GNSS接收机上位机软件的研制.docx
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GNSS接收机上位机软件的研制
华东交通大学理工学院
本科生毕业设计（论文）资料袋
题目名称
GNSS接收机上位机软件的研制
学生姓名
周舟
学号
20090210420137
专业
通信工程
分院
电气与信息工程分院
指导教师姓名
胡辉
职称
教授
序号
资料名称
袋内有者划√
并写明份数
序号
资料名称
袋内有者划√
并写明份数
1
任务书
7
答辩专家评审表
2
开题报告
8
答辩评分表
3
原创性申明
9
成绩汇总表
4
毕业设计（论文）
10
图纸
（）张
5
指导教师评审表
11
软件或程序
光盘□软盘□
（）张
6
评阅人评审表
12
其它
综合评定成绩
华东交通大学理工学院
InstituteofTechnology.
EastChinaJiaotongUniversity
毕业论文
GraduationThesis
（2009—2013年）
题目GNSS接收机上位机软件的研制
分院：
电气与信息工程分院
专业：
通信工程
班级：
通信2009-1
学号：
20090210420137
学生姓名：
周舟
指导教师：
胡辉
起讫日期：
201301—201305
华东交通大学理工学院
毕业论文原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的毕业论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。
论文中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在论文中特别加以标注引用，除此之外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
毕业论文作者签名：
日期：
年月日
毕业论文版权使用授权书
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本人授权华东交通大学理工学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业论文。
（保密的毕业论文在解密后适用本授权书）
毕业论文作者签名：
指导教师签名：
签字日期：
年月日签字日期：
年月日
摘要
GPS给导航带来了许多革命性的改变，它给全球范围内无数的海陆空天用户提供了非常精确的实时位置、速度和时间信息。
现如今，我们也能通过编写软件程序，利用计算机处理接收的到卫星星历，来调制和解算，从而达到定位以及导航的目的。
随着软件技术的进步，由软件实现的各种通信结构系统已经成为热点中的热点。
软件无线电技术有很高的活性和可扩展性，这样不仅让通信技术得以快速的发展，而且也能为GPS接收机的研究提供一个很重要的发展方向——GPS软件接收机的研究。
GPS软件接收机承接了软件无线电技术的优点，摆脱了传统硬件接收机灵活性弱、可扩展性差的缺点，而且具有开发周期短、成本低等优点，还能对GPS技术的一些核心算法进行研究。
GPS软件接收机除了数据采集的部分应用硬件的方式实现外，其余的功能模块都采用了软件的形式在PC机上实现。
GPS接收机上位机软件有着模块化、可编程性、灵活性以及强适应性等等特点，对于未来的多导航系统发展有着重要作用。
有些多路径数学模型以及抗干扰的方法，通过对GNSS接收机上位机软件的探究，还能够找到改良以及提升接收机环境的适应能力，这为以后研发出具有自主知识产权的GPS接收机有着重大的意义。
本文正是在这种背景下展开了对GPS接收机上位机软件的研究。
本文主要介绍了GPS接收机上位机软件的研究与实现。
GPS软件接收机基本上采用了软件的形式在PC机上实现。
文中先是对GPS系统进行了详细的介绍，然后介绍了VC++6.0的开发环境及MFC。
最后重点介绍了基于VC++实现串口通信的方法以及GPS上位机软件有关的设计与实现，并且用这部分的内容进行了整体性能以及关键功能模块的测试和检验。
关键词：
GPS；上位机软件；VC++；串口通信；界面设计
Abstract
GPSnavigationtobringalotofrevolutionarychange,whichletnotreesoftheland,seaandairdayworldwideusersprovidesaveryaccuratereal-timelocation,velocityandtimeinformation.Nowadays,wecanalsothroughthewritingsoftwareapplication,usingthecomputerprocessingtoreceivethesatelliteephemeris,tomakereconciliation,soastoachievethegoalofpositioningandnavigation.Withtheprogressofsoftwaretechnology,bythesoftwareimplementationofavarietyofcommunicationstructuresystemhasbecomeahotspotinthehot.
Softwareradiotechnologyhashighactivityandextensibility,thisnotonlyletcommunicationtechnologyrapiddevelopment,butalsofortheresearchofGPSreceivertoprovideaveryimportantresearchdirection--GPSsoftwarereceiver.TheadvantagesofGPSsoftwarereceiveronthesoftwareradiotechnology,getridofthetraditionalhardwarereceiverisweak,theshortcomingsofpoorextensibility,flexibilityandshortdevelopmentcycle,lowcostadvantages,alsosomeofthecorealgorithmofGPStechnologyarestudied.SomeapplicationsofGPSsoftwarereceiverinadditiontothedataacquisitionhardwarewayoutside,therestofthefunctionmoduleofsoftwarehasbeenadoptedintheformofarealizedinPC.
PCsoftwareGPSreceiverhasamodular,programmability,strongflexibilityandadaptability,andsooncharacteristics,iscompatiblewithmanynavigationsystemdevelopmentneedsinthefuture.Somemathematicalmodelofthemultipathandanti-interferencemethods,throughastudyofuppermachinesoftwareGNSSreceiver,youcanalsofindimprovementandimprovetheenvironmentofreceiveradaptationability,whichislaterdevelopedwithindependentintellectualpropertyrightsoftheGPSreceiverisofgreatsignificance.ThispaperiscarriedoutunderthisbackgroundthestudyofuppermachinesoftwareGPSreceiver.
ThisarticlemainlyintroducedtheresearchandimplementationofGPSreceiverofthePCsoftware.GPSsoftwarereceiverisbasicallyintheformofthesoftwareinPC.ThispaperfirstontheGPSsystemhascarriedonthedetailedintroduction,andthenintroducesthedevelopmentenvironmentofVC++6.0andMFC.FinallyintroducedthemethodbasedonVC++realizetheserialcommunicationandthedesignandimplementationoftheGPSPCsoftwarerelated,andthispartistheoverallperformanceandthekeyfunctionmoduletestandvalidation.
Keywords:
GPS;PCsoftware;VC++;Serialcommunication;Interfacedesign
目录
中文摘要1
英文摘要2
目录3
第1章绪论1
1.1GPS系统的发展历程1
1.2课题研究的背景2
1.3国内外研究现状2
1.3.1国外研究现状3
1.3.2国内研究现状3
1.4本文研究的主要内容4
第2章GPS系统概述及VC++6.0MFC概述5
2.1GPS系统的组成及定位原理5
2.1.1GPS系统组成5
2.1.2GPS定位原理7
2.2GPS信号的组成8
2.3VC++6.0MFC概述9
2.3.1VisualC++6.0开发环境9
2.3.2Microsoft基础类库概述9
2.4本章小结9
第3章基于VC++实现串口通信的方法10
3.1NMEA-0183协议10
3.1.1语法格式10
3.1.2协议类型10
3.1.3常用协议类型的解释11
3.2串口通信的实现过程13
3.3MFC环境下上位机与接收机串口通信的实现14
3.4利用虚拟串口实现串口通信14
3.4.1虚拟串口虚拟的两个串口，COM1COM214
3.4.2串口调试助手15
3.4.3软件成功接受的数据16
3.5本章小结17
第4章GPS上位机软件的设计与实现18
4.1设计思路18
4.2上位机软件的功能需求19
4.3上位机软件设计开发19
4.3.1开发环境19
4.3.2软件结构20
4.3.3界面设计20
4.4本章小结23
第5章系统测试24
结论28
参考文献29
后记30
第1章绪论
1.1GPS系统的发展历程
从现在全球上看，因为计算机技术和网络技术的不断发展，使得导航技术越来越完善、成熟。
GPS可以提供全世界范围内非常准确可信的三维定位、测量速度、时间信息、车辆地点定位、防盗、反动、行驶路线监控及指挥等诸多功能，在当今取得了越来越多的应用。
同时GPS定位还是一个测量距离的系统，它精准的定位能力来自精确的伪距测量。
全球定位系统的全称是“授时与测距导航系统”，是美国国防部为了军事目的而创立的、陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，主要是想彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航以及定位的一套卫星定位系统，可以说是当时军事异常重要的定位系统。
第一代卫星导航系统具有代表性的是“海军导航卫星系统”，因为它实现了全世界、全天候的实时导航，显现了卫星导航快捷方便的技术优势。
但是因为系统的“单星、低轨、低频测速”体制上有着不可能变换的限制，不能够满足大部分高动态用户的实时导航定位需求，更不能满足军事部门和民用部门需求的高精确。
由于这各方面的原因，美国国防部让海陆空联合开发第二代卫星导航系统，也就是全球定位系统，我们称之为GPS。
GPS采用了一些NNSS的成功经验，攻克了NNSS的缺点，运用“多星、高轨、高频、测时、测距”的体制，终于解决了实时定位的缺陷。
GPS计划总体上的是分为三个步骤的：
第一步骤是方案上进行论证和初步研制阶段（1973年～1978年），总共发了4颗实验卫星，然后建立了地面跟踪网，同时还研制了地面接收机；第二步骤是整体研发和实验改进阶段（1979年～1984年），总共向宇宙发射7颗BlockI实验卫星，开发了各种各样的导航型和测地型接收机；第三阶段为实际网络结构阶段（1985年～1993年），共发射BlockII以及BlockIIA实际工作卫星。
从计划开始，到1993年，GPS空间星座己经全部建成，它是由遍布在6个轨道平面内的（21+3）颗卫星构成的。
从1973年至1993年，GPS系统开发研制经历了将近20年左右，耗费资金300亿美元，在1993年6月基本建成。
1983年GPS逐渐的从军用转向军民共同使用后，又在1984年正式确立了保护美国国家安全的两大政策，就是阻止对P码信号进行干扰性的AS政策以及减低C/A码定位精确性的SA政策。
应用SA技术可以使C/A码的实时定位精度减低的非常明显，许多隐藏的民间用户都希望可以改善定位精度。
所以在这样的背景下，像一些差分GPS定位技术的应运，都开始的飞速的发展。
然而此时GPS平行系统的应用，像俄罗斯研制开发的GLONASS系统，还有就是九十年代末期国际上的民航组织所倡导的GNSS体制，让美国政府倍感压力。
在这样的背景下，没过总统发布了很多GPS现代化的改革，这些改革包括了启用第二民用频率、第二民用码，还有增加第三民用频率，最后就是改良GPS空间分布的几何图形，还有改进地面的控制网络。
这些改革在很大程度上对实时定位有了很大的提高，而且也提高了定位的精确度和可靠性。
1.2课题研究的背景
全球卫星导航系统（GNSS）的定义是全球范围内卫星导航系统的集合，这里面包含了已经在运用的美国 GPS 系统、俄罗斯 GLONASS 系统、中国的北斗系统和正在建设中的欧洲 GALILEO 系统以及我国正在自主开发的北斗二代系统等[1][2]。
GPS 系统能够在全世界范围内为所有用户提供全天候的连续精准的位置、速度、时间等信息，在许多领域已经得到了大面积的应用。
美国科学家 Joe.Mitola在1992年美国电信系统会议上第一次给出软件无线电的想法，因为它具有较强灵活性和开放性等重要特点[3]。
软件无线电的提出，很大程度上解决了 GPS 硬件接收机存在的可扩展性比较低、不能灵活运用等问题。
软件无线电技术采纳了可编程的、开放式的平台结构，让程序的加载异常简便，于此同时还能够进行升级、研究新的算法。
正是因为软件无线电思想的提出，还有GPS接收机的众多的优势，才能开发出新一代的GPS接收机软件[4]。
现在，国外完成了基于 PC 机的 12 通道实时 GPS 软件接收机，而且还有很多的GPS 软件接收机论文发表。
相比较国内在这方面的研究虽然才刚刚起步，但是有些高校像北京航空航天大学、东南大学等以及一些研究机构也在对于 GPS 软件接收机进行研究与开发[5]。
1.3国内外研究现状
就目前来看，随着 GPS 定位技术正在渐渐的推广以及普及，GPS 接收机民用用户数量也正在大幅度提升，几乎每个国家都在研制和开发各种类型的 GPS 接收机，它体积也越来越小，重量更轻，而且低能耗低价格。
随着 GPS 接收机性能以及功能正在不断改善，现在已经有了非常好的稳定度和可靠性，能够快速实现导航以及快速定位等等功能[6]。
在应用领域方面，各种类型的接收机技术也正在被大量的研究利用，像差分技术，微弱信号捕获技术等等。
随着GPS接收机的软件化程度渐渐的日益加深，纯软件化实时GPS接收机现在也正在飞速发展，更由于GPS软件接收机有着可扩展性强、灵活性高等诸多优点，越来越受到国内外研究机构的青睐，掀起了一股研究GPS软件接收机的潮流[7]。
GNSS包括了GPS、GLONASS、GALILEO以及我们国家的北斗系列等，已经有越来越多的国家正在研制属于自己的导航定位系统。
从技术发展的总体趋势看，各方多方技术融合是一个不可逆转的大方向，像现在的3G总体方向已经开始朝LTE发展了，并且GPS也只GNSS中的一部分而已，虽然现在GNSS并没有进行融合的明确方向，但是现在各种GNSS系统融合的应用已经被研究还有应用，但是明眼人都知道，多系统的综合利用才是GPS的整体发展趋势。
1.3.1国外研究现状
从GPS问世到现在算起，已经有超过30年的历史，这30年，GPS技术已经有了改天换地的发展，而且GPS的一些相关产品的体积以及成本在不断地减低。
现在全球各地 GPS 应用产品制造商大概超过了30家，像高明国际公司、麦凯伦公司和天宝导航有限公司等都是下载比较好的厂商。
还有，在全球范围内有一些代表性的公司，比如天宝公司、徕卡公司、NovAtel公司和JAVAD公司等，他们主要是生产测量仪器；比如高明公司、麦哲伦公司，摩托罗拉公司、洛克韦尔公司和瑟孚科技公司等，他们主要生产导航设备以及GPS OEM板；已经推出整合无线通信与GPS解决方案的厂商有快速跟踪公司（SnapTrack）、瑟孚科技、天宝公司等，它们经过这些年的研制和开发，已经拥有着多年的研发经验还有丰富的专利产品，光Trimble就有超过五百多项已注册 GPS专利。
过去的十多年里，随着研究人员的刻苦专研，GNSS软件接收机获得了明显的进步。
Ohio大学的DennisM.Akos于1997年8月，他的博士论文中研究了GNSS软件接收机前端模拟信号的接收以及模数转化（Front-End）的两种设计方案[8]，而且事后还验正了卫星信号捕获的FFT算法的可行性以及跟踪环路的稳定性。
随后，James.B.Y.T出版了一本书，里面详细介绍了GPS软件接收机的系统结构以及跟踪的算法细节[9]，还提出了一种全新的信号跟踪检验方法-BASS（BlockAdjustmentofSynchronizingSignal）[10]。
美国Cornell大学的很多学者都差不多同时发表了有关实时多通道GPS软件接收机的相关研究文章，实现了软件接收机的诸多功能[11][12][13]。
相对来说，国外学着对GPS的研究确实比国内要领先的多，国外学者研究发表了许多与提高GPS接受性能相关的文章，正是因为学者们的热情，才使得国外对GPS接收机的研发处于领先地位。
1.3.2国内研究现状
经过中国知网的调查表明，国内有关与 GPS 接收机研究的的期刊论文以及优秀硕博论文，从1979年开始到2010年间，总共发表一千七百多篇，但是和GPS软件接收机相关论文只发表 80 篇不到，而从2000年到2010 年间发表关于 GPS 接收机的论文或者文章也才一千出头，最主要 GPS 软件接收机的文章仅仅只有三十多篇。
由这些我们能够看出，国内对GPS研究这些年虽然一直都在呈现上升的趋势，但是关于GPS软件接收机的开发研究才刚刚开始。
现在我们国内卫星导航定位市场，使用的卫星导航定位核心定位产品基本上来自美国、日本、韩国以及台湾等地，在国内很少有人开发核心定位产品，大多数都是基于核心产品来二次开发生产车载的终端、自动导航和手持定位仪等一些产品。
随着GPS产品的使用渐渐的增多，我国对GPS技术的研究也取得了长足的进步，比如对于 GPS 芯片的研究上东方联星研制的 OTrack 32 芯片能够同时兼容三大卫星导航系统，还有上海的复控华龙微系统技术有限公司研制开发的首颗北斗导航芯片等等。
我们不仅仅只是在GPS芯片研究上取得进步，在GPS接收机上位机软件的研究也得到了阶段性的发展。
可是因为各种各样因素的制约，我国发展的还是非常缓慢，对于GPS核心技术研究还不够深入，所以我国对GPS技术的研究总体实力相比较国外还是差距较大，研究的主力主要集中在一些科研院所，如 704 所、503 所等，没有能够形成系列化，在市场上影响力不高，而且像这类研究所主要研制的是军事用途接收机，所以对民用接收机的一些性能指标以及要求一般考虑的比较少。
1.4本文研究的主要内容
本文的主要研究内容为GPS接收机上位机软件的研究与实现。
在课题内容中重点研究GPS接收机上位机软件的具体设计与实现。
第1章，简要介绍了GPS系统产生、特点、发展，主要针对课题的研究背景及研究意义进行了介绍，同时结合国内外的研究现状，对GPS接收机的研究情况进行了分析。
第2章，介绍了GPS系统的组成及定位原理，GPS的信号组成，已及VisualC++6.0的开发环境，Microsoft基础类库概述VC++6.OMFC的层次结构。
第3章，介绍了NMEA-0183协议的标准规范；在项目设计过程中，串口通信的实现过程；MFC环境下上位机与接收机串口通信的实现；解析出接收机的串口数据并显示在软件界面中。
第4章，介绍了上位机软件的设计思路，功能需求，还有上位机软件的总体框架，最后分析了上位机软件的界面设计。
第5章，本章介绍了在软件开发完成后，以不同时段进行了性能的测试。
第6章，本章对上位机软件的研制工作做了一个总结，并对后续的工作进行了展望。
第2章GPS系统概述及VC++6.0MFC概述
2.1GPS系统的组成及定位原理
2.1.1GPS系统组成
1973年，因为军事目的需要，美国国防部提出了全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）。
作为新一代精密卫星导航定位系统，GPS具有全球覆盖、连续、全天候工作、能为高动态平台提供服务，高精度等特点。
GPS被人们称为第二代卫星导航系统，它是因为成功的借鉴了第一代子午仪卫星导航系统的经验并在它的基础上发展壮大起来。
和第一代卫星导航系统差不多，GPS系统也是由空间星座部分（GPS卫星星座）、地面控制部分（地面监控系统）以及用户设备部分（GPS信号接收机）三部分组成。
如图2-1所示就是系统结构图。
图2-1GPS系统结构图
（1）GPS卫星星座
GPS卫星星座总共是由21颗工作卫星以及3颗在轨备用卫星构建而成的GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。
这24颗卫星平均在6个轨道平面上，轨道的倾角一般都是在55度，轨道面一般在60度之间，即各为60度的轨道升交点赤
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