用户的三维坐标。 此为非线性方程组。 可以采用许多线性化算法或迭代算法进行解算。 广东 海洋大学 2020 届本科生毕业设计 11 4 信号接收子系统 的广播信号 的信号结构 GPS 卫星发射的信号包括三种信号分量 :载波、测距码和数据码 (即导航电文 )。 所有这些信号均在同一频率介 的控制下产生的 151。 如 下 图所示 GPS 利用 L 波段的两种频率的信号 Ll 和 LZ 作载波，其频率分别为 ，目的在于测量和消除因电离层效应引起的延迟误差。 在载波 Ll 调制有 CA/码、 P 码和数据码，而在载波 LZ 上只调制 P 码和数据码。 GPS 发射两种测距码 :CA/码和 P 码，均为伪随机噪声码，简称为伪码。 其中 CA/码为粗码，码结构是公开的，供一般用户使用，定位精度可达 2040米。 P 码是精码，是结构不公 开的保密码，难于捕获，易于保密，定位精度可达510 米。 导航电文 导航电文是用户用来定位和导航的基础，是由卫星信号调制出来的数据码，包含了卫星的星历、工作状态、时钟改正、电离层时延、大气折射改正以及由 CA/码捕获 P 码等导航信息。 它是由卫星信号解调出来的数据码。 这些信息以 50biUs的速率调制在载频上，数据采用不归零制困 RZ)的二进制。 导航电文采用主帧、子帧、字码和页码格式，每主帧电文长度为 1500bit，传送速率为 5bit/s，所以发送一帧电文需要 30s 时间。 每帧导航电文包括 5 个子帧，每个子 帧长 6s，共有300bit。 第 3 子帧各有 10个字码，这三个子帧的内容每 30s 重复一次，每 广东 海洋大学 2020 届本科生毕业设计 12 hl 更新一次，第 5 子帧各有 25 页，共有 15000bit。 一帧完整的电文共有375000bit，需要 750s 才能传送完，花费时间达 125min。 电文内容在卫星注入新的数据后再进行更新。 导航电文的内容包括遥测码 （ TLM)、转换码 （ HOW） 、数据块 I、数据块 II 和数据块 III 等 5 部分，其结构示意图如 下 图所示。 各部分内容如下 : 每一个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导。 其中所含的同 步信号为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解释电文数据。 每一个子帧的第二个字码都是转换码，它的主要作用是帮助用户从已捕获的C/A 码转换到 P 码。 子帧 1 的第 310 个字码为数据块 I，它的主要内容是 :标志码 (指明载 波 L2 的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况 )、数据龄期、卫星时钟改正系数。 数据块 II 含在子帧 2 和子帧 3 内，它载有卫星的星历，即描述有关卫星运行轨道的信息。 这是 GPS 定位中最常用的数据。 数据块 III 含在子帧 5 内，它提供 GPS 卫星的历书数据。 当接收机捕获到某颗卫星后，利用数据块 m 的信息可以得 到其它卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星状态等数据。 数据块 IV 空置，留作备用。 当采用 GPS 进行定位解算时，可通过上述导航电文获取 GPS 卫星的各种轨道参数，在此基础上准确计算卫星的瞬时位置。 广东 海洋大学 2020 届本科生毕业设计 13 接收模块 GPS 接收模块的任务就是从卫星广播信号中解调出导航电文，然后从导航电文中获取 GPS 的各种轨道参数，再根据前述方程组解算出观测站的实时位置。 本设计采用 Progin 公司的 SR87 接收模块，该模块采用高灵敏度，性能良好的 SiRF III 芯片，能够跟踪同时跟踪多大 20 颗卫星。 这种模块非 常适用于手持设备或者车载嵌入式系统中 SR87 主要特点如下： （ 1）采用高灵敏度 SiRF III 芯片组 （ 2） 接收性能良好，能同时跟踪多大 20 颗卫星 （ 3）输出 TTL 电平信号，遵循 NMEA0183 协议 （ 4）低功耗 （ 5）平均冷启动时间低于 42 秒 （ 6）内置 1Mb SRAM （ 7）内置一块俚电池，使得模块能快速定位 （ 8）紧凑封装（ **7mm3），便于集成 SR87 技术参数 ： 电气特性 ： 频率 L1， C/A 码 通道数 20 广东 海洋大学 2020 届本科生毕业设计 14 灵敏度 159dBm 位置精度 〈 10meters,2D RMS 坐标系 WGS84 热启动 平均 1sec 冷启动 平均 42sec 响应时间 平均 动态特性： 海拔高度 18000 米 速度 515 米 /sec 加速度 4G 电源： 输入电压 输入电流 80mA 备份电源 3V 可更换俚电池，可使用 500 小时 天线接口类型 MMCX 通信接口 2 个全双工串行通信， TTL 电平接口 数据输出协议 NMEA0183 默认 NMEA GGA， GSA， GSV， RMC（ GLL， VTG 和 ZDA可供选用 1800B/s（其他波特率可供选择） 8 位数据位， 1 位停止位，无奇偶校验位 外观尺寸： 广东 海洋大学 2020 届本科生毕业设计 15 引脚说明： Pin1 VDD ~ VDC input Pin2 UART Tx NMEA serial data output Pin3 UART Rx Serial data input Pin4 NC Not connect, must be floating for normal operation Pin5 GND Ground Pin6 LED For GPS status (LED) indication 接收模块的输出数据格式 Progin SR87 模块的输出数据采用 NMEA0183 协议表示。 NMEA 协议是为了在不同的 GPS（全球定位系统）导航设备中建立统一的 BTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（ NMEAThe National Marine Electronics Association）制定的一套通讯协议。 GPS 接收机根据 NMEA0183 协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到 PC 机、 PDA 等设备。 NMEA0183 协议是 GPS 接收机应当遵守的标准协议，也是目前 GPS 接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的 GPS 接收机、 GPS 数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议 NMEA0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有 $GPGGA、$GPGSA、 $GPGSV、。