简易GPS定位仪的设计.docx
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简易GPS定位仪的设计
东海科学技术学院
毕业论文（设计）
题目：
简易GPS定位仪的设计
系：
机电系
学生姓名：
专业：
电子信息工程
班级：
指导教师：
起止日期：
2010年6月3日
简易GPS定位仪的设计
李胜泰
（浙江海洋学院东海科学技术学院机电系，浙江舟山316000）
摘要
为了提高卫星定位的精度，美国自1973年开始筹建全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）。
在经过了方案论证、系统试验阶段后，在1989年开始发射正式工作卫星，并于1994年全部建成，投入使用。
GPS系统的空间部分由21颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，地面高度是20000余公里，轨道倾角是55度，扁心率约为0，周期约为12小时，卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575.442兆赫兹（L1波段）和1227.6兆赫兹（L2波段），卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的C/A码和P码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用户提供高精度、全天候、连续、实时的三维测速、三维定位和授时。
GPS的应用已十分广泛，而且越来越广泛，差不多涉及到国民经济的各个领域，尤其是近几年来其向消费市场的发展的强劲势头表时，以GPS为代表的卫星导航应用产品，由于他能很容易地提供位置、速度和时间信息，所以会很快成为现代信息社会重要信息来源，成为信息时代的国家基础设施之一，由于他功能强大、使用方便、价格合适，所以能很好的与其他系统结合，形成大量的新应用、新产品，迅速的进入我们日常工作、学习、生活和娱乐中。
本设计由单片机控制器来对GPS模块发送的信息进行处理,通过液晶显示器显示北京实时标准时间、及经纬度等信息，对系统的整体设计方案进行了分析，并对各个功能组成模块及其涉及的硬软件进行细致的介绍。
关键词：
单片机；LCD显示器；GPS；
DesignofsimpleGPSLocator
Lisheng-tai
（ZhejiangOceanUniversityCollegeofMechanicalandElectricalEngineering.ZhejiangZhoushan316000）
Abstract
Inordertoimprovetheprecisionofsatellitepositioning,theUnitedStates,startedin1973,theglobalpositioningsystemGPS（GlobalPositioningSystem）.Afterademonstrationprograminprogress,thesystemtestphase,wasofficiallylaunchedin1989workingsatellites,allbuiltin1994,putintouse.SpacesegmentofGPSsystemcomposedof21satellites,evenlydistributedinsixorbitalplanes,groundaltitudeof20,000km,orbitalinclinationof55degrees,flatheartrateofabout0,cyclesofabout12hours,thetwosatellitestoground-launchedbandsofthecarriersignal,carriersignalfrequencywas1575.442MHz（L1band）and1227.6MHz（L2band）,satellite,highprecisionatomicclockinstalledinordertoensurefrequencystability,modulationonthecarrierhassaidsatellitebroadcastephemerispositionforthedistanceoftheC/AcodeandPcode,andothersysteminformation,toworldwide,toprovideasmanyhigh-precision,all-weather,continuous,real-timethree-dimensionalmeasurementspeed,three-dimensionalpositioningandtiming.ApplicationofGPShasbeenveryextensive,andmoreextensive,involvingalmostallfieldsofnationaleconomy,especiallyintheconsumermarketinrecentyearstothemomentumofthedevelopmentofform,asrepresentedbyaGPSsatellitenavigationapplications,ashecaneasilyprovideposition,velocityandtimeinformation,itwillsoonbecomeamoderninformationsociety,animportantsourceofinformationhasbecometheinformationage,oneofthecountry'sinfrastructure,becauseofhispowerful,easytouse,thepriceisright,itcanbeverygoodwithothersystemstoformalargenumberofnewapplications,newproducts,rapidaccesstoourdailywork,study,livingandentertainment.Thedesignofthemicro-controllertosendtheinformationtotheGPSmoduletoprocessreal-timethroughtheLCDdisplayBeijingstandardtime,andlatitudeandlongitudeandotherinformation,thepresentstudy,theoveralldesignofthesystemwereanalyzed,andthecompositionofthevariousfunctionalmodulesandtheirrelatedhardwareandsoftwarefordetaileddescription
Keywords:
Microcontroller;LCD;GPS;
第1章绪论
GlobalPositioningSystem全球定位系统（GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。
其主要目的为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。
经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
全球定位系统由三部分构成：
（1）地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；
（2）空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；（3）用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。
全球定位系统的主要特点：
（1）全天候；
（2）全球覆盖；（3）三维定速定时高精度；（4）快速省时高效率：
（5）应用广泛多功能。
全球定位系统的主要用途：
（1）陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；
（2）海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；（3）航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。
经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。
GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。
为提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。
接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。
实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
GPS前景
由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。
据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。
可见，GPS技术市场的应用前景非常可观[1]。
1.1GPS系统的构成
GPS系统包括三大部分:
●空间部分—GPS卫星星座;
●地面控制部分—地面监控系统
●用户设备部分—GPS信号接收机
（1）GPs工作卫星及其星座
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星构成。
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。
在GPS系统中，GPS’卫星的作用为:
①接收和储存来自地面监控站的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。
②通过星载的高精度艳钟和铆钟提高精密的时间标准。
③卫星计算机进行必要数据处理。
④用L波段的两个无线载波（19cm和24cm）向广大用户连续不断的发送导航定位信号。
⑤接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地调整运行偏差或启用备用卫星等。
（2）地面监控系统
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个检测站。
主控站设在美国本土科罗多拉。
主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文，传送到注入站。
主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失控的工作卫星。
另外还负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。
三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。
其任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器，每天注入三次，每次注入14天的星历。
此外，注入站能主动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。
五个监测站除了位于主控站和三个注入站之外的四个站外，还在夏威夷设立了一
个监测站。
监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。
每个监测站均用GPS
信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象
要素等数据。
在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每巧分钟平滑
一次观测数据，据此推算出每2分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。
[2,3]
（3）信号接收机
GPS信号接收机的任务是:
能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度的测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。
动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运动轨迹。
GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆）。
载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。
对于测地型接收机来说，两个单元一般分为两个独立的部件，观测时将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连成一个整机。
或将接收单元和天线单元制作成一个整体，观测时将其安装在测站点上。
1.2GPS系统基本定位原理
GPS定位原理比较复杂，这里只概述其基本原理。
二维平面定位基本原理可用“三点定位法”来说明。
三点定位法需要有三个坐标已知的参考点，并且知道被测点到参考点之间的距离，以参考点为圆心、以被测点到各参考点的距离为半径画圆周，三个圆周的唯一交点即是被测点的确切位置，如图1.1所示。
对于三维空间定位，可同理采用“四点定位法”。
图1.1GPS三点定位法原理图
在GPS系统中，参考点就是悬在空中的卫星。
卫星位置包含在导航信息中，只要测量出卫星发射信号的时刻与它到达用户时刻的时间间隔，即可求得卫星与用户之间的距离。
从而被测点在地球上的位置可由地面接收装置中的计算机计算出来。
对于陆上和海上二维位置（经度和纬度）来说，只要观测3颗卫星就可以;对于空间的三维位置（经度、纬度和高度），需要采集4颗卫星的信号才能计算确定
1.3GPS-OEM通信协议
GPS的通讯协议比较多，其中NMEA（NationalmarineElectronicsAssociation）0183协议为GPS接收机和其他航海电子产品的导航数据输出格式，是目前普遍使用且为大多数生产商遵循的协议之一，以下为其基本通讯参数及报文格式。
（l）NMEA0183报文格式
NMEA0183协议报文的语句串（Ascll字符）格式全部信息可如下表示:
$AAXXX，ddd…ddd，*hh
各符号的意义如下表1.1
表1.1NMEA0183协议报文符号及意义
符号
意义
$
串头，表示串开始
AA
识别符
XXX
语句名
Ddd
数据字段，字母或数字
，
数据分隔符
*
hh校验和
回车控制符
换行控制符
（2）NMEA0183具体内容
通常，GPS接收机每秒通过直接计算产生一次定位数据，位置时间信息通过封装成GPS报文交给主机。
NMEA0183报文输出的常用语句信息包含内容，如表1.2
表1.2NMEA-0183输出语句
NMEA
种类说明
GPGGA
卫星定位数据
GGPLL
地理位置-径度纬度
GPGSA
导航偏差和有源卫星
GPGSV
可接受到信号的GPS卫星状态
GPRMC
推荐最小数据量的GPS具体内容/传输数据
GPVTG
对地方及对地速度
其中GPRMC是推荐最小数据，适合海上船只或地面交通工具使用，可给出世界标准时间、经/纬度、航行速度/方向等信息。
输出范例为:
$GPRMC，161229.487，A，3723.2475，N，12158.3416，W，0.13，309.62，120598，*10
其详细说明如表1.3所示。
表1.3RMC资料格式
名称
实例
说明
讯息代号
$GPRMC
RMC规范台头
标准定位时间
161229.487
时时分分秒秒.秒秒
定位状态
A
A=资料可用，V=资料不可用
纬度
3723.1487
度度分分.分分分分
南北半球指示
N
北半球N，南半球S
径度
12158.1416
度度度分分.分分分分
东西半球指示
W
东半球E，西半球W
对地速度
0.13
0.0至1815.8节
对地方向
309.62
实际值
日期
120598
日日月月年年
磁极变量
东半球
校验码
*10
信息结束
第2章系统总方案设计
总体电路设计原理框架如图2.1
图2.1总电路设计原理框架
整体电路电路主要由GPS-OEM接收板、液晶显示器、单片机等部分组成。
2.1GPS-OEM接收板
根据本课题所要功能需要对GPS模块的主要性能进行选择：
1、并行通道：
一般消费类GPS设备有2～5条并行通道接收卫星信号。
因为最多可能有12颗卫星是可见的（平均值是8），GPS接收器必须按顺序访问每一颗卫星来获取每颗卫星的信息。
市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型的，这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息，12通道接收器的优点包括快速冷启动和初始化卫星的信息，而且在森林地区可以有更好的接收效果。
一般12通道接收器不需要外置天线，除非你是在封闭的空间中，如船舱、车厢中。
因此对本设计来说一般消费类的GPS设备的并行通道来说已经足够了。
2、定位信息：
这是指重启GPS接收器时，它确定现在位置所需的时间以及。
对于12通道接收器，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为3～5分钟，热启动时为15～30秒，而对于2通道接收器，冷启动时大多超过15分钟，热启动时为2～5分钟。
3、定位经度：
大多数GPS接收器的水平位置定位精度在5m～10m左右，但这只是在SA没有开启的情况下。
4、信号干扰：
给予你一个很好的定位，GPS接收器需要至少可以接收3～5颗卫星。
如果你在峡谷中或者两边高楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，你可能不能与足够的卫星联系，从而无法定位或者只能得到二维坐标。
同样，如果你在一个建筑里面，你可能无法更新你的位置，一些GPS接收器有单独的天线可以贴在挡风玻璃上，或者一个外置天线可以放在车顶上，这有助于你的接收器得到更多的卫星信号。
这次采用的是GARMIN公司被广泛应用的GPS25LP型GPSOEM接收板。
GARMIN公司作为全球最大的GPSOEM板的供应商其生产的GPS25LP型GPSOEM板具有：
1、并行12通道接收；2、重捕时间<2S，热启动时间15S，冷启动时间45S，自动搜索时间90S；3、定位精度：
差分（DGPS）情况下<5M，非差分15M；4、提供外接天线以帮助接收。
基于以上性能GARMINGPS25LP接收板完全能满足这次设计的需要。
2.2LCD液晶显示器
一般嵌入式系统可供选择的显示器有：
1、VFD显示器：
VFD显示器是由电子管发展过来的一种显示器件。
它是真空二极管或三极管的一种改型。
二极管的改型称为静态VFD，三极管的改型称为动态VFD。
静态VFD含有二个基本电极：
阴极（灯丝）和阳极。
动态比静态多一极：
栅极。
所有极在高真空条件下封装于玻璃壳内。
由阴极发射的电子在正向电位的作用下加速到达栅极和阳极（静态VFD直接到达阳极），并碰撞激活在阳极上的荧光粉图案使其发光。
所需的亮度图形显示可以由控制栅极和阳极（静态VFD仅控阳极）正电位或负电位而实现。
VFD显示器具有高清晰度；高亮度；宽视角；反应速度快；从红色到蓝色多种色彩，使用滤色器可获得更多色彩；显示效果好；当使用CIG（集成芯片玻璃）技术时，可集成VFD的驱动电路；可靠且使用寿命长等特点。
但它需要5.5－6.3V的灯丝电压；150－450mA的灯丝电流；12－36V的阳极加速电压；15-36V的栅极电压。
不考虑阳极和栅极电流，单灯丝功耗就达825mW，功耗相对来说较大，不适合在移动设备上使用。
另外它需要多组电压不同的供电电压，使用不方便。
2、LED显示器：
LED显示器是由LED发光二极管发展过来的一种显示器件。
它是LED发光二极管的改型。
一般分为LED数码管显示器和LED点阵显示器。
它具有高亮度；宽视角；反应速度快；可靠性高；使用寿命长等特点。
但LED数码管只能显示数字和极少数几个英文字符，显示单调。
而LED点阵虽然能显示各种信息，但它的体积较大，在市场上能买到的最小的8*8点阵都有3*3CM，适合于广告牌能需要大面积显示的地方，不适合于移动设备。
况且动态扫描有可能有8段同时被点亮，此时按每段10mA电流来算也有80mA，如同时点亮段数更多则电流更大。
3、LCD液晶显示器：
LCD液晶显示器是利用光的偏振现象来显示。
一般也分为数字型LCD（同LED数码管显示器，只能显示数字和极少数几个英文字符），和点阵型LCD。
前者用于只需显示简单字符的地方，如时钟等。
后者能显示各种复杂的图形和自定义的字符。
因此应用比较广泛。
LCD液晶器具有：
本身不发光，靠反射或者透射其他光源；功耗很小；可靠型高；寿命长（工业级>100000小时，民用级>50000小时）；体积小；电源简单等特点非常适合于嵌入式系统、移动设备、掌上设备等。
此次设计我们也采用点阵型LCD液晶显示器CGM－12232。
其具有122*32点阵不仅可以显示数字，还可以中文、英文甚至图片等，而体积只有61mm*19mm*5.7mm，而功耗更低至5V*2.5mA=12.5mW（不开背光）。
2.3MCU的选择
一般GPS导航器都是GPSOEM配合矢量电子地图来进行导航和航线记录。
这里设备CPU的运算量和需要储存的数据
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