遠程定位系統(tǒng)的設(shè)計方案

1 遠程定位系統(tǒng)的設(shè)計 方案 課題的研究背景及研究意義 曾經(jīng)風(fēng)靡全球的定位系統(tǒng) 1（ ,縮寫 在定位技術(shù)發(fā)展相當成熟的年代， 位技術(shù) 2仍然是一塊不朽的豐碑，其研究意義仍然具有代表性。對 位系統(tǒng)的不斷研究可以使定位系統(tǒng)不斷的向小型化，智能化與多功能化發(fā)展。 研究背景 信息革命時代，高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù) 3發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍愈來愈廣。 系統(tǒng)是由 24 顆定位衛(wèi)星組成 4，無論在什么時候，都可為地球上的各種客戶確定 其 所在地的地理位置的經(jīng)緯度以及海拔高度等數(shù)據(jù)信息。 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即一個按相應(yīng)分布原理分布在地球上空的 24 顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，保證了在地球上任何一個地面位置上在同一時刻都可以同時檢測到 4 顆或 4 顆以上的衛(wèi)星 ,從而保證衛(wèi)星可以準確采集到該觀測點的經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息 ,迅速實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航、定位、授時等功能 5。還可用于飛機 、船舶、車輛以及個人導(dǎo)航，按指定路線精確抵達目的地。有效的降低了用戶為了尋找目的地而付出的資源浪費 ， 從一定程度上提高了作業(yè)效率、科學(xué)水平以及人們的生活質(zhì) 量 2。 研究意義 課題研究的基于 定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域相當廣泛，基于不同的領(lǐng)域都是有其相適應(yīng)的研究意義，下面簡單的介紹一下課題研究的幾點意義： 車船防盜系統(tǒng)： 位技術(shù)可以應(yīng)用于汽車、輪船等交通設(shè)備的防盜系統(tǒng) 6。安裝該防盜系統(tǒng)終端在汽車、船只等設(shè)備上面，該終端能夠自由的獲取 定位信息，在該設(shè)備被盜的情況下就可以向 終端發(fā)送定位請求，這樣就可以通過接收到由終端傳來的 位信息，尋找丟失的車輛與船只等。 導(dǎo)航系統(tǒng)：憑借 定位系統(tǒng)具有全球、全天候工作、高精度定位、觀測時間短等特點，在海上作業(yè)、陸路運輸、野外勘測等其他行業(yè)都承擔(dān)著導(dǎo)航定位的重任。 其他領(lǐng)域：除了防盜系統(tǒng)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)在其他的領(lǐng)域也同樣扮演者重要的角色。 2 例如，該定位系統(tǒng)為游客們在出門旅游時也提供了相當?shù)谋憬菖c安全。在測繪領(lǐng)域也大有作為 7，為工程師們提供便捷服務(wù)。 市場價值：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 8的不斷發(fā)展，人們對高品質(zhì)生活質(zhì)量的不斷提高，高精度的定 位電子產(chǎn)品以及相關(guān)技術(shù)將不斷應(yīng)用在人們的日常生活必需的產(chǎn)品中。隨著相關(guān)電子產(chǎn)品（例如：智能手機）的普及，該技術(shù)也將擁有巨大的市場價值。 國內(nèi)外發(fā)展狀況 美國 由美國國防部在 1970 年代初開始設(shè)計與研發(fā)，直到 1993 年才基本全部建成 9。美國政府在 1994 年宣布在未來 10 年內(nèi)會免費向世界各國提供 于軍事原因，美國也只會提供精度相對較低的定位信息 10。這樣的定位系統(tǒng)也等價于為美國設(shè)計了一個退路，如果發(fā)生了軍事戰(zhàn)爭，美國軍方為了自己的安全，完全可以關(guān)閉對該地區(qū)的使用權(quán) 。 航定位技術(shù)的研究，國內(nèi)外的水平都是參差不齊 ,下面簡單的從國內(nèi)、國外兩個方面進行介紹。 國內(nèi)發(fā)展狀況 我國的衛(wèi)星定位技術(shù)相對于一些發(fā)達國家來說起步較晚，從上個世紀八十年代初期才開始從國外引進衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，但我國的衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展卻非常的迅速?，F(xiàn)基本已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。初期的時候，我們引進的定位技術(shù)主要用于工程測量，石油勘測等大型項目上面 11。在 80 年代末期的時候我國又再次的引進 位技術(shù)，并開始自己研發(fā)基于 定位系統(tǒng)，該技術(shù)還只是作用于小部分部分產(chǎn)業(yè)，但是帶來相當可觀的 經(jīng)濟效益。到上個世紀末期，中國就開始研發(fā)屬于中國人自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并在 2003 年 6 月份，已經(jīng)成功發(fā)射了覆蓋整個亞洲的 3 個同步衛(wèi)星，該定位衛(wèi)星主要用于國家安全領(lǐng)域，還沒有發(fā)展到民用領(lǐng)域。這三顆衛(wèi)星就標著屬于中國人自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生， “北斗 ”導(dǎo)航系統(tǒng) 12的誕生。 發(fā)展中國自己的導(dǎo)航定位系統(tǒng)， 2000 年 10 月 31 日和同年的 12 月 21 日，我國成功的發(fā)射了兩顆北斗一號衛(wèi)星，由這兩顆北斗衛(wèi)星構(gòu)成的獨特的 “雙星有源定位系統(tǒng) ”。第三顆北斗衛(wèi)星成功發(fā)射與 2003 年 5 月 25 日。它是北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備用衛(wèi)星，這三 顆衛(wèi)星組成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 3 國外發(fā)展狀況 世界上第一個實用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ,是美國研制的子午儀 (星導(dǎo)航系統(tǒng) ,又稱為海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) (3),于 1964 年正式投入使用 ,主要為美國海軍服務(wù) ,子午儀系統(tǒng)有 4衛(wèi)星組成導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng) 14。衛(wèi)星軌道是近似圓形的極軌道 ,每個軌道上有一顆衛(wèi)星 ,衛(wèi)星沿南北方向運行 ,軌道高約 1100 公里 ,衛(wèi)星繞地球一周的運行周期約為 107 分鐘 ,子午儀系統(tǒng)能在全球范 圍內(nèi) ,全天候?qū)崿F(xiàn)二維 (經(jīng)度、緯度 )定位 ,航行定位精度 里 ,缺點是不能連續(xù)定位 ,一次定位的時間又較長 ,且不能確定用戶位置的高度 ,因此限制了飛機等用戶的使用。 為更好地為軍方 和人民 提供高質(zhì)量的定位信息 ， 最后美國決定于 1973 年開始研制一種新型衛(wèi)星定位系統(tǒng) 15， 并且命名為全球定位系統(tǒng) ( 簡稱1978 年之后 ,一些北大西洋組織的國家和澳大利亞也參加了 劃，并于 1993年全部建成 16。 為不受美國的限制， 1999 年歐洲空間局提出并計劃，準備發(fā)射 30 顆衛(wèi)星，為滿足歐洲的海陸空導(dǎo)航系統(tǒng)等作用的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)就組成 “伽利略 ”衛(wèi)星定位系統(tǒng) 17。 日本研究了一種區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航和氣象導(dǎo)航雙重功能的導(dǎo)航系統(tǒng) 18。該系統(tǒng)用兩顆同步衛(wèi)星 ： 一顆是通信衛(wèi)星 ， 保持飛機或船艦與地面站的通信聯(lián)絡(luò) ； 另一顆是氣象衛(wèi)星 ， 用戶及地面站可接收其信號 ， 用來協(xié)助選擇最佳航線。通過兩顆衛(wèi)星發(fā)出的信號的應(yīng)答 ， 可實現(xiàn)準確定位。 本課題的研究內(nèi)容 一款定位系統(tǒng)的終端性能的設(shè)計主要決定于 位芯片的選取，以及主控中心器材性能的選擇?，F(xiàn)在大部分的定位終端的設(shè)計基本都是基于嵌入式方案實現(xiàn)的。對于本課題的研究，為了降低開發(fā)成本，主要是采用一款傳統(tǒng) 51 內(nèi)核的片機作為控制芯片。采取這樣 片機不僅克服了使用普通單片機功能單一，資源分配不合理，或者避免使用更高端單片機的資源的浪費，從而可以降低成本與節(jié)約資源，還可以使系統(tǒng)資源得到合理優(yōu)化。本課題研究內(nèi)容：設(shè)計時 位系統(tǒng)采用的是 片機作為主控器， 為通信模塊芯片，這樣的搭配節(jié)約了成本縮短了開發(fā)周期。實現(xiàn)功能是通過 收 位信息，單片機通過串口接收 4 并且處理來自 信息數(shù)據(jù)，處理好的數(shù)據(jù)然后通過單片機的另一個串口發(fā)送給 塊，該模塊就可以將接收到定位數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送給手機。這樣就實現(xiàn)了定位及定位信息發(fā)送的功能。 文章整體結(jié)構(gòu) 本文共分為 7 章，各章的主要內(nèi)容如下： 第 1 章：緒論。主要介紹課題的研究背景以及研究的意義，國內(nèi)外發(fā)展狀況和應(yīng)用現(xiàn)狀，以及論文所需要完成的主要內(nèi)容以及 文章的整個組織結(jié)構(gòu)。 第 2 章：定位系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)介紹。本章是論文的第一個重點，主要是全方位介紹與定位系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)，簡單分析了現(xiàn)在最流行的 星定位系統(tǒng)相關(guān)定位技術(shù)，分別從幾個方面對這四個定位系統(tǒng)作簡單的比較分析，完成分析過后然后再列出課題選擇的 位系統(tǒng)的相對優(yōu)勢。章節(jié)最后對 位系統(tǒng)的通信協(xié)議進行介紹與學(xué)習(xí)。 第 3 章：系統(tǒng)總體設(shè)計。 對 第 2 章 位系統(tǒng)展開的全方位介紹，本章將繼續(xù)圍繞課題的第 2 個重點：定位系統(tǒng)總體設(shè)計框架與思路。了解系統(tǒng)需求，基于系統(tǒng)設(shè)計原則對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進行詳細說明。這一 章從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成部分、系統(tǒng)設(shè)計方案的選取及定位終端硬件模塊的選取這四個方面為突破口進行突破。 第 4 章：系統(tǒng)硬件設(shè)計。充分了解系統(tǒng)的功能及組成部分后，本章主要闡述了定位終端的硬件設(shè)計與實現(xiàn)過程。這一章主要從系統(tǒng)終端總體硬件結(jié)構(gòu)圖、單片機控制模塊選材與電路設(shè)計、 收模塊選材與電路設(shè)計、 塊選材與電路設(shè)計、電源模塊設(shè)計、串口模塊設(shè)計、 示模塊設(shè)計等，全面介紹定位終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。 第 5 章：系統(tǒng)軟件設(shè)計?；谟布娐吩O(shè)計的基礎(chǔ)上，下面主要任務(wù)就是通過單片機編寫主控制程序。主控制程序編寫 設(shè)計模塊分別從定位系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計、 塊的主要功能及流程設(shè)計、 塊的主要功能與設(shè)計、 示模塊的功能與設(shè)計、串口操作模塊設(shè)計來進行主控程序的說明與實現(xiàn)。 第 6 章：系統(tǒng)測試過程。整個系統(tǒng)的設(shè)計和以及最后的調(diào)試都是重要的環(huán)節(jié)。調(diào)試和測試在整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中占有很大比重，只有在不斷的調(diào)試當中才會發(fā)現(xiàn)錯誤并及時修改程序以達到最佳效果。本次調(diào)試分為硬件和軟件調(diào)試兩大部分。 第 7 章：本次畢業(yè)設(shè)計的工作總結(jié)、不足之處以及今后繼續(xù)研究的問題。 5 本章小 結(jié) 本章主要圍繞著設(shè)計課題的研究背景和意義，國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，論文的整體結(jié)構(gòu)以及各章節(jié)所涉及的內(nèi)容，為后續(xù)章節(jié)的完成打下良好的基礎(chǔ)。 6 第 2章 定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù) 美國 球定位系統(tǒng)（ 美國國防部在上個世紀 70 年代制定的研究計劃，該計劃耗資 200 多億美元且歷時 20 年，于 1994 年正式完成了該計劃。也就是宣布了一個具有在海陸空都能全方位的、全天候的、高效的進行定位導(dǎo)航的空間衛(wèi)星系統(tǒng)的誕生。該定位系統(tǒng)不是憑空而建的，而是基于美國當時軍 方使用的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) (重新研制的更加全方位的定位衛(wèi)星系統(tǒng)。按照現(xiàn)在的 位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料顯示，該定位系統(tǒng)在地球上空 20200 公里的空間分布了 24 顆定位衛(wèi)星。這 24 顆衛(wèi)星群還包含了 3 顆備用衛(wèi)星，它們都是繞組地球以近似圓形的軌道運行， 24 顆定位衛(wèi)星平均分布在 6 個空間軌道上面，每個軌道的傾角大約為 55 度，每顆衛(wèi)星的運行周期大概為 11 小時 58 分鐘。這 24 顆衛(wèi)星的分布準則是保證我們在地球上面任何地方都可以同時觀測到 4 顆或 4 顆以上的定期衛(wèi)星，這 樣才能保證定位的準確性、全方位及全天候性。隨著 位系統(tǒng)日益完善，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大，成為人們?nèi)粘Ｉ钪械牟豢苫蛉钡募夹g(shù)。 統(tǒng)由三個部分組成：空間組成部分、地面監(jiān)控部分、 收用戶部分。下面簡單的從這三個部分作簡要說明。 （ 1）空間組成部分：這部分即是由空間分布的 24 顆衛(wèi)星群組成的，通常記為（ 21+3）星群。 24 顆衛(wèi)星群還包含了 3 顆備用衛(wèi)星，它們都是繞組地球以近似圓形的軌道運行， 24 顆定位衛(wèi)星平均分布在 6 個空間軌道上面，每個空間軌道 的傾角大約為 55度左右，每顆衛(wèi)星的運行周期大概為 11 小時 58 分鐘。站在地球表面附近的的觀測者 ,每次大約時隔 4 分鐘就會見到同一顆定位衛(wèi)星。處于地球表面以上可觀察到的衛(wèi)星的數(shù)量會隨著時間或地點的不同而不盡相同 ,但是最少可觀察到 4顆 ,最多甚至可到 11 顆衛(wèi)星。3 顆備用衛(wèi)星，會在衛(wèi)星發(fā)生故障的時候，根據(jù)指揮部的指令與發(fā)生故障的衛(wèi)星進行替換 ,這就為 間部分能夠正常高效的工作提供了有力的保障。 （ 2）地面監(jiān)控部分： 作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由主控站、注入站和監(jiān)測 7 站組成。 面監(jiān)控站主要由一個主控站、三個注 入站和五個監(jiān)測站 19組成，具體如圖 2示。主控站主要是管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，采集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)信息，編制導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，并送往注入站。注入站再將衛(wèi)星的星歷注入 星，監(jiān)控該衛(wèi)星的運行狀態(tài)，并向該衛(wèi)星發(fā)送控制指令信息；衛(wèi)星維護與異常情況的處理。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對 星的觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中去。如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間，但是 導(dǎo)航精度會降低。 注 入 站無線信號監(jiān) 測 站無線信號主 控 制 器無線信號無線信號G P S 衛(wèi) 星圖 2面監(jiān)控中心 （ 3） 收用戶部分：即 號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率 ,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的 戶設(shè)備。 收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后，機內(nèi)電池為 儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用 20。 8 （ 1）定軌精度：由美國大陸基地以及美國的海外軍事基地上的 5 個監(jiān)測中心的觀測數(shù)據(jù)計算得到的廣播星歷。但因檢測中心數(shù)量少 ,故該系統(tǒng)的衛(wèi)星定軌精 度不高。這樣計算的衛(wèi)星定位位置切向誤差范圍 5m；徑向誤差范圍 3m；法向誤差范圍 3m。除了廣播星歷，美國國防制圖局根據(jù)全球 20 多個衛(wèi)星跟蹤站的觀測資料計算還有一套精密星歷，因檢測中心數(shù)量多且分布范圍廣，故該定軌精度較 5 個檢測中心的道德數(shù)據(jù)高出一個數(shù)量級。由國際 球動力學(xué)服務(wù)組織 (測算預(yù)報的精密星歷比美國軍方測定的精密星歷的精度要高得多 ,衛(wèi)星位置精度可達 3 厘米 21。 （ 2）信號分量： 號包含了三種信號分量，即載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。這些信號分量都是在同一個基本頻率 控制下產(chǎn)生的。每個 星在兩個頻率波段上發(fā)布獨立信號。 星的測距和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上，即在兩個波段 ( 載波信號中 22。 C/A 碼是一種短碼，用于跟蹤、鎖定測量的偽隨機碼，碼率為 s，波長約為 300 米，周期為 1 碼是 精測碼，碼率 s。 （ 3）定位精度：利用偽隨機碼的 信號單機測量，理論上按照目前測距碼的對齊精度約為測距碼波長的 1/算， C/A 碼的測距精度約為 3m；而 P 碼的測距精度約為除公共誤差提高定位精度，可利用 2 臺以上的載波相位 位儀實行聯(lián)測定位，對于載波信號單頻機的相對定位精度可達： (5D)其中 D 為兩臺儀器的相對距離；對于載波信號雙頻機，它能有效的消除電離層延時誤差，其相對定位精度可達： ( 1 )23。 （ 1）單點動態(tài)定位：就是將一個 戶接收機放在一個運動著的 載體上，并且該載體能夠自動地測得自己動態(tài)的實時位置，然后就通過這些實時位置獲得的數(shù)據(jù)處理得到運動載體的具體運行的軌跡。該定位原理又稱為 “絕對動態(tài)定位 ”。 單點動態(tài)定位基本方程 （ 2 1 / 2222 j u j u j u= X X Y Y Z Z d j (2式中 ， 動態(tài)用戶組在 刻的瞬態(tài)位置狀況；式中 是描述 9 第 j 顆 星在其運行的軌跡上瞬時位置坐標，這些坐標可根據(jù)星歷計算而得到。 j為 號接收機的接收天線和第 j 顆 位衛(wèi)星之間的距離， 又稱為 “星站距離 ”。d 是衛(wèi)星距離偏差，是由 號接收機的時鐘誤差及其他誤差因素所導(dǎo)致的距離偏差。 利用（ 2算用戶的位置時，不能直接計算出它們的三維坐標，而是只求出了每個坐標分量的修正量，即假設(shè)用戶初始的三維坐標值為（ 而計算出的三維坐標的改正值則為 及距離偏差 d。然后對（ 2中 別微分處理，便可得出一組線性方程（ 2: 1X A B (2其中 ， 矩陣為 0 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0000000001 1 11 1 12 2 22 2 23 3 33 3 34 3 44 3 4112233441111u u uu u uu u uu u Z Y Y Z Y Y Z Y Y Z (2j為對應(yīng)于第 j 顆 星的偽距觀測值。 利用式（ 2算的運動載體的實時點位坐標時，因此后面每一個點位的初坐標都可以根據(jù)前一個點位坐標來進行設(shè)定，所以關(guān)鍵是要確定第一個點位坐標的初始值，才能精確求的第一個點位的三維坐標。 （ 2）實時差分動態(tài) 定位：就是將一個 戶接收機放在一個運動著的載體上，并且將另一臺 樣協(xié)作測量該運動載體的實時位置，然后就通過這些實時位置獲得的數(shù)據(jù)處理得到運動載體的具體運行的軌跡，故差分動態(tài)定位原理又稱為 “相對動態(tài)定位 ”。 所謂實時差分動態(tài)定位（ 就是用兩臺接收機在兩個測站上同時測量來自相同 星的導(dǎo)航定位信號，用以聯(lián)合測得動態(tài)用戶的精密位置。其中一個檢測站坐標信息是已知，基準接收機就是設(shè)在該基準點的 號接收機。動態(tài)接收機，即 0 信號接收機安設(shè)在運動載體上，基準接收 機和動態(tài)接收機同時測量來自相同的 星的定位信號。利用基準接收機所測得的三維位置信息并與該點已知三維位置信息進行比較，便可得到該 位的三維坐標信息的改正值。及時將 維坐標信息的改正值發(fā)送給其他客戶的動態(tài)接收機組，及時改正后面所檢測的實時坐標位置信息，這就被稱為實時差分動態(tài)定位。圖 2實時差分動態(tài)定位 24的原理框圖。 基 準 站 數(shù) 據(jù) 校 正 發(fā) 射 器 校 正 處 理 器 基 準 接 收 機動 態(tài) 接 收 機導(dǎo) 航 處 理 器校 正 接 收 器G P S 衛(wèi) 星G P S 衛(wèi) 星差 分 解基 準 站動 態(tài) 用 戶 組圖 2差分動態(tài)定位的原理框圖 （ 3）后處理差分動態(tài)定位 25：后處理差分動態(tài)定位和實時差分動態(tài)定位的主要 差別在于：在運動載體和基準站之間，不必像實時動態(tài)定位那樣要建立實時數(shù)據(jù)傳輸，而該定位原理則是在定位檢測以后才對動態(tài)接收機和基準接收機所采集的定位信息進行測后的處理，而測出接收機所在的載體在對應(yīng)時刻位置坐標信息。 四大系統(tǒng)的比較 隨著世界上面全球定位的不斷發(fā)展和應(yīng)用的不斷更新，現(xiàn)在的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)比過去的無線電導(dǎo)航技術(shù)、天文導(dǎo)航技術(shù)等傳統(tǒng)技術(shù)更加的先進與精準，目前已經(jīng)成為一種普遍的導(dǎo)航技術(shù)，并且應(yīng)用于許多領(lǐng)域。至于上面所提到的四種衛(wèi)星定位系統(tǒng)，目前使用最廣的也就是美國的 球定位系統(tǒng)，在 剛 完成計劃的初期，美國軍方都不會直接把 確地定位信息共享出來夠大家使用，而是被美國軍方在其基礎(chǔ)上施加了一種干擾信號，使得除了美軍自己以外的所有用戶只能得到定位精度在 100m，授時精度 340服務(wù)。隨著后面俄羅斯的格魯納斯和歐洲的伽利略這兩個導(dǎo)航定位系統(tǒng)的 11 建立與啟動服務(wù)，使得控制的 位系統(tǒng)的美國軍方壓力很大，最終決定于 2000 年5 月全面撤銷對 人為干擾，這使得 定位精度提升到 20m，授時精度提高到了 40且承諾會加快對 完善，還會增加兩個民用的頻率。盡管俄羅斯的格魯納斯定 位系統(tǒng)沒有像美軍一樣的人為加一些干擾信號，但是由于俄羅斯當時的政府經(jīng)濟處于一片蕭條的狀態(tài)，這一經(jīng)濟狀況導(dǎo)致了俄羅斯無法及時的更新一些已經(jīng)快到服務(wù)年限的定位衛(wèi)星，由于衛(wèi)星得不到及時的更新與替代，導(dǎo)致了格魯納斯的定位精度也一直處于老狀態(tài)，沒有得到巨大提升。所以，格魯納斯想在由 治的導(dǎo)航市場上面站穩(wěn)腳跟也是很難的。對于我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，相對于前面幾種衛(wèi)星定位系統(tǒng)來說，主要是定位時間較慢，平均每次定位時間大于等于 能連續(xù)導(dǎo)航，且無法適應(yīng)高速運動的環(huán)境，只能運行在低速運行或則提供靜態(tài)定位服務(wù)。除此之 外，北斗定位系統(tǒng)不僅需要地面中心站提供數(shù)字高程圖信息，還需要用戶接收機發(fā)送上行，因為這樣的原因才使得該系統(tǒng)受到了許多方面的限制。至于歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然主要應(yīng)用于民用，但是目前該系統(tǒng)還有許多技術(shù)不是很成熟，離我們的實用性還是有很多差距，綜合上面的所有信息，目前我國現(xiàn)在應(yīng)用最多的導(dǎo)航定位系統(tǒng)還是美國的 美國全球定位系統(tǒng)具有 全球、全天候工作、定位精度高、功能多，應(yīng)用廣等特點。 相對于其他的幾種定位系統(tǒng)，這里總結(jié)了一些 相對優(yōu)勢： （ 1）高精度，時效快： 定位精度相對較高，按照理論計算可以達到5m 左右；且時效快，平均 1 秒就可以進行一次定位，這個時間對于高速運動的物體定位尤其重要。 （ 2）被動式的工作原理： 航定位時候，用戶設(shè)備只需要接收 送的信號就可以了，直接對其信號進行處理就可以了，更不需要像北斗一樣還要發(fā)送用戶信號， 種原理可以容納更多的用戶，且隱蔽性比較好。 （ 3）全球連續(xù)導(dǎo)航定位： 間部分是由 24 顆衛(wèi)星組成，合理的分布在6 個軌道上面，軌道高達 20200以在地球表面或者近空空間任何一點，均可 同一時間觀測到 4 顆以上衛(wèi)星，從而可以實現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。 12 議，接觸過 備或者用過 備研發(fā)的都了解，這是一個很常用的 訊協(xié)議。簡單的介紹一下 位系統(tǒng)的 信協(xié)議。 收機與手持機之間的數(shù)據(jù)交換格式一般都由生產(chǎn)廠商定制，其定義內(nèi)容一般用戶很難知曉，并且對于不同品牌、不同型號的 收機所配置的控制應(yīng)用程序也因生產(chǎn)廠家的不同而不盡相同。所以對于通用的 用軟件，需要定義一個標 準的數(shù)據(jù)格式，以解決與任意一臺 接口問題。 據(jù)標準就是解決這類問題的方案之一。為在不同型號 航設(shè)備中建立統(tǒng)一的 信協(xié)議 ， 準最初是由美國國家海洋電子協(xié)會統(tǒng)一制定的。 6協(xié)議有 0180、 0182 和 0183 這 3 種， 以簡單理解是前兩種的升級版，也是目前使用最為廣泛的一種。 準的 收機的硬件接口能夠兼容 的 口協(xié)議，嚴格來說 準 不是 范推薦依照 一個與 準 用負邏輯，即邏輯 “1”表示 輯 “0”表示+5V +15V，利用傳輸信號線和信號地之間的電壓差進行傳輸。 準是利用信號線之間的壓差來傳輸信號的，每個通道都有信號線，分別為邏輯 “1”和邏輯 “0”，傳輸驅(qū)動器和接收器主要功能是轉(zhuǎn)換邏輯電平的電位差，允許驅(qū)動器輸出為 2V 6V27 。 訊協(xié)議所規(guī)定的通訊語句都已是以 為基礎(chǔ)的。為了能夠更好地提取 息數(shù)據(jù)，必須理解 議的幀結(jié)構(gòu)，其幀結(jié)構(gòu)如圖 2示。議語句的數(shù)據(jù)格式 28如下： “$”為語句起始標志； “， ”為域分隔符； “ *”為校驗和識別符，其后面的兩位數(shù)為校驗和，代表了 “$”和 “*”之間所有字符的按位異或值； “ ”為終止符，也就是 符的 “回車 ”（ 0 “換行 ”（ 0典型的句如下面的 句。 當 常工作時，語句如： 13 $,70306,A*54 當 不到衛(wèi)星信號時， 句輸出變?yōu)椋?$,70306,A*54 范還允許個別廠商定義私有的語句格式，這些語句以 “$P”開始，然后是三個字符長度的廠商識別號，跟著是廠商定義的數(shù)據(jù)，接下來的數(shù)據(jù)格式與標準格式相同。如 有格式如下 ： $,*8。 其中， “P”代表私有格式， “ 代碼， “E”表示語句類型。 , v a l u e , v a l u e $* C h e c k s u m r a n E A P r o t o c o l F r a m 議幀結(jié)構(gòu) 英文簡稱 鼎鼎有名的通用分組無線業(yè)務(wù)。個業(yè)務(wù)是在當時現(xiàn)有的 絡(luò)基礎(chǔ)上面發(fā)展的一種新的業(yè)務(wù)， 主要功能就是為當時的 戶提供額外的數(shù)據(jù)分組服務(wù)。 大家都很熟悉的是采用相同的無線調(diào)制標準、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則以及 結(jié)構(gòu)。樣新的數(shù)據(jù)分組形式與當前的電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似，因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng) (一開始就可提供全面的 蓋。通用分組無線業(yè)務(wù)可使用戶在點對點的分組模式下進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，并且不需要以前交換模式下的網(wǎng)絡(luò)資源。這樣的無線分組服務(wù)不僅高效而且低成本。 適用的數(shù)據(jù)傳輸模式是：間斷的、突發(fā)性的、少量的和頻繁的、偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。 本章小結(jié) 本章主要介紹了課題設(shè)計過程中的核心技術(shù)。具體內(nèi)容包括：全球四大定位系統(tǒng)介紹、四大定位系統(tǒng)之間的差異、 位系統(tǒng)相對優(yōu)勢，最后介紹了 和 課題設(shè)計 相關(guān)的訊協(xié)議和 相關(guān)知識。 14 第 3章 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)功能與組成 本課題研究的對象是一個定位系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)研究設(shè)計主要運用了 術(shù)，術(shù)和通信技術(shù)。本系統(tǒng)主要通過單片機實現(xiàn)對 塊進行連接，利用串口通信來處理兩個模塊的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)獲取 定位信息，然后通過 而實現(xiàn)遠程定位。 本課題研究設(shè)計的遠程定位系統(tǒng)集中了許多技術(shù)知識，其中最主要的技術(shù)就是單片機的串口操作，因為要想通過單片機對 塊或者 塊信息的處理都必須通過串口來進行。為了讓系統(tǒng)能夠更好地進行工作，所以系統(tǒng)還包括了 收模塊，息發(fā)送模塊， 晶顯示模塊等組成部分。 系統(tǒng)設(shè)計方案的選取 能夠?qū)崿F(xiàn)與本系統(tǒng)相同功能的產(chǎn)品現(xiàn)在商場里面也有許多，但是針對不同的客戶需求，所以 程定位系統(tǒng)的性能也不盡相同，各自的開發(fā)環(huán)境也各不相同，但是目前他們的具體實現(xiàn)方案一般都可以歸納成以下幾點： （ 1）高性能的定位系統(tǒng)設(shè)計 高性能的定位終端設(shè)計一般都是基于嵌入式系統(tǒng)來開發(fā)設(shè)計的，這樣的嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括：微處理器或處理器、存儲設(shè)備、外設(shè)器件、圖形處理等設(shè)備。軟件組成主要包括：操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序部分。 在嵌入式技術(shù)高速發(fā)展的時代，不同的嵌入式設(shè)備運用的操作系統(tǒng)種類也不盡相同，并且?guī)缀趺恳环N操作系統(tǒng)都會有自己對應(yīng)的一套編譯環(huán)境，并且開發(fā)環(huán)境也相差較大，這對系統(tǒng)的移植提出了許多挑戰(zhàn)，而且開發(fā)難度較大，相應(yīng)的開發(fā)周期比較長。開發(fā)嵌入式系統(tǒng)成本相對較高 ,對于以定位導(dǎo)航為主的來說 ,使用嵌入式系統(tǒng)容易造成資源重大浪費。 （ 2）嵌入式 位系統(tǒng)設(shè)計 嵌入式 稱為單板計算機，嵌入式 要是將 上面的必須資源集中到一塊體積相對較小的單板上面而已。這塊單板上面還是集成了微處理器、 I/O 端口、插槽等器材，因此性能與 通用的 沒有什么大差別。嵌入式 以各種工業(yè)控制機 15 為代表，主要針對工業(yè)應(yīng)用方面的特殊設(shè)計，從而達到抗干擾與實現(xiàn)小型化的功能。在實際的開發(fā)應(yīng)用中可以將嵌入式 作通用 進行處理。一般來說 ， 嵌入式 而且嵌入式 的外圍接口相當豐富 ， 開發(fā)時不需要進行外圍電路設(shè)計。在結(jié)構(gòu)上 ,嵌入式 和通用 樣 ， 支持通用的 作系統(tǒng) ,通用 的應(yīng)用軟件可直接進行下載移植。對于多數(shù)開發(fā)人員來說，單板機上進行應(yīng)用程序開發(fā)比較容易掌握，且開發(fā)難度小。相對于單片機和嵌入式系統(tǒng)，嵌入式 發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。 （ 3）單片機實現(xiàn)方案 嵌入式微控制器通常都是稱為單片機， 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、多種 I/時器 /計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 單片機由于具有成本低、控制系統(tǒng)組成靈活方便、調(diào)試方便和維護簡單的特點，因此獲得廣泛應(yīng)用。目前多數(shù)定位導(dǎo)航采 用基于單片機的實現(xiàn)方案。定位導(dǎo)航過程中，定位導(dǎo)航終端需存儲大量的歷史定位數(shù)據(jù)信息，一般常用的單片機 (如傳統(tǒng) 8051 單片機 )遠不能滿足存儲要求，為了能夠正常工作就必須擴展 樣不僅提高了開發(fā)成本，還降低了系統(tǒng)的抗干擾性。而且一般8051 單片機沒有看門狗電路，程序在運行中遇到干擾容易跑飛，更增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。所以本課題準備采用單片機作為主控芯片，為了有更大的 以選用了 為主要處理器。 片機是一塊基于傳統(tǒng)的 51 單片機內(nèi)核 來開發(fā)的，降低了開發(fā)設(shè)計的難度，再加上這塊單片機擁有 60 以這也完全可以滿足我們對存儲的需求。 對這三種設(shè)計的方案綜合分析，最終選用了采取單片機控制，這個方案不僅經(jīng)濟實惠，而且難度適中適合初級工作者設(shè)計。 該系統(tǒng)定位終端硬件模塊的選取 主控制模塊 定位系統(tǒng)設(shè)計性能與硬件選取有很大關(guān)系。根據(jù)上面設(shè)計方案的選取，所以主控制芯片選擇了傳統(tǒng) 51 內(nèi)核的 片機。選取的單片機與 收機共同 16 構(gòu)成了定位終端。整個定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計程序都存放在這款單片 機的存儲器里面。片機通過串口與 收模塊進行數(shù)據(jù)處理，提取出 塊傳來信息里面的定位數(shù)據(jù)，然后顯示在 晶顯示屏上面。也可以通過單片機的串口將 信息傳輸?shù)?塊里面，并通過 塊編輯短信，并以短息模式將這個定位信息發(fā)送給相應(yīng)的手機。 定位模塊 定位模塊主要就是對 號接收機的選取，通常主要從技術(shù)參數(shù)，通信協(xié)議，控制接口和成本幾個方面考慮。日前市場上面大多數(shù)的 塊性能都是差不多，基本都支持 16 通道，采用 C/A 編碼。本系統(tǒng)綜合定位精度要求 選取了現(xiàn)在主流的 _M 定位芯片，這個定位精度相對較高，并且價格合理，數(shù)據(jù)傳輸通過串口操作簡單方便，采購的 M 如圖 3示。 圖 3M 實物圖 為滿足數(shù)據(jù)能及時傳輸，選 用 了相對常用的短信形式來進行傳輸，即利用短信形式進行傳輸定位信息。為了實現(xiàn)這一功能，就應(yīng)該選擇合適的通信模塊。目前市場上面有許多這樣的芯片，但從操作難度，適用性等方面考慮，本次設(shè)計選擇了 司的 塊，該模塊集成了短信與 個種不同形式的數(shù)據(jù)傳輸方式，正好也符合本課題的研究需求。 17 顯示界面的選擇空間很大，選擇的產(chǎn)品也比較多，主要都是看你對顯示界面的要求，可以 選擇 可以 選擇 次課題由于對顯示界面要求不高，又加上作者有對 示屏有過了解，所以這次選擇了 示屏，通常又稱為一塊低功耗的 制驅(qū)動器，設(shè)計為驅(qū)動 48 行 84列的圖形顯示。所有必須的顯示功能集成在一塊芯片上，包括 壓及偏置電壓發(fā)生器，只需很少外部元件且功耗小，使用相對簡單方便。 本章小結(jié) 本章主要從系統(tǒng)的功能、組成部分、設(shè)計方案的選取以及設(shè)計的相關(guān)硬件模塊的選材等，全方面介紹了課題的設(shè)計方法與研究方向。使讀者對本課題研究有一個全方面的了解與認識。 18 第 4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 定位系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)主要涉及的模塊有控制中心模塊， 位模塊， 信模塊， 晶顯示模塊，串口數(shù)據(jù)傳輸模塊等部分組成。其中總體設(shè)計框架如圖 4示。 主 控 單 片 機G P 0線 性 電 源 模 塊G P S 天 線 接 口S I M 卡 模 塊圖 4總體設(shè)計框架 單片機控制模塊設(shè)計 系統(tǒng)主要控制 芯片 選擇 了 片機，下面簡單介紹這款單片機的具體性能。 片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期（ 1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051 單片機，但是速度快 8。內(nèi)部集成了 用的復(fù)位電路， 2 路 路高速 10 位A/D 轉(zhuǎn)換。集成了兩個全雙工異步串行口（ 這個正好滿足了同時對 塊和 操作，符 合設(shè)計需求。 系統(tǒng)設(shè)計過程中，單片機模塊的電路設(shè)計原理圖如圖 4示。 19 圖 4單片機模塊原理圖 收芯片選擇的是 司的 M，該 片獨立的具有高性能的 定位引擎 收機。這種靈活的具有成本效益接收器采用了 1612.2 米微型封裝技術(shù)。其緊湊的結(jié)構(gòu)和斷電記憶功能選項，使 塊非常適用于電池供電的移動設(shè)備具有非常嚴格的成本和空間的限制。 50 個通道的 M 定位引首次定位時間小于 1 秒。由于這款 芯片只需要對其串口進行操作，所以電路設(shè)計也只是選擇這個芯片的兩個串口通過 平轉(zhuǎn)換成 232 電平這樣有利于單片機的讀取數(shù)據(jù)，具體電路設(shè)計原理圖如圖 4示。 圖 4收電路原理圖 20 產(chǎn)品概念 一款三頻段 塊 29，可在全球范圍內(nèi)的 00800900種頻率下工作，能夠提供 信道類型多達 10個，并且支持 種 碼方案。 構(gòu)小巧，外形尺寸僅 403乎可滿足所有對產(chǎn)品尺寸有要求的工業(yè)應(yīng)用，比如智能電話，掌上電腦和其他移動設(shè)備。 模塊與移動應(yīng)用設(shè)備通過一個 60 引腳的板板連接器相連，它提供了模塊與外設(shè)的所有硬件接口，除了 線接口。 部功能模塊有： 鍵盤和 型的 口，方便用戶開發(fā)自己的應(yīng)用設(shè)備。 具有調(diào)試和數(shù)據(jù)輸出兩個串口，幫助開發(fā)人員更容易開發(fā)產(chǎn)品。 雙音頻通道，包含兩個麥克風(fēng)輸入和兩個話筒輸出，由 令配置其工作模式。 兩種 線接口：一種是天線連接器、一種是天線焊點。天線連接器型號為 者用戶也可以通過天線焊點自己焊接天線。 有低功耗設(shè)計，睡眠模式下的電流消耗僅為 部集成了 P 協(xié)議棧，并且擴展了 P 令，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得非常簡單方便。 接口支持 規(guī)范功能，也支持針對快速 64的 規(guī)范功能（專 為 應(yīng)用工具箱的運用設(shè)計）同時支持 接口從模塊（正常電壓 部調(diào)節(jié)器取電，所有引腳復(fù)位時輸出為低電平，邏輯電平如下表 1 所述。 一款靜電放電裝置，圖中所示的 22電阻應(yīng)串聯(lián)于模塊與 的 線上，以匹配阻抗。上拉電阻（大約 10須加在 線上。 腳用來檢測 是否被取下。您可以用指令 “設(shè)置 的配置。如果您不使用 檢測功能，可讓 腳 者接地， 6 引腳 參考 電路如圖 4示。 21 表 1. 接口信號 腳 信號 描述 19 在 式下的自動功率輸出，一個是 0%，另一個是 0%。電流約 101 數(shù)據(jù) I/O 23 時鐘 25 復(fù)位 16 存在 圖 4引腳 接口電路 用單電壓供電，電壓為 些情況下，當電流消耗升至典型峰值 2A 時，其傳輸脈沖的波動可能導(dǎo)致電壓下降，所以電源供電必須能夠提供足夠到 2A 的電流。在 入引腳使用旁路電容。低阻抗，小尺寸的瓷介電容（ 能上是首選 30，但成本較高。降低成本可以選用 100鉭電容（低阻抗）并聯(lián)一個小的瓷介電容（ 1 10電容放置盡可能靠近 腳。具體電路設(shè)計如圖 4示。 22 圖 4路設(shè)計原理圖 電源模塊設(shè) 計 由于 片機是需要 5V 電壓進行供電的，所以單片機供電模塊是一個 9V 轉(zhuǎn)5了滿足具有較高精度的穩(wěn)壓電路要求，所以我們選用了五腳的 模塊具有精度高，壓差較小，省電等優(yōu)勢，而且對整體的干擾也較小。具體設(shè)計電路如圖 4示。 圖 49V 轉(zhuǎn) 5V 塊的供電電壓要求是 以為了由電源的 9V 得到能夠為 擇 片進行轉(zhuǎn)壓設(shè)計。為得到紋波少且穩(wěn)定 23 的電壓， 面加幾組電容進行濾波，具體設(shè) 計如圖 4示。 圖 49V 轉(zhuǎn) 塊電源設(shè)計，選用的 號的 以就設(shè)計了一個 5V 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)壓電路設(shè)計，具體如圖 4示。 圖 45V 轉(zhuǎn) 串口設(shè)計模塊 目