基于at89s52的gps定位系统设计与研究.docx
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基于at89s52的gps定位系统设计与研究
基于AT89S52的GPS定位系统设计与研究
摘要
本设计结合单片机技术和GPS定位技术，简略的介绍了GPS基本概念，GPS系统的组成，讨论了绝对定位原理及其应用，最后提出了基于AT89S52单片机的GPS独立定位设备的概念，逐步讲解了软硬件的设计思路和步骤。
设计提出以S3310B作为GPS接受芯片，AT89S52单片机处理数据，LCD1602液晶显示以及独立电源模块实现的一种入门级的GPS定位系统的硬件电路实现方案。
本设计能够让学过单片机的人都了解GPS，而且有能力自己动手去做一个GPS定位系统。
关键词：
单片机；串口通信；GPS；液晶
TheGlobalPositionSystemDesignBasedonAT89S52
FanYan
（CollegeofPhysicsScienceandInformationEngineering,JishouUniversity,Jishou,Hunan416000）
AbstractAbstractAbstract
ThistextcombinesmicrocontrollertechnologyandGPStechnologyandintroducedGPSbasicconcept,alsodiscussesconstitutingofGPSsystem.AbsoluteitfixedpositionprincipleandputforwardaconceptwhichisAT89S52asthecoreofthemostsimplestindependentGPSdevice.ThemostimportantisthatIhaveexplainedindetaildesignwayofthinkingandstepofsofthardware.Atthesametime,thistextraisedadesignprojectofGPSsystem,whichusedS3310BasreceivingchipofGPS,MCUprocessingdata,LCDshowsdataandIndependentpower.Intheend,thisdesigncanletpeoplewholearnedGPSforthefirsttime,tounderstandGPSandtodoaGPSbyhimself.
Keyword:
MCU;theserialcommunication;GPS;LCD
目录
第一章绪论1
1.1GPS背景1
1.2GPS定位的坐标系统与时间系统的概述1
1.2.1坐标系统1
1.2.2时间系统1
第二章GPS定位系统的组成3
2.1卫星星座部分3
2.1.1卫星星座的构成3
2.1.2GPS卫星及其功能4
2.2地面监测部分4
2.2.1监测站4
2.2.2主控站4
2.2.3注入站5
2.3用户设备部分5
第三章GPS绝对定位原理6
第四章GPS接收模块S3310B的结构8
4.1S3310B接收模块的介绍8
4.1.1S3310B的特性：
8
4.1.2S3310B的主要应用：
8
第五章GPS导航电文的数据格式10
5.1语法格式10
5.2协议类型10
5.2.1信息源10
5.2.2查询10
5.2.3属性11
5.3常用协议类型解释：
11
5.3.1GPGGA11
第六章系统设计思想12
6.1系统的总体设计12
6.2硬件电路设计12
6.2.1S3310B的硬件连接电路的设计12
6.2.2单片机最小系统以及液晶显示电路的设计13
第七章系统软件设计方案14
7.1软件设计的功能模块14
7.1.1系统初始化模块14
7.1.2信号接收模块14
7.1.3信号处理显示模块15
7.2NMEA数据处理中的注意事项15
7.2.1通讯端口的设置15
7.2.2所需信息的正确提取15
7.2.3检验和的计算与比较16
7.3程序流程图16
第八章系统测试19
8.1某个时刻测出的数据分析19
8.2对1天的数据分析19
8.3结论20
第九章总结21
参考文献22
第一章绪论
1.1GPS背景
为了满足军事及民用部门对连续实时三维导航的需求，1973年12月美国国防部批准研制新一代卫星导航系统，即目前的“授时与测距导航/全球定位系统”（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem，NAVSTAR/GPS），通常称之为全球定位系统（GPS）。
GPS主要应用在大地测量，工程测量，航空摄影测量，科学研究等领域。
此外，在军事部门、能源交通部门、城市建设与管理部门以及农业气象等部门和行业也都展开了GPS技术的研究和应用。
1.2GPS定位的坐标系统与时间系统的概述
1.2.1坐标系统
GPS定位是通过安置于地球表面的GPS接收机同时接受4颗以上的GPS卫星信号，从而测定地面点的位置。
GPS定位常采用空间直角坐标系，一般取地球质心为坐标系的原点。
空间直角坐标系用位置矢量在3个坐标轴上的投影参数（x,y,z）表示空间点的位置。
采用空间直角坐标系，可以方便地通过平移和旋转从一个坐标系转换到另一个坐标系。
完全定义一个空间直角坐标系，需要确定：
①坐标原点的位置；②3个坐标轴的指向；③长度单位。
根据选择的参数不同，除空间直角坐标系外，还有其他形式的坐标系，如球面坐标系、大地坐标系等。
但他们在使用是式等价的，即不管采用哪一种坐标系，一组具体的坐标值只表示唯一的空间点位。
常用的坐标系统有：
协议天球坐标系、协议地球坐标系、地球参心坐标系、国家大地坐标系、地方独立坐标系、高斯平面直角坐标系以及WGS-84坐标系等等。
1.2.2时间系统
在GPS卫星定位中，作为观测目标的GPS卫星以每秒数公里的速度在运动。
对观测者而言，卫星的方向、距离、高度和运行速度都在不断地变化。
因此，在由追踪站对卫星进行定轨时，提供卫星位置的同时，必须给出对应的瞬时时刻。
与坐标系统一样，时间系统也应该有相应的尺度（时间单位）与原点（历元）。
只有把尺度与原点结合起来，才能给出时刻的概念。
时间包含“时刻”和“时间间隔”2个概念。
所谓时刻，即发生某一现象的瞬间。
在天文学和卫星定位中，与所获数据对应的时刻也称为历元。
时间间隔则是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时刻之差。
所以时间间隔测量称为相对时间测量，而时刻测量相应地称为绝对时间测量。
利用GPS进行精密的导航与测量，应尽可能获得高精度的时间信息。
描述时间的系统有多种，与GPS定位相关的主要有恒心时、原子时和力学时3种。
第二章GPS定位系统的组成
全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国第二代卫星导航系统。
是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。
和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。
整个系统的组成可用图1.0进行说明。
地面支持系统
GPS卫星
注入站
主控站
监测站
GPS用户
设备
图1.0GPS系统的组成
2.1卫星星座部分
2.1.1卫星星座的构成
GPS的空间卫星星座由24颗卫星组成（其中，21颗为工作卫星，3颗为备用卫星）。
卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上均匀分布有4颗卫星，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55度，各轨道平面升交点的赤径相差60度。
在相邻轨道上，卫星的生交距相差30度。
轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11h58min（恒星时12h）,载波频率为1575.42MHz和1227.60MHz。
因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只不过每天提前4min。
每颗卫星每天约有5h在地平线上，位于地平线上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。
GPS卫星空间的分布保障了地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测。
由于GPS卫星是分布在20000多千米高空的运动载体，只能是在同一时间测定3个距离才能定位，要实现同步必须具有统一的时间基准，从解析几何角度出发，GPS定位包括确定一个点的三维坐标和实现同步的时间4个未知参数，因此必须测定到至少4颗卫星的距离才能定位。
2.1.2GPS卫星及其功能
GPS卫星的主体呈圆柱形，每颗卫星装有4台高精度原子钟，这是卫星的核型设备，它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。
GPS卫星有如下基本功能：
1）接受和存储有地面监控站发来的导航信息，接受并执行监控站的控制命令。
2）借组与卫星上设有的微处理机进行必要的数据处理工作。
3）通过星载的高精度铯原子钟和铷原子钟提供精密的时间标准
4）向用户发送定位信息
5）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
2.2地面监测部分
地面监测部分包括1个主控站、3个信息注入站和5个卫星监控站。
5个监测站分别位于全球不同德位置（地点略）。
监测站分别于注入站并置。
地面监控部分的主要任务是：
①监视卫星的运行；②确定GPS时间系统；③跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态；④向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。
2.2.1监测站
现有的5个地面站均具有监测站的功能。
监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。
站内没有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各1台和若干台环境数据传感器。
接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状态。
原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地气象数据。
所有观测资料由计算机进行初步处理，并存储和传送到指控站，用以确定卫星的轨道参数。
2.2.2主控站
主控站设在美国科罗拉多州斯平士（Springs）的联合空间执行中心（CSOC）。
主控站除了对地面监控系统协调和管理外，其主要任务是：
1）根据本站和其他监测站的所有观测资料，推算编制各卫星星历、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）提供全球定位系统的时间基准。
各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，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，使之沿预定的轨道运行。
4）启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。
2.2.3注入站
3个注入站分别设在印度洋，南大西洋和南太平洋。
注入站的主要设备包括1太直径为3.6m的天线，1台C频段发射机和1台计算机。
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器，每天注入3次～4次。
此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。
这里需要指出是分布在全球5个不同位置的整个GPS地面监测控制部分，除主控站外均无人职守。
各站之间通过现代化的通信网络相互联系，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度自动化和标准化。
2.3用户设备部分
用户设备通常称为GPS接收机，本设计主要是设计该部分，利用已经设计好的GPS接收模块接收卫星发送的定位信息，通过MCU处理显示定位信息。
其G
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