远程定位系统的设计方案.docx

1、远程定位系统的设计方案远程定位系统的设计方案1.1 课题的研究背景及研究意义曾经风靡全球的定位系统1（Global Positioning System）,缩写GPS。现在定位技术发展相当成熟的年代，GPS定位技术2仍然是一块不朽的丰碑，其研究意义仍然具有代表性。对GPS定位系统的不断研究可以使定位系统不断的向小型化，智能化与多功能化发展。1.1.1 研究背景信息革命时代，高精度的卫星导航定位技术3发展迅速，应用范围愈来愈广。GPS定位系统可以比比喻成一个在太空中的设置的无线导航台，该系统是由24颗定位卫星组成4，无论在什么时候，都可为地球上的各种客户确定其所在地的地理位置的经纬度以及海拔高度

2、等数据信息。全球卫星定位系统，即一个按相应分布原理分布在地球上空的24颗卫星组成的卫星系统。这样的卫星系统，保证了在地球上任何一个地面位置上在同一时刻都可以同时检测到4颗或4颗以上的卫星,从而保证卫星可以准确采集到该观测点的经度、纬度、高度、速度等信息,迅速实现卫星导航、定位、授时等功能5。还可用于飞机、船舶、车辆以及个人导航，按指定路线精确抵达目的地。有效的降低了用户为了寻找目的地而付出的资源浪费，从一定程度上提高了作业效率、科学水平以及人们的生活质量2。1.1.2 研究意义课题研究的基于GPS与GPRS的定位系统的应用领域相当广泛，基于不同的领域都是有其相适应的研究意义，下面简单的介绍一下

3、课题研究的几点意义：车船防盗系统：GPS定位技术可以应用于汽车、轮船等交通设备的防盗系统6。安装该防盗系统终端在汽车、船只等设备上面，该终端能够自由的获取GPS的定位信息，在该设备被盗的情况下就可以向终端发送定位请求，这样就可以通过接收到由终端传来的GPS定位信息，寻找丢失的车辆与船只等。导航系统：凭借GPS的定位系统具有全球、全天候工作、高精度定位、观测时间短等特点，在海上作业、陆路运输、野外勘测等其他行业都承担着导航定位的重任。其他领域：除了防盗系统，导航定位系统在其他的领域也同样扮演者重要的角色。例如，该定位系统为游客们在出门旅游时也提供了相当的便捷与安全。在测绘领域也大有作为7，为工程

4、师们提供便捷服务。市场价值：随着互联网技术8的不断发展，人们对高品质生活质量的不断提高，高精度的定位电子产品以及相关技术将不断应用在人们的日常生活必需的产品中。随着相关电子产品（例如：智能手机）的普及，该技术也将拥有巨大的市场价值。1.2 国内外发展状况美国GPS：GPS是由美国国防部在1970年代初开始设计与研发，直到1993年才基本全部建成9。美国政府在1994年宣布在未来10年内会免费向世界各国提供GPS使用权限，由于军事原因，美国也只会提供精度相对较低的定位信息10。这样的定位系统也等价于为美国设计了一个退路，如果发生了军事战争，美国军方为了自己的安全，完全可以关闭对该地区的使用权。G

5、PS导航定位技术的研究，国内外的水平都是参差不齐,下面简单的从国内、国外两个方面进行介绍。1.2.1 国内发展状况我国的卫星定位技术相对于一些发达国家来说起步较晚，从上个世纪八十年代初期才开始从国外引进卫星导航技术，但我国的卫星定位技术发展却非常的迅速。现基本已经处于国际领先水平。初期的时候，我们引进的定位技术主要用于工程测量，石油勘测等大型项目上面11。在80年代末期的时候我国又再次的引进GPS定位技术，并开始自己研发基于GPS的定位系统，该技术还只是作用于小部分部分产业，但是带来相当可观的经济效益。到上个世纪末期，中国就开始研发属于中国人自己的卫星定位系统，并在2003年6月份，已经成功发

6、射了覆盖整个亚洲的3个同步卫星，该定位卫星主要用于国家安全领域，还没有发展到民用领域。这三颗卫星就标着属于中国人自己的卫星定位系统的诞生，“北斗”导航系统12的诞生。发展中国自己的导航定位系统，2000年10月31日和同年的12月21日，我国成功的发射了两颗北斗一号卫星，由这两颗北斗卫星构成的独特的“双星有源定位系统”。第三颗北斗卫星成功发射与2003年5月25日。它是北斗导航定位系统的备用卫星，这三颗卫星组成了具有我国自主知识产权的第一代卫星导航系统。1.2.2 国外发展状况世界上第一个实用的卫星导航系统,是美国研制的子午仪(Transit)卫星导航系统,又称为海军导航卫星系统(Navy N

7、va1gation Satellite System13),于1964年正式投入使用,主要为美国海军服务,子午仪系统有4-6颗卫星组成导航卫星网14。卫星轨道是近似圆形的极轨道,每个轨道上有一颗卫星,卫星沿南北方向运行,轨道高约1100公里,卫星绕地球一周的运行周期约为107分钟,子午仪系统能在全球范围内,全天候实现二维(经度、纬度)定位,航行定位精度0.1-0.3海里,缺点是不能连续定位,一次定位的时间又较长,且不能确定用户位置的高度,因此限制了飞机等用户的使用。为更好地为军方和人民提供高质量的定位信息，最后美国决定于1973年开始研制一种新型卫星定位系统15，并且命名为全球定位系统( Gl

8、obal Positioning System)，简称GPS。1978年之后,一些北大西洋组织的国家和澳大利亚也参加了GPS计划，并于1993年全部建成16。为不受美国的限制，1999年欧洲空间局提出并计划，准备发射30颗卫星，为满足欧洲的海陆空导航系统等作用的定位系统，该系统就组成“伽利略”卫星定位系统17。日本研究了一种区域性卫星导航和气象导航双重功能的导航系统18。该系统用两颗同步卫星：一颗是通信卫星，保持飞机或船舰与地面站的通信联络；另一颗是气象卫星，用户及地面站可接收其信号，用来协助选择最佳航线。通过两颗卫星发出的信号的应答，可实现准确定位。1.3 本课题的研究内容一款定位系统的终端

9、性能的设计主要决定于GPS定位芯片的选取，以及主控中心器材性能的选择。现在大部分的定位终端的设计基本都是基于嵌入式方案实现的。对于本课题的研究，为了降低开发成本，主要是采用一款传统51内核的STC12单片机作为控制芯片。采取这样STC12单片机不仅克服了使用普通单片机功能单一，资源分配不合理，或者避免使用更高端单片机的资源的浪费，从而可以降低成本与节约资源，还可以使系统资源得到合理优化。本课题研究内容：设计时GPS定位系统采用的是STC12C5A60S单片机作为主控器，U_Blox Neo 6M作为定位信息接收模块，SIM300作为通信模块芯片，这样的搭配节约了成本缩短了开发周期。实现功能是通

10、过U_Blox接收GPS定位信息，单片机通过串口接收并且处理来自GPS的信息数据，处理好的数据然后通过单片机的另一个串口发送给SIM300模块，该模块就可以将接收到定位数据以短信形式发送给手机。这样就实现了定位及定位信息发送的功能。1.4 文章整体结构本文共分为7章，各章的主要内容如下：第1章：绪论。主要介绍课题的研究背景以及研究的意义，国内外发展状况和应用现状，以及论文所需要完成的主要内容以及文章的整个组织结构。第2章：定位系统的相关技术介绍。本章是论文的第一个重点，主要是全方位介绍与定位系统相关的技术，简单分析了现在最流行的GPS卫星定位系统相关定位技术，分别从几个方面对这四个定位系统作简

11、单的比较分析，完成分析过后然后再列出课题选择的GPS定位系统的相对优势。章节最后对GPS定位系统的通信协议进行介绍与学习。第3章：系统总体设计。对第2章GPS定位系统展开的全方位介绍，本章将继续围绕课题的第2个重点：定位系统总体设计框架与思路。了解系统需求，基于系统设计原则对系统整体结构进行详细说明。这一章从系统功能、系统组成部分、系统设计方案的选取及定位终端硬件模块的选取这四个方面为突破口进行突破。第4章：系统硬件设计。充分了解系统的功能及组成部分后，本章主要阐述了定位终端的硬件设计与实现过程。这一章主要从系统终端总体硬件结构图、单片机控制模块选材与电路设计、GPS接收模块选材与电路设计、S

12、IM300模块选材与电路设计、电源模块设计、串口模块设计、LCD显示模块设计等，全面介绍定位终端硬件结构设计。第5章：系统软件设计。基于硬件电路设计的基础上，下面主要任务就是通过单片机编写主控制程序。主控制程序编写设计模块分别从定位系统总体软件结构设计、MCU控制模块的主要功能及流程设计、GPS模块的主要功能及流程设计、SIM300模块的主要功能与设计、LCD显示模块的功能与设计、串口操作模块设计来进行主控程序的说明与实现。第6章：系统测试过程。整个系统的设计和以及最后的调试都是重要的环节。调试和测试在整个系统的设计过程中占有很大比重，只有在不断的调试当中才会发现错误并及时修改程序以达到最佳效

13、果。本次调试分为硬件和软件调试两大部分。第7章：本次毕业设计的工作总结、不足之处以及今后继续研究的问题。1.5 本章小结本章主要围绕着设计课题的研究背景和意义，国内外的发展现状，论文的整体结构以及各章节所涉及的内容，为后续章节的完成打下良好的基础。第2章 定位系统相关技术2.1. 美国GPS定位系统GPS全球定位系统（Global Position System），美国国防部在上个世纪70年代制定的研究计划，该计划耗资200多亿美元且历时20年，于1994年正式完成了该计划。也就是宣布了一个具有在海陆空都能全方位的、全天候的、高效的进行定位导航的空间卫星系统的诞生。该定位系统不是凭空而建的，而

14、是基于美国当时军方使用的海军导航卫星系统(Navy Nva1gation Satellite System)又重新研制的更加全方位的定位卫星系统。按照现在的GPS定位系统的数据资料显示，该定位系统在地球上空20200公里的空间分布了24颗定位卫星。这24颗卫星群还包含了3颗备用卫星，它们都是绕组地球以近似圆形的轨道运行，24颗定位卫星平均分布在6个空间轨道上面，每个轨道的倾角大约为55度，每颗卫星的运行周期大概为11小时58分钟。这24颗卫星的分布准则是保证我们在地球上面任何地方都可以同时观测到4颗或4颗以上的定期卫星，这样才能保证定位的准确性、全方位及全天候性。随着GPS定位系统日益完善，互

15、联网技术的日益普及，应用领域也不断扩大，成为人们日常生活中的不可或缺的技术。2.1.1 GPS系统组成GPS系统由三个部分组成：空间组成部分、地面监控部分、GPS接收用户部分。下面简单的从这三个部分作简要说明。（1）空间组成部分：这部分即是由空间分布的24颗卫星群组成的，通常记为（21+3）GPS卫星群。24颗卫星群还包含了3颗备用卫星，它们都是绕组地球以近似圆形的轨道运行，24颗定位卫星平均分布在6个空间轨道上面，每个空间轨道的倾角大约为55度左右，每颗卫星的运行周期大概为11小时58分钟。站在地球表面附近的的观测者,每次大约时隔4分钟就会见到同一颗定位卫星。处于地球表面以上可观察到的卫星的

16、数量会随着时间或地点的不同而不尽相同,但是最少可观察到4颗,最多甚至可到11颗卫星。3颗备用卫星，会在卫星发生故障的时候，根据指挥部的指令与发生故障的卫星进行替换,这就为GPS空间部分能够正常高效的工作提供了有力的保障。（2）地面监控部分：GPS工作卫星的地面监控系统主要由主控站、注入站和监测站组成。GPS地面监控站主要由一个主控站、三个注入站和五个监测站19组成，具体如图2-1所示。主控站主要是管理、协调地面监控系统各部分的工作，采集各监测站的数据信息，编制导航电文数据，并送往注入站。注入站再将卫星的星历注入GPS卫星，监控该卫星的运行状态，并向该卫星发送控制指令信息；卫星维护与异常情况的处

17、理。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中去。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但是导航精度会降低。图2-1 GPS地面监控中心（3）GPS接收用户部分：即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出

18、用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。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部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用20。2.1.2 GPS技术特点（1）定轨精度：由美国大陆基地以及美国的海外军事基地上的5个监测中心的观测数据计算得到的广播星历。但因检测中心数量少,故该系统的卫星定轨精度不高。这样计算

19、的卫星定位位置切向误差范围5m；径向误差范围3m；法向误差范围3m。除了广播星历，美国国防制图局根据全球20多个卫星跟踪站的观测资料计算还有一套精密星历，因检测中心数量多且分布范围广，故该定轨精度较5个检测中心的道德数据高出一个数量级。由国际GPS地球动力学服务组织(IGS)所测算预报的精密星历比美国军方测定的精密星历的精度要高得多,卫星位置精度可达3厘米21。（2）信号分量：GPS信号包含了三种信号分量，即载波、测距码和数据码。这些信号分量都是在同一个基本频率F0=10.23MHz的控制下产生的。每个GPS卫星在两个频率波段上发布独立信号。GPS卫星的测距和数据码是采用调相技术调制到载波上，

20、即在两个波段(L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz)的载波信号中22。C/A码是一种短码，用于跟踪、锁定测量的伪随机码，码率为1.023Mb/s，波长约为300米，周期为1Ms。P码是GPS的精测码，码率10.23Mb/s。（3）定位精度：利用伪随机码的信号单机测量，理论上按照目前测距码的对齐精度约为测距码波长的1/l00计算，C/A码的测距精度约为3m；而P码的测距精度约为0.3m。消除公共误差提高定位精度，可利用2台以上的载波相位GPS定位仪实行联测定位，对于载波信号单频机的相对定位精度可达：(5mm+2ppm D)其中D为两台仪器的相对距离；对于载波信号双频机，它能有效的

21、消除电离层延时误差，其相对定位精度可达：( 1mm+1ppmD )23。2.1.3 GPS定位原理（1）单点动态定位：就是将一个GPS用户接收机放在一个运动着的载体上，并且该载体能够自动地测得自己动态的实时位置，然后就通过这些实时位置获得的数据处理得到运动载体的具体运行的轨迹。该定位原理又称为“绝对动态定位”。单点动态定位基本方程（2-1）。 (2-1)式中，Xu、Yu、Zu为动态用户组在Tk时刻的瞬态位置状况；式中Xj、Yj、Zj也是描述第j颗GPS卫星在其运行的轨迹上瞬时位置坐标，这些坐标可根据星历计算而得到。j为GPS信号接收机的接收天线和第j颗GPS定位卫星之间的距离，又称为“星站距离

22、”。d是卫星距离偏差，是由GPS信号接收机的时钟误差及其他误差因素所导致的距离偏差。利用（2-1）计算用户的位置时，不能直接计算出它们的三维坐标，而是只求出了每个坐标分量的修正量，即假设用户初始的三维坐标值为（Xu0,Yu0,Zu0），而计算出的三维坐标的改正值则为Xu,Yu,Zu以及距离偏差d。然后对（2-1）式中Xu，Yu，Zu分别微分处理，便可得出一组线性方程（2-2）: (2-2)其中，矩阵为 (2-3)j为对应于第j颗GPS卫星的伪距观测值。利用式（2-3）计算的运动载体的实时点位坐标时，因此后面每一个点位的初坐标都可以根据前一个点位坐标来进行设定，所以关键是要确定第一个点位坐标的初

23、始值，才能精确求的第一个点位的三维坐标。（2）实时差分动态定位：就是将一个GPS用户接收机放在一个运动着的载体上，并且将另一台GPS接收机放在一个基准站之间，这样协作测量该运动载体的实时位置，然后就通过这些实时位置获得的数据处理得到运动载体的具体运行的轨迹，故差分动态定位原理又称为“相对动态定位”。所谓实时差分动态定位（DGPS），就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精密位置。其中一个检测站坐标信息是已知，基准接收机就是设在该基准点的GPS信号接收机。动态接收机，即GPS信号接收机安设在运动载体上，基准接收机和动态接收机同时测量来自相同的

24、GPS卫星的定位信号。利用基准接收机所测得的三维位置信息并与该点已知三维位置信息进行比较，便可得到该GPS定位的三维坐标信息的改正值。及时将GPS三维坐标信息的改正值发送给其他客户的动态接收机组，及时改正后面所检测的实时坐标位置信息，这就被称为实时差分动态定位。图2-2为实时差分动态定位24的原理框图。图2-2 差分动态定位的原理框图（3）后处理差分动态定位25：后处理差分动态定位和实时差分动态定位的主要差别在于：在运动载体和基准站之间，不必像实时动态定位那样要建立实时数据传输，而该定位原理则是在定位检测以后才对动态接收机和基准接收机所采集的定位信息进行测后的处理，而测出接收机所在的载体在对应

25、时刻位置坐标信息。2.2 四大系统的比较随着世界上面全球定位的不断发展和应用的不断更新，现在的卫星导航技术比过去的无线电导航技术、天文导航技术等传统技术更加的先进与精准，目前已经成为一种普遍的导航技术，并且应用于许多领域。至于上面所提到的四种卫星定位系统，目前使用最广的也就是美国的GPS全球定位系统，在GPS刚刚完成计划的初期，美国军方都不会直接把GPS精确地定位信息共享出来够大家使用，而是被美国军方在其基础上施加了一种干扰信号，使得除了美军自己以外的所有用户只能得到定位精度在100m，授时精度340ns的服务。随着后面俄罗斯的格鲁纳斯和欧洲的伽利略这两个导航定位系统的建立与启动服务，使得控制

26、的GPS定位系统的美国军方压力很大，最终决定于2000年5月全面撤销对GPS的人为干扰，这使得GPS的定位精度提升到20m，授时精度提高到了40ns，并且承诺会加快对GPS的完善，还会增加两个民用的频率。尽管俄罗斯的格鲁纳斯定位系统没有像美军一样的人为加一些干扰信号，但是由于俄罗斯当时的政府经济处于一片萧条的状态，这一经济状况导致了俄罗斯无法及时的更新一些已经快到服务年限的定位卫星，由于卫星得不到及时的更新与替代，导致了格鲁纳斯的定位精度也一直处于老状态，没有得到巨大提升。所以，格鲁纳斯想在由GPS统治的导航市场上面站稳脚跟也是很难的。对于我国的北斗导航系统，相对于前面几种卫星定位系统来说，主

27、要是定位时间较慢，平均每次定位时间大于等于0.6s，不能连续导航，且无法适应高速运动的环境，只能运行在低速运行或则提供静态定位服务。除此之外，北斗定位系统不仅需要地面中心站提供数字高程图信息，还需要用户接收机发送上行，因为这样的原因才使得该系统受到了许多方面的限制。至于欧洲的伽利略卫星定位系统，该系统虽然主要应用于民用，但是目前该系统还有许多技术不是很成熟，离我们的实用性还是有很多差距，综合上面的所有信息，目前我国现在应用最多的导航定位系统还是美国的GPS全球定位系统。2.3 GPS定位系统的相对优势美国全球定位系统具有全球、全天候工作、定位精度高、功能多，应用广等特点。相对于其他的几种定位系

28、统，这里总结了一些GPS的相对优势：（1）高精度，时效快：GPS的定位精度相对较高，按照理论计算可以达到5m左右；且时效快，平均1秒就可以进行一次定位，这个时间对于高速运动的物体定位尤其重要。（2）被动式的工作原理：GPS导航定位时候，用户设备只需要接收GPS发送的信号就可以了，直接对其信号进行处理就可以了，更不需要像北斗一样还要发送用户信号，GPS这种原理可以容纳更多的用户，且隐蔽性比较好。（3）全球连续导航定位：GPS空间部分是由24颗卫星组成，合理的分布在6个轨道上面，轨道高达20200km，所以在地球表面或者近空空间任何一点，均可同一时间观测到4颗以上卫星，从而可以实现全球、全天候连续

29、导航定位。2.4 GPS定位系统的通信协议NMEA-0183NMEA-0183协议，接触过GPS设备或者用过GPS设备研发的都了解，这是一个很常用的GPS通讯协议。简单的介绍一下GPS定位系统的NMEA-0183通信协议。GPS接收机与手持机之间的数据交换格式一般都由生产厂商定制，其定义内容一般用户很难知晓，并且对于不同品牌、不同型号的GPS接收机所配置的控制应用程序也因生产厂家的不同而不尽相同。所以对于通用的GPS应用软件，需要定义一个标准的数据格式，以解决与任意一台GPS的接口问题。NMEA数据标准就是解决这类问题的方案之一。为在不同型号GPS导航设备中建立统一的RTCM标准才制定了NME

30、A通信协议，RTCM标准最初是由美国国家海洋电子协会统一制定的。NMEA26协议有0180、0182和0183这3种，NMEA-0183可以简单理解是前两种的升级版，也是目前使用最为广泛的一种。2.4.1 NMEA-0183通讯协议硬件接口NMEA-0183标准的GPS接收机的硬件接口能够兼容PC机的RS-232C串口协议，严格来说NMEA标准不是RS-232C，规范推荐依照EIA-422，是一个与RS-232C不同的系统。标准RS-232C采用负逻辑，即逻辑“1”表示-5V-15v，逻辑“0”表示+5V+15V，利用传输信号线和信号地之间的电压差进行传输。EIA-422标准是利用信号线之间的

31、压差来传输信号的，每个通道都有信号线，分别为逻辑“1”和逻辑“0”，传输驱动器和接收器主要功能是转换逻辑电平的电位差，允许驱动器输出为2V6V27 。2.4.2 NMEA-0183语句解析NMEA-0183通讯协议所规定的通讯语句都已是以ASCII码为基础的。为了能够更好地提取GPS信息数据，必须理解NEMA-0183协议的帧结构，其帧结构如图2-4所示。NMEA-0183协议语句的数据格式28如下：“$”为语句起始标志；“，”为域分隔符；“ *”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值；“”为终止符，也就是ASCII 字符的“回车”（0X0D）和“

32、换行”（0X0A）。典型的NMEA-0183语句如下面的GPRMC语句。当GPS正常工作时，语句如：$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54 当GPS收不到卫星信号时，GPRMC语句输出变为：$GPRMC,121252.000,V,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54 NMEA-0183规范还允许个别厂商定义私有的语句格式，这些语句以“$P”开始，然后是三个字符长度的厂商识别号，跟着是厂商定义的数据，接下来的数据格式与标准格式相同。如Garmin的PGRME私有格式如下：$PGRME,4.4,M,2.5,M,11.4,M*8。其中，“P”代表私有格式，“GRM”是Garmin的代码，“E”表示语句类型。图2-4 NMEA_0183协议帧结构2.5 GPRS技术介绍