基于单片机的GPS定位系统.docx
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基于单片机的GPS定位系统
2012届毕业设计(论文)
基于单片机的GPS定位系统
院部:
电气与信息工程
学生姓名:
杜龙强
指导教师:
戴日光职称讲师
专业:
自动化
班级:
自本0801
完成时刻:
2012-5-25
摘要
GPS技术在军事、通信、气象、勘探、导航、遥感、大地测量、地球动力和天文等众多学科领域取得极为普遍的应用,推动了科学技术的迅猛进展,也丰硕了人类的科学文化生活。
此刻,GPS的外型设计已经转向便携式进展,慢慢踏入寻常百姓的生活中。
所以,对GPS的研究具有十分重要的意义。
论文主要研究GPS的定位原理与技术,单片机的编程及其应用,液晶屏的功能及其实现方式。
制作了一套设计方案,以软、硬件相结合的方式完成整个GPS数据接收和显示的进程。
完成了一台液晶显示的手持式GPS定位接收设备,并能依次显示实不时刻及所在地的经纬度。
该定位系统完成后,定位精度能达到15m,所以该装置在测控领域的应用开发中具有必然的实用价值和借鉴价值。
关键词:
GPS;卫星;导航;定位
ABSTRACT
GPStechnologyanextremelywiderangeofapplicationsinmanyfieldsofmilitary,communications,meteorology,exploration,navigation,remotesensing,geodesy,geodynamic,andastronomy,andpromotetherapiddevelopmentofscienceandtechnology,butalsorichscientificandculturallifeofthehuman.Now,GPS,lightweightdesignhasturnedtoaportabledevelopment,stepbystepintothelivesofordinarypeople.Therefore,theGPShasgreatsignificance.
ThesisprincipleofGPSpositioningtechnology,microcontrollerprogramminganditsapplication,thefunctionoftheLCDscreenanditsimplementation.Producedadesign,acombinationofhardwareandsoftwaretocompletetheentireprocessGPSdatareceiveranddisplay.CompletedaLCDhandheldGPSpositioningreceivingdevice,andinordertodisplayreal-timetimeandlocationofthelatitudeandlongitude.Afterthecompletionofthepositioningsystem,thepositioningaccuracycanreach15m,sothatthedevicehassomepracticalvalueinthemonitoringandcontrolapplicationdevelopmentandreferencevalue.
KeyWords:
GPS;Satellite;Navigation;Orientation
1GPS概述······················································1
GPS特点·················································1
GPS用途·················································1
全世界四大GPS系统·········································1
中国GPS导航系统的进展···································2
GPS组成概述·············································2
空间星座部份··········································3
地面监控部份··········································4
用户设备部份··········································4
GPS原理·················································5
GPS定位方式分类·····································6
静态定位和动态定位···································8
GPS接收定位数据的原理···································10
TG35—D410模块介绍·····································11
2AT89C51单片机··············································13
主要功能特性·············································13
管脚说明·················································13
振荡器特性···············································15
芯片擦除·················································15
时钟电路·················································15
复位电路·················································16
AT89C51单片机的串口模式································16
串行端口处于模式0··································17
串行端口处于模式1··································17
串行端口处于模式2··································18
串行端口处于模式3··································19
串行端口的波特率计划·································19
3TG12864E液晶显示器··········································20
主要的技术参数和性能·····································20
模块的外部接口···········································20
模块的主要硬件组成·······································21
具体指令介绍·············································22
显示步骤·················································24
4GPS定位系统的设计进程·······································25
整体设计·················································25
电路图的设计·············································25
GPS接收器部份······································25
LCD部份············································26
电压输入部份·········································26
软件部份·················································27
串口通信程序设计·····································27
LCD显示程序········································29
GPS数据包解析··········································29
主体程序架构及完整程序···································31
5毕业设计总结··················································32
设计体会················································32
结论·····················································32
参考文献·························································33
致谢·····························································34
附录一···························································35
附录二···························································36
1GPS概述
GPS特点
全世界定位系统的主要特点:
(1)全世界、全天候工作。
定位精度高。
单击定位精度优于10m,采用差分定位,精度可达厘米级和毫米级。
应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50KM之内可达10-6,100-500KM可达10-7,1000KM可达10-9。
在300-1500M工程精密定位中,1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较,其边长较差最大为,校差中误差为。
(2)功能多,应用广,观测时刻短。
随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20KM之内相对静态定位,仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时,当每一个流动站与基准站相距在15KM之内时,流动站观测时刻只需1-2分钟,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟。
GPS用途
全世界定位系统的主要用途:
(1)陆地应用,主要包括车辆导航、应急反映、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政计划控制等;
(2)海洋应用,包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量和海洋平台定位、海平面起落监测等;
(3)航空航天应用,包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
全世界四大GPS系统
美国GPS:
由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制,于1993年全数建成。
1994年,美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS利用权,但美国只向外国提供低精度的卫星信号。
据信该系统有美国设置的“后门”,一旦发生战争,美国能够关闭对某地域的信息服务。
欧盟“伽利略”:
1999年,欧洲提出计划,预备发射30颗卫星,组成“伽利略”卫星定位系统。
今年该计划正式启动。
俄罗斯“格洛纳斯”:
尚未部署完毕。
始于上世纪70年代,需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境;如要提供全世界定位服务,则需要24颗卫星。
中国“北斗”:
2003年我国北斗一号建成并开通运行,不同于GPS,“北斗”的指挥机和终端之间能够双向交流。
去年5月12日四川大地震发生后,北京武警指挥中心和四川武警军队运用“北斗”进行了上百次交流。
北斗二号系列卫星今年起将进入组网顶峰期,估计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全世界的系统。
中国GPS导航系统的进展
中国GPS导航的市场潜力庞大。
截至到2005年末,中国拥有车载导航设备的车辆不足10万辆,相对于3000万辆的汽车总数来讲,普及率不到1%。
而日本的汽车车载导航安装率高达59%,欧美约占25%。
2006年便携导航市场应该有近5亿元的规模,而随着市场的高速进展及新品牌的层出不穷,估计2009年中国汽车GPS导航系统终端的销售额将接近100亿元。
即将过去的2008年,被人们称为中国的“3G元年”。
众所周知,目前在国内通信领域,最火的就是正在试运行的TD-SCDMA——3G标准。
作为新一代的通信技术,3G带给人们超级多的期许。
3G牌照的全面发放,也成了人们一路关注的核心。
其实在国内的GPS导航领域也在经历着一场蜕变,第三代PND类导航产品的应运而生,已经把人们带进了全新的导航时期。
卫星导航应用产业在国民经济中发挥着愈来愈重要的作用,将成为十一五”进展的亮点。
在“十一五”期间,卫星导航在其它领域如航空、海路、铁路、建筑、电信、电力等方面的应用都会有专门大的进展空间。
卫星导航技术的进展趋势主要表此刻三方面:
一是卫星导航的多系统并存,使系统可用性得以提高,应用领域将更广漠;二是多元组合导航技术正在取得推行应用,主要有GPS与移动通信基站定位、陀螺、航位推算技术等的组合应用;三是卫星导航与无线通信等其它高技术相结合,如GPS接收机嵌入到蜂窝电话、便携式PC、PDA和腕表等通信、安全和消费类电子产品中,从根本上增进了IT技术的整体进展。
GPS组成概述
全世界定位系统(GPS)主要有三大组成都分,即空间星座部份、地面监护部份和用户设备部份。
空间星座部份
(1)卫星星座的组成与现状
全世界定价系统的空间卫星星座部份,将由24颗卫星组成。
其中包括3颗备用卫星。
工作卫星散布在6个轨道面内,每一个轨道面上散布有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,卫星运行周期为11小时58分。
因此,同一观测站上天天出现的卫星散布图形相同,只是天天提前约4分钟。
每颗卫昼天天约有5个小时在地平线以上,同时位于地平线以上的卫星数量随时刻和地址而异,最少为4颗,最多可达11颗。
GPS卫星在空间的上述配置,保障了在地球上任何地址、任何时刻均至少能够同时观测到4颗卫星,加上卫星信号的传播和接收不受天气的影响,因此GPS是一种全世界性、全天候的持续实时定位系统。
不过也应指出,GPS卫星的上述散布,在个别地域仍可能在某一短时刻内(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。
空间部份的3颗备用卫星,将在必要时按照指令代替发生故障的卫星,这对于保障GPS空间部份正常而高效地工作是极为重要的。
(2)GPS卫星及其功能
GPS卫星的主体呈圆柱形,直径约为,重约774kg包括(310kg燃料),双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。
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刻标准。
(3)GPS卫星的大体功能是:
①接收和贮存由地面监控站发来的导航信息,同意执行监控站的控制指令;
②卫星上设有微处置机,进行部份必要的数据处置工作;
③通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时刻标准;
④向用户发送导航与定位信息;
⑤在地面监控站的指令下,通过推动器调整卫星的姿态和启用备星。
一股来讲,在大地测量学和大地重力学中,或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,对地球重力异样的反映灵敏度较低。
所以它主如果作为具有精准位置信息的高空目标,放普遍地用于导航和定位。
地面监控部份
GPS的地面监控部份目前主要由散布在全世界的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。
(1)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收集中心。
站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、运算机各一台和若干台环境数据传感器。
接收器对GPS卫星进行持续观测,以收集数据和监视卫星的工作状况。
原于钟提供时刻标准,而环境传感器搜集有关本地的气象数据。
所有观测资料内运算机进行初步处置并存储和传送到主控站,用以肯定卫星的精密轨道。
(2)主控站
主控站一个,设在科罗拉多(ColoradoSprings)。
主控站除协调和管理所有地面监控系统的工作外,其主要任务是:
按照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。
提供全世界定位系统的时刻基准。
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。
(3)注入站
注入站现有3个,别离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的天线、一台C波段发射机和一台运算机。
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的地面监控部份,除主控站外均无人值守。
各站间用现代化的通信系统联系起来,在原子钟和运算机的驱动和精准控制下,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世界的散布。
用户设备部份
全世界定位系统的空间部份和地面监控部份,是用户普遍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,以取得必要的导航和定位信息及观测量,并经数据处置顺完成导航和定位工作。
按照GPS用户的不同要求,所需的接收设备各异。
随着GPS定位技术的迅速进展和应用领域的日趋扩大,许多国家都在踊跃研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处置软件。
GPS原理
GPS导航系统的大体原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据计算出接收机的具体位置。
而卫星的位置能够按照星载时钟所记录的时刻在卫星星历中查出。
GPS导航系统卫星部份的作用就是不断地发射导航电文。
当用户同意到导航电文时,提掏出卫星时刻并将其与自己的时钟做对比即可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,从而用户在大地坐标系中的位置速度等信息即可得知。
但是,由于用户同意机利用的时钟与卫星星载时钟不可能老是同步,所以除用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时刻差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。
所以若是想明白接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。
接收器与卫星之间的距离计算:
其中:
C是光速
通过整理得:
对得方程组:
其中
按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。
单点定位就是按照一台接收机的观测数据来肯定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。
相对定位(差分定位)是按照两台以上接收机的观测数据来肯定观测点之间的相对位置的方式,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时刻信息,用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历。
在GPS观测量中包括了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部份公共误差被抵消或减弱,因此定位精度将大大提高,双频接收性能够按照两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部份,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显不同),应选用双频接收机。
GPS定位方式分类
利用GPS进行定位的方式有很多种。
若依照参考点的位置不同,则定位方式可分为
(1)绝对定位。
即在协议地球坐标系中,利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置,也叫单点定位。
这里能够为参考点与协议地球质心相重合。
GPS定位所采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系。
因此绝对定位的坐标最初功效为WGS-84坐标。
(2)相对定位。
即在协议地球坐标系中,利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点(已知点)之间的相对位置。
也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量。
按用户接收机在作业中的运动状态不同,则定位方式可分为
(1)静态定位。
即在定位进程中,将接收机安置在测站点上并固定不动。
严格说来,这种静止状态只是相对的,通常指接收机相对与其周围点位没有发生转变。
(2)动态定位。
即在定位进程中,接收机处于运动状态。
GPS绝对定位和相对定位中,又都包括静态和动态两种方式。
即动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位和静态相对定位。
若依照测距的原理不同,又可分为测码伪距法定位、测相伪距法定位、差分定位等。
1GPS测量的大体观测量
由于卫星信号含有多种定位信息,按照不同的要求和方式,可取得不同的观测量:
测码伪距观测量(码相位观测量);
测相伪距观测量(载波相位观测量);
多普勒积分计数伪距差;
干与法测量时刻延迟;
目前,在GPS定位测量中,普遍采用的观测量为前两种,即码相位观测量和载波相位观测量。
2测码伪距测量
2.1码相位测量
测码伪距测量是通过测量GPS卫星发射的测距码信号抵达用户接收机的传播时刻,从而计算出接收机至卫星的距离,即
式中:
——传播时刻;
——光速
2.2测码伪距观测方程及其线性化
GPS采用单程测距原理,要准确地测定站星之间的距离,必需使卫星钟与用户接收机钟维持严格同步,同时考虑大气层对卫星信号的影响。
3测相伪距测量
3.1载波相位测量
载波相位测量
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