GPS測(cè)距定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1 緒論1.1 論文背景意義 GPS是英文Navigation system timing and ranging/global positioning system的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡(jiǎn)稱，通常稱之為全球定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)是美國(guó)從20世紀(jì)70年代由美國(guó)國(guó)防部開始研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可向人類提供高精度的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)。它由24顆在沿距地球約20200km高度的軌道上運(yùn)行的GPS衛(wèi)星組成1。 GPS作為繼子午衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，具有全球性、全天候、連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)的三維導(dǎo)航和定位能力，以及具有良好的抗

2、干擾性和保密性。它已成為美國(guó)導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的最重要標(biāo)志，并被視為20世紀(jì)美國(guó)繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的又一重大科技成就2。在測(cè)量領(lǐng)域較早就開始采用GPS技術(shù)，最初，它主要用于建立各種類型和等級(jí)的測(cè)量控制網(wǎng)，目前它除了仍大量用于這些方面外，在測(cè)量領(lǐng)域的其它方面也得到了充分的應(yīng)用。尤其在各種類型的測(cè)量控制網(wǎng)的建立這一方面，GPS定位技術(shù)已基本上取代了常規(guī)測(cè)量手段，成為主要的技術(shù)手段3。 1.2 GPS全球定位系統(tǒng)的組成 GPS全球定位系統(tǒng)從1973年方案論證開始，經(jīng)歷了設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、組網(wǎng)，到1994年3月組建完成，前后共歷時(shí)20多年，同時(shí)也耗費(fèi)了大量的人力財(cái)力，是美國(guó)繼“阿波羅”登月

3、計(jì)劃和航天飛機(jī)后第三大航天技術(shù)工程。GPS全球定位系統(tǒng)有三個(gè)獨(dú)立的段組成:空間段、地面控制/檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)和用戶接收設(shè)備4。1） 空間段即衛(wèi)星星座，由24顆在軌衛(wèi)星構(gòu)成，如圖1.1所示。在這種配置下，衛(wèi)星位于6個(gè)地心軌道平面內(nèi)，每個(gè)軌道面4顆衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的額定軌道周期是半個(gè)恒星日即1lh58min。各軌道接近于圓形，且沿赤道以600間隔均勻分布，相對(duì)于赤道面的傾斜角額定為550。軌道半徑(即從地球質(zhì)心到衛(wèi)星的額定距離)大約為26600km。位于地平面以上的衛(wèi)星數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到n顆。這一衛(wèi)星星座為全球用戶提供24h的導(dǎo)航和時(shí)間確定能力。 圖1.1 GPS衛(wèi)星

4、星座 2）地面控制段負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、指揮、控制GPS衛(wèi)星星座，包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)檢測(cè)站，如圖1.2所示。就其功能而言，地面控制段監(jiān)測(cè)下行L波段導(dǎo)航信號(hào)，更新導(dǎo)航電文，解決衛(wèi)星異常情況。此外，地面控制段還監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的健康狀況，管理與衛(wèi)星位置保持機(jī)動(dòng)和電池充電相關(guān)的任務(wù)，指揮衛(wèi)星有效載荷。地面控制段的另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)-GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站檢測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間，并求出時(shí)鐘差，然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。 圖1.2 GPS地面監(jiān)控段框圖 3）用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，以獲取必要的導(dǎo)航和定位信息，經(jīng)各種數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航和定位工作

5、。用戶設(shè)備主要由GPS設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件、微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成；GPS設(shè)備包括天線、接收機(jī)、電源、輸入輸出設(shè)備等，主要用于接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，以獲得導(dǎo)航和定位信息；GPS軟件部分是指各種后處理軟件包，其作用是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工，以獲取精密定位結(jié)果。1.3 GPS應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀 隨著GPS接收機(jī)的逐步商用化，特別是美國(guó)政府取消了SA5(selective Availability)政策(選擇可用性政策，其目的是為了降低非特許用戶GPS定位定時(shí)的精度)后，GPS的定位定時(shí)精度得到了很大的提高；GPS機(jī)價(jià)格的進(jìn)一步降低使得其在民用領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展6。1）精密授時(shí) 在定位能力受到普遍注意的同時(shí)，

6、GPS作為全球精密時(shí)間源，其授時(shí)服務(wù)也在迅速增長(zhǎng)。實(shí)際上，GPS作為精密時(shí)間源，它對(duì)商業(yè)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的影響要比導(dǎo)航或跟蹤更大。因此，有人建議將系統(tǒng)更名為全球定位和時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)(GPTS)。2）精密定位 大地測(cè)量學(xué)家采用了原先為無(wú)線電天文學(xué)開發(fā)的技術(shù)，利用GPS載波相位測(cè)量在相對(duì)定位中達(dá)到了毫米級(jí)精度。借助這種精密定位的能力可將GPS應(yīng)用于監(jiān)測(cè)大型工程建筑結(jié)構(gòu)在實(shí)際載荷條件下的變形，也可以用于農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)和采礦業(yè)中的機(jī)械實(shí)時(shí)控制。另外，將GPS和PC組合，可以收集大量位置數(shù)據(jù)，并將其組織到地理信息系統(tǒng)中(GIS)，最簡(jiǎn)單的典型系統(tǒng)可由背包中帶電池和GPS卡的計(jì)算機(jī)，手持鍵盤和顯示單元組成。一個(gè)

7、如此裝備的用戶可以邊走邊采集數(shù)據(jù)，并隨時(shí)將信息輸入，產(chǎn)生或更新數(shù)據(jù)庫(kù)。3）航空和空間導(dǎo)航 1983年，南朝鮮航班由于導(dǎo)航問題偏離航路，進(jìn)入蘇聯(lián)空域而被擊落，這次災(zāi)難引起了人們對(duì)GPS應(yīng)用于民用航空帶來(lái)的潛在好處的關(guān)注。直到數(shù)年前，民用航空仍完全依靠機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)和地面無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)施進(jìn)行導(dǎo)航，但無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)施的運(yùn)行和維護(hù)成本昂貴，因而世界大部分地方連基本的無(wú)線電導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施也甚為缺乏。GPS被普遍認(rèn)為是在無(wú)線電出現(xiàn)后民用航空最重要的進(jìn)步，極大地增強(qiáng)了航空運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。在不久的將來(lái)，GPS將用做所有飛行階段導(dǎo)航的主要系統(tǒng)，包括自動(dòng)著陸、機(jī)場(chǎng)避撞以及地面交通預(yù)警。GPS同樣也給太空活動(dòng)帶來(lái)了極

8、大的好處。與星載定軌軟件組合在一起的GPS接收機(jī)和閉環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道自主保持。國(guó)際空間站正在設(shè)計(jì)將GPS用于導(dǎo)航、定姿、跟蹤接近空間站的飛行器。航天飛機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)正在將GPS升級(jí)改造為返回和著陸時(shí)的主要導(dǎo)航手段。4）陸上和海事導(dǎo)航 GPS在陸上運(yùn)輸中的應(yīng)用，特別是車輛導(dǎo)航和跟蹤，已成長(zhǎng)為一類巨大的產(chǎn)業(yè)?；贕PS的系統(tǒng)和服務(wù)，在汽車、商務(wù)車隊(duì)、公共運(yùn)輸和急救響應(yīng)領(lǐng)域有著巨大的需求鐵路公司用GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)地列車控制?；贕PS的收費(fèi)系統(tǒng)，確定商務(wù)卡車在收費(fèi)路段上的行使時(shí)間和距離，已在歐洲投入使用。世界上有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的游艇、漁船、渡口、巡航線、貨運(yùn)線和油船均從GPS的應(yīng)用中獲益7。5）消費(fèi)

9、市場(chǎng) 通過(guò)與無(wú)線電技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和地理數(shù)據(jù)庫(kù)等其他技術(shù)的結(jié)合，GPS的功能在民事應(yīng)用中發(fā)揮的淋漓盡致。GPS的消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)顯示出急劇增長(zhǎng)，其推動(dòng)力是價(jià)格低廉的GPS接收機(jī)芯片，它可以集成到一系列消費(fèi)產(chǎn)品中，如手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)，以及汽車、計(jì)算機(jī)等個(gè)人財(cái)物的安全設(shè)備。車輛信息系統(tǒng)技術(shù)提供移動(dòng)信息，使得獲取運(yùn)動(dòng)物體的位置坐標(biāo)變得十分容易。越來(lái)越多的汽車用戶選擇將GPS作為自己的導(dǎo)航工具，利用內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫(kù)可以輕而易舉的為用戶在不熟悉的地方提供更好的到達(dá)其目的地的路線，以及方便用戶找加油站、飯店或旅游景點(diǎn)等。 GPS潛在的巨大應(yīng)用是增強(qiáng)GN(E911)。聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)法令要求，至

10、2005年年底美國(guó)境內(nèi)的所有移動(dòng)電話應(yīng)裝備定位功能，以便在急救中精確確定其位置?？傊?，GPS在工業(yè)、商業(yè)、科學(xué)和人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用看來(lái)是完全無(wú)限的，新的應(yīng)用正以不可思議的速度飛速發(fā)展。1.4 利用GPS進(jìn)行工程測(cè)量 GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費(fèi)用省、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于大地控制測(cè)量中，給工程測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)了根本性的變革。時(shí)至今日，可以說(shuō)GPS定位技術(shù)已完全取代了用常規(guī)測(cè)角、測(cè)距手段建立的大地控制網(wǎng)。在工程測(cè)量領(lǐng)域，GPS定位技術(shù)正在日益發(fā)揮其巨大作用。例如利用GPS可進(jìn)行各級(jí)工程控制網(wǎng)的測(cè)量、GPS用于精密工程測(cè)量和工程變形監(jiān)測(cè)、利用GPS進(jìn)行機(jī)載航空攝影測(cè)量、利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差

11、分法(RTK)技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位的測(cè)設(shè)等。在災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，GPS可用于地震活躍區(qū)的地震監(jiān)測(cè)、大壩監(jiān)測(cè)、油田下沉、地表移動(dòng)和沉降監(jiān)測(cè)等，此外還可用來(lái)測(cè)定極移和地球板塊的運(yùn)動(dòng)。1.4.1 GPS測(cè)量的特點(diǎn) GPS可為各類用戶連續(xù)提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度及時(shí)間信息。GPS測(cè)量主要特點(diǎn)如下8 ： 1）功能多、用途廣 GPS系統(tǒng)不僅可以用于測(cè)量、導(dǎo)航，還可以用于測(cè)速、測(cè)時(shí)、測(cè)速的精度可達(dá)0.1s，測(cè)時(shí)的速度可達(dá)幾十毫微妙，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。2）定位精度高 大量的實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用表明，用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，在小于50km的基線上，相對(duì)定位精度可達(dá)110-6，而在100-500km的基線上可達(dá)

12、10-6-10-7。隨著觀測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于100km的距離上，相對(duì)定位精度達(dá)到或優(yōu)于10-8。在RTK和實(shí)時(shí)差分定位(RTD)方面，定位精度可達(dá)到厘米級(jí)和分米級(jí)，能滿足各種工程測(cè)量的要求9。3）實(shí)時(shí)定位 利用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，即可實(shí)時(shí)確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度，保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線運(yùn)行，亦可選擇最佳路線。特別是對(duì)軍事上動(dòng)態(tài)目標(biāo)的導(dǎo)航，具有十分重要的意義。4）觀測(cè)時(shí)間短 目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)相對(duì)定位模式，觀測(cè)20Km以內(nèi)的基線所需觀測(cè)時(shí)間，對(duì)于碩士論文基于GPS的無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)單頻接收機(jī)在l h左右，對(duì)于雙頻接收機(jī)僅需1520min。采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模式，流動(dòng)站初始化

13、觀測(cè)15min后，并可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)僅需幾秒鐘。利用GPS技術(shù)建立控制網(wǎng)，可縮短觀測(cè)時(shí)間，提高作業(yè)效益。5）觀測(cè)站之間無(wú)需通視 經(jīng)典測(cè)量技術(shù)需要保持良好的通視條件，又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好圖形結(jié)構(gòu)。而GPS測(cè)量只要求測(cè)站15以上的空間視野開闊，與衛(wèi)星保持通視即可，并不需要觀測(cè)站之間相互通視，因而不再需要建造規(guī)標(biāo)。這一優(yōu)點(diǎn)即可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間(一般造標(biāo)費(fèi)用約占總經(jīng)費(fèi)的30%50%)。同時(shí)，也使選點(diǎn)工作變得非常靈活，完全可以根據(jù)工作的需要來(lái)確定點(diǎn)位，可通視也使電位的選擇變得更靈活，可省去經(jīng)典側(cè)量中的傳算點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)的測(cè)量工作。不過(guò)也應(yīng)指出，GPS測(cè)量雖然不要求觀測(cè)站之間相互通視，但為

14、了方便使用常規(guī)方法聯(lián)測(cè)的需要，在布設(shè)GPS點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該保證至少一個(gè)方向通視。6）操作簡(jiǎn)便 GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線方向調(diào)整好，再將電源打開即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。7）可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo) 經(jīng)典大地測(cè)量對(duì)平面和高程采用不同方法分別施測(cè)。GPS測(cè)量中，在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)量觀測(cè)站的大地高程。GPS測(cè)量的這一特點(diǎn)，不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn)的高程開辟了新途徑，同時(shí)也為其在航空物探、航空攝影測(cè)量及精密導(dǎo)

15、航中的應(yīng)用提供了重要的高程數(shù)據(jù)。GPS定位是在全球統(tǒng)一的WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中計(jì)算的，因此在全球不同點(diǎn)的測(cè)量成果是相互關(guān)聯(lián)的。8）全球全天候作業(yè) GPS衛(wèi)星較多，且分布均勻，保證了全球地面被連續(xù)覆蓋，使得在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)候進(jìn)行項(xiàng)觀測(cè)工作，通常情況下，除雷雨天氣不宜觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響。 因此，GPS定位技術(shù)的發(fā)展是對(duì)經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的一次重大突破。一方面，它使經(jīng)典的測(cè)量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革；另一方面，也進(jìn)一步加強(qiáng)了測(cè)量學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進(jìn)了測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。1.4.2 GPS工程應(yīng)用展望 GPS測(cè)量作業(yè)有著極高的精度。使用GPS進(jìn)行測(cè)量不受環(huán)境和距離限

16、制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、常規(guī)測(cè)量?jī)x器難以施展的地區(qū)等。 1）GPS測(cè)量可以大大提高工作及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響，整個(gè)作業(yè)過(guò)程全由電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算。 2）GPS RTK技術(shù)將徹底改變公路測(cè)量模式。RTK能實(shí)時(shí)地獲得所在位置的空間三維坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧道勘察，它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、點(diǎn)位測(cè)量等。 3）GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，減少野外砍伐工作量，提高作業(yè)效率。 4）GPS高精度高程測(cè)量同高精度的平面測(cè)量一樣，是GPS測(cè)量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當(dāng)前高等級(jí)公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢(shì)下，往往由于這些地區(qū)

17、地形條件的限制，實(shí)施常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量有困難時(shí)，GPS高程測(cè)量無(wú)疑是一種有效的手段10。GPS在公路高程測(cè)量中的應(yīng)用，對(duì)高等級(jí)公路的勘測(cè)手段和作業(yè)方法產(chǎn)生了革命性的變革，極大地提高了勘測(cè)精度和勘測(cè)效率，特別是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)將在公路勘測(cè)、施工和后期養(yǎng)護(hù)、管理方面有著廣闊的應(yīng)用前景11。1.5 本論文的主要內(nèi)容 本文介紹了一種基于GPS的測(cè)距硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)方法。 第一章介紹全球定位系統(tǒng)的發(fā)展背景意義及在工程測(cè)繪上的應(yīng)用，以及本論文的主要研究?jī)?nèi)容。 第二章介紹GPS定位、測(cè)距的基本原理，然后引入了全球定位系統(tǒng)所采用的坐標(biāo)系WGS84大地系，并在此

18、基礎(chǔ)上介紹了兩種根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算距離的算法，提出測(cè)距系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。 第三章詳細(xì)說(shuō)明系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，包括GPS模塊，無(wú)線收發(fā)模塊，USB串口通信模塊，系統(tǒng)電源解決方案，LCD顯示模塊以及系統(tǒng)的核心部分主控器模塊的設(shè)計(jì)方案以及原理圖。第4章 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靈魂部分軟件部分，系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括LCD顯示，數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)以及USB讀寫的實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)程序設(shè)計(jì)。第5章 對(duì)系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并得出系統(tǒng)的測(cè)距精度值，通過(guò)與官方公布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出此系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期效果，是令人滿意的。2 基于GPS的硬件測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1 GPS測(cè)距系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案2.1.

19、1 總體設(shè)計(jì)當(dāng)前，GPS OEM板因其功能全面，使用方便，機(jī)械尺寸小，以及功耗進(jìn)一步降低的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在越來(lái)越多的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中的無(wú)線測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)距離、運(yùn)動(dòng)速度等數(shù)據(jù)的測(cè)量12。置于待測(cè)目標(biāo)上的GPS手持機(jī)部分接收衛(wèi)星信號(hào)并解算后，產(chǎn)生包含速度，經(jīng)緯度等信息的定位語(yǔ)句。該定位語(yǔ)句一方面可以由SDT11模塊接收，保存在片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器中，并通過(guò)一片分辨率為12864的LCD屏幕有選擇性的將所需信息顯示出來(lái)；另一方面，也可以通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊將定位語(yǔ)句整體發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端，無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊將數(shù)據(jù)還原后通過(guò)MAX23213電平轉(zhuǎn)換模塊把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的

20、串口通信，最后在PC端使用軟件方式對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，求出所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。具體的系統(tǒng)框圖表示如圖2.1和圖2.2： 圖2.1 測(cè)距發(fā)射機(jī)系統(tǒng)在圖2.1和圖2.2所示的測(cè)距系統(tǒng)中，工作過(guò)程為：采用兩個(gè)GPS分別測(cè)量發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處的經(jīng)緯度信息，并利用高速遠(yuǎn)距離擴(kuò)頻通信設(shè)備完成從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，接收機(jī)將兩測(cè)試點(diǎn)處的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)诫娔X中，通過(guò)上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和距離的測(cè)量。此外，發(fā)射機(jī)上帶有片上Flash，也可完成對(duì)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，以便進(jìn)行離線處理。 圖2.2 測(cè)距接收機(jī)系統(tǒng)接收機(jī)天線部分完成射頻信號(hào)的接收，即把衛(wèi)星播發(fā)的電磁波轉(zhuǎn)換成便于處理的電信號(hào)。擴(kuò)頻

21、模塊通過(guò)將天線饋送來(lái)的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、變頻，最終輸出較低的中頻信號(hào)并經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻，并送到信號(hào)處理部分。微控器是整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的核心部分，包括信號(hào)的捕獲、跟蹤、解調(diào)，還要根據(jù)信號(hào)所反映的信息進(jìn)行測(cè)量值的計(jì)算，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)的計(jì)算出測(cè)站的位置，同時(shí)也接受用戶輸入的信息。PC機(jī)是連接處理器和用戶信息的橋梁，用戶通過(guò)他來(lái)輸入和接收測(cè)量信息并能存儲(chǔ)信息，相當(dāng)于鍵盤和顯示器的功能。GPS模塊是提取有用基帶信號(hào)，將有用信號(hào)傳送給信號(hào)處理器。FLASH是接收機(jī)的存儲(chǔ)單元。2.1.2 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)與功能完成基于GPS的測(cè)距

22、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)；并設(shè)計(jì)相關(guān)電路和簡(jiǎn)易的軟件平臺(tái)；具體要求： (1)測(cè)量距離：不小于10km (2)測(cè)距精度：10m以內(nèi) (3)USB接口通信速率：1.22Mbps2.2 通過(guò)衛(wèi)星產(chǎn)生的測(cè)距信號(hào)確定位置的原理GPS利用到達(dá)時(shí)間(TOA)測(cè)距原理來(lái)確定用戶的位置。這種原理需要測(cè)量信號(hào)從位置已知的發(fā)射源(例如霧號(hào)角、無(wú)線電信標(biāo)或衛(wèi)星)發(fā)出至到達(dá)用戶接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間，將這個(gè)稱為信號(hào)傳播時(shí)間的時(shí)間段乘以信號(hào)的速度(如音速或光速)，便得到從發(fā)射源到接收機(jī)的距離。接收機(jī)通過(guò)測(cè)量從多個(gè)位置已知的發(fā)射源(即導(dǎo)航臺(tái))所廣播的信號(hào)的傳播時(shí)間，便能確定自己的位置14。借助于對(duì)多顆衛(wèi)星的TOA測(cè)量，便可以確定出三維位置

23、。在地心地固(ECEF)坐標(biāo)系中，假定有一顆衛(wèi)星正在發(fā)射測(cè)距信號(hào)，該衛(wèi)星上的一個(gè)時(shí)鐘控制著測(cè)距信號(hào)廣播的定時(shí)。理想情況下，這個(gè)時(shí)鐘和星座內(nèi)每一顆衛(wèi)星上的時(shí)鐘與一個(gè)記為GPS系統(tǒng)時(shí)的內(nèi)在系統(tǒng)時(shí)標(biāo)有效同步。用戶接收機(jī)也包含有一個(gè)時(shí)鐘，假定它與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，定時(shí)信息內(nèi)嵌在衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)中，使接收機(jī)能夠計(jì)算出信號(hào)離開衛(wèi)星的時(shí)刻。記下接收到衛(wèi)星的時(shí)刻，便可以算出衛(wèi)星至用戶的傳播時(shí)間，將其乘以光速便求得衛(wèi)星至用戶的距離R。假設(shè)當(dāng)前用戶處于以第一顆衛(wèi)星為球心的球面上的某個(gè)位置，此時(shí)第二顆衛(wèi)星發(fā)送測(cè)距信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，則用戶又處于以第二顆衛(wèi)星為球心的球面上，這樣該用戶將同時(shí)處于兩個(gè)球面相交圓周上的一個(gè)地方，如圖2

24、.3所示。 圖2.3用戶位于兩球相交的圓周上 利用第三顆衛(wèi)星再次進(jìn)行上述的測(cè)距過(guò)程，那么用戶又將出現(xiàn)在以第三顆衛(wèi)星為圓心的球面上，第一顆和第二顆衛(wèi)星相交產(chǎn)生的圓周與這個(gè)球面交于兩個(gè)點(diǎn)，如圖2.4所示，這兩個(gè)交點(diǎn)相對(duì)于衛(wèi)星平面來(lái)說(shuō)互為鏡像。然而，其中只有一個(gè)是用戶的正確位置，對(duì)于地球表面上的用戶來(lái)說(shuō)，很顯然較低的一點(diǎn)是真實(shí)位置15。 圖2.4 用戶位置 了解了用衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)和多個(gè)球體求解用戶三維位置的原理后，下面具體的研究一下用戶三維位置的求解過(guò)程。 圖2.5用戶位置的矢量表示在圖2.5中，設(shè)u代表用戶接收機(jī)相對(duì)于ECEF坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置，矢量s則代表衛(wèi)星相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，而矢量r表示用戶到

25、衛(wèi)星的偏移量，可以用矢量式表示為 （2.1）矢量r的幅值為 （2.2）令為r的幅值，有 （2.3）設(shè)用戶位置坐標(biāo)為衛(wèi)星的坐標(biāo)為，則上式可改寫為，(2.4)然而接收機(jī)的時(shí)鐘一般與衛(wèi)星的系統(tǒng)時(shí)之間有一個(gè)偏移誤差，因此前面的方程式可記為：，(2.5)為了確定用戶的三維位置和偏移量，只要對(duì)4顆衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量，即可得到方程組 ，（2.6）式中，j的范圍是1-4，指4顆不同的衛(wèi)星。上式可展開成以。和等未知數(shù)表示的聯(lián)立方程： (2.7) (2.8) (2.9) (2.10)求解該方程組就可以得到用戶的位置（）。2.3 用戶大地坐標(biāo)(緯度、經(jīng)度和高度)的確定2.3.1 WGS84大地坐標(biāo)系在GPS中所使用的

26、標(biāo)準(zhǔn)地球模型是圖2.7中所示的美國(guó)國(guó)防部世界大地1984(WGS84)16。其幾何定義是:原點(diǎn)是地球質(zhì)心，Z軸指向國(guó)際時(shí)間局(BIH)1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。WGS84提供了地球形狀的橢球模型，如圖2.6所示。 圖2.6 WGS-84大地坐標(biāo)系 圖2.7 地球的橢球模型(與赤道面正交的橫截面)在這種模型中地球平行于赤道的橫截面為圓，而地球赤道得橫截面半徑為6378.137km,這是地球的平均赤道半徑。在WGS84地球模型中，垂直于赤道面的地球橫截面是橢圓在包含有z軸的橢圓橫截面中，長(zhǎng)軸與

27、地球赤道的直徑相重合，因此半長(zhǎng)軸a的值與面給出的平均赤道半徑相同。圖2.7所示的橢圓橫截面的短軸與地球的極半徑相對(duì)應(yīng)在WGS-84中半短軸b取為6356.7523152km，因而地球橢球的偏心率e可由式2.23確定: （2.23）WGS-84中取=0.00669437999014。 從導(dǎo)航電文中獲取的GPS衛(wèi)星位置使用WGS-84坐標(biāo)表示的，計(jì)算得到用戶位當(dāng)然也是WGS-84坐標(biāo)值。衛(wèi)星軌道時(shí)GPS控制段根據(jù)在地面監(jiān)控站對(duì)碼和載波相測(cè)量的結(jié)果計(jì)算出來(lái)的。對(duì)監(jiān)控站W(wǎng)GS-84系下的坐標(biāo)值的精確推算是GPS實(shí)際應(yīng)用WGS-84坐標(biāo)系關(guān)鍵的一步。1980年，坐標(biāo)值的精度為12m。此后根據(jù)更精確的監(jiān)控

28、坐標(biāo)值(現(xiàn)在到了厘米級(jí))。有時(shí)也用另一參數(shù)來(lái)描述參考橢球的特征，即第二偏心率，其定義為 (2.24)WGS84中取=0.00673949674228。 表2.1 WGS84基本參數(shù)(1997年修改）參數(shù)值橢球半徑6378137.0m橢球扁度的倒數(shù)298.257223563地球角速度7292225.010-11rad/s地球重力常量3986004.418108m3/s3真空中的光速2.99792458108m/s2.3.2 求解大地坐標(biāo) ECEF(earth centered earth fixed地心地固)坐標(biāo)系是固定在WGS-84參考橢球上的，圖2.6所示，點(diǎn)o相應(yīng)于地球中心。現(xiàn)在可以相對(duì)于

29、參考橢球來(lái)定義緯度、經(jīng)度和高度參數(shù)了。當(dāng)用這個(gè)方式進(jìn)行定義時(shí)，這些參數(shù)稱為大地坐標(biāo)。在ECEF系中給定了接收機(jī)的位置矢量u=()的條件下，可以用平面中測(cè)量的用戶與x軸之間的角度計(jì)算出大地經(jīng)度(): (2.25) 在式(2.25)中，負(fù)的角度相應(yīng)于西經(jīng)度數(shù)。緯度()和高度(h)等大地參數(shù)用用戶接收機(jī)處的橢圓法線來(lái)定義。在圖2.7中，橢球法線用單位矢量n來(lái)表示。GPS接收機(jī)相對(duì)于WGS-84橢球計(jì)算其高度，然而，在一些地方由于WGS-84橢球與大地水面(當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫?之間的差異，在地圖上給出的海拔高度可能與從GPS導(dǎo)出的高度有較大的差異。 大地高度就是用戶(在矢量u的末端點(diǎn))和參考橢球之間的最小距離。大地緯度橢球法線矢量n和n在赤道()平面上的投影之間的夾角。一般情況下，如果0(亦即用戶在北半球)，必取正值;而如果100