GPS汽车定位系统车载终端的设计.docx

1、GPS汽车定位系统车载终端的设计 密 级： 学 号：106205010016 本科生毕业（设计）论文GPS汽车定位系统车载终端的设计系 别： 电子信息工程系 专 业： 电子信息工程 班 级： 06电子本科班 学生姓名： 张赞 指导老师： 李翠梅 完成日期： 2010-4-25 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的设计（论文）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（论文）不包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。学位论

2、文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西蓝天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本学位论文。本学位论文属于保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ） 学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要随着我国经济的迅速发展，国人消费水平也呈现了飞速增长，汽车的数量也随着

3、迅速增加。我国GPS 车辆定位系统市场现在已进入规模发展时期，本文对GPS汽车定位系统运用到的技术理论基础作出了详细的介绍，并分别提供了GPS定位车载终端的硬件和软件的具体设计方案。GPS即全球定位系统，它是一个中距离圆形轨道卫星定位系统，可以为地球表面绝大部分地区提供准确的定位和高精度的时间基准。GPRS是在GSM的系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。它的基本功能是在移动终端、GPRS网内以及和Internet网络的路由器之间传输分组数据。根据现代智能交通系统的实际需求，本文设计了一种基于GPRS 的车载卫星定位系统，系统采用单片机作为处理器，通过GPRS网络建立无线通信链路，把

4、车载移动终端的GPS 定位信息传到Internet 网上的服务器，实现在线实时监测车辆行驶各类信息，实现了控制中心实时监测车辆行驶状态，完成了车辆定位的目的。关键词：GPS车辆定位 ；全球定位系统 ；导航定位 ABSTRACTAs Chinas rapid economic development, people also show a rapid consumption growth in the number of vehicles has also increased as rapidly. GPS vehicle location system in China has now ent

5、ered the scale of the market development period, this article on the use of GPS vehicle positioning system technology theory to make a detailed introduction, and each vehicle terminal provides GPS positioning of specific hardware and software design. GPS or global positioning system, it is a middle-

6、distance circular orbit satellite positioning system, most parts of the earths surface can provide accurate positioning and high precision time base. GPRS in the GSM system is based on the introduction of new components which constitute the wireless data transmission system. Its basic function is in

7、 the mobile terminal, GPRS networks and Internet networks within and between the router packet data transmission. According to the actual modern intelligent transportation systems, this paper designs a GPRS-based vehicle positioning system, the system uses single chip as the processor, through the G

8、PRS network to establish wireless communication link, the mobile terminals GPS location information transmitted online Internet server, to achieve real-time monitoring online traffic information of all types to achieve a real-time monitoring traffic control center in the state, completed a vehicle p

9、ositioning purposes. KEY WORDS:GPS vehicle location; Global Positioning System; Navigation第1章 引言1.1 课题背景随着我国经济的发展, 汽车行业已成为我国一个迅猛发展的巨大产业。经过多年的发展和培育, 我国GPS 车辆跟踪定位系统市场现在已进入规模发展时期。尤其是北京市申奥及物流配送推动的GPS 车辆跟踪市场的发展, 促使松下、健伍、阿尔派等国际汽车电子企业寻求国内地图厂商作为合作伙伴,展开了对中国车载导航市场的争夺; 国内企业也不示弱, 新科、上广电、康佳等国内家电巨头推出了车载导航产品及开发计划。

10、各路诸侯云集, 市场急剧升温。我国GPS车辆监控系统应用走过了及其缓慢的发展道路。 1999年2004年,GPS车辆监控系统市场出现了快速增长的势头，随着我国GSM数字移动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通信网络，通过采用GSM公众网的短消息服务，找到了新的出路。而在国外，这方面的研究早已开始并取得了一定的成果。像欧美、日本等国，利用GPS技术的自主导航产品非常普及。世界上有超过100家的公司正在研制各种各样的GPS用户接收机。其中车辆应用所占的比重最大。1.2 课题研究目的、意义及来源改革开放以来，我国经济始终处于高速发展的轨道上。水涨船高，国人消费水平也呈现了飞速增长，汽车

11、购买市场呈现出巨大的潜力。并且随着我国加入WTO，众多世界知名汽车生产厂商涌入我国建立汽车生产基地，又极大的提高了我国的汽车生产能力，从而导致我国汽车价格大幅下降，因此，在我国汽车进入千家万户就只是一个时间问题。可以预测，在一个相当长的时期内，我国汽车市场将呈现一片蓬勃发展的繁荣景象。但如此同时，因现在我国汽车防盗、防抢手段十分薄弱，犯罪分子往往就将价值不菲的机动车辆作为盗窃或抢劫作案的对象，广大车主的生命和财产安全受到极大的威胁，社会影响极为恶劣。这样的一种严峻形势迫使车主、保险公司、公安部门都在迫切的寻求一种安全、快捷而有效的反偷盗、抢劫车辆的手段。而GPS车辆监控系统采用GPS卫星定位技

12、术，可以准确测定车辆位置，可谓是反偷盗、抢劫车辆的“杀手锏”。其次，由于近年来国内机动车辆的剧增，同时城市道路设施建设工作却没有呈同步的发展。因此，在我国绝大部分大中城市都存在着不同程度的交通拥挤和堵塞问题，给国人的工作、生活以及出行造成了极大的不便。以疏通交通和提高运输能力为目的的宏观交通控制己成为我国交通管理领域迫切的需求。此外，我国入世后国内市场逐步放开，物流业与通讯、保险和银行等行业一起成为冲击比较大的行业。信息化、网络化、社会化是国际上现代物流企业的发展趋势。但长期以来，我国的运输资源利用不当、业内沟通不畅等问题一直困扰着我国物流行业的发展。并且一些国内专家通过对西方一些发达国家进行

13、考察发现:发达国家公路的空驶率低，关键在于应用了信息管理技术，通过卫星定位系统对车辆进行有效的监控和调度。因此，我国急待加强现代车辆监控系统在物流行业中的应用，以优化我国物流企业资源配置，提高其竞争力。综上所述，将车辆监控系统运用于我国的交通运输行业具有非常重要的现实意义，可以创造良好的社会效益和经济效益。1.3 国内外发展现状GPS车载监控系统主要由三个部分组成:GPS车载终端、通信链路、监控中心。其中GPS导航设备一般由国外几个大的公司开发生产，技术比较完善，己经标准化、系列化，可以作为一个模块来使用。通信链路有多种实现方案，如无线电台、微波网、集群通信网和GSM网等。我国先后利用GSM网

14、和集群通信网分别建立了几个车辆监控调度系统，如上海的“981”路GPS公交定位系统等。但是在实际运营中，这些GPS车辆监控系统都或多或少出现了一些设计问题，特别是在我国由于各种各样的原因，国内兴建的GPS车辆监控服务系统真正具有实用价值的还非常少。究其原因，主要是国内GPS车辆监控系统存在两大“瓶颈”限制:容量小和实时性差。从技术角度上来说，出现容量小、实时性差的原因主要是通信链路的选用问题。以时间为序，车辆监控系统采用的通信方案依次有无线电台、集群通信网和GSM短信息服务。但从国内实际使用的情况来看，无论是无线电台、集群通信网还是GSM短信息，效果都不理想。集群通信网有优先等级，调度功能强，

15、加密性能好，但同时规模经济效益差，通信成本高，可靠性差。因此采用了GSM短信息服务，GSM网在规模和技术上优势明显，同时还有漫游和越区切换功能，在广域车辆监控系统中占有很大优势。故而，在车载监控系统中采用GSM短消息为通信手段的方案占有较大的市场，但实际上GSM短信息服务还是不能满足GPS车辆监控系统中数据实时传输的要求。因此, 在GPRS 出现之后, 车载卫星定位开始转向基于GPRS 的开发与应用。GPRS 是通用分组无线业务的简称, 是GSM 网络的升级版, 也被称作2.5 G 网络。GPRS 已经成为在现有的基础设施中以最少的投入、实现投资利润最大化的一种最佳解决方案。GPRS 的技术特

16、点表现在: 移动数据传输速率高, 最高可达17112 kbps ; 呼叫建立快, 只要手机登陆GPRS 网络就可以一直在线; 收费低,GPRS 按流量收费, 而且可以包月; 支持突发、连续、高速和低速数据业务。基于GPRS 的车载卫星定位系统有着可实时监测、通信费用低, 永远在线等优点, 有着广泛的应用前景。1.4 本文所做的主要工作本课题是结合GPS、GPRS和嵌入式系统等技术的综合性工程实践。在实际设计中，笔者的工作主要围绕车载终端的软硬件设计进行展开，研究内容涉及到GPS卫星定位，GPRS移动通信，嵌入式系统应用等多个领域，大致可以分为理论研究和工程设计两个阶段。理论研究主要是指对GPS

17、卫星定位和GPRS无线传输的理论认知。对于GPS卫星定位系统，着重研究GPS卫星定位系统的工作原理、数据处理、误差分析和数据优化等。对于GPRS无线通信网，重在GPRS网络结构、系统的数据传输、网络技术和性能分析等方面。设计是笔者的工作重点，其主要任务是通过GPRS无线通信平台，实现GPS定位信息的实时传输，同时提供多种管理调度功能。因此，定位数据传输的实时性是工程设计的核心所在。论文从硬件设计和软件设计两个方面阐述如何达到这个目标。硬件方面通过采用嵌入式系统、GPS卫星采集模块和GPRS无线通信模块提供资源保障，软件方面以嵌入式操作系统为基编写各层程序完成系统各项功能。第2章 课题的相关理论

18、和技术2.1 GPS全球卫星定位系统GPS 是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称，而其中文简称为“球位系”。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 。其主要目的是为陆、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。2.1.1 GPS系统组成GPS系统主要包括有三大组成部分即空间星座部分、地面控制部分和用户接收部分。(1

19、) GPS空间星座部分GPS的空间星座部分由24颗卫星(3颗备用卫星)组成。卫星轨道分布在6个轨道面内，每个轨道上分布有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经相差60度。在相邻轨道上，卫星的升交距相差30度。轨道平均高度约为20200千米，卫星运行周期为11小时58分。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线上的卫星数目，随时间和地点而异，最少4颗，最多可达11颗。空间部分的3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空间部分正常而高效的工作是极其重要的

20、。图2.1是GPS星座图和卫星照片。图2.1 GPS星座图和卫星图 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L1波段（1.57542GHz）和L2波段（1.2276GHz）。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代码（粗捕获码）和P代码（精码），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的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。每颗卫星在L波段的两个频率上连续发射用C/A代码、P代码调制的扩频信号。为了接收来自卫星的信息，GPS接收机必须了解各个卫星固有代码。(2)GPS地面控制部分地面控制

21、部分是整个系统的中枢，由美国国防部管理，它由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再以导航电文的形式发给用户设备。(3) GPS用户接收部分用户接收部分主要由以无线电传感和计算机技术

22、支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。GPS卫星接收机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的传播时间，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，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。2.1.2 GPS定位原理GPS定位是利用三点定位原理，即知道未知点到已知点的距离，未知点必然位于以已知点为球心、距离为半径的球上，测出未知点和三个已知点的距离，则未知点在三个球圆周的相交处（为两个点时，因有接收方向，故有一个处于接收背面的点

23、可以舍去），从而准确的测出未知点的位置。实质为利用在平均2O200km高空均匀分布在6个轨道上的24颗卫星发射测距信号码和载波，用户通过GPS接收机接收这些信号测量卫星至接收机距离，通过一系列方程演算便可知地面点位置坐标。具体方法如下所述。根据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图2.2所示。图 定 图2.2 GPS定位原理示意图假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:上述四个方程式中x、y、z和Vto为未知参数，其中di=cti（i1、

24、2、3、4）。x、y、z为待测点空间直角坐标。Xi、Yi、Zi（i1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4在t时刻的空间坐标，可由GPS卫星导航电文求得。Vti（i1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的原子钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。di（i1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4到接收机的距离。ti（i1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的信号到接收机所经历的时间。c为信号的传播速度（即光速）。把各项已知数据带入上述方程组，即可求得待测点空间坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。2.1.3 GPS特点全球定位系统的主要

25、特点：1、全球、 全天候工作。2、定位精度高。单击定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3、功能多，应用广。GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。1、定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。2、观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态

26、定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。3、测站间无须通视 GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。 4、可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。5、操作简便 随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”

27、的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。6、全天候作业 目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。 7、功能多、应用广 GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米

28、级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。 2.1.4 GPS最新发展趋势车载导航系统的最新发展趋势是利用蓝牙(Bluetooth)无线技术，接收车载GPS传送过来的信号。这样，车载系统只需要接收和处理卫星信号，显示装置则负责地图的存储和位置的重叠。所以，如果已经有了掌上型电脑，只需要购买一个信号接收器和成图软件就可以了；掌上电脑就做到了一机多用。其实，很多手机已经具备了GPS的功能，若是加上了地图的重叠功能，就可以变成一套移动导航系统。2.2 GPRS无线通信技术GPRS（General Packet Radio Ser

29、vice）是通用分组无线业务的简称，它是2.5代移动通信系统，是GSM向3G的过渡。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。 2.2.1 GPRS技术出现原因及特点GPRS是移动通信迅猛发展和数据无线传输需求双重作用下催生的产物，这主要体现为：随着3G标准的出台和用户对移动多媒体业务的需求急剧增长，现有的GSM网络将不可避免地向3G演变，但是这个演变过程无法一蹴而就；随着因特网应用的迅速增加，在全球范围内，用户对移动数据通信的需求

30、也呈增长态势，如何让现有GSM网络共享Internet上的资源的问题催生了GPRS技术；GSM网采用电路交换的方式传输数据，数据传送速率受限于9.6Kbps的低水平，且费用过高。随着高速移动数据业务的增长，GSM不得不推出移动数据规范：HSCSD（高速电路交换数据业务）和GPRS（通用无线分组业务），其中GPRS应用前景被普遍看好。GPRS是GSM Phase 2+引入的非常重要的内容之一，与GSM电路交换相比，GPRS非常重要的优点是引入了分组交换能力。利用GPRS进行数据传输具有如下特点：覆盖范围广，GPRS是在现有的GSM网上进行升级，可充分利用全国范围的蜂窝电话网络，方便、快速、低成本

31、的为用户数据终端提供远程接入网络的服务；数据传输速度快，数据传输速度最高可达到173Kbps，是当前GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代GPRS业务的速度甚至可以达到384kbps，完全可以满足用户应用需求；快捷登录，GPRS接入等待时间短，建立连接，平均耗时为两秒；永远在线，“永远在线”或叫“实时在线”保持用户分配的IP地址不变，即使没有数据传送，终端还一直与网络保持联系，使得访问服务非常简单、快速；按流量计费，计费是按照用户收发数据的数据量来计算的，用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，用户在线，但没有数据传送时，是不收费的；切换自如，用户在进行数据传送时，不会影响语音通

32、信。数据业务和语音业务的切换有两种方式：手动和自动，具体形式依据不同终端而定；GPRS网络本身就是一个分组型数据网，支持TCPIP协议，无需经过PSTN等网络的转接，可直接与Internet网互通。2.2.2 GPRS系统工作原理GPRS是在GSM系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它采用分组交换技术，能兼容GSM网络并在网络上更加有效的高速传输数据和信令。系统的原理如图2.3所示。其中 SGSN-GPRS业务支持节点；PCU-分组控制单元GGSN-GPRS网关支持节点；PDN-分组数据网图2.3 GPRS系统原理图GPRS采用与GSM相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因此在GSM基础上构建GPRS系统时GSM系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需作软件升级。其过程