基于单片机的gps导航装置设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的gps导航装置设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

新的尝试，也加深了对 C8051F 系列的掌握。 (4)针对导航电子地图，由于生产厂家各自为阵，电子地图的数据质量也参差不齐，没有统一的标准。 如果利用专业电子地图开发软件，其开发成本昂贵。 并且随着我国城市建设和改造步伐加快，城区道路不断新建，错综复杂的道路时而涌现。 因此如何根据用户实际需要，开发出一套价格低廉且适合于用户工作环境的导航地图尤为重要。 本文 的研究内容 GPS 定位导航终端中控制器的选择直接影响到整个系统的性能。 目前，定位导航终端一般采用基于嵌入式、单板机或单片机的实现方案。 基于嵌入式的车载定位航终端开发难度较大，开发周期也相对较长。 单板机开发成本较高，体积大， 一般适用于大型基于单片机的 GPS 导航装置的设计监控系统。 因此，为了开发成本低、体积小、性能稳定的定位导航终端，选择一种合适的控制器至关重要。 如今，高性能、高可靠性、低价位的 SOC 单片机己经广泛应用于工业控制领域，使用 SOC 单片机不仅可以优化系统性能，而且节约了资源和成本。 SOC 单 片机克服了普通单片机功能单一、资源分配不灵活的缺点，从众多单片机中脱颖而出。 选择合适 CPU 内核和 IP 模块构架成具有特定功能的 SOC 单片机，使得其满足位导航终端功能所需。 本文设计的 GPS 定位导航终端采用基于 SOC 技术的单片机C8051F020 作为核心控制器，优化了系统性能，节约了成本，缩短了开发周期。 该课题主要的任务是 :以 Silicon Labs公司生产的 C8051F020芯片作为系统中心控制处理器，结合部分外围器件设计出控制、显示的硬件电路，并通过自制的 GPS 接收机接收来自 GPS 定位卫星的定位信息。 系统通过串口实现和 GPS 接收机通信，实时提取相关的定位数据 (经度、纬度、高度等 )并通过自制的电子地图，由液晶屏显示用户位置，实现导航定位的目的。 课题完成的工作 4点 : (1)研究了目前国内外 GPS 导航系统的发展现状、 GPS 技术，讨论了定位导航终端的设计以及先进的 SOC 单片机技术。 (2)选择合适的 GPS 模块和 SOC 单片机，构建基于 SOC 技术的定位导航终端，并进行可行性论证。 (3)设计了 GPS 接收板电路和控制板电路并制作 PCB 板。 焊接 元器件做系统调试。 (4)通过核心控制器 C805IF020 与 GPS 接收机进行通信，提取定位数据并进行处理和定位显示，实现定位导航终端的基本功能。 (5)通过实际点 的取 样，对道路进行描绘。 实现简单的自制电子地图显示。 (6)将基于 SOC 技术的定位导航终端应用于实际定位导航中，对定位导航终端进行灵敏度和定位精度测试。 论文的组织 论文的第一章为绪论，介绍了论文研究的背景以及国内外研究的现状和研究意义等内容 :第二章对 GPS 全球定位系统各方面作简单介绍和进行一般性的论述。 第 三章系统总体设计。 第四章提出了系统硬件设计，根据各模块功能进行硬件电路芯片的选择和线路连接。 第五章主要简要介绍系统软件设计。 第六章为系统调试总结，阐述了在调试过程中所遇到的问题及解决方法。 第七章总结，概括了所做的工作及不足，并给出下一步的研究方向。 第 2 章卫星定位系统相关技术 GLONASS(格鲁纳斯 )卫星定位系统 该系统是 1982 年底由前苏联开始建设，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于 1996 年建成全球导航定位系统 (Global Navigation Satellite System GLONASS )。 该系统与美国的 GPS 系统同属于第二代卫星定位系统 (3]a .1 系统组成 1)卫星星座 :全球导航定位系统的空间卫星星座，由分布在三个独立椭圆轨道的 24 颗 GLONASS 卫星组成 (另加 1颗备用卫星 )，平均每个轨道上分布 8颗卫星，各轨道升交点的赤经相差 120 度。 轨道偏心率 e=。 卫星轨道倾角为 度。 卫星运行周期 T=11 时 15 分 (恒星时 小时 )。 卫星高度 H=19100km。 卫星设计的使用寿命为 年，直至 1995 年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于 19%年 1 月 18 日整个系统正式运转。 2)地面系统 :地面控制站组 (GCS)设有 1 个系统控制中心， 1 个指令跟踪站(CTS 整个跟踪网络分布于俄罗斯境内。 CTS 跟踪遥控着所有 GLONASS 可视卫星，对其进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。 在 GCS 内装有激光测距设备对测距数据作周期修正，为此所有的 GLONASS 卫星上都装有激光反射镜。 技术特点 1)卫星信号 每颗 GLONASS 卫星配有艳原子钟，以便为所有星载设备提供高稳定的时标信号。 GLONASS 卫星同样向地面发射两种载波信号 L1 载波信号的频率为16021616MHz。 LZ 载波信号的频率为 1246^ 1256MHz。 其中 L1 载波信号为民用， L2载波信号为军用。 GLONASS 卫星之间的识别方法采用频分复用 (FDMA)技术， L1载波信号的频道间隔为 , L2 载波信号的频道间隔为 GLONASS 卫星测距粗码 (C/A 码 )的频率为 MHz，码长为 511 比特，重复周期为 lms。 GLONASS 卫星也采用类似 GPS 信号的 P码。 2)定位精度 水平精度 :士 50^70m。 垂直精度 :士 75m。 测速精度 :士 15cm/s。 3)定位原理 与 GPS 相同。 伽利略卫星定位系统 为了打破美国 GPS 在卫星导航定位领域的垄断， 1999 年欧洲提出了建立伽利略 (Galileo)导航卫星系统的计划，这是欧洲开发的最重要的航天计划。 20xx年 12 月 27 日，第一颗伽利略卫星 GLOVEA 发射升空，第二颗卫星 GLOVEB于 20%年发射，这标志着伽利略卫星定位系统正式进入实施论证阶段。 伽利略卫星定位系统是欧洲空间局 (ESA)主导的全球卫星导航系 统，由 27+3 颗卫星分布在3 个轨道平面上，计划于 20xx 年运行，目前己经推迟到 20xx 年。 伽利略卫星定位系统将提供高精度、全球覆盖的导航定位服务，并可以与 GPS, GLONASS 互操作和兼容。 20xx 年 10月，中欧 Galileo 计划技术合作协议在北京正式签署，中国投入 2 亿欧元参与了这项计划 (9l0 系统组成 1)卫星星座 :由 3 个独立的圆形轨道， 30 颗中等高度卫星 (MEOMiddle Earth Orbit)卫星组成 ((27 颗工作卫星， 3 颗备用卫星 )。 卫星的轨道倾角为 56度，公转周期 T=14 小时 23 分 14 秒，轨道高度 H=23616km。 2)地面系统 :在欧洲建立 2 个控制中心，在全球构建监控网。 3)定位原理 :与 GPS 相同。 4)定位精度 :导航定位精度比目前任何系统都高。 中国“北斗”导航系统 GPS 和“格鲁纳斯”都是为军事应用而发展起来的，完全由军方控制，无法保证服务信息始终保持不中断。 例如，美国在 20 世纪 90 年代的海湾战争期间，不仅中断了全球定位系统，而且给 P 码加密，使对方无法使用。 虽然“伽利略”系统是一个民用卫星导航系统，一旦发生战争，这个导航也会 遭到控制，特别是美国会直接插手“伽利略”。 在卫星导航系统发展过程中，出于军事需要的考虑，中国必须发展自己独立的系统。 20xx 年 10 月 31 日和 12 月 21 日，我国发射了两颗北斗一号卫星，并由其构成独特的“双星有源定位系统”。 第三颗北斗一号卫星于 20xx 年 5 月 25 日发射升空，它是导航定位系统的备份星，与前两颗工作卫星组成我国具有自主知识产权的第一代卫星导航定位系统 [(}10 系统组成 1)卫星星座 :由 3 颗同步静止卫星组成 (其中 1 颗在轨备用 )，分别定位于东经80 度和东经 140 度，轨道 倾角 i=0 度，公转周期 T=24 小时，轨道高度 H=36000km。 2)地面系统 :一个中心站，负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时、发送导航电文，监视和控制整个系统的工作情况等。 3)标校系统 :有测轨、定位、测高三类标校站。 测轨标校站为精确测量卫星的位置提供基准测量数据。 定位标校站为差分定位提供基准测量数据。 测高标校站为气压测高法提供基准测量数据。 技术特点 1)服务区域 :东经 70 度 ~145 度，北纬 50 度 ~55 度。 2)用户设备 :定位收发机的瞬间发射功率 较大。 3)定位精度 :平面精度士 20m,垂直精度士 l Or n. 定位原理 北斗导航定位系统的定位原理为 :地面中心站通过 2 颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。 地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球。 而两个定位球又和地面相交产生两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上 (这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的 )。 地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出用 户高程一进而让卫星转告用户。 北斗定位系统采用三球交会测量原理进行定位，即分别以两颗卫星为球心、到用户的距离为半径作两个球面，再以地球质心为球心，到用户的距离为半径作一个球面，三个球面的交会点就是用户的位置 (计算时要排除其镜像点 )。 卫星到用户的距离可以用定位信号的传播延时计算出来，而地心到用户的距离则可用中心站的数字地形图查出或用气压高度表测量出来，于是求解如下方程可以计算出用户坐标 (x0, y0, z0):(xi一 xo)2 +(Yr 一 Yo)2 +(Z，一 Zo)2=R。 2,i=1,2,3 (21)式中，(xi, yi, zi) (i=1, 2, 3)分别表示卫星 1, 2 和地球质心的坐标。 RI, R2,R3 分别表示用户机到卫星 1, 2 和地球质心的距离。 两颗卫星的坐标、地球质心的坐标以及卫星到用户的距离、地心到用户的距离都可以测出，所以可以解算出用户坐标。 当 然，在实际中要考虑到各种误差对测距的影响，以便对计算结果进行修正。 北斗定位系统与 GPS 系统的主要区别在于 :GPS 采用的是非同步多卫星定位原理，一般要求获取 4 颗以上卫星位置和到用户的距离，才可以得到用户的经纬度和高程数据，其定位处理部分分散到各个用户 机来完成。 在双星系统中，高程值由数字地图或气压测高站提供。 并且，信息处理中心具有定时和短报文通信功能 [al0 2. 4 GPS 卫星定位系统 全球定位系统 (Global Positioning System)是美国从本世纪 70 年代由美国国防部批准开始研制，历时 20 年，耗资 200 亿美元，于 1994 年全面建成，是具有在海、陆、空，进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。 全球定位系统是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，采纳了子午仪系统的成功经验，是美国第二代卫星导航系统。 按目前的方案， 全球定位系统的空间部分使用 24 颗高度约 20200 千米的卫星组成卫星星座。 24 颗卫星 (其中 3 颗为备用卫星 )均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上 (每轨道面 4 颗 )，轨道倾角为 55 度。 卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。 这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。 随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前己遍及国民经济各部门， 并开始逐步深入人们的日常生活。 2. 4. 1 GPS 系统的组成 GPS系统包括三大部分 :空间部分一 GPS卫星星座。 地面控制部分一地面监控系统。 用户设备部分一 GPS 信号接收机。 1)空间部分一 GPS 卫星星座 :由 21颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS卫星星座，记作 ((21+3)GPS 星座。 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面之间相距 60 度。 每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30 度。 在两万公里高空 的 GPS 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行约二周，绕地球一周的时间为差两分钟 12 恒星时。 这样，对于地面观测者来说，每天将提前 4 分钟见到同一颗 GPS 卫星。 位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到 4 颗，最多可见到 11 颗。 空间部分的三颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障 GPS空间部分的正常高效的工作极为重要。