基于GPS汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計

清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書畢業(yè)設(shè)計說明書基于GPS汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2012年 6月 基于GPS汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計摘要隨著科技的高速發(fā)展,GPS技術(shù)也迅速發(fā)展?；赑C機的導(dǎo)航系統(tǒng)因其價格和功耗高已不能滿足社會發(fā)展的需要，嵌入式系統(tǒng)迅速發(fā)展起來。特別是以ARM處理器為主的硬件平臺，具有體積小、功耗低、性能強、可靠性高的特點，而且為高速、穩(wěn)定性運行嵌入式操作系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。因此，嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信和軍事國防等各個領(lǐng)域。本文主要對汽車導(dǎo)航系統(tǒng)進行了設(shè)計和介紹：一是對GPS、組成及GPS定位原理進行了介紹；而是對汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中用到的相關(guān)理論知識進行了介紹，包括NMEA-0183標準、嵌入式系統(tǒng)概述及組成、嵌入式處理器、Windows CE、Clinux、EVC和eSuperMap等；三是對汽車導(dǎo)航系統(tǒng)硬件進行了設(shè)計；四是對汽車導(dǎo)航軟件系統(tǒng)進行了設(shè)計。硬件設(shè)計采用了Zarlink公司生產(chǎn)的GP2015作為射頻前端與數(shù)字基帶處理器芯片GP4020構(gòu)成了GPS模塊。GPS模塊與S3C2440處理器、網(wǎng)絡(luò)音頻模塊、時鐘復(fù)位電路、LED觸摸顯示屏、SDRAM存儲器、FLASH存儲、CF卡、USB和RS232接口等共同構(gòu)成了汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件平臺，為以后的升級提供了空間。在軟件設(shè)計上考慮到ARM7TDMI和S3C2440處理器任務(wù)不同，選擇了不同的。操作系統(tǒng)。簡單介紹了Boot Loader的設(shè)計開發(fā)，ARM7TDMI采用了Clinux操作系統(tǒng)，S3C2440處理器采用了Windows CE操作系統(tǒng)。利用北京超圖公司的SuperMap DeskPro進行了電子地圖的繪制設(shè)計，在Windows CE系統(tǒng)上運行eSupermap軟件實現(xiàn)地圖的放大、縮小、平移導(dǎo)航功能和其他應(yīng)用軟件實現(xiàn)車載娛樂功能。關(guān)鍵字：GPS,汽車導(dǎo)航系統(tǒng),ARMDesign of car navigation system based on GPSAbstractWith the rapid development of technology, GPS technology is also developing rapidly. Navigation system based on PC for its price and high power consumption already cannot satisfy the demand of social development, embedded system have developed rapidly. Especially hardware platform with the ARM processor, not only has small size, low power consumption, strong performance, the characteristics of high reliability, high speed, stability, but also provides running embedded operation system for the hardware foundation. Therefore, the embedded system has been widely used in industrial control, consumer electronics, network communication, military defense, and other fields.This paper focuses on the design and introduce of car navigation system: Firstly, the introduction to GPS, composition and GPS positioning principle; Secondly, the introduction to the related theory and knowledge are used in the car navigation system, including NMEA-0183 standard, embedded system overview and composition, embedded processor, Windows CE, Clinux, EVC and eSuperMap, etc.; Thirdly, the design to hardware of car navigation system ;Fourthly, the design to software of car navigation system .The hardware design uses GP2015 from Zarlink as RF front-end and digital baseband processor chips GP4020, constitute the GPS module. GPS module and S3C2440 processor, network audio module, clock reset circuit, the LED display &touch screen, SDRAM memory, FLASH storage, CF card, USB and RS232 interface constitute the hardware platform of car navigation system, which provides room for the future upgrading.Because the task of ARM7TDMI and S3C2440 processor is different, so we choose different operating system. And introducing simply the design and development of Boot Loader, ARM7TDMI adopted Clinux, S3C2440 processor used Windows CE. The drawing design of electronic map is completed in SuperMap DeskPro, in Windows CE operating system, eSupermap software realizes the navigation function, such as the map amplification, narrow, translation, etc. ;the in-car entertainment function realized in the operation of other application software.Key words : GPS car navigation system ARM目 錄1緒論11.1 研究背景及意義11.2 國內(nèi)外汽車導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 國外現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀22 汽車導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)理論42.1 GPS及組成42.2 GPS定位原理82.3 NMEA-0183標準92.4嵌入式系統(tǒng)142.4.1嵌入式系統(tǒng)的概述142.4.2嵌入式處理器142.5 Clinux182.6 Windows CE182.7 EVC和eSupermap193 GPS汽車導(dǎo)航系統(tǒng)總體框架設(shè)計213.1 總體設(shè)計213.2 硬件規(guī)劃213.3 軟件規(guī)劃224 功能模塊設(shè)計244.1 主控模塊244.2 GPS模塊254.2.1 GP4020254.2.2 GPS接收機274.2.3 USB接口314.2.4 Flash ROM 接口314.2.5 RAM接口324.2.6 JTAG接口334.2.7 RS232串口335 軟件模塊設(shè)計355.1 電子地圖設(shè)計355.1.1 電子地圖匹配355.1.2 電子地圖操作與實現(xiàn)365.2 BootLoader設(shè)計375.3 操作系統(tǒng)375.3.1 ARM7TDMI處理器操作系統(tǒng)385.3.2 S3C2440處理器操作系統(tǒng)385.4 相關(guān)處理器軟件設(shè)計415.4.1 ARM7TDMI主程序設(shè)計415.4.2 S3C2440處理器軟件設(shè)計426 結(jié)論44參考文獻45致謝48第II頁 共頁1緒論1.1 研究背景及意義導(dǎo)航的概念最早起源于航海，起初只是用來引導(dǎo)船只安全航行。從幾千年前，人們就開始對導(dǎo)航技術(shù)進行了大量的研究，計里鼓車和指南車的出現(xiàn)都是人類在導(dǎo)航技術(shù)方面探索的結(jié)果，中國古代四大發(fā)明之一的指南針，也是最早古代出現(xiàn)的導(dǎo)航設(shè)備 楊繼先，張樹霞導(dǎo)航基礎(chǔ)哈爾濱：哈爾濱傳播工程學(xué)院出版社M，1998。隨著科技的不斷發(fā)展，在全球范圍內(nèi)，城市建設(shè)加快、汽車擁有率提高、道路擴展、交通系統(tǒng)日益復(fù)雜，汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展, 使電子技術(shù)在現(xiàn)代汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。隨著新能源的開發(fā)和利用、汽車工業(yè)低碳化的生產(chǎn)，汽車電子技術(shù)正趨向于環(huán)保、安全、信息化方向發(fā)展。信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化被公認為汽車電子產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢。導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)也隨著這些因素的影響而興起和不斷發(fā)展，特別是在歐美市場車載導(dǎo)航產(chǎn)品需求持續(xù)攀升，眾多廠商紛紛投入車載導(dǎo)航產(chǎn)品生產(chǎn)行列。進入2011年，中國GPS市場競爭更加激烈，競爭焦點由價格向品牌、服務(wù)轉(zhuǎn)移的趨勢更加明顯。這也意味著中國GPS市場正進入發(fā)展的拐點期，未來的汽車導(dǎo)航市場將有一個可以預(yù)見的良好前景。但在我國，大部分車輛都還沒有配裝GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠配備包含諸多功能及豐富信息的導(dǎo)航電子地圖仍為數(shù)不多，技術(shù)上差距較大，各種GPS產(chǎn)品的質(zhì)量良莠不分，價格參差不齊 張國鋒.信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化汽車電子發(fā)展缺一不可J.汽車零部件，2009,11：1923 。因此, 我國必須在較短的時間內(nèi)開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這對提高我國在汽車自導(dǎo)航應(yīng)用中自主創(chuàng)新能力、實現(xiàn)各類車輛的有效指揮、控制和管理、人們?nèi)粘３鲂刑峁┍憷慕煌ㄐ畔⒑偷乩硪龑?dǎo)以及國名經(jīng)濟都有著同樣的重要意義。1.2 國內(nèi)外汽車導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外現(xiàn)狀在國外，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)研究起步較早，應(yīng)用也十分廣泛。美國在在20世紀中期就引入了一種具有無線路徑引導(dǎo)功能的導(dǎo)航系統(tǒng)，有利的控制和疏導(dǎo)了交通。到了90年代，又實施了面向新世紀的新一代交通智能方案，從根本上解決了交通中的各種問題，減少了事故事發(fā)率，降低了能源浪費，提高了工作效率。日本從20世紀70年代初開始，就相繼實施、完成了“動態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)”，“道路車間通信系統(tǒng)”，“管理交通信息控制系統(tǒng)”，“超智能車輛系統(tǒng)安全車輛系統(tǒng)等方面的研究。從根本上改變了道路交通狀況，滿足了人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?。在歐洲，80年代初期，英、法等國先后各自研究適合自己本國的GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 李勇我國車載GPS系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景J合肥學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，18(1)：6769。GPS車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)一經(jīng)問世，即顯示出強大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景，并產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟效益，成為90年代至今整個世界新的經(jīng)濟增長點之一。由于巨大的市場潛力和不可估量的發(fā)展前景，日本幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家都參加了這一高科技角逐，僅近幾年投入市場的車載自主導(dǎo)航新系統(tǒng)就有30多個。美國、歐洲和日本的車載導(dǎo)航儀產(chǎn)品已經(jīng)日益走向成熟，形成了規(guī)?；氖袌鲂枨?。如日本的宏達、尼桑、本田、馬自達、三菱以及松下、先鋒、阿爾派、健伍等公司都有自己的車載導(dǎo)航產(chǎn)品。世界其它發(fā)達國家如美國、德國、荷蘭不甘落后，力圖在該市場占有一席之地。目前在歐洲，由飛利浦、西門子開發(fā)的車載導(dǎo)航系統(tǒng)1995年已在雷諾、菲亞特等大眾化民用車輛上使用；奔馳-S系列、寶馬-7系列從上世紀90年代年起，廠裝車輛已將GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)列在選裝清單上。此外，根據(jù)GPSWord雜志刊登的美國工業(yè)發(fā)展研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)，2007年，日本、北美和歐洲每年約有2000萬套產(chǎn)品售出，預(yù)測在2010-2015年間，約有60-70的汽車在出廠時，就已裝備車載導(dǎo)航系統(tǒng)，在以后時間里該系統(tǒng)的普及率將會逐漸提高到90 百度，車載導(dǎo)航系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀W. /view/1bce7fe4536f6d8.html。 1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀 中國的車載導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過十幾年的市場培育，用戶目標與需求已逐步明確，以及技術(shù)的研發(fā)、市場的培育的逐步完善，車用導(dǎo)航裝置應(yīng)用市場業(yè)已啟動和日臻成熟，現(xiàn)在已逐步進入應(yīng)用的高速發(fā)展時期。中國上世紀末發(fā)射、建立并逐步健全的專為交通行業(yè)應(yīng)用的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，將為車輛衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)條件和無限廣闊的空間。此外，中國的道路建設(shè)和電子地圖技術(shù)，尤其是轎車市場的發(fā)展極大的推動了車載導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。 但是，GPS技術(shù)傳入中國的時間不是很長，導(dǎo)航系統(tǒng)的研制和發(fā)展較晚，硬件制造以及導(dǎo)航軟件、導(dǎo)航地圖等方面都與發(fā)達國家存在相當大的差距。目前汽車導(dǎo)航產(chǎn)品的準確性能不盡如人意，導(dǎo)航儀硬件、軟件質(zhì)量以及地圖更新等問題層出不窮。目前我國車載導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展存在的困難主要由以下幾個方面：1、不完善的硬件設(shè)施由于我國現(xiàn)在還屬于發(fā)展中國家，同時具有較為廣泛的地理范圍，這都使得相應(yīng)的交通通信等硬件設(shè)施需要較長時間的發(fā)展，因此現(xiàn)今為止我國都未建立起一套完善的交通實時處理系統(tǒng)。所以，目前市場上銷售的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)都是針對已經(jīng)設(shè)計好的路況信息進行導(dǎo)航的，這也就妨礙了我國實時交通系統(tǒng)的發(fā)展。2、不規(guī)范的電子地圖標準規(guī)范的電子地圖標準是地理信息系統(tǒng)發(fā)展的必要。我國為了解決該問題成立了相應(yīng)的項目專題小組。該小組通過對我國地理信息的研究和對國際上的電子地圖標準的分析，提出了建立我國電子地圖標準的必要性。因此，我國的相關(guān)機構(gòu)正在加緊制定適合我國國情的導(dǎo)航電子地圖標準。3、現(xiàn)有產(chǎn)品的發(fā)展不夠均衡導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和發(fā)展需要多種技術(shù)的整合，例如測繪技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、機械工程等技術(shù)。這些技術(shù)都是較為重要的技術(shù)，不能作為普通技術(shù)被大多數(shù)廠家所掌握。所以國內(nèi)導(dǎo)航產(chǎn)品的發(fā)展不夠均衡，大多數(shù)都存在著技術(shù)較為簡單、地圖不夠準確、產(chǎn)品價格較高等缺點，而就制約了電子導(dǎo)航產(chǎn)品的廣泛性和服務(wù)性能。因為，一個好的導(dǎo)航產(chǎn)品需要多種企業(yè)的共同協(xié)調(diào)發(fā)展，例如整理地圖數(shù)據(jù)的公司、相應(yīng)的計算機軟件服務(wù)公司和車載電子產(chǎn)品的硬件制造公司等等，只有這些企業(yè)的技術(shù)得到了共同的進步發(fā)展，才能使得導(dǎo)航產(chǎn)品得到高速發(fā)展 百度，20XX-2015年中國汽車導(dǎo)航市場深度調(diào)查與投資咨詢研究報告W. /html/2011/1007/.shtm。2 汽車導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)理論2.1 GPS及組成目前，世界上正在運行的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要有兩大系統(tǒng)，即美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS（格魯納斯）系統(tǒng)。歐洲也提出來具有自己特色的GALILEO（伽利略）全球衛(wèi)星定位計劃。中國在21世紀初也開始擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，即北斗星衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 熊志昂，李紅瑞，賴順香.GPS技術(shù)與工程應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社,2005。GPS是美國從20世紀70年代開始研制，于1994年全面建成，具有海、陸、空全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS測量技術(shù)能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的精確三維坐標以及其他相關(guān)信息，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛應(yīng)用于軍事、民用交通(船舶、飛機、汽車等)導(dǎo)航、大地測量、攝影測量、野外考察探險、土地利用調(diào)查、精確農(nóng)業(yè)以及日常生活(人員跟蹤、休閑娛樂)等不同領(lǐng)域。 GPS又稱為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）是美國從上世紀70年代開始研制，歷時20年、耗資200億美元，于1994年3月完成其整體部署，實現(xiàn)其全天候、高精度和全球的覆蓋能力?，F(xiàn)在GPS與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，使得測定地球表面三維坐標的方法從靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)，從數(shù)據(jù)后處理發(fā)展到實時的定位與導(dǎo)航，極大地擴展了它的應(yīng)用廣度和深度。載波相位差分法GPS技術(shù)可以極大提高相對定位精度，在小范圍內(nèi)可以達到厘米級精度。此外由于GPS測量技術(shù)對測點間地通視和幾何圖形等方面的要求比常規(guī)測量方法更加靈活、方便，已完全可以用來施測各種等級的控制網(wǎng)。GPS全站儀的發(fā)展在地形和土地測量以及各種工程、變形、地表沉陷監(jiān)測中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優(yōu)越性。GPS由空間衛(wèi)星部分、地面控制部分和用戶設(shè)備（GPS接收機）三大部分組成。1. 空間衛(wèi)星部分是由分布在與地球赤道面傾角為55的6個軌道面上的24 顆衛(wèi)星（21 顆工作星，3顆備份星）組成的，其運行周期為11 h 59min，軌道平面高度為20200 km，這樣的分布是為了保證每天出現(xiàn)在地平線上的衛(wèi)星數(shù)目在411 顆左右。GPS衛(wèi)星的核心部件是高精度的時鐘、導(dǎo)航電文存儲器、雙頻發(fā)射機和接收機及微處理器，GPS定位的關(guān)鍵在于高穩(wěn)定度的頻率標準。在GPS中，GPS衛(wèi)星是作用如下。（1） 用L波段的兩個無線載波（波長為19cm和24cm）向廣大用戶不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號。每個載波用導(dǎo)航信號D(t)和偽隨機碼（PRN）測距信號進行雙向調(diào)制。用于捕獲信號及粗略定位的偽隨機碼叫C/A碼，精美測距碼叫P碼。由導(dǎo)航電文可知道衛(wèi)星當前的位置和衛(wèi)星的工作狀況。（2） 在衛(wèi)星飛越注入站上空時，接收由地面注入站用S波段（10cm)發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他相關(guān)信息，并通過GPS信號電路，適時地發(fā)送給廣大用戶。（3） 接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，適時地改正運行偏差或啟用備用時鐘等。2. 地面控制部分由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站組成。（1）主控站主控站又稱聯(lián)合空間執(zhí)行中心，它位于美國科羅拉多州普林斯附近的佛肯空軍基地。它的任務(wù)有：采集數(shù)據(jù)、推算編制導(dǎo)航電文；給定全球定位系統(tǒng)時間基準；負責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)測站和注入站系統(tǒng)，診斷地面支撐系統(tǒng)和衛(wèi)星的健康狀況，并加以編碼向用戶指示，使整個系統(tǒng)正常工作；調(diào)整衛(wèi)星運動狀態(tài)，啟用備用衛(wèi)星。（2）注入站3個注入站的任務(wù)是將主控站發(fā)來的電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器。每天注入3次，每次注入14天的星歷。此外，注入站能自動向主控站發(fā)射信號，每分鐘報告一次自己的工作狀態(tài)。（3）監(jiān)測站5個監(jiān)測站除了位于主控站和3個注入站之處的4個站以外，還在夏威夷設(shè)立了1個監(jiān)控站。監(jiān)控站的任務(wù)就是為主控站提供衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測站均用GPS信號接收機對每顆可見衛(wèi)星每6min進行一次偽距測量和積分多普勒觀測，采集氣象要素等數(shù)據(jù)。在主控站的遙控下自動采集定軌數(shù)據(jù)并進行各項改正，每15min平滑一次觀測數(shù)據(jù)，依此推算出每2min間隔的觀測值，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控站。3. 用戶設(shè)備（GPS接收機）（1） GPS接收機分類按用途分為導(dǎo)航型接收機、測地型接收機和授時型接收機。導(dǎo)航型接收機主要用于運動載體的導(dǎo)航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為25m。這類接收機價格便宜，應(yīng)用廣泛。測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。授時型接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通信中時間同步。按接收的載波頻率分為單頻接收機和雙頻接收機。單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（15km）精度定位。雙頻接收機可以同時接收L1、L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響，因此雙頻接收機可用于長達幾千千米的精密定位。按接收機通道數(shù)可分為多通道接收機、序貫通道接收機、多路多用通道接收機。按接收機工作原理分為碼相關(guān)型接收機、平方型接收機、混合型接收機和干涉型接收機。碼相關(guān)型接收機是利用碼相關(guān)技術(shù)得到的偽距觀察值，即由GPS接收機產(chǎn)生與衛(wèi)星上發(fā)射的偽隨機碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼，通過移相器使復(fù)制碼與接收碼最大相關(guān)，測定衛(wèi)星信號到達用戶接收機天線的傳播時間。平方型接收機是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號，來恢復(fù)完整的載波信號，通過相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定載波偽距觀測值?；旌闲徒邮諜C就是綜合上述兩種接收機的優(yōu)點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。干涉型接收機是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。（2） GPS接收機組成及工作原理GPS接收機主要由GPS接收機天線、GPS接收機主機及電源組成。接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存儲器及顯示器組成，如圖2.1所示。圖2.1 GPS接收機模塊圖1） GPS接收機天線天線由接收機天線和前置放大器組成。天線的作用是將GPS衛(wèi)星信號的極微弱的電磁波信號軟化為相應(yīng)的電流，而前置放大器則是將GPS信號電流予以放大。為便于接收機對信號進行跟蹤、處理和量測，對天線部分由以下要求：天線和前置放大器應(yīng)密封一體，以保障其正常工作，減少信號損失；能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號，不產(chǎn)生死角；有防護與屏蔽措施，最大限度地減弱信號的多路徑效應(yīng)；天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致。由于GPS天線接收來自約20200km高空的衛(wèi)星信號很弱，信號電平只有-50dB-180dB,輸入功率信噪比為S/N=-30dB,即信號淹沒在噪聲中。為了提高信號強度，一般在天線后端設(shè)有前置放大器。對于雙頻接收機設(shè)有兩路前置放大器，以減少帶寬，控制外來信號干擾，防止、信號干擾。大部分GPS天線都與前置放大器結(jié)合在一起，但也有些導(dǎo)航型接收機為減少天線質(zhì)量、便于安裝、避免雷電事故，而將天線和前置放大器分開。2） GPS接收主機經(jīng)過GPS前置放大器的信號仍然很微弱，為了使接收機通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使L頻段的射頻信號變低頻信號，必須采用變頻器。信號通道是接收機的核心部分，GPS信號通道是硬軟件結(jié)合的電路。不同類型的接收機其通道是不同的。GPS信號通道的作用是：搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；對廣播電文數(shù)據(jù)信號實行解擴，解調(diào)出廣播電文；進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。從衛(wèi)星接收到的信號是擴頻的調(diào)制信號，所以要經(jīng)過解擴、解調(diào)才能得到導(dǎo)航電文。為了達到此目的，在相關(guān)通道電路中設(shè)有偽碼相位跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)。接收機內(nèi)設(shè)有儲存器或存儲卡，以存儲衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星星歷、接收機采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移。微處理器是GPS接收機工作的靈魂，GPS接收機工作都是微機指令統(tǒng)一協(xié)同下進行的。其主要工作步驟是：接收機開機后首先對整個接收機工作狀態(tài)進行自檢，并測定、校正、存儲各通道的時延值；接收機對衛(wèi)星進行搜索，捕捉衛(wèi)星，當捕捉到衛(wèi)星后即對信號進行牽引和跟蹤，并將標準信號譯碼得到GPS衛(wèi)星星歷，當同時鎖定4顆衛(wèi)星時，將C/A碼偽距觀測值連同星歷一起計算測站的三維坐標，并按預(yù)置位置更新率計算新的位置；根據(jù)機內(nèi)存儲的衛(wèi)星歷書和測站近似位置，計算所有在軌衛(wèi)星升降時間、方位和高度角；根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點坐標和單點定位測站位置計算導(dǎo)航參數(shù)、航偏距、航偏角、航行速度等；接收用戶輸入信號，如測站名、測站號、作業(yè)員姓名、天線高、氣象參數(shù)等。GPS接收機都有液晶顯示屏以提供GPS接收機工作信息，并配有一個控制鍵盤，用戶可以通過鍵盤控制接收機工作，對于導(dǎo)航接收機，有的還配有大顯示屏，在屏幕上直接顯示導(dǎo)航的信息甚至顯示數(shù)字地圖。3） 電源GPS接收機電源有兩種：一種為內(nèi)電源，一般采用鋰電池，主要用于RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失；另一種為外接電源，這種電源常用于可充電的12V直流鎘鎳電池組，或采用汽車電瓶。當用交流電時，要經(jīng)過穩(wěn)壓電源或?qū)Ｓ秒娫唇粨Q器。綜上所訴，GPS接收機的工作流程是：當GPS衛(wèi)星在用戶視界升起時，接收機能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并能夠跟蹤這些衛(wèi)星的運行；對所接收到的GPS信號，具有變換、放大和處理的功能，以測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維位置、三維坐標和時間。GPS信號接收機不僅需要功能較強的機內(nèi)軟件，而且需要一個多功能的GPS數(shù)據(jù)測后處理軟件包。2.2 GPS定位原理GPS的定位通過獲得若干衛(wèi)星的位置及接收機離衛(wèi)星的距離來計算用戶的位置，也就是每一顆衛(wèi)星連續(xù)不斷地向GPS接收機發(fā)送可跟蹤的唯一編碼序列，GPS信號接收機可根據(jù)接收的編碼辨認相關(guān)的衛(wèi)星，進而計算出接收機的確切位置和準確時間。GPS信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的已調(diào)波，其信息內(nèi)容包括各空間衛(wèi)星的識別標志、精密原子鐘的標準時間信號和空間衛(wèi)星自身的參數(shù)。衛(wèi)星發(fā)射兩個載波頻率：L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz，在L1載波上調(diào)制有1.023MHz的偽隨機噪聲碼（C/A碼）和10.23MHz的偽隨機噪聲碼（P碼）以及50b/s的導(dǎo)航電文，在L2載波上只調(diào)制有P碼和導(dǎo)航電文。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用多星高軌測距體制，以距離作為基本觀測量。衛(wèi)星發(fā)射的L1載波和偽隨機噪聲碼都與衛(wèi)星時鐘同步，經(jīng)過一定的傳播延遲后，被接收機接收。接收機將接收到的信號解調(diào)，得到延遲后的偽隨機噪聲碼，它與接收機本身產(chǎn)生的偽隨機噪聲碼相比較，即可確定兩個碼之間的相對位移，及傳播延遲T，由T即可確定衛(wèi)星（x1,y1,z1）與接收機（x0,y0,z0）之間的距離R1=CT,式中C為電波傳播速度。 = (2.1)式(2.1)中，x0,y0,z0是未知量，x1,y1,z1和距離是已知量。如果接收機能同時測出據(jù)3顆衛(wèi)星的距離，便有3個這樣的方程，從而可以聯(lián)立3個方程式求解出接收機所在的位置坐標。但是由于用戶接收機一般不可能有十分準確的時鐘，因此所測的衛(wèi)星信號在空間的傳播時間是不準確的，算出的距衛(wèi)星距離也不準確，該距離被稱為偽距。然后，在接收機接收衛(wèi)星信號的瞬間，接收機與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所用時鐘的時間差應(yīng)該是一個定值T，于是式(2.1)改寫為式(2.2)。 =+TC (2.2)式中C為電波傳播速度，顯然，只要接收機能同時測出4顆衛(wèi)星的距離，便有4個這樣的方程式。從而可以聯(lián)立4個方程式求解出接收機所在位置的坐標x0,y0,z0和T，即可以確定接收機位置和準確的時間。知道了用戶在不同時間的準確三維位置，用三維位置除以所經(jīng)過的時間，即可求解出用戶的三維運動速度。GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的。偽隨機噪聲碼又叫偽隨機碼或偽噪聲碼，簡稱PRN，是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。它不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關(guān)特征，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。GPS信號中使用了偽隨機編碼技術(shù)，識別和分離各衛(wèi)星的信號，并提供無模糊度的測距數(shù)據(jù)。GPS技術(shù)采用m序列，即產(chǎn)生于最長線性反饋移位寄存器。假設(shè)初始狀態(tài)為（a3,a2,a1,a0）=（1，0，0，0），則在每移一位時，由a3和a0模2相加，產(chǎn)生新的輸入a3+a0,使狀態(tài)變?yōu)椋?，1，0，0）。這樣移位15次，又回到初始狀態(tài)。在完成這一過程中，其輸出端就會產(chǎn)生一個隨機碼001 陳艷華，侯安華，劉盼盼.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實例M.北京：人民郵電出版社，2008 、 Zhibin Miao, Jinzhu Zhang, Ruiguang Geng. A Fuzz Application in GPS/INS NavigationR. International Conference on Computer Application and System Modeling,2010。2.3 NMEA-0183標準GPS數(shù)據(jù)遵循NMEA-0183協(xié)議，該數(shù)據(jù)標準是由NMEA（National Marine Electronics Association，美國國家海事電子協(xié)會）于1983年制定的。統(tǒng)一標準格式NMEA-0183輸出采用ASCII碼，其串行通信的參數(shù)為：波特率4800bps，數(shù)據(jù)位8bit，開始位=1bit，停止位1bit，無奇偶校驗。數(shù)據(jù)傳輸以“語句”的方式進行，每個語句均以“$”開頭，然后是兩個字母的“識別符”和三個字母的“語句名”，接著就是以逗號分割的數(shù)據(jù)體，語句末尾為校驗和，整條語句以回車換行符結(jié)束 豆丁，GPS_NMEA_0183標準介紹W./p-.html。NMEA-0183的數(shù)據(jù)信息有十幾種，這些信息的作用分別是：$GPGGA：輸出GPS的定位信息；$GPGLL：輸出大地坐標信息；$GPZDA：輸出UTC時間信息；$GPGSV：輸出可見的衛(wèi)星信息；$GPGST：輸出定位標準差信息；$GPGSA：輸出衛(wèi)星DOP值信息；$GPALM：輸出衛(wèi)星星歷信息；$GPRMC：輸出GPS推薦的最短數(shù)據(jù)信息等。分別介紹如下：1. GPRMC語句（Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT DataRMC，推薦定位信息1次/1秒）對于一般的GPS動態(tài)定位應(yīng)用，GPRMC語句完全滿足要求。該語句中包括經(jīng)緯度、速度、時間和磁偏角等字段，這些數(shù)據(jù)為導(dǎo)航定位應(yīng)用提供了充分的信息。下表詳細說明GPRMC語句中的各個字段：$GPRMC，字段$GPRMC語句意義取值范圍 UTC時間：hhmmss.ss格式.00.99狀態(tài)，有效性A表示有效；V表示無效緯度格式：ddmm.mmmm0000000008959.9999南北半球N北緯；S南緯經(jīng)度格式：dddmm.mmmm00000.000017959.9999東西半球E表示東經(jīng)；W表示西經(jīng)地面速度000.00999.999速度方向000.00359.99日期格式，月日年磁偏角，單位：度00.0099.99磁偏角方向E表示東；W表示西模式指示及校驗和 A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效2. GPGGA語句（Global Positioning System Fix DataGGA，GPS定位信息,輸出1次/1秒）GPS定位主要數(shù)據(jù)，該語句中包括經(jīng)緯度、質(zhì)量因子、HDOP、高程、基準站號等字段。下表詳細說明GPGGA語句中的各個字段：$GPGGA，,，字段$GPGGA語句意義取值范圍 UTC時間：hhmmss.ss.00.99緯度，格式：ddmm.mmmm 0000000008959.9999南北半球N北緯；S南緯經(jīng)度格式：dddmm.mmmm 00000.000017959.9999東西半球E表示東經(jīng)；W表示西經(jīng)質(zhì)量因子0=未定位，1=GPS單點定位固定解，2=差分定位，3=PPS解；4=RTK固定解；5=RTK浮點解；6=估計值；7=手工輸入模式；8=模擬模式；應(yīng)用解算位置的衛(wèi)星數(shù)0012 HDOP，水平圖形強度因子0.50099.000；大于6不可用天線高程（海平面）9999.999999.9線線高程單位(m) m大地水準面起伏地球橢球面相對大地水準面的高度大地水準面起伏單位(m) m差分GPS數(shù)據(jù)期差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數(shù)，如果不是差分定位將為空），不使用DGPS時為空基準站號00001023；不使用DGPS時為空3. GPGSV語句（GPS Satellites in ViewGSV，可見衛(wèi)星信息，1次/5秒）GPS可見星的方位角、俯仰角、信噪比等每條語句最多包括四顆衛(wèi)星的信息，每顆衛(wèi)星的信息有四個數(shù)據(jù)項，即：(4)衛(wèi)星號，(5)仰角，(6)方位角，(7)信噪比$GPGSV,字段$GPGSV語句意義取值范圍總的GSV語句電文數(shù)012當前GSV語句號可視衛(wèi)星總數(shù)032衛(wèi)星號132仰角0090方位角000359信噪比0099dB無表未接收到訊號衛(wèi)星號132仰角0090方位角000359信噪比0099dB無表未接收到訊號衛(wèi)星號132仰角0090方位角000359信噪比0099dB無表示未接收到訊號衛(wèi)星號132仰角0090方位角000359效驗和，格式：*效驗和檢查位4. $GPVTG語句(Track Made Good and Ground SpeedVTG，地面速度信息）格式：$GPVTG,T,M,N,K,*hh字段$GPVTG語句意義取值范圍以真北為參考基準的地面航向000.000359.999以磁北為參考基準的地面航向000.000359.999地面速率000.000999.999節(jié)地面速率0000.01851.8公里/小時模式指示A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效(僅NMEA0183 3.00版本輸出) hh校檢位5. $GPGSA語句（GPS DOP and Active SatellitesGSA，當前衛(wèi)星信息，1次/1秒） GSA : GNSS的當前衛(wèi)星和精度因子,包括可見衛(wèi)星PRN號,以及PDOP、HDOP、VDOP。如：模式M =手動，A =自動。定位類型1 =未定位，2 =二維定位，3 =三維定位。 PRN數(shù)字01至32表天空使用中的衛(wèi)星編號，最多可接收12顆衛(wèi)星信息。正在用于解算位置的衛(wèi)星號（0132，前面的0也將被傳輸）。 PDOP位置精度因子0.599.9 HDOP水平精度因子0.599.9 VDOP垂直精度因子0.599.9 Checksum.(檢查位).6. $GPGLL語句（輸出大地坐標信息）$GPGLL,*61字段$GPGLL語句意義取值范圍緯度：ddmm.mmmmm0000000008959.9999南緯或北緯北緯N，S南緯經(jīng)度：dddmm.mmmmm00000000017959.99999東、西經(jīng)東經(jīng)E，西經(jīng)W UTC時間hh:mm:ss數(shù)據(jù)狀態(tài)A有效，V無效7.$GPZDA語句（輸出UTC時間和日期信息）$GPZDA, ,*hh字段$GPZDA語句意義取值范圍時間：hhmmss.ss.00.99日0031月0012年00009999地方時與世界時之差檢校位*hh*2.4 嵌入式系統(tǒng)2.4.1 嵌入式系統(tǒng)的概述嵌入式系統(tǒng)是隨著計算機技術(shù)、微處理器技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)已成為計算機技術(shù)和計算機應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要組成部分 張大波.嵌入式系統(tǒng)原理、設(shè)計與應(yīng)用M.北京：機械工業(yè)出版社，2004。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。把基于處理器（通用處理器和嵌入式處理器）的設(shè)備稱為計算機，把計算機分成兩大部分，即通用計算機和嵌入式計算機。嵌入式系統(tǒng)也稱為嵌入式計算機，因此嵌入式系統(tǒng)被定義為非通用計算機系統(tǒng)。和通用的計算機相比，嵌入式系統(tǒng)總是面向特定應(yīng)用的，所以它的硬件系統(tǒng)具有以下特性：體積小，集成效率高；具有面向某些特定應(yīng)用的特點，對于另一應(yīng)用需要重新設(shè)計硬件；低功耗，電磁兼容性好，能在惡劣條件下工作，故障恢復(fù)速度快；簡言之，一個嵌入式系統(tǒng)就是一個硬件和軟件的集合體，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括嵌入式處理器|控制器|數(shù)字信號處理器（DSP）等、存儲器及外設(shè)器件、輸入輸出端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（嵌入式操作系統(tǒng)）和應(yīng)用程序（應(yīng)用軟件），應(yīng)用的領(lǐng)域不同，應(yīng)用程序千差萬別。嵌入式系統(tǒng)幾乎應(yīng)用于所有電氣設(shè)備，如個人數(shù)字助理（PDA）、手機、汽車控制系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等。嵌入式系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)的硬件、嵌入式的軟件和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具、開發(fā)系統(tǒng)組成。2.4.2 嵌入式處理器目前世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU，MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計處理器也已經(jīng)成為了未來嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達到2000 MIPS，封裝從8個引腳到144個引腳不等 周小明. 基于ARM9車載導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與設(shè)計D.碩士學(xué)位論文.成都：西南交通大學(xué)，2007。 嵌入式微處理器與普通臺式計算機的微處理器設(shè)計在基本原理上是相似的，但是工作穩(wěn)定性更高，功耗較小，對環(huán)境(如溫度、適度、電磁場、振動等)的適應(yīng)能力強，體積更小，且集成的功能較多。在桌面計算機領(lǐng)域，對處理器進行比較時的主要指標就是計算速度，從33MHz主頻的386計算機到現(xiàn)在3GHz主頻的Pentium 4處理器，速度的提升是用戶最主要關(guān)心的變化，但在嵌入式領(lǐng)域，情況則完全不同。嵌入式處理器的選擇必須根據(jù)設(shè)計的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封裝形式、SoC程度、成本、商業(yè)考慮等等諸多因素之中進行折中，擇優(yōu)選擇 李博.汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中數(shù)據(jù)檢索功能的研究與實現(xiàn)D.碩士學(xué)位論文.沈陽:東北大學(xué)，2006.1。嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應(yīng)較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。 其中Arm/StrongArm是專為手持設(shè)備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位 鄧正杰.汽車導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)D.碩士學(xué)位論文.上海:復(fù)旦大學(xué),2005.5。嵌入式微控制器的典型代表是單片機，從70年代末單片機出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過了20多年的歷史，但這種8位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。 由于MCU低廉的價格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。近來Atmel出產(chǎn)的