毕业设计论文基于单片机的GPS定位系统文档格式.docx
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GPStechnologyisinthemilitaryaffairssuchnumerousdisciplinesdomainsascommunicationmeteorologicalphenomenaexploringnavigatingremotesensingearthmeasurementtheearthmotiveforceandastronomyetcgetextremelyextensiveapplicationhavepromotedtheswiftandviolentdevelopmentofscienceandtechnologytheabundantandhumanevenscientificculturelifeNowtheappearanceofGPSisdesignedandalreadyturnedtoportabledevelopmentstepsfootoncommonpeopleslifeprogressivelySoItisveryimportantforresearchingofGPS
LocalizationprincipleandtechnologyofmainresearchGPSofthistextprogrammingandapplicationoftheone-chipcomputerthefunctionthattheliquidcrystalrejectsandimplementationmethodThusmakeoutasetofdesignplansthroughconstantdebuggingandtestcombineandfinishthewholecoursereceivedandshowninwholeGPSdatawiththesoftwareandhardwareInthissubjectwillfinishtheholdingtypeequipmentofGPSspositioningthataliquidcrystalshowsandcanshowreal-timetimeandlongitudeandlatitudeofthesitesequentiallyAfterthisnavigationsystemisfinishedorientingtheprecisioncanreach1msothisdevicehascertainpracticalandreferencevalueinobservingandcontrollingtheapplicationanddevelopmentofthefield
KeywordsGPSSatelliteNavigationOrientation
目录
引言1
GPS接收器4
GPS的组成概况4
com座部分4
com控部分6
com备部分7
GPS定位的基本方法7
GP5接收机的基本工作原理7
com型通道7
com通道9
com型通道10
GPS接收机与提取定位数据11
TG35-D41012
AT89C51单片机13
AT89C51单片机的内部结构及芯片图13
com能特性14
com明14
22振荡器特性16
23芯片擦除16
AT89c51部件功能16
25时钟电路18
26复位电路18
27AT89C51的串口模式19
com口处于模式019
com口处于模式120
com口处于模式220
com口处于模式321
com口的波特率规划21
液晶显示器LCD22
31主要技术参数和性能22
32外形尺寸图22
33模块主要硬件构成23
34模块的外部接口24
35用户指令24
com32RE0集基本指令集24
com33RE1扩充指令集26
TG12864EL串口接线方式26
37具体指令介绍2738显示步骤29
GPS定位系统的设计过程29
41整体设计29
42电路图的设计30
GPS接收器部分30
com硬件部分31
LCD部分32
com入部分32
43软件部分33
com信程序设计33
32LCD显示程序35
调试与心得35
51接口电路的调试36
2体会36
结论37
谢词38
参考文献39
P付录40
引言
课题背景
大家知道人造地球卫星的出现首先是引起了各国军事部门的高度重视1958年底美国海军武器实验室就着手实施建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统即海军导航卫星系统NavyNavigationSatelliteSystem-NNSS
地极故也称子午Transit卫星系统1964年该系统建成并开始在美国军方启用1967年美国政府批准该系统解密并提供民用由于该系统不受气候条件的影响自动化程度较高且具有良好的定位精度所以它的出现包立即引起了大地测量学者的极大关注尤其是在该系统提供民用之后在大地测量方面进行丁大量的应用研究和实践并取得了许多令人瞩目的成就这就预示着经典的大地测量技术面临着一场重大的变革
虽然美国海军卫星导航系统在导航技术的发展中具有划时代的意义但是由于该系统卫星数目较少56颗运行高度较低平均约1000km平均约15小时因而它无法提供连续地实时三维导航加之获得一次导航解所需的时间较长所以难以充分满足军事方面尤其是高动态目标如飞机导弹导航的要求而从大地测量学方面来看由于它定位速度较慢一个网站一段平均观阅1-2天精度也较低单点定位精度3-5m15m
为了满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求1973年美国国防部正式开始组织海陆空三军共同研究建立新一代卫星导航系统的计划这就是许多文献中所称的授时与测量导航系统全球定位系统NavigationSystemTimingandRangingGlobalPositioningSystem-NAVSTARGPS而通常简称为全球定位系统GPS
卫星导航技术的飞速发展已逐渐取代了无线电导航天文导航等传统导航技术而成为一种普遍采用的导航定位技术并在精度实时性全天候等方面取得了长足进步现在不仅应用于物理勘探电离层测量和航天器导航等诸多民用领域在军事领域更是取得了广泛的应用一在弹道导弹野战指挥系统精确弹道测量以及军用地图快速测绘等领域均大量采用了卫星导航定位技术有鉴于卫星导航技术在民用和军事领域的重要意义使其得到了许多国家的关注
课题完成的功能
利用GPS信息接收模块单片机AT89C51TG12864E以及自己设计的外接电路接口完成一台液晶显示的手持式GPS定位设备并能依次显示实时时间及所在地的经纬度
GPS今后的发展趋势
卫星系统的更新与多个卫星定位系统共存将明显改善卫星导航定位的精度和可靠性双频高精度测地型接收机将继续高度垄断在几个技术领先的GPS厂家手中美国将继续保持其绝对优势单频测地型接收机和导航接收机OEM板产业将扩散到世界各地虽是低档次的GPS产品但用途广用户多市场大美国把GPS单频OEM板的生产技术转让出口因而推动了世界各地企业投资GPSOEM的生产陆地导航定位产品将成为发展最快的GPS产业
目前我国在发展GPS的过程中还存在的问题
第一我国缺少系统的整体的空间对地观测发展计划特别是在空间技术实力薄弱的条件下应用方面统筹协调不足基础研究薄弱同时也缺少一个权威性的国家协调机构
第二在集成电路工艺方面高频芯片技术还未过关而利用进口OEM板生产导航机或单频接收机其工业质量控制体系未形成没有工业标准
第三GPS核心软件商品化程度不高往往把复杂的系统工程简单化将实验室样品操之过急地当工业化产品推向市场反而拖累了尚未形成的市场
第四在GPS行业中存在着低水平重复引进低水平生产等无序竞争现象亟待国家政策引导以及相关部门认真管理进行规范化与标准化
第五通信链路的速率也制约着GPS技术的应用成为重要的瓶颈急需有关部门进行专项研究扩频现有公众网或专门搭建一个GPS公用平台
第六GPS技术应用是全球性的而目前我国的资料保密制度与这种开放性的现实相悖在很大程度上不利于我国GPS技术的应用和发展
GPS在国际国内的状况
美国利用3颗静止轨道气象卫星GOES
在我国至1992年止水利部抗洪水灾预报系统在黄河三花河长江荆江段淮河正阳关北京官厅水库太湖等20多个重点防洪区和150个大型水库布设了1700多个数据采集平台航天技术集团公司除在风云一号风云二号和中巴地球资源卫星中研制了数据采集平台系统已经用于辽宁太子河流域
我国有960万平方公里的领土300多万平方公里的海域32万公里的海岸线和6500多个岛屿同时又是自然灾害多发人口众多资源相对不足的国家急需对海岸森林矿产等资源进行调查管理对自然灾害进行监测预报卫星数据采集系统是国际上广泛采用的手段很适合我国的国情是一个投资少见效快的有效途径
我国是地震高发国全国已建有近千个常规地震预报台和一个GPS地壳相对位移测量网用卫星数据采集系统技术可加强地震预报台站联系提高预报的及时性我国的海洋监测和管理除沿海岸线布置的60多个海洋站和少量海监飞机外对深海和远海基本上无监测管理手段急需要建立和完善相应的海洋监测管理设施维护我国所属海洋的合法权益我国森林面积约130万平方公里每年森林火灾受害率达86急需要建立一个实时性的全国性的火情监测预报系统卫星数据采集系统与GPS相结合还可以进行珍稀动物的跟踪和监测我国现建有20余万平方公里的防汛堤和8300座各种水库同时又是一个淡水资源缺乏的国家人均淡水占有量只有世界水平的七分之一利用卫星数据采集系统可以提高防汛调度指挥系统效能及水资源利用率建立水文数据自动测报网及时准确地进行洪水预报另外利用卫星数据采集系统还可以进行油气产生贮运的自动化监测管理环保部门可以利用卫星数据采集系统建立大气和水质污染的监测系统提高监测的时效性加强对污染源的实时监督检查和管理卫星数据采集系统对军队国防建设也有重要意义海军为了导航备战必须实时收集海况数据海上浮标海上救生都需要数据采集平台气象条件是空军飞行作战的保障系统利用卫星数据采集系统可以及时准确地提供有关数据野战部队在军事车辆上装有GPS的数据采集平台司令部就可以实时收集部队的运动状态为指挥提供依据
卫星数据采集系统的建设将带来很大的经济效益就海洋而言我国海洋灾害平均每年发生十几次2000年以后海洋灾害的直接损失每年将高达150亿元利用卫星数据采集系统可提高海洋灾害预报时效据国外计算每提前一天预报就可减少约6的经济损失我国平均每年森林火灾15万次累计受害面积平均每年达96万多公顷森林病虫害造成每年森林资源损失2000万立方米以上
随着航天技术的发展卫星资源日益丰富除风云二号东方红三号外在近期内覆盖我国领域的将有300多个转发器可供利用可以说开发和建设卫星数据采集系统的条件已经成熟可以建立我们自己的数据采集产业来满足地震农业海洋石油环境水利等各方面的需求利用卫星DCS集中采集我国领域内大气圈水圈生物圈岩石圈的动态信息还可以为我国建设中的信息高速公路提供信息材料为国家高层决策提供依据
卫星数据采集
卫星数据采集是通过卫星通信系统利用航天遥测遥控遥监等技术对航天器远地点进行各种监测远距离采集和处理石油管线地震水利电力环境监测等大量SCADASupervisoryControlAndAcquisition数据采集与监视控制系统数据经
过卫星传输到数据中心处理后送给用户使用的业务
实现卫星数据采集的技术有如下特点能自动提取被采集的数据数据率较低数据分时采集覆盖地域广可野外工作无人值守
卫星数据采集的优点是时效性高采集数据地域广经济性优真实性强业务实现原理
卫星数据采集系统主要由以下几部分组成传感器数据采集平台卫星采集通道数据接收站网络管理和中心处理系统卫星数据采集系统由空间卫星信道传感器数据采集平台用户数据接收站及中心管理站协调组成各用户数据采集平台群与接收站构成子系统中心管理站对系统卫星信道分配数据资源交流系统运营等进行统一管理协调卫星信道则是气象卫星资源卫星的通道也可以是通信卫星的通道
关键技术在于专用传感器技术如林区地表可燃物含水率监测传感器土壤墒情传感器海上水化成分传感器等的开发高效能源技术因为数据平台所在地电源条件很差需要开发高效太阳能电源高能电池等开发系统网络管理控制技术实现系统资源共享和信息交流状态监测自动化高可靠低功耗遥控程序下载的智能化数据采集平台的开发高稳定度小型化的频率源的开发
1GPS接收器
GPS的组成概况
全球定位系统GPS主要有三大组成都分即空间星座部分地面监护部分和用户设备部分
空间星座部分
1卫星星座的构成与现状
全球定价系统的空间卫星星座部分将由24颗卫星组成其中包括3颗备用卫星工作卫星分布在6个轨道面内每个轨道面上分布有4颗卫星卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55度各轨道平面相交点的赤经相关60度在相邻轨道上卫星的升交距角相差30度轨道平均高度约为20200km
GPS卫星在空间的上述配置保障了在地球上任何地点任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响因此GPS是一种全球性全天候的连续实时定位系统不过也应指出GPS卫星的上述分布在个别地区仍可能在某一短时间内例如数分钟只能观测到4颗图形结构较差的卫星而无法达到必要的定位精度
空间部分的3颗备用卫星将在必要时根据指令代替发生故障的卫星这对于保障GPS空间部分正常而高效地工作是极其重要的
2GPS卫星及其功能GPS卫星的主体呈圆柱形直径约为15m774kg包括310kg燃料两侧设有两块双叶太阳能板能自动对日定向以保证卫星正常工作的用电其形状见图11
图11GPS卫星形状图每颗卫星装有4高精度原子钟2台铷钟和2台铯钟这是卫星的核心设备它将发射标准频率为GPS测量提供高精度的时间标准
3GPS卫星的基本功能是
①接收和储存由地面监控站发来的导航信息接受并执行监控站的控制指令
②卫星上设有微处理机进行部分必要的数据处理工作
③通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准
④向用户发送导航与定位信息
⑤在地面监控站的指令下通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星
一股来说在大地测量学和大地重力学中或者是把人造地球卫星作为一个高空观测目标通过测定用户接收机与卫星之间的距离或距离差来完成导航与定位任务或者是把卫星作为一个传感器通过观测卫星运行轨道的摄动来研究和测定地球重力场的影响和模型不过对于后一种应用通常要求卫星轨道较低而GPS卫星的轨道高度平均达20200km
息的高空目标放广泛地用于导航和定位
com地面监控部分
GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站所组成其中包括卫星监测站主控站和信息注入站
监测站
现有5个地面站均具有监测站的功能
监控站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心站内设有双频GPS接收机高精度原子钟计算机各一台和若干台环境数据传感器接收器对GPS卫星进行连续观测以采集数据和监视卫星的工作状况原于钟提供时间标准而环境传感器收集有关当地的气象数据所有观测资料内计算机进行初步处理并存储和传送到主控站用以确定卫星的精密轨道
主控站
主控站一个设在科罗拉多ColoradoSprings
根据本站和其它监测站的所有观测资料推算编制各卫星的星历卫星钟差和大气层的修正参数等并把这些数据传递到注入站
提供全球定位系统的时间基准各监测站和GPS卫星的原子钟应与主控站的原子同步或测出其间的差并把这些钟差信息编入导航电文送到注入站
调整偏离轨道的卫星使之沿预定的轨道远行
启用备用卫星以代替失效的工作卫星
注入站
注入站现有3个分别设在印度洋的迭哥加西亚DiegoGarcia南大西洋的阿松森岛Asencion和南太平洋的卡瓦加兰Kwajalein注入站的主要设备包括一台直径为36m的天线一台C波段发射机和一台计算机其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历钟差导航电文和其它控制指令等注入到相应卫星的存储系统并监测注入信息的正确性
整个GPS的地面监控部分除主控站外均无人值守各站间用现代化的通讯系统联系起来在原子钟和计算机的驱动和精确控制下各项工作实现了高度的自动化和标准化
为了提高GPS卫星的定轨精度当系统建成后将会适当增加监测站的数量并改善其在全球的分布
com备部分
全球定位系统的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础而用户只有通过用户设备才能实现应用GPS导航和定位的目的
用户设备的主要任务是接收GP5卫星发射的信号以获得必要的导航和定位信息及
观测量并经数据处理顺完成导航和定位工作
根据GPS用户的不同要求所需的接收设备各异随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大许多国家都在积极研制开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件
GPS定位的基本方法
GPS定位采用空间被动式测量原理即在测站上安置GPS用户接收系统以各种可能的方式接收GPS卫星系统发送的各类信号由计算机求解站星关系和测站点的三维坐标
由于对GPS信号观测的不同GPS定位的基本方法有以下几种
伪距测量载波相位测量多普勒测量卫星射电干涉测量
为了精密定位一台GPS接收机往往不是单纯采用一种测量方式而是以某种方式为主并辅以其他方法
目前全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中GPS技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定不变如GPS在大地测量中的应用动态定位是指待定点在运动载体上在观测过程中是变化的如GPS在船舶导航中的应用静态相对定位的精度一般在几毫米到几厘米范围内动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内对GPS信号的处理从时间上划分为实时处理及后处理实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算获得目前所处的位置速度及时间等信息后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上回到室内统一进行数据处理一般来说静态定位用户多采用后处理动态定位用户采用实时处理或后处理
GP5接收机的基本工作原理
接收机的工作原则主要是指其对所跟踪卫星信号的处理和量测方法而接收机对卫星信号的处理量测都是在其信号通道中实现的所以接收机构工作原理与信号通道的工作原理是一致的下边我们通过码相关型通道平方型通道和码相位型通道的不同工作方式来说明一下接收机的基本工作原理
码相关型通道
以码相关技术为根据处理和量测卫星信号的通道称为码相关型通道该通道主要由码跟踪回路和载波跟踪回路组成见图12其中码跟踪回路用于从CA码或P码中提取伪距观测量同时对卫星信号进行调解以获取导航电文和载波该回路中的伪随机噪声码PRN发生器在接收机时钟的控制下可产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的码即复制码在相关器中对接收到的卫星测距码和接收机的复制码进行相关分析当两信号之间达到最大相关时便可测定出两信号间的时间延迟即卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间
上述两信号达到最大相关时一般叫做锁定信号这时如果把卫星信号和复制码混频并将混频后的信号通过带通滤波器消去卫星信号小的伪随机噪声码便可获得仅具有数据码导航电文和载波的信号
图12码相关型通道示意图
载波跟踪回路的主要作用是当上述去掉伪随机噪声码的卫星信号进入该回路后进行载波相位测量并解调出卫星的导航电文
载波跟踪回路利用压控振荡器可使接收机振荡器所产生的参考载波相位与接收的载波相位保持一致而当两信号的相位一致时载波跟踪回路便锁住了载波信号这时通过对载波信号的量测便可进一步获得载波相位的观测量
卫星载波信号波锁定后再将其与参考载波信号混频并通过低通滤波器去掉高频信号就能获得导航电文
码相关通道的主要优点是既可进行伪距测量又可进行载波相位测量并能获得导航电文除此还具有良好的信噪比因此目前GPS接收机都普遍采用这种通道
码相关通道的主要缺点是用户必须掌握伪随机码的结构以便接收机能够加以复制产生所谓复制码但出于美国政府对P码的保密性政策所以一般用户无法采用码相关技术获得L2载波的观测值因而不能通过双频技术来减弱电离层折射的影响这时为了获得L2载波的相位观测量只有利用平方技术
平方型通道
以平方技术为根据处理和量测卫星信号的通道称为平方型通道为了克服美国政府对GPS用户的限制政策利用GPS进行精密的定位工作英国学者康瑟曼Counselman1982MacrometerV-1000接收机中获得了成功的应用
平方技木的基本思想是将接收购卫星信号通过自乘去掉载波上的调制码得到一个载波的二次谐波以用于载波相位测量
图13为平方型通道的工作示意图其中本机振荡器产生一个参考载波信号经倍频后再与接收的卫星信号混频即可得到一个频率较低的信号将该信号平方后便产生了一个消去调制码的纯载波信号
图13平方型通道示意图
平方型通道的主要的优点是无需掌握测距码CA码P码的结构便能获得载波信号所以利用这种技术用户能够在不了解P码结构的情况下获得L2载波信号这样就可能通过双频技术有效地减弱电离层折射的影响提高定位的精度
但是由于接收的卫星信号经平方后完全消掉了其中内测距码和数据码所以利用平方技术无法获得卫星的导航电文和时间信息这样一来在作业中就需要通过其它方法获取卫星的星历同时在作业开始前和结束后必须进行时间比对以使接收机钟相互同步
另外由于在卫星信号平方的同时信号的噪声也被扩大了所以这时信噪比将会降低由于平方技术具有这些缺点所以单纯采用平方型通道的接收机只有早期生产的M9crometerV-1000和MacrometerH
码相位型通道
与平方型通道相似码相位通道也无需掌握测距码的结构而能进行码相位量测平方通道可以获得载波相位的量测值而码相位通道则可获得测距码相位
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- 毕业设计 论文 基于 单片机 GPS 定位 系统
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