基于单片机的定位装置设计毕业论文设计(编辑修改稿)

基于单片机的定位装置设计毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

克，价格也从之前的十几万美元降为现在的几十美元。 当前，全球的 GPS 产品制造商已经超过 50多家，主要的领导商家有高明公司、 UBLOX 公司和麦哲伦公司等。 3 全球 GPS 市场状况 伴随着 GPS 应用范围的推广， GPS 产品渐渐成为全球无线通信终端市场的一项重要的产品，汽车导航系统与结合无线通信的 GPS 产品的普及化推动了 GPS 产品市 场的高度成长。 根据市场调研公司 ABI 的报告， 20xx 年，这两类产品在 GPS 应用产品在市场的比率合计约为 %，至 20xx 年增长至 %，航海、航空、农业和测量等总共仅占 %[6]。 无论是汽车导航还是 GPS 通信的应用产品， 主要的消费市场都是在欧、美、日等三个地区。 将汽车导航作为例子，由于消费电子技术和电子地图的高度发展，再加上智能型的运输系统的成熟，使得日本成为了目前全球汽车导航系统市场值和普及率最高的国家。 20xx年，日本的汽车导航系统总销售值约为 670 万 美元，占市场的 %，北美和 欧洲分别占%和 %。 但是在 20xx 年之后，伴随着汽车导航系统全球的普及化，北美和欧洲的市场销售值增至 590 万美元和 710 万美元，各占市场的 %和 27%，日本的市场因为导航系统的普及化使得增长率趋缓。 当前已经推出了整合无线通信和 GPS 解决方案的商家，有瑟孚科技、天宝公司和快速跟踪公司等， 瑟孚公司和快速跟踪公司是两家发展较为积极的公司，而且已经有手机制造厂商和移动通信运营者采用这两家的解决方案 [7]。 尽管当前具有 GPS 定位功能的手机市场发展很被看好，但现在仍有几项问题迫切需要解决：首先， GPS 组件运作时将会大幅提高手机的耗电量；其次，无论手机采用的是外接的 GPS 模块或者是内建的 GPS 芯片作为解决方案，都不可避免的遇到制作成本高的问题；最后，当前具有提高整合无线通信技术和整合 GPS 芯片的公司不多。 在经历了近 30 多年的发展， GPS 产品逐渐成为只为军事方面服务转变为消费电子产品，而且其应用范围扩展到日常生活中的定位信息、 PDA、通信等方面。 从现阶段来观察，因为GPS 接收机的价格、技术以及市场应用服务等方面都未成熟，在乐观的看待 GPS 市场发展时 ， 诸如 GPS IC 设计的成本是否能降低、技术是否能达到 手机或 PDA 所需的最小体积与耗电量以及内建 GPS 的新手机是否能引起消费者的青睐等问题，必须谨慎的评估 [8]。 论文主要内容 在此次设计过程中，主要熟悉选用的 GPS 接收模块的性能指标，结合单片机的相关知识能实现对 GPS 接收到的卫星信息进行提取，并在液晶显示器上选择性的显示所需要的数据。 本文首先介绍了 GPS 定位系统的发展、基本原理、模块定位流程、特点；然后对设计方案进行筛选，选择易实现的方案；再进行硬件设计，首先展示的是系统总体结构图，紧接着是接收机基本原理，具体介绍了硬件组成部分单片机最小系统、 LCD12864 液晶显示屏、GPS 接收模块；硬件实现后是对软件进行设计，包括单片机的串行通信，软件的程序编写，流程；最后是对 Keil 软件的介绍和在此设 计中的作用。 通过 C 语言实现了 GPS 信号的提取、显示等。 经过实践测试 ,这种接收机可以达到基本 GPS 信再进行息接收以及显示，可以做到方便灵活、优质价廉、精度高、连续导航、抗干扰能力强，并可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 50 页 2 GPS 简 介和方案选择 GPS 定位系统简介 GPS 定义与发展 GPS 的英文简称是 Global Positioning System（全球定位系统）。 GPS 起源于 1958 年美国军方的一个军事项目，于 1964 年投入使用。 在 20 世纪的 70 年代，美国的海陆空三军研发了新一代的全球卫星定位系统 GPS。 它的主要目的是为海陆空三军提供强大的全天候、全球性和实时的导航服务，并且用于情报搜集、应急通讯和核爆监控等一些军事目的，再经历了 20 多年的研究实验，总耗资 300 亿美元，截止到 1994 年为止， 24 颗全球覆盖率高达98%的卫星星座已经布设完成 [9]。 以 24 颗定位人造卫星为基础的 GPS 导航系统，向全球各地全天候的提供三维速度、 三维位置等信息的一种无线电导航定位系统。 它是由三部分组成的，一是地面监控部分，是由监测站、主控站、地面天线及通讯辅助系统组成的。 二是用户装置部分，是由卫星天线和GPS 接收机组成。 三是空间部分，由 24 颗卫星组成， 21 颗运行卫星和三颗备用卫星，均匀分布在空间的 6 个轨道平面上 [10]。 民用的 GPS 定位精度可以达到 10 米以内。 GPS 以前是美国军方研制的一种子午卫星定位系统，于 1958 年开始研究， 1964 年正式的投入使用。 此系统刚开始是由 5 颗到 6 颗卫星组成星网工作，平均每天最多绕地球 13 次，还无法给出具体地高度信息 ，定位精度也不够精确。 子午仪系统对于研发部门对卫星的研究有很大的帮助，验证了卫星系统定位的可行性，成为 GPS 研究的奠基作用。 因为子午系统对于船舰和潜艇导航方面 有缺陷及卫星定位显示在导航方面有优越性。 美国的陆海空三方及民用部门都认为一种新的卫星导航将为其能做出很大的改善作用 [11]。 基于此原因， 美国海军研究实验室 (NRL)提出了 一个叫做 Tinmation 的用 12 至 18 颗卫星 所 组成 得 10000km 高度的全球定位网计划，并 且分别在 1967 年、 1969 年和 1974 年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上 面 初步 测试 了 原子钟 计时系统，这是 GPS 精确定位的基础。 美国空军 却 则提出了 621B的以每星群 4 至 5 颗卫星组成 3 至 4 个星群的计划，这些卫星中除 了 1颗采用 同步轨道 以 外其余的 卫星 都使用周期为 24h的倾斜轨道，该计划以 伪随机码 (PRN)作 为基础 导航电文来 传播卫星测距信号， 它的 强大 功能，当信号 的 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 得以取得成功的一个重要基础。 空军的计划能 够为其 供提供高动态服务， 但是 系统过于复杂 ， 海军的计划主要 是 用于为船舰 提供低动态的 2 维定位 [12]。 因为 同 时 研究这 两个系统会 花费很高， 而且这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 二 者合为一 体 ，并 且 由国防部 带头组织 的卫星导航定位 ， 联合计划局 (JPO)领导，将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。 该机构 的 成员 很 多，包括美国 海军、陆军、交通部、海军陆战队、国防制图局，北约和澳大利亚作为代表 [13]。 在美国联合计划局的领导下最初的 GPS 计划诞生了，这个计划方案是把 24 颗卫星分布在互成 120 度的三个轨道上面。 8 颗卫星均匀分布于一个轨道上，在地球表面上的任何一点都可以观测到 6 到 9 颗卫星。 精码精度可达 10 米，粗码精度可达 100 米。 因为压缩预算，GPS 计划减少卫星的发射数量，修改之前的为将 18 颗卫星均匀分布在互成 60 度的六个轨道上，但是这个方案使得卫星可靠性不能够得到保障。 于是在 1988 年又重新进行了最后一次修改： 24 颗卫星， 21 颗工作卫星和三颗备用卫星，均匀分布在互成 60 度的六个轨道上面[14]。 以全球 24 颗人造定位卫星为基础的 GPS 导航系统，向全球各地全时段的提供三维速度、三维位置等信息。 它是由三部分组成，一是地面监控部分，由监控站、主控站、地面天线和通讯辅助系统组成的。 二是用户装置部分，由卫星天线 和 GPS 接收机组成。 三是空间部分 ，由 24 颗卫星， 21 颗运行卫星和 3 颗备用卫星，均匀分布在六个轨道平面上。 采 用 GPS 定位卫星，在全球范围内进行 导航、 定位 的系统，称为全球卫星定位系统，简称 GPS。 GPS 是美国国防部 研究 建立的一种具有 全天候、 全方位、 高精度 、全时段 的卫陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 50 页 星导航系统，能 够为 全球用户提供 高精度 、低成本的三 维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范 ，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展 [15]。 GPS 可以提供车辆定位、 防盗 、反劫、行驶路线 监控 及呼叫 指挥 等功能。 要实现以上所有功能必须具备 GPS 终端、传输网络和 监控平台 三个要素。 图 GPS 卫星空间分布图 GPS定位系统的基本原理 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 大地坐标系中的位置速度等信息便可 得知 [16]。 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陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 50 页 及大气传播误差，故称为 伪距。 对 CA 码测得的伪距称为 CA 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 [17]。 按定位方式， GPS 定位 分为单点定位和 相对定位 （ 差分定位 ）。 单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用 伪距 观测量，可用于车船等的概略导航定位。 相 对定位 （ 差分定位 ）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用 伪距 观测量也可采用相位观测量，大地测量或 工程测量 均应采用相位观测值进行相对定位 [18]。 在 GPS 观测量中包含了 卫星 和接收机的 钟差 、大气 传播 延迟、 多路径效应 等误差，在定位计算时还要受到卫星 广播 星历误差的影响，在进行 相对定位 时大部分公共误差被 抵消或削弱，因此定位精度将大大提高， 双频接收机 可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用 双频接收机。 GPS 定位的基本 原理 是根据高速运动的 卫星 瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置 [19]。 如图所示，假设 t 时刻在地面待测点上安置GPS 接收机，可以测定 GPS 信号到达接收机的时间 △ t，再加上接收机所接收到的 卫星 星历等其它数据可以确定。