GPS全球定位系统应用毕业设计论文word格式.docx

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GPS全球定位系统应用毕业设计论文word格式

GPS全球定位系统的应用

摘要

GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统），是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。

智能交通系统（ITS）是未来交通系统的发展方向，它是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。

其中，交通信息采集系统是最为基本、最重要的系统之一。

它为交通管理、交通信息公众发布等提供了大量的基础交通信息，是其他交通管理系统应用的基础。

本文以GPS在智能交通系统（ITS）中的典型应用为例，介绍了GPS系统的组成、定位原理、定位误差以及GPRS网络结构、业务特点等，并以台湾皇家数码出品的GPS模块作为地理信息数据采集载体，BENQM22GPRS模块作为数据发送载体，设计了一个简单的交通信息资源采集系统与应用系统。

该系统能够根据需要在确定的地理位置采集定位信息，如经纬度信息，并标记此地理位置，当再次途径此地理位置时，自动用语音报告该地理位置信息，可对已采集的地理信息进行人工编辑，包括删除某一地理坐标，在两地理坐标之间插入一新的地理坐标，修改某地理坐标的标记，通过GPRS模块将设备当前所在的地理位置坐标以短信的方式发送到预先设定的数据处理中心，以作进一步处理。

文中对硬件和软件的具体实现给予了深入探讨，详细分析了GPS输出数据的通信标准及其数据帧的接收和参数提取的方法，最后对系统测试结果进行了处理和分析并给出了系统的总结与展望。

关键词GPS；GPRS；信息资源采集

THEAPPLICATIONOFGLOBALPOSITIONINGSYSTEM

ABSTRACT

GPSisaglobal,all-weather,high-precisionnavigationandpositioningandtimedeliverysystem.Theintellectualtrafficsystem（ITS）isthedirectionofthetrafficsysteminthefuture.Itisofadvancedinformationtechnology,datacommunicationstransmissiontechnology,electronicsensortechnology,controltechnologyandcomputertechnologyetc.,whichiseffectivelyintegratedthroughoutthewholeapplicationsoftrafficmanagementsystemsontheground,andsetupawidelyfulluse,real-time,accurateandefficientintegratedtrafficmanagementsystem.Thetrafficinformationcollectionsystemisthemostbasicandimportantsystem.Itprovidesalargeamountofbasictrafficinformationfortrafficmanagement,trafficinformationmassesreleaseetc.,andalsoitisthefoundationoftheapplicationofothertrafficmanagementsystem.ThispaperintroducesthecompositionofGPSsystem,positioningprinciple,positioningerror,GPRSnetworkstructureanditsbusinesscharacteristics,etc.,anduseGPSmodulewhichisproducedbyRoyalDigitalCompanyofTaiwanasgeographicinformationdatacollectioncarrier,BenQM22GPRSmoduleasadatatransmissioncarrier,workingoutasimpletrafficinformationresourcescollectionandapplicationssystem.Accordingtothedemand,thesystemcancollectpositioninginformationinthespecificlocation,suchaslongitudeandlatitudeinformation,andmarkthelocation.Whenonceagaincomearoundthatlocation,thesystemcanautomaticallyusevoicetoreporttheinformationofthatlocation.Itcanmanuallyeditcollectedgeographicinformation,includingdeletingaparticulargeographicalcoordinate,insertinganewgeographiccoordinatesbetweentwoexistgeographiccoordinates,modifyingageographiccoordinatemarking.ThegeographicalcoordinatesofthecurrentequipmentwillbesenttothepredetermineddataprocessingcenterthroughGPRSmoduleinSMS,sothatitcanmakefurtherprocess.Thispaperdiscussestherealizationofconcretehardwareandsoftwareindetail,analyzesthecommunicationprotocolofGPS’soutputdataparticularly,andworksoutasolutiontoreceivedataframeandretrievenavigationinformationfromGPS,atlastthispaperprocessestheexperimentresultsandgivestheconclusionandprospects.

KEYWORDSGPS;GPRS;collectionofinformationresources

前言

随着国内交通基础设施的建设和完善，许多城市相继建立了各种类型的交通管理应用系统。

智能交通系统（ITS）无疑是未来交通系统的发展方向，它是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统[7]。

当前ITS的服务领域有：

先进的交通管理系统、先进的出行者信息系统、先进的公共交通系统、先进的车辆控制系统、营运车辆调度管理系统等。

其中，交通信息采集系统是最为基本、最重要的系统之一。

它为交通管理、交通信息公众发布等提供了大量的基础交通信息，是其他交通管理系统应用的基础[6]。

我国目前仍有少数地区以人工采集作为交通信息采集的主要手段，交通信息的采集需要投入大量的人力、物力和财力。

同时，人工采集所得到的数据准确性往往较差，不能很好地反映道路交通实时状况，基于此数据所做的道路交通规划、管理方案具有一定的偏差，从而导致交通信息的综合利用率不高，效能还有待进一步挖掘。

因此，需要建立一个快速，高效的交通信息资源采集系统。

本文讨论了基于GPRS网络的GPS应用系统，该系统利用GPS设备进行交通地理信息数据采集，可存储主要交通站点的地理位置信息，当交通设备再次行进到相应站点时自动报告站点信息，另外还通过GPRS网络不间断地将收集到的地理位置信息发往监控中心，监控调度中心可根据得到的数据进行统计分析，或进一步处理。

1基础理论

1.1全球定位系统——GPS

全球定位系统（GlobalPositioningSystem）,简称GPS,是随着现代化科学技术的发展而建立起来的新一代精密卫星定位系统。

1.1.1GPS发展概述

1958年12月，美国海军和詹斯霍·普金斯（JohnsHopkins）大学物理实验室为了给北极核潜艇提供全球导航，开始研制一种卫星导航系统，称之为美国海军导航卫星系统，简称NNSS（navynavigationsatellitesystem）系统。

在该系统中，由于卫星轨道通过地极，因此被称为“子午（transit）卫星系统”。

1959年9月美国发射了第一颗试验性卫星，经过几年试验，1964年该系统建成并投入使用。

1967年美国政府宣布该系统解密并提供民用。

虽然子午卫星系统对导航定位技术的发展具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目较少（6颗工作卫星），运行高度较低（平均约1000km），从地面站观测到卫星的时间间隔也较长（平均约1．5小时），因而不能进行三维连续导航。

加上获得一次导航解所需的时间较长，所以难以充分满足军事导航的需求。

从大地测量学来看，由于它的定位速度慢（测站平均观测1—2天），精度较低（单点定位精度3—5m，相对定位精度约为1m），因此，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面受到了极大的限制。

为了满足军事及民用部门对连续实时三维导航的需求，1973年美国国防部开始研究建立新一代卫星导航系统，即为目前的“授时与测距导航系统／全球定位系统”（navigationsystemtimingandranging/globalpositioningsystem——NAVSTAR/GPS），通常称之为全球定位系统（GPS）。

从该系统研制开始，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。

GPS实施计划共分三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。

研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行试验。

第二阶段为全面研制和试验阶段。

从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。

实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。

第三阶段为实用组网阶段。

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。

1993年底实用的GPS网，即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

1.1.2GPS系统组成

GPS系统主要由三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分所组成（图1-1）：

图1-1GPS系统的组成

一、空间星座部分

全球定位系统的空间卫星星座见图1-2，由24（3颗备用卫星）颗卫星组成。

卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上分布有4颗卫星。

卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°。

在相邻轨道上，卫星的升交距相差30°。

轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。

因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4分钟。

每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。

GPS卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测，加上卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。

图1-2全球定位系统的空间卫星星座

二、地面监控部分

GPS的地面监控部分，目前由分布在全球的5个地面站组成，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。

监测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环境数据传感器。

接收机对GPS卫星进行连续观测．以采集数据和监测卫星的工作状况。

原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。

所有观测资料由计算机进行初步处理．并储存和传送到主控站．用以确定卫星的轨道。

2．主控站

主控站一个，设在美国本土科罗拉多·斯平士（ColoradoSprings）的联合空间执行中心CSOC。

主控站除了协调和管理地面监控系统工作外，其主要任务是：

（1）根据本站和其他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，并把这些数据传送到注入站；

（2）提供全球定位系统的时间基准。

各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，井把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站；

（3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；

（4）启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。

3．注入站

注入站现有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（DiegoCarcia）、南大西洋的阿松森岛（Ascencion）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3．6m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、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。

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网络联系起来，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。

三、用户设备部分

GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础。

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。

用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成。

而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。

根据GPS用户不同的要求，GPS接收机也有许多不同的类型，一般可分为导航型、测量型和授时型。

1.1.3GPS卫星信号

GPS卫星发射的导航电文是一组不归零制二进制编码脉冲D（t）（称为基带信号）。

其带宽为△F=50Hz，传递速率50bit/s。

为了有效地将该低码率的导航电文发送给用户，采用伪码扩频技术将基带信号的频带从50Hz扩展到10.23MHz。

这些导航电文是通过两个载波频率f1=1575.42MHz（L1载波）,f2=1227.6MHz（L2载波）向地面发射。

所以GPS卫星发射的信号就是将导航电文D（t）经过二级调制后的信号。

第一级是将D（t）码调制C/A码和P码，实现对D（t）的伪随机码扩频。

第二级是将它们的组合码分别调制在上述两个载波频率上。

在载波L2上只调制了一种伪码（P码），而在载波L1上调制了两种码（P码和C/A码），并且是采用正交调制方式调制的。

1.1.4GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置[5]。

如图1-3所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

图1-3GPS定位原理示意图

上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vt0为未知参数，其中di=c△ti（i=1、2、3、4）。

di（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c为GPS信号的传播速度（即光速）。

四个方程式中各个参数意义如下：

x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。

xi、yi、zi（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。

Vti（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。

Vt0为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vt0。

1.1.5GPS定位误差

在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。

影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：

（1）与GPS卫星有关的因素

　　SA政策：

　　美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度、在GPS基准信号中加入高频抖动等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

　　卫星星历误差：

　　在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。

　　卫星钟差：

卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。

卫星信号发射天线相位中心偏差：

　　卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

（2）与传播途径有关的因素

　　电离层延迟：

　　由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。

电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。

对流层延迟：

由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。

电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。

　　多路径效应：

　　由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。

　　（3）与接收机有关的因素

　　接收机钟差：

　　接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。

　　接收机天线相位中心偏差：

　　接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。

　　接收机软件和硬件造成的误差:

　　在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

（4）其它

GPS控制部分人为或计算机造成的影响:

由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。

数据处理软件的影响：

数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。

1.1.6GPS应用前景

过去,GPS的应用大都集中在军事领域，随着时代发展，GPS现己广泛应用于我们日常生活之中，如卫星导航系统、陆地交通运输调度、监控与导航，以及具有GPS定位功能个人手机等。

如今，GPS的应用领域主要有以下几部分：

资源调查、土地探测、调度与监控、导航与定位，其中,普遍看好汽车导航定位系统及个人手机定位系统市场。

1.2通用分组无线业务——GPRS

GPRS（GeneralPacketRadioService）即通用分组无线业务，它是在现有GSM网络基础上发展起来的分组交换系统，与因特网或企业网相连，向移动客户提供丰富的数据业务。

1.2.1GPRS发展概述

通常将移动通信分为三代。

第一代是模拟的无线网络，第二代是数字通信包括GSM、CDMA等，第三代是分组型的移动业务，称为3G。

GPRS是介于第二代和第三代之间的一种技术，通常称为2.5G，目前通过升级GSM网络实现。

可以称之为2.5G，因为它是一个混合体，采用TDMA方式传输语音，采用分组的方式传输数据。

1.2.2GPRS网络结构

GPRS网络是在现有GSM网络中引入三种新的逻辑网络实体，服务GPRS支持节点（SGSN）、网关GPRS支持节点（GGSN）以及分组控制单元（PCU），使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。

在使用中，控制器或电脑通过串行或无线方式连接到GPRS蜂窝电话上，GPRS蜂窝电话与GSM基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送GPRS服务支持节点（SGSN），而不是通过移动交换中心（MSC）连接到语音网络上。

SGSN与GPRS网关支持节点（GGSN）进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网。

来自因特网标识有移动地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。

其系统结构如图1-4所示。

图1-4GPRS系统结构图

SGSN是GSM网络结构中的一个节点，它与MSC处于网络体系的同一层。

SGSN通过帧中继与BTS相连，是GSM网络结构与移动台之间的接口。

SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。

GGSN通过基于IP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，是连接GSM。

网络和外部分组交换网（如因特网和局域网）的网关，GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP网络;PCU负责管理分组分段和规划、无线信道、传输错误检测和自动重发、信道编码方案、质量控制、功率控制等。

1.2.4GPRS业务特点

GPRS网为移动数据用户主要提供突发性数据业务，能快速建立连接，无建链时延。

GPRS特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量数据。

GPRS能提供的PTP（点对点）和PTM（点对多点）数据业务外，还能支持补充业务和短消息业务。

2硬件设计

2.1硬件总体框架设计

硬件总体设计框架如图2-1所示，主要由以下模块组成：

（1）嵌入式处理器模块，

（2）GPS模块，（3）GPRS模块，（4）LCD显示模块。

图2-1硬件总体设计示意图

GPS模块和GPRS模块均采用串行方式与处理器连接，但大多数处理器只提供一个标准的串行I/O接口，因此，在系统中设置了一个串口切换电路。

当进行地理信息采集时，处理器与GPS模块连接，GPRS模块处于闲置状态；当需要将收集到的地理信息发送到数据处理中心时，处理器与GPRS模块连接，进行数据发送，而GPS模块处于闲置状态。

此外，系统还为这些模块设计了电源管理模块，以根据不同模块或者芯片的需要，提供相匹配的电源输入。

2.2嵌入式处理器的选择

嵌入式处理器是嵌入式硬件系统中最核心，最关键的部分，应根据系统应用的要求、体积、成本等因素选择合适的处理器。

89C51系列单片机由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器全部支持12时钟