GPS測(cè)距定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(xiě)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(kāi)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(lèi)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。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

2、抗干擾性和保密性。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 。在測(cè)量領(lǐng)域較早就開(kāi)始采用 GPS技術(shù)，最初， 它主要用于建立各種類(lèi)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(lèi)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。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(kāi)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

3、波羅”登月計(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 。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(jiàn)到4顆，最多可見(jiàn)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

4、.1 GPS衛(wèi)星星座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。O GM衛(wèi)星GFS衛(wèi)星圖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)

5、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。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

6、 的發(fā)展。1）精密授時(shí)在定位能力受到普遍注意的同時(shí)，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(kāi)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

7、包中帶電池和GPS卡的計(jì)算機(jī)，手持鍵盤(pán)和顯示單元組成。一個(gè)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(wèn)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

8、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(chē)輛導(dǎo)航和跟蹤，已成長(zhǎng)為一類(lèi)巨大的產(chǎn)業(yè)。基 于GPS的系統(tǒng)和服務(wù)，在汽車(chē)、商務(wù)車(chē)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(chē)控制?；?GPS的收費(fèi)系統(tǒng)，確定商務(wù)卡車(chē)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

9、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。5）消費(fèi)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(chē)、計(jì)算機(jī)等個(gè)人財(cái)物的安全設(shè)備。車(chē)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(chē)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。G

10、PS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、

11、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(lèi)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5

12、0km的基線上，相對(duì)定位精度可達(dá)1X 10-6，而在100-500km的基線上可達(dá)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

13、統(tǒng)單頻接收機(jī)在I 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(kāi)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，

14、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(kāi)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

15、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(kāi)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)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

16、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

17、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)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 o1.5 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)

18、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 WGS8大地系，并在此基礎(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莫塊，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。第四章設(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賣(mài)寫(xiě)的實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)程序設(shè)計(jì)。第五章對(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

19、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勺硬件測(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2.1.1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128X 64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

20、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

21、對(duì)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，以便進(jìn)行離線處理。天線圖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

22、鍵盤(pán)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

23、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。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(kāi)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

24、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2.3所示。球?的我面'球1的股血圖2.3用戶位于兩球相交的圓周上第33頁(yè)共42頁(yè)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2.4所心的球面上，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

25、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r =su (2.2)令丫為r的幅值，有' |su(2.3)設(shè)用戶位置坐標(biāo)為xu, yu, zu衛(wèi)星的坐標(biāo)為xs,ys, z，則上式可改寫(xiě)為2 2 2r =£.(Xs-Xu)(ys -yu)(Zs -Zu) ，(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tu，因此前面的方程式可記為：r=|

26、s_u|+ctu (2.5)為了確定用戶的三維位置Xu,yu,zu和偏移量tu，只要對(duì)4顆衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量，即可得到方程組二可-u|亠ctu ， (2.6) 式中，j的范圍是1-4，指4顆不同的衛(wèi)星' 的聯(lián)立方程：2 2 2ri .；(xi -Xu)(yiyu)(乙一乙)ctu222r2 = (X2-Xu)(y2-yu)(Z2- Zu)ctu3 f“(X3- Xu)224 a.；*(X4 _Xu) (y4-yu)(Z4-Zu) ctu(y3- yu)2(Z-Zu)2ctu上式可展開(kāi)成以Xs,ys, z；。和tu等未知數(shù)表示(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)求解該方程組就可以得到

27、用戶的位置(xu,yu,zu)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)，丫軸 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。定義的 塞子午圈a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

28、,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 e2 =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

29、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 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e，其定義為(2.24)WGS84 中取 e 2 =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-117292225.0 X 10 rad/s地球重力常量8 333986004.418 X 10 m/s真空中的光速82.99792458 X 10 m/s2.3.2

30、 求解大地坐標(biāo)ECEF(earth centered earth fixec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=(Xu,yu，Zu)的條件下，可以用xy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():a r ct 3(),Xu幾詔180+ arc曲 nXuGa ndyu0(2.25)Xu-18 0+ arct nXu)a ndyu00-Xu在式(2.25)中，負(fù)的角度相應(yīng)于西經(jīng)度數(shù)。緯度C )和高度

31、(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矫妫┲g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（xy）平面上的投影之間的夾角。一般情況下，如果 zu >0（亦即用 戶在北半球），必取正值;而如果乙<0,少取負(fù)值。對(duì)照?qǐng)D2.6,大地緯度就是/ NPA，這 里N是參考橢球上最接近用戶的那一點(diǎn)，P是沿n的方向上的直線與赤

32、面相交的點(diǎn)，而 A就是赤道上最接近于P的那個(gè)點(diǎn)。2.4根據(jù)經(jīng)緯度快速計(jì)算兩點(diǎn)間距離的算法目前GPS全球定位系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各類(lèi)精確定位的服務(wù)之中，正是因?yàn)镚PS對(duì)單點(diǎn)定位的精確性，使得準(zhǔn)確計(jì)算已知經(jīng)緯度的兩點(diǎn)間距離成為一種替代傳統(tǒng)測(cè) 距方式的趨勢(shì)。下面就對(duì)兩種簡(jiǎn)易的針對(duì)經(jīng)緯度求解距離的算法進(jìn)行介紹17。2.4.1地面弧長(zhǎng)近似弦長(zhǎng)法已知A、B兩點(diǎn)的經(jīng)緯度，首先在兩點(diǎn)間選擇一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn) C，利用公式L=n R a （a 為兩點(diǎn)間經(jīng)度或緯度的夾角，R為半徑）求得兩點(diǎn)間經(jīng)度圈上和緯度圈上的弧長(zhǎng)。對(duì)于經(jīng)度圈，半徑即為地球半徑，這里令其值為地球的平均半徑6371.004Km；對(duì)于緯度圈，半徑為地球半徑

33、乘以基準(zhǔn)點(diǎn)緯度值的余弦。由于在小范圍內(nèi)地球表面可以視為平面，因此我們能夠?qū)⒒￠L(zhǎng)近似為弦長(zhǎng)，最后利用矩形對(duì)角線的求值公式：LAX2 厶丫2求出對(duì)角線的長(zhǎng)度，即可近似等于地球上兩點(diǎn)間的距離。上述過(guò)程的公式表示如式（2.26）:圖2.9由經(jīng)緯度計(jì)算距離原理圖Li =(經(jīng)度 1-經(jīng)度 2)”； R cos(緯度)/180«L2=(緯度 1-緯度 2)t * R/180(2.26)、D=jLj+L222.4.2空間兩點(diǎn)間距離法由于GPS接收機(jī)所結(jié)算出來(lái)的數(shù)據(jù)是基于大地坐標(biāo)系下的地理坐標(biāo)，不能直接使用空間兩點(diǎn)間距離公式來(lái)計(jì)算，因此，需要先將大地坐標(biāo)系下單點(diǎn)的經(jīng)度(L)、緯度(B)和高度(H)轉(zhuǎn)化

34、為地心空間直角坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化公式如式下18:a.1 - e2 sin2 BH)cos BcosLa-1 -e2 sin2 BH )cosBcosLz；(1 -e2) H Isin B丁1 _e2sin2 B(2.27)其中，a可取為地球赤道半徑6378.137Km, e2=0.00669437999014假設(shè)通過(guò)上式轉(zhuǎn)換得到的在地心空間直角坐標(biāo)系下兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)，則由空間兩點(diǎn)間距離公式 2.28即可求得距離。D(X1%)2+(y1-y2)2+(Z1-Z2)2，(2.28) 2.5 本章小結(jié)本章對(duì)GPS導(dǎo)航定位的原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。首先介紹了衛(wèi)星信號(hào)測(cè)距

35、的原理, 然后介紹了用戶位置的測(cè)算、用戶大地坐標(biāo)的求解，接著提出了兩種根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算兩 點(diǎn)間距離的簡(jiǎn)易算法，最后提出整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，為后面的系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 提供了整體框架和理論基礎(chǔ)。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 GPS模塊設(shè)計(jì)對(duì)于GPS模塊的選擇，通常從技術(shù)參數(shù)，支持的通信協(xié)議，控制接口和成本幾個(gè)方面考慮。目前的商用的 GPS模塊，大都支持12通道，采用C/A編碼，NMEA0183 協(xié)議，通過(guò)RS232接口控制。對(duì)于具有授時(shí)功能，或具有DGPS差分功能等等的模塊在 價(jià)格上要高出很多19。本系統(tǒng)選用的雙龍公司的 SDT11衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊具有以下特 性：(1) 源于由u-blox與Atmel共

36、同開(kāi)發(fā)的GPS芯片組ATR0601+ATR0625(2) 具有16路衛(wèi)星接收通道，接收靈敏度達(dá)-158dbm(3) 支持 DGPS、AS、EGNOS 和 MSAS提供USB和UART各一個(gè)，通訊波特率9600(5) 工作電壓3.3v,工作電流39mA(6) 工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，-40+85度(7) 尺寸 24X 20X 2.8mmSDT11模塊主要包括兩個(gè)部分:RF部分和基帶部分。RF部分包括低噪聲放大器LNA(ATR0610)、SAW帶通濾波器、RF-IC芯片(ATR0601)、和GPS晶振；基帶部分包 括的數(shù)字電路主要由基帶處理器(ATR0625)內(nèi)含一塊ARM7CPU、GPS相關(guān)器、RAM、RO

37、M、非易失性RAM、RTC、重啟發(fā)生器、兩個(gè)調(diào)壓器以及電平轉(zhuǎn)換器。(1) AfR0601:該IC是一個(gè)GPS接收機(jī)射頻前端IC芯片，采用單IF結(jié)構(gòu)，芯片上包含由混頻器、IF放大器、2bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集 成度，很小的功耗(約50W)，構(gòu)成GPS接收機(jī)射頻前端電路只需要很少的外部器件，非常適合用于移動(dòng)式導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用。(2) ATR0610:該芯片是一個(gè)2.7V的GPS低噪聲放大器，芯片具有極好的射頻性能，噪聲 系數(shù)為1.6dB,輸出內(nèi)部匹配為50歐，單2.7V電源工作，具有電源導(dǎo)通控制，低功率 消耗小于10w，僅需要很少外部器件，適合 GPS接收機(jī)使用

38、。ATR0625:包含一個(gè)基于ARM7TDMI處理器核的16通道的相關(guān)器的GPS基帶處理器， 具有高性能的32bit班SC結(jié)構(gòu)，使用16bit指令系統(tǒng)，具有很低的功耗。芯片內(nèi)部具有 大量的功能寄存器可以滿足實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。ATR0625利用外部總線接口，可以與外存儲(chǔ)器直接連接，利用ARM7TDMI微控制器與片上RAM，完成GPS的16通道相關(guān)器核外 圍設(shè)備接口功能。下圖是SDT11模塊的內(nèi)部電路圖20:Afiirve Ant voltaoeRESETVCCJ.INPdii +!GND仙 FilwExtemal anrenriia bias circuit is requiredRf Fr-pn-

39、fndATR0&011uPgwwgi SitItijI卯"1 IF. Ctai*-ATRO625JTC箱器 1W Ml：USBMJ訂$TlhrEPULSISOT 11 GPS module圖3.1 SDT11模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖I/O Pin DescriptionPin#NameTypeDescription1NCNot connected2USB_DMI/OUSB data3USB_DPI/OUSB data4TTL2_RX1TTL UART2 Input, if not used keep floating5TTL1_RX1TTL UART1 Input, ii not

40、used keep floating6TTL1_TX0TTL UART1 Output, if not used keep floating7NCNot connected81PPS01PPS time mark output9NCNot connected10NCNot connected11NCNot connected12STATUS LEDoFix Signal output, If not used keep floating13NCNot connected14GNDPWRGround15VCC_INPWR3.3V Supply Input16V_BAT11.5V-3.6V Inp

41、ut for backup RTC& SRAM, if not used keep floating17NCNot snn ected1&RESET1Reset Pm, active high, if not used keep floating19NCNot connected20GNDPWRGround21GPSODEG1GPSMQDE6 configuration, if not used keep floating22GPSMODE51GPSMODE5 configuration, if not used keep floating23TT1_2_TX0TTL UART

42、2 Output, it no use keep floating24GPSMODE21GPSMODE2 configuration, if not used ke即 floating25NCNot connected26GNDPWRGround27RF_IN1For GPS signail input2SGNDPWRGround表3.1 SDT11接口性能GPS模塊是影響系統(tǒng)測(cè)量精度的關(guān)鍵，該系統(tǒng)中 GPS采用SDT11模塊進(jìn)行設(shè)計(jì) 該模塊具有-158dBm的接收靈敏度，定位精度可達(dá)2.5m。高接收靈敏度和定位精度可 以有效保證該系統(tǒng)的適用范圍。其原理圖如下圖所示 21:VCC5STD1P2

43、SMB34AX5V GND Poweron lpps ANT_SHANT_Qpen3.3VGNDVBATTKDRESTI】八srxdH-SDTHE圖3.2 GPS模塊設(shè)計(jì)原理圖3.2無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)為提高該系統(tǒng)的定位精度，有效降低系統(tǒng)功耗，本系統(tǒng)采用無(wú)線收發(fā)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 傳輸，無(wú)線收發(fā)模塊原理圖如圖所示22。該無(wú)線收發(fā)模塊主要使用 Max Stream公司的 9xTend模塊，其主要特點(diǎn)是：該模塊采用了擴(kuò)頻通信方式，這使得在相同功率的情況下 可以傳輸?shù)酶h(yuǎn)。9xTend在5v電壓下，電流消耗只有780mA，輸出功率可達(dá)1W（30dBm）。該收發(fā)器的接收靈敏度達(dá)-110dBm，可使用戶在1.5英

44、里、15英里視距和 40英里接收900Mhz信號(hào)，數(shù)據(jù)吞吐量為230kbps,數(shù)據(jù)率可達(dá)115.2kbps。該模塊可有 效保證在系統(tǒng)測(cè)距過(guò)程中控制信息號(hào)發(fā)送與位置信息的接收。DtxdDmiDS31H.1210KSHDH4LEDORs23GNDVCCRXLEDTX PWRDIDOSHDNGP12 辿GPOl/CTSGPI1IRTSCONFIGGNDCompotutni_lKTEND1J ri)e.Res2DS2LEDO圖3.3無(wú)線收發(fā)模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖3.3主控制器模塊本模塊為課題的核心部分，而本設(shè)計(jì)采用集成化相當(dāng)高的51單片機(jī)作為核心器件， 它主要負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和對(duì)相應(yīng)的各種部

45、件按照各自的通信協(xié)議進(jìn)行 相應(yīng)的響應(yīng)操作。本控制模塊采用 CPUSTC87C65 SRAM62C256、擴(kuò)展串口接口和各 種控制邏輯電路連接而成23。這其中的STC87C65為控制芯片部分，可以控制整個(gè)操作 系統(tǒng)的各種主要操作，而SRAM62C256為隨機(jī)存儲(chǔ)器，隨機(jī)存儲(chǔ)暫時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息， 而其它的相關(guān)連接主要為相應(yīng)的補(bǔ)充連接單元。這主控制模塊具體流程圖如下：圖3.4主控制模塊電路圖Av- 1 3- $ 4 $ f T D p D DDD D b;/.33+1OS234J6JT fl i 旳利w利MpflME.nH3 4 5- 6 J JIBKT曠1514u U1?3.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)管理

46、是雙GPS測(cè)距系統(tǒng)中非常重要的一部分，也是該系統(tǒng)的任務(wù)之一。該部 分包括雙GPS測(cè)距系統(tǒng)測(cè)試報(bào)表的生成和文件的整理、存儲(chǔ)、讀取等一系列工作，生 成的測(cè)試報(bào)表記錄了系統(tǒng)工作時(shí)測(cè)量到的目標(biāo)距離數(shù)據(jù)，便于日后信息的查詢。本模塊主要是將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以便當(dāng)前和以后用戶對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)用和查 看。當(dāng)前市面上用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)備相當(dāng)繁多，而根據(jù)本課題選用安全性能好的SD卡做為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)備，因?yàn)?GPS信息是一種比較機(jī)密的信息，需要做好安全的保護(hù)操 作。SD卡即Secure Digital Memory Card安全數(shù)碼存儲(chǔ)卡的簡(jiǎn)稱24，是一種基于半導(dǎo)體 的快閃記憶器的一代存儲(chǔ)設(shè)備，常用于個(gè)人數(shù)碼產(chǎn)品、多

47、媒體播放器、手機(jī)等多種終端。 本接口電路使用單片機(jī)和 SD卡相連，而本單片機(jī)具有SPI的接口模式，利于實(shí)現(xiàn)軟件 編程。其中的STC87C65+是后面所要提到的主控制器的51單片要機(jī)的核心芯片部分， 具體連接圖如下：LIKIK Ik IKvcc| »urn IFFIOT1 TOSCIX2RESETRD WE圖3.5存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)10H1213p p p p4 5 6 71 1 1 1 p p p p373635S332呂1卻29抽27262524劃22212D1©1?STC87C；5+4 5 6 7 0 0 0-0 p p p p0 123 + 5673 2 222222-

48、PPPP-KPPP3.5 LCD顯示模塊軟件設(shè)計(jì)包括手持機(jī)結(jié)構(gòu)中的單片機(jī)軟件和PC端軟件兩個(gè)環(huán)節(jié)。單片機(jī)軟件部分的主要功能是接收 GPS定位語(yǔ)句，獲取所需要的導(dǎo)航信息并實(shí)時(shí)地送至LCD上顯示;而PC端軟件的功能是從計(jì)算機(jī)串行通信口讀取通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送來(lái)的定位語(yǔ) 句，再結(jié)合前面章節(jié)中介紹的根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算距離的算法，完成本文所要到達(dá)的最終目 標(biāo)一測(cè)量功能，并以界面的形式展現(xiàn)給用戶，方便用戶交互式操作25。3.5.1 GPS定位數(shù)據(jù)顯示格式當(dāng)前，國(guó)際上廣泛使用的GPS接收機(jī)輸出信息通常有兩種格式，分別為美國(guó)國(guó)家 海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Assoc

49、iation)制定 NMEA-0183 標(biāo)準(zhǔn)格式以及二 進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，其中又以 NMEA-0183格式為主。NMEA-018326標(biāo)準(zhǔn)格式采用ASCH 形式輸出信息，具有多種定位數(shù)據(jù)句型，且各種句型均以符號(hào)“$”開(kāi)頭。這些定位數(shù)據(jù)給出了包含位置、速度、航向、時(shí)間、衛(wèi)星狀況等在內(nèi)的各種信息。本設(shè)計(jì)中將GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)輸出固定為推薦定位信息($GPRMC)句型，下面對(duì)這種句型進(jìn)行介紹。$GPRMC, 090749.553, A, 3201.6761, N, 11851.1203, E, 0.00, 107.41, 250308, *06為一條完整的推薦定位信息語(yǔ)句，其中句頭$GPRMC后每?jī)蓚€(gè)逗

50、號(hào)間數(shù)據(jù)的含義如 下所示：1、 UTC時(shí)間，hhmmss時(shí)分秒）格式，我國(guó)處于東八區(qū)，應(yīng)在原時(shí)間上加8,當(dāng)前時(shí)間 為17時(shí)07分49秒。2、定位狀態(tài)，A=有效定位，V無(wú)效定位，目前為有效定位數(shù)據(jù)。3、 緯度ddmm.mmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸），被測(cè)點(diǎn)緯度為北緯犯度01.6761 分。4、緯度半球N（北半球）或 S（南半球），很明顯，被測(cè)點(diǎn)處于北半球。5、 經(jīng)度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸），被測(cè)點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)118度 51.1203 分。6、經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)），當(dāng)前被測(cè)點(diǎn)處于東半球。7、地面速率（000-999.9節(jié)，前面的0也將被傳輸），1節(jié)=1.852千米/小時(shí)。由于測(cè)點(diǎn)沒(méi) 有移動(dòng)，所以當(dāng)前速度為0。&地面航向（000.0-359.9度，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸），相對(duì)于上一秒 鐘的狀態(tài)，航向?yàn)?07.41度。9、UTC日期，ddmmyy（日月年）格式，目前日期為08年3月25日。GPS定位語(yǔ)句傳送回到電腦后，就可以使用軟件的方式對(duì)所需定位信息進(jìn)行選取、 計(jì)算和處理，從而完成本設(shè)計(jì)所要達(dá)到的測(cè)量功能。3.5.2液晶顯示模塊設(shè)計(jì)液晶顯示部分是用來(lái)顯示相關(guān)操作時(shí)用于提示的設(shè)備，因?yàn)楸菊n題主要顯示字符形的數(shù)據(jù)，則本設(shè)計(jì)