基于車(chē)載便攜GPS設(shè)備的選型方案研究

1、基于車(chē)載便攜GPS設(shè)備的選型方案研究PAGE PAGE 44HUBEI NORMAL UNIVERSITY物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)期末論文論文題目基于車(chē)載便捷GPS設(shè)備的選型方案研究學(xué) 生 指導(dǎo)教師 所在院系 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 完成時(shí)間 摘 要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,過(guò)人消費(fèi)水平也呈現(xiàn)了飛速增長(zhǎng),汽車(chē)的數(shù)量也隨著迅速增加,我國(guó)GPS車(chē)輛定位系統(tǒng)市場(chǎng)現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模發(fā)展時(shí)期,本文對(duì)GPS汽車(chē)定位系統(tǒng)運(yùn)用到的技術(shù)理論基礎(chǔ)作出了詳細(xì)的介紹,兵非別提供了GPS定位車(chē)載終端的硬件和軟件的具體設(shè)計(jì)方案.GPS即全球系統(tǒng)定位,它是一個(gè)中距離圓形軌道衛(wèi)星定位,可以為地球表面絕大部分地區(qū)提供準(zhǔn)確的定位和高精度的時(shí)間基準(zhǔn).GPRS

2、是在GSM的系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無(wú)線數(shù)據(jù)出傳輸系統(tǒng).它的基本功能是在移動(dòng)終端,GPRS網(wǎng)內(nèi)以及和Internet網(wǎng)絡(luò)的路由器之間傳輸分組數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)的實(shí)際需求,本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS的車(chē)載衛(wèi)星定位系統(tǒng),系統(tǒng)采用單片機(jī)作為處理器,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)建立無(wú)線通信鏈路,把車(chē)載移動(dòng)終端的GPS定位信息傳到Internet網(wǎng)上的服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)輛行駛各類(lèi)信息,實(shí)現(xiàn)了控制中心實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)輛行駛狀態(tài),完成了車(chē)輛定位的目的關(guān)鍵詞：GPS車(chē)輛定位 全球定位系統(tǒng) 導(dǎo)航定位AbstractAs Chinas rapid economic development people als

3、o rapid consumptiom growth in the number of vehicles has increased as rapidly. GPS vehicle location system in China has now entered the scale of the market development period this article on the use of GPS vehicle positioning system technology theroy to make a detailed on the use of GPS vehicle posi

4、tioning 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-distance circular orbit satellite positioning system most parts of the earths surface can prov

5、ide accurate positioning and high precision time base. GPRS in the GSM system is based on the introduction of new components which consititute the wireless data transmission system。Its basic function is in the mobile terminal。GPRS networds and Internet networks within and between the router packet d

6、ata transmission According to the actual modern intelligent transportation systems this paper designs a GPRS-based vehicle positioning system he system uses single chip as the processor through the GPRS network to establish wireless communication link the mobile terminals GPS location infornmation t

7、ransmitted online Internet server to achieve real-time monitoring online traffic infornmation of all types to achieves a real-time monitoring traffic control center in the state completed a vehicle positioning purposes.Tags: GPS vehicle location Global Positioning System Navigation GPS positioning s

8、ystems 目 錄第一章GPS的介紹 71.1 GPS引言 71.2 GPS前身 71.3 GPS的發(fā)展 9第二章 GPS無(wú)線定位系統(tǒng)的技術(shù)112.1 GPS定位系統(tǒng) 112.1.1 GPS定位系統(tǒng)的概念 112.1.2 GPS定位原理 122.1.3 GPS的定位方法 132.2 GPS無(wú)線定位系統(tǒng)的核心技術(shù) 152.2.1 無(wú)線定位的概念及其定位方法 152.2.2 無(wú)線定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)182.2.3 GPS定位系統(tǒng)的核心技術(shù) 202.2.4 GPS模塊 20第三章 GPS的系統(tǒng)組成223.1 GPS的系統(tǒng) 223.2 GPS信號(hào)處理平臺(tái)的研究 283.3 GPS信號(hào)處理系統(tǒng)的框架 313

9、.4 GPS定位系統(tǒng)的功能 333.5 GPS的特點(diǎn) 34第四章 GPS在車(chē)載終端的功能需求與分析344.1 軟件設(shè)計(jì)概述 344.2 總體功能分析 35第五章 GPS車(chē)輛定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀與未來(lái)375.1 GPS車(chē)輛定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及存在問(wèn)題 375.2 制約GPS車(chē)輛定位系統(tǒng)發(fā)展的市場(chǎng)因素 405.3 制約GPS車(chē)輛定位系統(tǒng)發(fā)展的其它因素 405.4 GPS車(chē)輛定位系統(tǒng)的發(fā)展前景 41第六章 結(jié)論與展望42 參考文獻(xiàn)43致謝44第一章 GPS的介紹1.1 GPS引言GPS即全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這是一個(gè)由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系

10、統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以保證在任意時(shí)刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。這項(xiàng)技術(shù)可以用來(lái)引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車(chē)輛以及個(gè)人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。全球定位系統(tǒng)（GPS）是20世界70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天侯和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國(guó)獨(dú)霸全球戰(zhàn)略的重要組成.經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn),耗資300億美元,到1994年3月,全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座已布設(shè)完成.GPS

11、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成：空間部分GPS星座；地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分GPS信號(hào)接收機(jī)。1.2 GPS前身GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多饒過(guò)地球13次，并且無(wú)法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使用研發(fā)部分對(duì)衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗(yàn)，并驗(yàn)證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位的可行性。為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對(duì)潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國(guó)海陸空三軍及民用部門(mén)偶讀感到迫切需要一種新的衛(wèi)

12、星導(dǎo)航系統(tǒng)。為此，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）提出了名為T(mén)inmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000Km高度的全球定位網(wǎng)計(jì)劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星商初步試驗(yàn)了原子鐘計(jì)時(shí)系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。而美國(guó)空間則提出了621-B的以梅星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個(gè)星群的計(jì)劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道。該計(jì)劃以偽隨機(jī)碼（PRN）為基礎(chǔ)船舶衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)，其強(qiáng)大的功能，當(dāng)信號(hào)密度低于環(huán)境噪聲的1%時(shí)也能將其檢測(cè)出來(lái)。偽隨機(jī)碼的成功運(yùn)用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個(gè)重要基礎(chǔ)。海軍的計(jì)劃主要用于為艦船提供低動(dòng)態(tài)的2維

13、定位，空軍的計(jì)劃能供提供高動(dòng)態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，由于同時(shí)研制兩個(gè)系統(tǒng)會(huì)造成巨大的費(fèi)用而且這里兩個(gè)計(jì)劃都是為了提供全球定位而設(shè)計(jì)的，所以1973年美國(guó)國(guó)防部將2者合而為一，并由國(guó)防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計(jì)劃局（JPO）領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機(jī)構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處，該機(jī)構(gòu)成員眾多，包括美國(guó)陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、交通部、國(guó)防制圖局、北約和澳大利亞的代表。1.3 GPS的發(fā)展GPS技術(shù)應(yīng)用除了能夠定位導(dǎo)航之外，還能夠?yàn)橛脩籼峁┪恢眯畔?，通過(guò)GPS技術(shù)使用者可以跟蹤、定位目標(biāo)，不過(guò)原來(lái)這項(xiàng)技術(shù)常時(shí)間以來(lái)一直為軍隊(duì)或者一些大型商家服務(wù)，在普通民用領(lǐng)域由于價(jià)格關(guān)系一直沒(méi)有得以普遍應(yīng)用。不過(guò)，在今年C

14、ES展會(huì)上的一款個(gè)性化的GPS個(gè)人追蹤裝置XACT | TRAX讓人眼前一亮，通過(guò)這款產(chǎn)品用戶可以隨時(shí)留意寵物、親人或者其他物品的位置，讓這項(xiàng)技術(shù)惠及普通大眾成為可能。這款GPS個(gè)人追蹤裝置為用戶提供了一個(gè)基于WEB的專(zhuān)用界面，使用者可以在控制臺(tái)管理界面實(shí)現(xiàn)對(duì)于GPS裝置的功能設(shè)置，例如設(shè)置“活動(dòng)界限”來(lái)規(guī)劃出目標(biāo)活動(dòng)范圍，在超過(guò)這個(gè)范圍之內(nèi)，這款追蹤裝置將向提前設(shè)置好的緊急聯(lián)絡(luò)人發(fā)送信息報(bào)警，而用戶則可以根據(jù)這款裝置配套的軟件來(lái)輕松了解當(dāng)前目標(biāo)所在具體位置、時(shí)間、日前等信息。其實(shí)，在這款產(chǎn)品之前也曾經(jīng)有過(guò)不少類(lèi)似GPS裝置，例如曾經(jīng)的寵物GPS裝置以及搭配GPS導(dǎo)航儀使用的GPS警報(bào)裝置，但

15、是都由于價(jià)格或者適用人群等原因并沒(méi)有讓人們深切感受到GPS位置服務(wù)的使用。但是，作為GPS技術(shù)應(yīng)用的一大領(lǐng)域，基于GPS技術(shù)的監(jiān)控、跟蹤、報(bào)警等功能位置服務(wù)推廣普及已經(jīng)成為當(dāng)前GPS應(yīng)用的一種趨勢(shì)。當(dāng)前GPS產(chǎn)品雖然能夠方便的為使用者在陌生環(huán)境中規(guī)劃出行駛路線，但是由于地圖更新問(wèn)題或者實(shí)際問(wèn)題往往出現(xiàn)規(guī)劃路線與現(xiàn)實(shí)狀況并不相符的尷尬情況，如何讓導(dǎo)航儀規(guī)劃路徑更加貼近現(xiàn)實(shí)成為消費(fèi)者以及廠商共同關(guān)注的問(wèn)題。其實(shí)，這對(duì)這一狀況各大廠商都在為解決這一問(wèn)題進(jìn)行著努力，GPS生產(chǎn)制造商以tomtom公司為代表，其“智能規(guī)劃路徑”技術(shù)，可以根據(jù)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)使用者反饋信息計(jì)算出每天某個(gè)時(shí)段最接近現(xiàn)實(shí)的道路信息，

16、讓使用者在規(guī)劃路徑時(shí)更加貼近實(shí)際的“最佳路線”；而在輔助功能方面，該機(jī)還提供了實(shí)時(shí)交通信息廣播服務(wù)，用戶通過(guò)語(yǔ)音或者屏幕顯示獲得最新的實(shí)時(shí)交通信息，然后避開(kāi)一些道路繁忙路段。而地圖廠商N(yùn)avteq則聯(lián)合知名手機(jī)商N(yùn)OKIA在實(shí)時(shí)交通領(lǐng)域展開(kāi)研究，控制中心通過(guò)偵測(cè)某條道路上的GPS手機(jī)密度，來(lái)估計(jì)該道路上的汽車(chē)數(shù)目，由此繪制出整個(gè)城市的實(shí)時(shí)交通路況圖，力求獲得更精確的數(shù)據(jù)。就像在現(xiàn)實(shí)中兩地間最近路程往往不會(huì)是走直線，GPS導(dǎo)航裝置規(guī)劃出“最佳路線”。第二章 GPS無(wú)線定位系統(tǒng)的技術(shù)2.1 GPS定位系統(tǒng)2.1.1 GPS定位系統(tǒng)的概念GPS（Global Positioning System）全

17、球定位系統(tǒng)，又稱(chēng)作導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)與測(cè)距（Navigation Satellite Timing and Ranging），是由美國(guó)建立的基于衛(wèi)星導(dǎo)航的精密定位系統(tǒng)，從1973年開(kāi)始，GPS系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)防部組織三軍研制，并與1993年基本完成。利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速；另外，利用該系統(tǒng)，永和還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和精密定位。2.1.2 GPS定位原理GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量處一直位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出，而用戶到

18、衛(wèi)星的距離則通過(guò)紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）；當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共由兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P（Y）碼，C/A碼頻率1.023MHz，重復(fù)周期1毫秒，碼間距1微妙，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微妙，相當(dāng)于30m，而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航點(diǎn)位包括衛(wèi)星星歷、工作狀態(tài)、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)

19、星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50%調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航點(diǎn)位每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s，前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。GPS接收機(jī)對(duì)受到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波，嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱(chēng)為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差，一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值。但開(kāi)始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即使周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算，相位觀測(cè)值的精度高至毫米，但前提

20、設(shè)計(jì)解出整周模糊度，因此只有在相對(duì)定位，并有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值。而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位精度也只能采用相位觀測(cè)值。2.1.3 GPS的定位方法按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量?？捎糜谲?chē)船等的概略導(dǎo)航定位，相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量、大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用位相觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。GPS的定位方法由多種分類(lèi)，大致可以有以下幾種：1）靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位靜態(tài)定位：如果待定點(diǎn)相對(duì)于周?chē)?/p>

21、固定點(diǎn)沒(méi)有可以察覺(jué)的運(yùn)動(dòng)，或者運(yùn)動(dòng)十分緩慢以至于數(shù)月甚至數(shù)年才能反映出來(lái)，即認(rèn)為這種待定點(diǎn)相對(duì)于地球坐標(biāo)是固定不東的，這種待定點(diǎn)的坐標(biāo)確實(shí)方法稱(chēng)為靜態(tài)定位。動(dòng)態(tài)定位：車(chē)、船、飛機(jī)、航天器等物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)通常需要知道他們的實(shí)時(shí)位置。通常在這些運(yùn)動(dòng)載體上安裝GPS接收機(jī)，實(shí)時(shí)測(cè)得GPS接受信號(hào)天線所在地位置，這種對(duì)快速移動(dòng)物體進(jìn)行定位的方式就叫做動(dòng)態(tài)定位，也是最常見(jiàn)并且應(yīng)用廣泛的定位方式。2）絕對(duì)定位與相對(duì)定位絕對(duì)定位：絕對(duì)定位是確定獨(dú)立待定點(diǎn)在地球坐標(biāo)系中的位置的定位方式。 相對(duì)定位：相對(duì)定位是確定同步跟蹤相同GPS信號(hào)的若干臺(tái)接收機(jī)之間的相對(duì)位置的一種方法。由于采用同步觀測(cè)，各個(gè)同步站獲得信號(hào)的

22、許多誤差是相同的或大致相同的（如衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、星歷誤差、信號(hào)的大氣傳播誤差等），可以消除或減弱這些誤差，獲得精確度相對(duì)高的相對(duì)位置。3）偽距法與載波相位法偽距法：在使用偽距法定位時(shí)，接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生于衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)相同的一組測(cè)距碼（P碼或C/A碼），通過(guò)延遲器與接收機(jī)收到的信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)兩組信號(hào)彼此完全重合（相關(guān)）時(shí)，測(cè)出的本機(jī)信號(hào)延遲量即為衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間，加上一系列的改正后乘以光速，得出衛(wèi)星與天線香味中心點(diǎn)餓斜距。如果同時(shí)觀測(cè)了四顆（或以上）衛(wèi)星，即可以按距離交會(huì)法算出測(cè)站的位置和始終誤差四個(gè)未知數(shù)，偽距發(fā)的測(cè)量精度相對(duì)較低。載波相位法：該方法是把載波作為測(cè)量信號(hào)，對(duì)載波進(jìn)行量測(cè)，確定

23、衛(wèi)星信號(hào)和接受機(jī)參考信號(hào)的相位差，推算出相位觀測(cè)值。然后采用和偽距法類(lèi)似的原理，求出觀測(cè)站的位置和時(shí)鐘誤差等。相對(duì)于偽距法，載波相位法擁有較高的測(cè)量精度。2.2 GPS無(wú)線定位系統(tǒng)的核心技術(shù)2.2.1 無(wú)線定位的概念及其定位方法無(wú)線定位技術(shù)通常指人們通過(guò)無(wú)線設(shè)備獲取設(shè)備所處的地理坐標(biāo)，以及對(duì)其在一定的地圖范圍內(nèi)進(jìn)行精確定位的技術(shù)，它又被成為移動(dòng)定位（Mobile-Location），無(wú)線電定位（Radio-Location），或是地理定位（Geo-Location）。無(wú)線定位里有兩個(gè)重要的概念：基站（Base-Station）與移動(dòng)站（Mobile Station）?；荆˙ase Stati

24、on）是指，位于固定位置的專(zhuān)門(mén)用戶收發(fā)移動(dòng)設(shè)備信號(hào)的通信站，它是進(jìn)行無(wú)線定位的核心組成部分，多個(gè)基站組合即構(gòu)成一個(gè)能夠?qū)σ苿?dòng)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)卻定位的系統(tǒng)。移動(dòng)站（Mobile Station）是指被定位對(duì)象，它可以是一個(gè)GPS定位設(shè)備、一部手機(jī)或是一個(gè)專(zhuān)用定位裝置等。在進(jìn)行無(wú)線定位時(shí)，我們可以又幾種不同的選擇，即無(wú)線定位工作可以是以下定位方式中的任意一種：基于方向的定位、基于距離的定位、基于指紋的定位等。方法一：基于方向的定位基于方向的無(wú)線定位也稱(chēng)作Angle of Arrival（AOA）定位技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)至少兩個(gè)位于不同位置的基站（Base Station）對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量開(kāi)始時(shí)，以基

25、站為原點(diǎn)，把經(jīng)過(guò)基站的某一固定方向作為角的一邊，將基站與移動(dòng)設(shè)備相連形成的射線作為角的另外一邊，由此可以確定處移動(dòng)設(shè)備相對(duì)于基站的偏移角，當(dāng)有兩個(gè)基站時(shí)，兩條偏移射線相交將會(huì)形成一個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為移動(dòng)設(shè)備的準(zhǔn)確位置。但如果移動(dòng)設(shè)備恰好位于兩個(gè)基站之間的直線上，兩個(gè)基站將無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出設(shè)備的位置，因此需要在第三個(gè)位置引入一個(gè)基站。因此，實(shí)際上，3個(gè)不在同一直線上的基站可以準(zhǔn)確的獲取在移動(dòng)設(shè)備在任何位置上的實(shí)時(shí)信息。圖1.1顯示了基于方向的無(wú)線定位（AOA）的工作原理.方法二：基于距離的定位因?yàn)殡娮硬ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣燃垂馑伲虼宋覀兛梢酝ㄟ^(guò)無(wú)線信號(hào)從移動(dòng)設(shè)備發(fā)出的時(shí)刻與無(wú)線信號(hào)被基站接收的時(shí)刻推

26、算處移動(dòng)設(shè)備與基站之間的距離，由該距離我們可以知道移動(dòng)設(shè)備存在于距離基站一定距離的圓周上，當(dāng)由2至3個(gè)基站存在時(shí)，我們可以確定處移動(dòng)設(shè)備對(duì)應(yīng)于每個(gè)基站的圓周，而這些圓周的交點(diǎn)即是移動(dòng)設(shè)備的具體位置，因此完成對(duì)設(shè)備的準(zhǔn)確定位。方法三：基于指紋的定位基于指紋的定位方法，又稱(chēng)作射頻指紋（Radio Frequency Fingerprinting）技術(shù)，相較于之前兩種定位技術(shù)，射頻指紋（RF Fingerprinting）是一種能夠高精度進(jìn)行無(wú)線設(shè)備定位的技術(shù)。在進(jìn)行設(shè)備定位之前，先建立起基于定位建筑場(chǎng)所的WLAN覆蓋區(qū)域信號(hào)熱圖，由于無(wú)線信號(hào)會(huì)因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)近以及墻壁等障礙物而出現(xiàn)信號(hào)衰減，因此在特定

27、建筑物內(nèi)的每一個(gè)特定區(qū)域都將有其特定的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，無(wú)線定位系統(tǒng)首先根據(jù)這些不同的信號(hào)強(qiáng)度建立該區(qū)域的信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，并為每一個(gè)位置標(biāo)志上唯一性的指紋。當(dāng)有無(wú)線設(shè)備進(jìn)入該檢測(cè)局域時(shí)，系統(tǒng)便能快速精確的確定處該設(shè)備的坐標(biāo)信息（RF指紋識(shí)別）。射頻指紋技術(shù)一定在一些領(lǐng)域得到了成熟的應(yīng)用，比如跟蹤無(wú)線電話語(yǔ)音的E911*/系統(tǒng)和無(wú)線資產(chǎn)管理系統(tǒng)等。2.2.2 無(wú)線定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)無(wú)線定位系統(tǒng)的功能性體系結(jié)構(gòu)必須具備兩個(gè)功能單元：1）移動(dòng)臺(tái)（MS）的位置估計(jì)。2）和網(wǎng)絡(luò)共享某些屬性的此位置估計(jì)信息。定位系統(tǒng)測(cè)量來(lái)自移動(dòng)終端的無(wú)線電波的有關(guān)參數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)測(cè)量某些固定接收器或者某些固定發(fā)送器發(fā)送到移動(dòng)接收器

28、的無(wú)線電波參數(shù)，因此有兩種辦法可以獲得對(duì)MS的世紀(jì)位置信息的估計(jì)；自我定位系統(tǒng)，即常被稱(chēng)為基于移動(dòng)終端為中心的定位系統(tǒng)，MS通過(guò)測(cè)量自己相對(duì)某個(gè)已知位置發(fā)送器的距離或者方向來(lái)確定自己的位置（例如GPS接收器）；遠(yuǎn)距離定位系統(tǒng)，即常被叫做基于網(wǎng)絡(luò)的餓定位系統(tǒng)，它采用很多地理定位基站（GBS）一起來(lái)確定MS位置，可以通過(guò)分析接收信號(hào)的強(qiáng)度、信號(hào)相位以及到達(dá)時(shí)間等屬性來(lái)確定MS的距離，至于MS的方向則可以通過(guò)接收信號(hào)的到達(dá)角來(lái)獲得，最終系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)接收器測(cè)量到的移動(dòng)終端的距離或者方向來(lái)聯(lián)合計(jì)算移動(dòng)終端的位置，自我定位系統(tǒng)也可以使用相似的方法。一個(gè)定位服務(wù)提供商為用戶提供位置信息和位置感知服務(wù)，每當(dāng)用

29、戶提出申請(qǐng)要求有關(guān)某個(gè)MS的位置信息時(shí)，定位服務(wù)提供商將首先聯(lián)絡(luò)位置控制中心，查詢(xún)MS的位置坐標(biāo)，用戶可能是希望跟蹤某一移動(dòng)設(shè)備的商業(yè)用戶，或者是試圖應(yīng)答一個(gè)E-911電話的公共安全應(yīng)大點(diǎn)PSAP（Public Safety Answering Point）。然后位置控制中心收集所需的信息來(lái)計(jì)算MS的位置，此信息可能是諸如接收信號(hào)強(qiáng)度、BSID、信號(hào)的TOA等參數(shù)。根據(jù)MS過(guò)去的信息，一系列BS可被用來(lái)尋呼MS，并且直接或者間接獲得定位參數(shù)。這些BS有時(shí)候被稱(chēng)為地理定位基站（GBS），一旦收集到這些信息，位置控制中心就能夠以某一精確度確定MS的位置，并且把此信息反饋給定位服務(wù)提供商，服務(wù)提供商

30、然后可以利用此信息為用戶可視化顯示MS的位置。為了提供無(wú)線定位服務(wù)，傳統(tǒng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)必須進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，如圖2所示，MSC把位置參數(shù)傳輸給E-911業(yè)務(wù)的選擇路由器，由路由器負(fù)責(zé)發(fā)送信息到適當(dāng)?shù)腜SAP。PSAP根據(jù)收到的位置參數(shù)來(lái)查詢(xún)一個(gè)自動(dòng)位置信息（ALI）數(shù)據(jù)庫(kù)，并返回此位置和與MS有關(guān)的信息，在PSAP上可以附加地理信息業(yè)務(wù)（GIS），可以可視化細(xì)微地顯示公路、街道、地址和管轄區(qū)域等等，最終一個(gè)無(wú)線智能網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)絡(luò)可以合并起來(lái)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)接入地理信息系統(tǒng)，從BS/GBS向PSAP傳遞數(shù)據(jù)有很多種方法，如傳統(tǒng)電信支撐網(wǎng)-7號(hào)信令系統(tǒng)，數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)GPRS等等。圖2

31、 支持移動(dòng)定位服務(wù)的GSM移動(dòng)骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)GSM標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)展了分組無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS，它不僅能在無(wú)線信道上提供9.05171.2kbit/s的可變速率，更實(shí)現(xiàn)了無(wú)線信道上數(shù)據(jù)分組傳送，在現(xiàn)有電路交換網(wǎng)絡(luò)中引入了分組網(wǎng)，為GSM運(yùn)營(yíng)者由僅提供話音業(yè)務(wù)向提供綜合信息服務(wù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域拓展提供了重要的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并為GSM網(wǎng)向第三代演進(jìn)打下了基礎(chǔ)。引入GPRS后的GSM網(wǎng)在傳統(tǒng)話音接下基礎(chǔ)上，提供了分組數(shù)據(jù)的接入，對(duì)現(xiàn)有頻譜下話音及數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)接入能力的分析有利于GPRS升級(jí)時(shí)綜合考慮業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)的同步發(fā)展，從而為GPRS大規(guī)模應(yīng)用的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供合理的理論指導(dǎo)。2.2.3 GPS定位系統(tǒng)的核心技術(shù)GPS定

32、位系統(tǒng)的核心技術(shù)主要包括四部分：網(wǎng)上查車(chē)操作平臺(tái)、嵌入式操作系統(tǒng)、 GSM/GPRS通信模塊、 GPS 模塊。本節(jié)主要介紹GPS定位系統(tǒng)核心技術(shù)中的GPS模塊。GPS模塊就是繼承了RF射頻芯片，基帶芯片和核心CPU，并加上相關(guān)外圍電路而組成的一個(gè)集成電路。目前GPS模塊的GPS芯片大部分還是采用全球市占率第一的SIRF系列為主。由于GPS模塊采用的芯片組不一樣，性能和價(jià)格也有區(qū)別，采用SIRF三代芯片組的GPS模塊性能最優(yōu)，價(jià)格也要比采用MTK或者M(jìn)STAR等GPS芯片組的貴很多。且采用SIRF第三代芯片，主要是定位靈敏度大大提高，例如：在汽車(chē)上應(yīng)用時(shí)，只要靠近車(chē)窗就能較好工作，使用更方便，定

33、位也更準(zhǔn)確。2.2.4 GPS模塊下面是GPS模塊的軟件流程圖。該軟件的流程主要是設(shè)置GPS模塊與MCU之間的串口通信、參數(shù)顯示及人機(jī)接口。主要包括初始化、串口通信、數(shù)據(jù)處理、故障提示、顯示、鍵盤(pán)處理、電源管理等部分。其中初始化包括MSP430中各種寄存器的配置、串口相關(guān)參數(shù)配置（波特率，模式）及外圍電路（LCD、電源等設(shè)備檢測(cè)）的初始化等；串口通信包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗(yàn)，通信故障提示等；數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)刷新等； 故障提示包括設(shè)備故障、通信故障、電源故障等。電源管理主要是電源欠壓提示和當(dāng)前電源狀態(tài)顯示。另外，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意GPS模塊的天線要求，具體有以下兩點(diǎn)：（1）

34、天線增益應(yīng)為30dB，阻抗應(yīng)為50。（2）無(wú)線頻率信號(hào)環(huán)境方面要求，即RF輸入L1的載波頻率應(yīng)為10MHZ，帶寬中心點(diǎn)應(yīng)為0dBW。GPS模塊的常見(jiàn)問(wèn)題：1。GPS模塊的16通道是什么含義？GPS模塊有一個(gè)通道數(shù)量的參數(shù)，例如最新型的為16通道，它表示該模塊最大可以同時(shí)和16顆衛(wèi)星建立通訊，模塊只有同時(shí)收到3顆以上衛(wèi)星信號(hào)后，經(jīng)過(guò)復(fù)雜運(yùn)算后才能獲得正確的定位數(shù)據(jù)，如果同時(shí)通訊的衛(wèi)星顆數(shù)越多，模塊就能越快越準(zhǔn)確地獲得定位數(shù)據(jù)，在地球表面只有在地理?xiàng)l件特別理想的條件下才可能同時(shí)與16顆衛(wèi)星通訊，一般的城市環(huán)境下通常可以同時(shí)和48顆衛(wèi)星同時(shí)通訊。2。GPS模塊為什么開(kāi)機(jī)后很長(zhǎng)時(shí)間才能獲得定位數(shù)據(jù)？G

35、PS模塊有冷開(kāi)機(jī)和熱開(kāi)機(jī)兩個(gè)參數(shù)，如果GPS模塊初次通電，或者移動(dòng)超過(guò)1000公里后通電時(shí)，模塊要重新計(jì)算一次星歷數(shù)據(jù)，一般需要15分鐘，然后將星歷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在模塊內(nèi)部，靠模塊內(nèi)部的鋰電池保存數(shù)據(jù)，這叫冷開(kāi)機(jī)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間。如果下次開(kāi)機(jī)，因?yàn)殇囯姵匾呀?jīng)保存了有效的星歷數(shù)據(jù)，所以能快速定位，一般在30秒以?xún)?nèi)，所以叫熱開(kāi)機(jī)，如果模塊斷電時(shí)間超過(guò)10小時(shí)，鋰電池放電放光，那么再開(kāi)機(jī)也相當(dāng)于冷開(kāi)機(jī)。3。如果出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法冷開(kāi)機(jī)時(shí)怎么辦？只有在極少數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)超過(guò)15分鐘無(wú)法冷開(kāi)機(jī)，這時(shí)一般只要將模塊重新斷電開(kāi)機(jī)或者將GPS天線移動(dòng)一段距離再開(kāi)機(jī)就能解決問(wèn)題，當(dāng)然GPS天線必須放到室外較為空曠的地方才

36、能收到衛(wèi)星！第三章 GPS的系統(tǒng)組成3.1 GPS的系統(tǒng)整個(gè)GPS系統(tǒng)主要由空間部分、地面控制部分與用戶接收機(jī)三部分組成：一、GPS空間星座部分：GPS的空間部分由24顆GPS工作衛(wèi)星組成，早先這些衛(wèi)星被分成8顆一組，分布在3個(gè)不同的繞地軌道上，之后人們對(duì)這樣的安排做了調(diào)整，最終將24顆衛(wèi)星劃分為6組，每組四顆，分布在6個(gè)不同的繞地軌道上，軌道平均高度為20200公里，不同軌道之間的傾角為55度，衛(wèi)星運(yùn)行周期約為11小時(shí)58分鐘。GPS衛(wèi)星軌道經(jīng)過(guò)調(diào)整之后，能夠保證在世界上幾乎所有的地方都能夠至少有6顆衛(wèi)星處于地平線以上，即可見(jiàn)范圍，最多時(shí)neng 達(dá)到12顆。這樣布局從理論上可以保證GPS在

37、地球上任何時(shí)間、任何地點(diǎn)對(duì)物體進(jìn)行定位。加之衛(wèi)星信號(hào)的傳播和接收不受天氣的影響，因此，GPS是一個(gè)全球性、全天候的連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。1、 GPS衛(wèi)星星座（1）設(shè)計(jì)星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星，周期11h 6個(gè)軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角5558min（顧 及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）以上，能夠同時(shí)觀測(cè)到4至8顆衛(wèi) 保證在24小時(shí)，在高度角15星（2）當(dāng)前星座：28顆2、 GPS衛(wèi)星（1）作用：發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào) 其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。 主要設(shè)備：原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）、信號(hào)生成與發(fā)射裝置。（2

38、）類(lèi)型試驗(yàn)衛(wèi)星：Block 工作衛(wèi)星：Block GPS衛(wèi)星是由洛克韋爾國(guó)際公司空間部研制的。衛(wèi)星重774kg（包括310 kg燃料），采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m。星體兩側(cè)裝有兩塊雙葉對(duì)日定向太陽(yáng)能電池帆板，全長(zhǎng)5.33m，接受日光面積7.2m2。對(duì)日定向系統(tǒng)控制兩翼帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，為衛(wèi)星不斷提供電力，并給三組15AH的鎘鎳蓄電池充電，以保證衛(wèi)星在地影區(qū)能正常工作。在星體底部裝有多波束定向天線，這是一種由12個(gè)單元構(gòu)成的成形波束螺旋天線陣，能發(fā)射L1和L2波段的信號(hào)，其波束方向圖能覆蓋約半個(gè)地球。在星體兩端面上裝有全向遙測(cè)遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通信。此外，衛(wèi)星

39、上還裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)。工作衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為7年。從試驗(yàn)衛(wèi)星的工作情況看，一般都能超過(guò)或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)壽命。（3）第一代衛(wèi)星現(xiàn)已停止工作。（4）第二代衛(wèi)星用于組成GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱(chēng)為GPS工作衛(wèi)星。BlockA的功能比Block 大大增強(qiáng)，表現(xiàn)在軍事功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。Block只能存儲(chǔ)供45天用的導(dǎo)航電文，而B(niǎo)lock A則能夠存儲(chǔ)供180天用的導(dǎo)航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。（5）第三代衛(wèi)星尚在設(shè)計(jì)中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點(diǎn)是可對(duì)自己進(jìn)行自主導(dǎo)航；每顆衛(wèi)星將使用星載處理器，計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)的修正值，改善導(dǎo)航精度，增強(qiáng)自主能力和生存能力。椐報(bào)道，

40、該衛(wèi)星在沒(méi)有與地面聯(lián)系的情況下可以工作6個(gè)月，而其精度可與有地面控制時(shí)的精度相當(dāng)。二、 GPS地面控制部分：地面控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，且分布于全球范圍，由1個(gè)主控站、5個(gè)監(jiān)控站和3個(gè)注入站組成。主控站位于美國(guó)科羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，主控站的任務(wù)是收集、處理本站和監(jiān)測(cè)站收到的全部資料，根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的監(jiān)測(cè)計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入到衛(wèi)星中去，以調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星至預(yù)定軌道，或啟用備用衛(wèi)星替代失效衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)控衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站負(fù)責(zé)將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星改正數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去

41、。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一個(gè)重要作用是保持各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差，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。1、GPS的地面控制部分（地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）（1）組成：主控站（1個(gè)）、跟蹤站（5個(gè)）和注入站（3個(gè)）（2）作用：監(jiān)測(cè)和控制衛(wèi)星運(yùn)行，編算衛(wèi)星星歷（導(dǎo)航電文），保持系統(tǒng)時(shí)間。2、主控站（1個(gè)）（1）作用： 收集各檢測(cè)站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)；通過(guò)注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。（2）地點(diǎn)：美國(guó)克羅拉多州法爾孔空軍基地。主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到位于三大洋的三個(gè)注入站，定時(shí)將這些信息注入各個(gè)衛(wèi)星，然后由GPS衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶，這就

42、用所用的廣播星歷。3、 跟蹤站（5個(gè)）（1）作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。（2）地點(diǎn)：夏威夷、主控站及三個(gè)注入站。跟蹤站又稱(chēng)監(jiān)測(cè)站,每個(gè)監(jiān)測(cè)站配有GPS接收機(jī)，對(duì)每顆衛(wèi)星長(zhǎng)年連續(xù)不斷地進(jìn)行觀測(cè)，每6S進(jìn)行一次偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè)，采集氣象要素等數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站是一種無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站的控制，定時(shí)將觀測(cè)數(shù)據(jù)送往主控站。五個(gè)監(jiān)測(cè)站分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上，保證了全球GPS定軌的精度要求。由這五個(gè)監(jiān)測(cè)站提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)形成了GPS衛(wèi)星實(shí)時(shí)發(fā)布的廣播星歷。4、注入站（3個(gè)）（1）作用：將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。（2）地點(diǎn)：阿松森群島（大西洋）、

43、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）。三、GPS用戶設(shè)備部分：用戶接收部分主要由以無(wú)線電傳感和計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐的GPS衛(wèi)星接收機(jī)和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。GPS衛(wèi)星接收機(jī)能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的帶側(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，以使測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解釋出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出觀測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。1、 用戶設(shè)備部分 - GPS信號(hào)接收機(jī)及相關(guān)設(shè)備（1）接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的設(shè)備（2）多數(shù)采用石英鐘2、GPS接收機(jī)（1

44、）組成（2）基本結(jié)構(gòu)（3）類(lèi)型3、天線單元4、接收單元5、接收機(jī)的通道以上這三個(gè)部分共同組成了一個(gè)完整的GPS系統(tǒng)。3.2 GPS信號(hào)處理平臺(tái)的研究GPS系統(tǒng)作為一門(mén)具有開(kāi)創(chuàng)性意義的高新技術(shù)之一，其全球性、全天候性的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速優(yōu)勢(shì)使其在諸多領(lǐng)域中得到悅來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國(guó)家，GPS技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于交通運(yùn)輸和交通工程。目前，GPS技術(shù)在中國(guó)航空航天技術(shù)及道路工程等領(lǐng)域的應(yīng)用還剛剛起步，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，空天事業(yè)的迅速成長(zhǎng)，高等級(jí)公路的快速修建，對(duì)GPS技術(shù)的應(yīng)用研究必將會(huì)逐步深入并取得長(zhǎng)足進(jìn)步。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)及相關(guān)公司對(duì)GPS系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)整逐步轉(zhuǎn)向小型化、模塊化

45、、功能多樣化、不斷提高GPS接收機(jī)的集成度，并增強(qiáng)其可移植性，傳統(tǒng)商用GPS接收機(jī)中的核心部件一般采用專(zhuān)用集成電路（ASIC）實(shí)現(xiàn)，雖然性能穩(wěn)定，但技術(shù)被某些機(jī)構(gòu)及公司壟斷，靈活性與可擴(kuò)展性也較差，傳統(tǒng)上，一個(gè)新的GPS捕獲、跟蹤算法的開(kāi)發(fā)不得不經(jīng)歷軟硬件開(kāi)發(fā)軟硬件測(cè)試系統(tǒng)軟硬件整合樣片研制板級(jí)實(shí)時(shí)測(cè)試，其中樣片研制階段不僅會(huì)設(shè)計(jì)一些知識(shí)產(chǎn)權(quán)相關(guān)的問(wèn)題，而且需要投入大量的人才和財(cái)力，非常不利于GPS數(shù)字信號(hào)處理算法的研究與驗(yàn)證工作。另一方面，隨著今年來(lái)俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，歐洲的伽利略俄日性系統(tǒng)及我國(guó)自行研制的北斗區(qū)域性衛(wèi)星系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)工作迅速發(fā)展，GPS數(shù)字信號(hào)處理算法的開(kāi)發(fā)靈活度

46、迫切需要得到提高，算法開(kāi)發(fā)的周期也逐步成為一個(gè)重要的瓶頸?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）是一種大規(guī)模、高速、低功耗、可反復(fù)變成的集成電路芯片，支持在系統(tǒng)編程，具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改。這給系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了很大的靈活性，可以借助于它方便地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法的前期開(kāi)發(fā)與測(cè)試，而ARM（Advanced RISC Machines）微控制器作為一種低功耗高性能的32位RISC處理器，具有很強(qiáng)的事務(wù)管理功能，憑借其體積小、低功耗、成本低、高性能的優(yōu)勢(shì)，在嵌入式設(shè)備及通信領(lǐng)域得到了廣

47、發(fā)使用。綜合分析GPS信號(hào)處理平臺(tái)的功能特點(diǎn)，使得FPGA實(shí)現(xiàn)GPS處理系統(tǒng)中的硬件邏輯，完成數(shù)字中頻信號(hào)相關(guān)器的功能；同時(shí)采用ARM微控制器作為主控單元，實(shí)現(xiàn)基帶電文解算及系統(tǒng)邏輯控制，則系統(tǒng)在保持較好定位性能的同時(shí)，靈活度和適用性也得到大幅提高?？梢詫?shí)現(xiàn)算法軟硬件開(kāi)發(fā)測(cè)試實(shí)時(shí)下載驗(yàn)證，不但能更好地慢走算法研究的實(shí)時(shí)性需求，而且還可以作為深入理解GPS系統(tǒng)工作原理的開(kāi)放式學(xué)習(xí)平臺(tái)?；谏鲜鲈?，本文提出一種基于ARM與FPGA的GPS實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并給出系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。當(dāng)前基于FPGA與ARM微控制器實(shí)現(xiàn)的GPS實(shí)時(shí)處理平臺(tái)中比較具有代表性的是澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）導(dǎo)航定位

48、實(shí)驗(yàn)室（SNAAP）與澳大利亞信息與通信技術(shù)中心（NICTA）共同開(kāi)發(fā)的一款基于ALTERA FPGA的GPS實(shí)時(shí)處理平臺(tái)。研究人員已經(jīng)在該平臺(tái)基礎(chǔ)上對(duì)多種算法進(jìn)行了開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，取得了較為理想的成果。3.3 GPS信號(hào)處理系統(tǒng)的框架GPS信號(hào)采用的是碼分多址形式（CDMA,Code Division Multiple Access），它是一種擴(kuò)頻多址數(shù)字式通信技術(shù)，通過(guò)獨(dú)特的代碼序列建立信道。不同衛(wèi)星傳輸信息所用的信號(hào)不是依據(jù)頻率不同或時(shí)隙不同來(lái)區(qū)分，而是用各自不同的編碼序列來(lái)區(qū)分的。如果從頻域或時(shí)域來(lái)觀察，多個(gè)CDMA信號(hào)是互相重疊的，接收機(jī)所用相關(guān)器可以在多個(gè)CDMA信號(hào)中檢出其中使用預(yù)定

49、碼型的信號(hào)，其它使用不同碼型的信號(hào)因?yàn)楹徒邮諜C(jī)本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。CDMA的基本技術(shù)之一是擴(kuò)頻，因此這一多址技術(shù)具有很強(qiáng)的保密性，60年代以后在軍用衛(wèi)星通訊中被廣泛采用。在系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和保密性方面均有較大優(yōu)勢(shì)。其具體的特點(diǎn)描述如下：（1） 所有通道信號(hào)在同一頻段下傳輸；（2） 信號(hào)隱沒(méi)在噪聲中傳輸（3） 編碼對(duì)于每個(gè)用戶是唯一的，且互相關(guān)影響很?。?） 傳輸帶寬遠(yuǎn)大于信息帶寬（5） 能耗小GPS衛(wèi)星信號(hào)包括三種信號(hào)分量，載波（Carrier），兩個(gè)偽隨機(jī)噪聲碼C/A code和P code，以及數(shù)據(jù)碼（D code）。載波是攜帶調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波，其振幅、頻率和相位能隨調(diào)制

50、信號(hào)的變化而變化。偽碼是用于測(cè)量從衛(wèi)星到接收機(jī)間的距離的二進(jìn)制編碼，測(cè)距碼中包含了兩種性質(zhì)和精度均不同的編碼C/A碼和P碼。C/A碼是用于跟蹤鎖定和測(cè)量的偽隨機(jī)噪聲碼。每顆衛(wèi)星的C/A碼都不一樣，以PRN號(hào)來(lái)區(qū)分。C/A碼是測(cè)定接收機(jī)到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號(hào)，二進(jìn)制導(dǎo)航電文包含了衛(wèi)星發(fā)送給用戶的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。GPS信號(hào)接收端主要包括射頻前端、GPS數(shù)字相關(guān)器、數(shù)字基帶處理器以及上位機(jī)顯示界面。衛(wèi)星廣播的射頻信號(hào)首先經(jīng)天線接收，通過(guò)射頻前段芯片GP2015的放大和下變頻處理，采樣為中頻數(shù)字信號(hào)流，后者再通過(guò)FPCA上的12通道數(shù)字相關(guān)器變換至基帶，配合ARM微控制器完成數(shù)字基帶處理，經(jīng)解調(diào)

51、解擴(kuò)得到導(dǎo)航電文并計(jì)算出接收機(jī)經(jīng)緯度，最終將實(shí)時(shí)處理結(jié)果顯示在上位機(jī)界面上。GPS信號(hào)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的硬件框圖如圖1-4所示上位機(jī)軟件主要使用MFC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收及顯示，主要包括：（1） 串口數(shù)據(jù)接收（2） 數(shù)據(jù)校驗(yàn)（3） 數(shù)據(jù)的可視化處理3.4 GPS定位系統(tǒng)的功能1）車(chē)輛跟蹤功能：利用GPS和電子地圖可以實(shí)時(shí)顯示出車(chē)輛的實(shí)際位置，并可任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標(biāo)移動(dòng)，使目標(biāo)始終保持在屏幕上；還可實(shí)現(xiàn)多窗口、多車(chē)輛、多屏幕同時(shí)跟蹤。利用該功能可對(duì)重要車(chē)輛和貨物進(jìn)行跟蹤運(yùn)輸。2）提供出行路線規(guī)劃和導(dǎo)航功能：提供出行路線規(guī)劃是汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)重要的輔助功能，它包括自動(dòng)線路規(guī)劃和人工線路設(shè)

52、計(jì)。自動(dòng)線路規(guī)劃是由駕駛者確定起點(diǎn)和目的地，由計(jì)算機(jī)軟件按要求自動(dòng)設(shè)計(jì)最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡(jiǎn)單的路線、通過(guò)高速功能路段次數(shù)最少的路線的計(jì)算。人工線路設(shè)計(jì)是由駕駛者根據(jù)自己的目的地設(shè)計(jì)起點(diǎn)、終點(diǎn)和途經(jīng)點(diǎn)等，自動(dòng)建立路線庫(kù)。線路規(guī)劃完畢收，顯示器能夠在電子地圖上顯示設(shè)計(jì)路線，并同時(shí)顯示汽車(chē)運(yùn)行路徑和運(yùn)行方法。3）信息查詢(xún)功能：為用戶提供主要物標(biāo)、如旅游景點(diǎn)、賓館、醫(yī)院等數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶能夠在電子地圖上顯示其位置。同時(shí)，監(jiān)測(cè)中心可以利用監(jiān)測(cè)控制臺(tái)對(duì)區(qū)域內(nèi)的任意目標(biāo)所在位置進(jìn)行查詢(xún)，車(chē)輛信息將以數(shù)字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來(lái)。4）話務(wù)指揮功能：指揮中心也可監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)車(chē)輛的運(yùn)行狀況，對(duì)被

53、監(jiān)測(cè)車(chē)輛進(jìn)行合理調(diào)度。指揮中心也可隨時(shí)與被跟蹤目標(biāo)通話，實(shí)行管理。5）緊急援助功能：通過(guò)GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對(duì)遇有險(xiǎn)情或發(fā)生事故的車(chē)輛進(jìn)行緊急援助。監(jiān)控臺(tái)的電子地圖顯示求助信息和報(bào)警目標(biāo)，規(guī)劃最優(yōu)援助方案，并以報(bào)警聲光提醒值班人員進(jìn)行應(yīng)急處理等各種人性服務(wù)。3.5 GPS的特點(diǎn)全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：1、全球、全天候工作。2、定位精度高。單擊定位精度優(yōu)于10m，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)個(gè)毫米級(jí)。3、功能多，應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛等。第四章 GPS在車(chē)載終端的功能需求與分析4.1 軟件設(shè)計(jì)概述車(chē)載系統(tǒng)的初始化主要包括GPS模塊的初

54、始化，GPRS模塊的初始化，顯示模塊的初始化以及特殊功能寄存器的初始化。GPS的初始化主要是設(shè)置接收數(shù)據(jù)的模式。GPRS的設(shè)置要復(fù)雜一些，為了保證通訊的順利進(jìn)行，要正確的設(shè)置所有連接端口的串口波特率，保持他們的一致；然后進(jìn)行撥號(hào)設(shè)置，設(shè)置GPRS使系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，再進(jìn)行通訊雙方的端口匹配，并進(jìn)行TCP連接，成功后便可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)（在此系統(tǒng)中我們將車(chē)載部分作為通信的客戶端，監(jiān)控中心作為服務(wù)器端。）系統(tǒng)初始化完畢以后，程序應(yīng)當(dāng)進(jìn)入循環(huán)和等待中斷階段，當(dāng)有外部中斷和串口中斷時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的中斷處理。當(dāng)GPRS觸發(fā)串口中斷時(shí)，進(jìn)入串口中斷服務(wù)程序，判斷是讀取信息還是發(fā)送信息，如果是發(fā)送，則將要發(fā)送的

55、信息打包成所規(guī)定的幀格式發(fā)送出去，如果是讀取，則對(duì)受到的信心進(jìn)行解釋?zhuān)瑘?zhí)行相應(yīng)的操作。4.2 總體功能分析車(chē)載中斷的軟件設(shè)計(jì)主要集中在各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，PPP協(xié)議主要用于創(chuàng)建連接；IP協(xié)議層主要作用是為上層提供無(wú)連接和不可靠的包交換服務(wù)，該協(xié)議體現(xiàn)在一個(gè)Internet數(shù)據(jù)包中；TCP層的作用是提供面向連接的端到端的無(wú)差錯(cuò)的報(bào)文傳送。圖 4.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)PPP協(xié)議是對(duì)使用PPP連接提供傳輸多種協(xié)議報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)方法，各種協(xié)議的報(bào)文最后被封裝在PPP數(shù)據(jù)包中，由物理層送出，在這里由MC35i模塊送出。圖4.2描述了用戶數(shù)據(jù)的封裝流程。PPP由三部分組成：（1）

56、 對(duì)各協(xié)議封裝成PPP數(shù)據(jù)包的方法；（2）建立連接、配置和測(cè)試數(shù)據(jù)連路的LCP協(xié)議；（3）建立的配置不同網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的NCP協(xié)議組。圖 4.2 數(shù)據(jù)封裝流程圖單片機(jī)的整體程序設(shè)計(jì)包括模塊的初始化和數(shù)據(jù)的封裝發(fā)送及報(bào)文解析，各子程序在設(shè)計(jì)時(shí)要保證其能夠協(xié)調(diào)工作和較高的可靠性。程序要能夠?qū)σ恍╁e(cuò)誤驚醒處理，以減少網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)擔(dān)，如連接超時(shí)、接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等。具體程序的流程如圖4.3所示。圖4.3 單片機(jī)程序流程圖第五章 GPS車(chē)輛定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀與未來(lái)5.1 GPS車(chē)輛定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及存在問(wèn)題面對(duì)GPS極具規(guī)模生產(chǎn)潛力的市場(chǎng)就是汽車(chē)這一應(yīng)用領(lǐng)域。GPS車(chē)輛應(yīng)用又可以分為兩大類(lèi)：車(chē)來(lái)那個(gè)定位系統(tǒng)和車(chē)輛導(dǎo)

57、航系統(tǒng)。而車(chē)來(lái)那個(gè)定位系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)GPS應(yīng)用的主流，約占70%以上。在車(chē)輛定位系統(tǒng)的應(yīng)用中，幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)起到主導(dǎo)作用：GPS技術(shù)、車(chē)載設(shè)備的設(shè)計(jì)、無(wú)線傳輸技術(shù)、GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。（1）GPS技術(shù)GPS技術(shù)本身是成熟的。特別是2000年5月美國(guó)前總統(tǒng)克林頓頒布命令取消SA擾碼以來(lái)，大幅度提高了民用GPS系統(tǒng)的定位精度，更使得GPS技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用變得暢通無(wú)阻。GPS技術(shù)在應(yīng)用上也并不困難，因?yàn)楹苌儆蒅PS公司將開(kāi)發(fā)定位到開(kāi)發(fā)核心GPS定位算法上，多是直接購(gòu)買(mǎi)國(guó)外公司生產(chǎn)的OEM板加上正確的電壓，就能通過(guò)OEM板提供的通信口（如串口）直接讀取定位信息，普通的51單片機(jī)就能

58、很容易地實(shí)現(xiàn)。并且現(xiàn)在一塊GPS OEM板的價(jià)格也相對(duì)比較低廉，400元以?xún)?nèi)就由號(hào)幾種型號(hào)可供選擇。但是GPS OEM板也存在著固有的弱點(diǎn)，如冷啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)、隧道等由遮擋環(huán)境無(wú)法定位等。（2）GPS車(chē)載設(shè)備的設(shè)計(jì)通常采用嵌入式單片機(jī)作為核心部件，外圍電路寶庫(kù)電源電路、GPS控制電路、GSM控制電路、通信電路、音頻處理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、I/O口控制電路、顯示屏控制電路等。雖然技術(shù)并不算十分復(fù)雜，但要設(shè)計(jì)出一個(gè)適合車(chē)輛工作環(huán)境、24小時(shí)連續(xù)工作的產(chǎn)品也并不容易，可以說(shuō)目前市場(chǎng)上真正工業(yè)化的產(chǎn)品并不多，而且一些急于求成的公司把不成熟的產(chǎn)品推上市場(chǎng)，對(duì)GPS車(chē)鈴定位市場(chǎng)也造成一定的負(fù)面影響。（3）無(wú)

59、線傳輸技術(shù)GPS發(fā)展的早期，技術(shù)的瓶頸是數(shù)據(jù)傳輸方式，開(kāi)始是采用無(wú)線電臺(tái)傳輸，之后，出現(xiàn)了利用集群專(zhuān)網(wǎng)進(jìn)行出啊書(shū)，它的主要缺陷在于：容量小、覆蓋范圍小、系統(tǒng)初期投入大。后來(lái)，又出現(xiàn)了利用GSM網(wǎng)的話音通道進(jìn)行出書(shū)的技術(shù)，但因成本過(guò)高已逐步被淘汰。近幾年，GSM網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商開(kāi)放了短信服務(wù)，由于使用方便，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大，使得現(xiàn)在利用GSM短線傳遞GPS信息成了當(dāng)前的主流的數(shù)據(jù)傳輸方式。但短信作為報(bào)警傳輸通道也由自身的缺陷：一、實(shí)時(shí)性弱。以信息發(fā)送者發(fā)送點(diǎn)對(duì)電短信的全過(guò)程為例：移動(dòng)用戶將包含由短信中心（SMC）號(hào)碼、信息接收者號(hào)碼、信息內(nèi)容的短信發(fā)送到所在MSC/VLR，該MSC/VLR根據(jù)此短消息中

60、的短信中心號(hào)碼尋址到短信業(yè)務(wù)互連MSC，并將短信發(fā)送過(guò)去，短信業(yè)務(wù)互連MSC回送證實(shí)信號(hào)，短信業(yè)務(wù)互連MSC將證實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至信息發(fā)送者的MSC，最后到達(dá)信息發(fā)送者。不難看出，由于短信需要在短信中心存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，因此實(shí)時(shí)性較弱。幾秒鐘的延時(shí)對(duì)高速行駛的車(chē)輛來(lái)言就是上百米的誤差。二、容量有限、由于短信的傳送占用的是控制信道，因此無(wú)線容量有限。在業(yè)務(wù)量較高時(shí)，可能會(huì)因短信中心的處理能力有限和無(wú)線信道阻塞而影響信息的及時(shí)傳送和出現(xiàn)業(yè)務(wù)員失敗的情況。（4）GIS技術(shù)基于PC機(jī)或工作站的電子地圖預(yù)警由十幾年的歷史。目前國(guó)內(nèi)較流行的GIS軟件由ARC/INFO、MAPINFO等。它們都具有較強(qiáng)的二次開(kāi)放功能，并