北斗卫星定位系统研究.docx
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北斗卫星定位系统研究
哈尔滨理工大学
毕业设计
题目：
北斗定位系统研究
院、系：
荣成学院电气工程系
姓名：
朱瑞锋
指导教师：
侯甲童
系主任：
王哈力
2016年6月24日
北斗定位系统研究
摘要
全球卫星导航系统已经成为重要的信息产业之一，越来越多的国家注意到其巨大的潜在价值。
并成为衡量一个国家综合实力强弱的工具，成为各国研究的重点。
本设计主要对基于STC89C52单片机的北斗定位接收机的软硬件系统展开了研究。
首先，研究了北斗导航系统的发展现状、原理和特点；其次，选用和芯星通的UM220-ⅢN芯片为北斗模块的核心芯片；然后，研究了接收机芯片的工作原理和特征，确定了北斗导航接收机的硬件和软件整体方案；最后，在此方案的基础上进行了软硬件的调试。
本次设计的接收机首先通过北斗模块接收定位信息，然后发送给单片机进行信息处理，最终在显示模块显示且在语音模块播报。
本设计所做的北斗导航接收机实现了精准定位。
可以用LCD12864显示经纬度、速度、时间、日期，并且用YS-M3语音播报模块播放经纬度。
关键词卫星定位系统；北斗；STC89C52；UM220-ⅢN芯片
TheResearchofBeidouPositioningSystem
Abstract
Theglobalsatellitenavigationsystemhasbecomeoneoftheimportantinformationindustry.Moreandmorecountriespayattentiontoitshugepotentialvalue.Ithasbecomethetooltomeasureanation'scomprehensivestrength,andafocusofresearch.
Inthisdesign,thehardwareandsoftwaresystemoftheBeidoupositioningreceiverbasedonSTC89C52singlechipmicrocomputerisstudied.Firstly,thepaperstudiesthedevelopment,principleandcharacteristicoftheBeidounavigationsystem;secondly,choosetheHeXinXingTongUM220-IIINchipasthecorechipofBeidoumodule;then,studytheworkingprincipleandcharacteristicsofthereceiverchip,determinetheBeidounavigationreceiverhardwareandsoftwareoftheoverallprogram;finally,onthebasisofthisschemewerethedebuggingofthehardwareandsoftware.ThedesignofthereceiverfirstthroughtheBeidoumoduletoreceivepositioninginformation,andthensenttothemicrocontrollerforinformationprocessing,andfinallyinthedisplaymoduledisplayandbroadcastinthevoicemodule.
ThisdesignfortheBeidounavigationreceiverhasrealizedtheaccuratepositioning.ItcanbeusedLCD12864displaylatitudeandlongitude,speed,time,date,andwithYS-M3speechmoduleplaythelatitudeandlongitude.
KeywordsSatellitepositioningsystem;Beidou;STC89C52;UM220-ⅢNchip
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
全球导航卫星系统（GlobalNavigationSateliteSystem,GNSS）是一种为人们提供全球、全时段高精度定位导航信息的卫星系统。
作为一个国家的基础设施，GNSS标志着一个国家的综合实力，是保障国家安全、提高人民幸福指数的重要设施。
众所周知，20世纪70年代以来。
以美国和苏联为首的各国认识到太空资源的重要性，相继启动各自的卫星导航计划。
为紧随经济和科技迅速发展的步伐，我国于1980年开始创立一个独立的北斗卫星导航系统。
2003年，随着将第三颗北斗卫星顺利送入太空，我国组建了完整的卫星导航定位系统，可以确保全天候、全天时提供卫星导航通信信息。
标志着继美国和前苏联后，我国成为世界上第三个建立了完善卫星导航系统的国家。
改变了我国长期缺少高精度、实时定位的局面，填补了我国卫星导航定位系统的领域空白[1]。
1.2国内外发展现状
1.2.1国外发展现状
目前，世界上已建成的全球卫星导航体系有美国的“全球定位系统”（GPS）和俄罗斯的“格洛纳斯”（GLONASS）系统。
而欧洲也正在抓紧建设“伽利略”（Galileo）系统[2]。
1995年4月27日，美国成功实现了GPS系统的完全组网运行。
在空间部分，GPS的星座由24颗卫星组成，这24颗卫星等距地分布在6个近圆轨道上，每个轨道上有4颗卫星。
接收部分由1个主控站和5个监控站组成。
用户在同一时刻精准计算4颗卫星信号的传播时间，可得到高精度的三维定位数据。
现役的第二代GPS卫星增加了星钟、星间链路和自主导航三大功能，大大增强了GPS的导航精度、GPS系统的生存能力。
1995年12月，俄罗斯（前苏联）的GLONASS卫星定位系统落成。
但由于美国压制和后期资金紧缺，补网卫星没有及时发射，系统还满足不了导航和定位的要求。
GLONASS系统由24颗卫星组成，散布在三个轨道上。
GLONASS系统的民用标准定位精度是50m。
伽利略卫星导航系统（Galileo）是由欧盟牵头开发的全球卫星导航体系。
该体系内共有30颗卫星，包括27颗运行星，3颗备用星。
2014年8月，随着第二批的一颗卫星成功进入预定轨道，太空中已有6颗正式的伽利略卫星，可初步施展地面定位的作用。
Galileo系统与GPS系统、GLONASS系统相兼容的全球定位系统。
它吸收了GPS的经验，具有很多优点。
Galileo系统实施了三载波模糊度解算技术（Three-carrierAmbiguityResolution,TCAR），较好地处理了加密、密钥和拒用三者的关系。
该系统定位精度10m，定时精度33ns[3]。
当今，卫星导航系统正在向多系统组合导航和差分导航方向发展。
卫星导航定位技术与惯性导航技术、无线电导航技术相结合，并且即将应用数字化铯钟技术。
这对我国北斗导航系统提出了更严格的要求和更新的挑战。
1.2.2国内发展现状
中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS）由空间段、地面段和用户段三部分构成。
目前为止，中国已成功发射22颗北斗导航卫星。
已成功覆盖亚太大部分地区，具备区域无源导航服务能力。
预计2020年前后，北斗导航系统将形成全球无源服务能力。
随着我国综合实力水平的提高，“北斗”产品越来越多地在工业制造、军用领域、生活服务领域发挥着不可替代的作用。
北斗定位系统在陆地上的开发应用方面具有极其重要的地位，体现在诸多方面，如：
车辆行驶状态监测和导航；旅游景点导航；应急车辆最快路线引导；大气物理观测；工程建设的施工测算；板内运动状态和地壳形变测量；智能火车网建设；智能放牧；气象监测等[4]。
北斗定位系统在海洋方面有着同样重要的作用，例如：
提供远洋船只的定位；计算最短航程，提高运输安全和效率；远洋船队在航行中的实时调度和检测；提供两船之间、船与陆地的短报文通信；海洋救援的搜救和定点测量；海底管道铺设测量；水文监测等。
2014年11月23日，国际海事组织海上安全委员会审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函，这标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得面向海事应用的国际合法地位[5]。
北斗定位系统在航空方面的应用主要体现在：
民航飞机的自主导航；飞机精密着陆；飞机空中加油等。
北斗系统已经在我国许多领域发挥着重要作用。
利用这套系统，最基本的就是接收北斗系统发出的信号并能够实时输出显示。
输出的信息包括定位地点的经纬度、天线高程、UTC（协调世界时）时间、地面速度、日期、时间、卫星个数等。
由于北斗系统发展时间较短，与GPS和GLONASS系统在精度方面有一些差距。
但相信北斗卫星系统在未来会大放异彩。
1.3本课题主要研究内容
本设计采用STC89C52单片机为核心，研究北斗卫星工作原理，读取北斗卫星导航模块的标准数据，在LCD12864屏幕上显示当前的经纬度、日期、时间和速度信息，并且使用语音模块播报经纬度。
能够正确画出系统原理图，并且能够正确调试电路，最终完成导航系统的实物制作，为今后开发北斗卫星导航仪打下基础。
第2章北斗定位系统
2.1北斗定位系统概述
北斗卫星导航定位系统是中国正在努力实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航定位系统。
系统建设目标是：
建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统。
促进卫星产业链形成，具有完善的国家卫星导航系统。
2.1.1北斗定位系统组成
北斗卫星导航定位系统由空间段、地面段和用户段三部分构成。
空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。
地球静止轨道卫星分别位于58.75ºE、80ºE、110.5ºE、140ºE和160ºE。
非静止轨道卫星由3颗倾斜同步轨道卫星和27颗中圆轨道卫星组成[5]。
地面段包括主控站、注入站和监控站等若干个地面站。
主控站主要作用是收集每个监测站的观测数据，分析数据，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行与控制等。
注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷的控制管理。
监测站接收卫星信号，发送给主控站，实现对卫星的跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。
用户段包含北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。
北斗卫星导航系统采用卫星无线电测定（RadioDeterminationSatelliteService,RDSS）与卫星无线电导航（RNSS）集成体制。
既能像GPS一样，为用户提供卫星无线电定位服务，又具有位置报告及短报文通信功能。
2.1.2北斗定位系统的定位原理
目前，国际上三大定位系统GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星导航系统的定位原理都是相同的，均是采用三球交会的几何原理来实现定位。
用户接收机在同一时刻接收两颗及以上卫星信息，计算出接收机至两颗卫星的距离，解算出卫星的空间坐标，再利用距离交会法解算出用户接收机的位置。
具体流程如下：
1.用户测量出接收机到三颗卫星的距离；
2.卫星的位置精确已知，通过电文播发给用户；
3.以卫星为球心，距离为半径画球面；
4.三个球面交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。
如图2-1所示。
图2-1三球交会定位原理图
由于第二代北斗导航卫星系统已不再要求用户发送上行信号，因为不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息，而是直接接受卫星单方面测距信息自行定位，所以需要4颗以上的卫星测距才可精确定位。
这样就面临一个问题，就是需要大量卫星实行全覆盖，所以我国的北斗卫星目前为止只能进行亚太地区的卫星导航通信，还没有全球覆盖[6]。
如图2-2所示。
图2-2北斗定位原理图
2.2UM220-ⅢN模块
2.2.1UM220-ⅢN芯片介绍
如图2-3为和芯星通针对车辆导航、便携设备、电信/电力授时、气球探空等应用生产的具有自主知识产权的国产北斗/GPS双系统模块。
UM220-ⅢN芯片采用的是ARM9内核，较高的跟踪灵敏度，定位精度2.5m，速度精度0.2m/s，授时精度优于20ns。
该模块具有功耗低、体积小、可靠性高等特点。
图2-3UM220-ⅢN模块外观
相较于单一的GPS模块，UM220-ⅢN可以随意切换接受信息模式。
可接收单一的GPS或北斗定位信息，也可同时接收北斗和GPS双信号。
这样大大加强了定位信息的准确性[7]。
2.2.2UM220-ⅢN引脚功能描述
如图2-4、表2-1为UM220-ⅢN的引脚图和引脚功能介绍。
UM220-ⅢN引脚为两排对称排列共24个引脚：
图2-4UM220-ⅢN引脚图
表2-1UM220-ⅢN管脚说明
序号
名称
I/O
电平标准
描述
1
nRESET
I
LVTTL
外部低电压重置
2
AADET_N
I
LVTTL
有源天线检测
1:
非有源天线
0:
有源天线
3
TIMEPULSE
O
LVTTL
时间脉冲
4
EXTINT0
I
LVTTL
外部中断引脚
5
GPIO2
I
LVTTL
天线短路检测
1:
天线对地短路
0:
天线对地正常
6
TXD2
O
LVTTL
串口2发送数据
7
RXD2
I
LVTTL
串口2接收数据
8
RSV
保留管脚，悬空处理
9
VCC_RF2
O
3.0V±10%
输出电压信号（不用则悬空）
10
GND
I
接地
11
RF_IN
I
GNSS输入信号（BD2B1+GPSL1）
12
GND
I
接地
13
GND
I
接地
14
SPLSDO
O
LVTTL
SPI数据输出引脚（不用则悬空）
15
SPLSDI
I
LVTTL
SPI数据输入引脚（不用则悬空）
16
SPLSCK
O
LVTTL
SPI时钟引脚（不用则悬空）
17
SPLCS1
O
LVTTL
SPI芯片选择1（不用则悬空）
18
SDA23
I/O
LVTTL
DDC数据（不用则悬空）
19
SCL24
I/O
LVTTL
DDC时钟（不用则悬空）
20
TXD1
O
LVTTL
串口1发送数据，固件升级
21
RXD1
I
LVTTL
串口1接收数据，固件升级
22
V_BCKP
I
2.0V～3.6V
RTC和SRAM备份电压
23
VCC
-
3.0V±10%
供电电源
24
GND
-
接地
2.2.3UM220-ⅢN输出语句格式
北斗数据遵循NMEA-0183协议，该数据标准是由美国国家海事电子协会（NationalMarineElectronicsAssociation,NMEA）于1983年制定的。
同一标准形式NMEA-0183输出使用ASCII码，其串行通讯的参数为：
波特率4800bps，数据位8bit，开始位1bit，停止位1bit，无奇偶校验位。
数据传输以“语句”形式进行，每句话都以“$”开头，接着是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”，最后就是以逗号分割的数据体，最末尾为校验和。
在UM220-ⅢN模块中，“识别符”有三种。
其中，GP为GPS系统单独定位；BD为北斗系统单独定位；GN为GPS与北斗系统混合定位。
NMEA-0183的数据信息有十几种。
其中，GGA为输出GPS定位信息；GLL为输出大地坐标信息；ZDA为输出UTC时间信息；GSV为输出可见的卫星信息；GST为输出定位标准差信息；GSA为输出卫星DOP值信息；ALM为输出卫星星历信息；RMC为输出GPS推荐的最短数据信息等。
鉴于本文配置信息为RMC形式，所以只介绍RMC语句格式。
对于一般的GPS定位应用，RMC语句完全可以满足要求。
格式如下[8]。
$GNRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>
表2-2RMC语句格式说明
编号
含义
取值
格式
备注
<1>
定位时间
000000.00～125959.99
hhmmss.ss
UTC时间
<2>
状态有效位
A/V
A：
有效V：
无效
<3>
纬度
0000.0000～8959.9999
ddmm.mmmm
dd：
度mm.mmmm：
分
<4>
南北半球
N/S
N：
北纬S南纬
<5>
经度
00000.0000～17959.9999
dddmm.mmmm
ddd：
度mm.mmmm：
分
<6>
东西半球
E/W
E：
东经W：
西经
<7>
地面速度
000.00～999.99
单位：
节
<8>
速度方向
000.00～359.99
<9>
日期
010100～311299
日，月，年
<10>
磁偏角
00.00～99.99
单位：
度
<11>
磁偏角方向
E/W
固定为E
<12>
模式指示及校验和
A/N
A：
单点定位
N：
未定位
校验和：
本语句从‘$’到‘*’之间所有字符进行异或得到的16进制数
2.3本章小结
本章主要包括两部分内容。
首先，介绍了北斗系统的组成与原理；在充分了解北斗定位原理后，讲解了UM220-ⅢN模块的基本信息。
包括UM220-ⅢN模块的电气特性和引脚介绍。
最后讲解了UM220-ⅢN输出语句格式和各数据位的含义。
第3章总体方案设计
北斗接受模块通过天线接收卫星信号，实现对天线视野内卫星的跟踪、锁定和测量。
在获得卫星的位置信息和测量出卫星信号的传播时间后，就可计算出天线所在位置，即实现定位。
用户通过输入输出接口，获取定位信息语句，通过单片机进行信息处理。
最后通过显示屏和语音播报模块进行人机交互。
本设计要求通过单片机控制北斗导航器件实现定位信息显示和播报功能。
北斗模块使用的是以和芯星通UM220-ⅢN模块为核心的BD+GPS接收机。
利用STC89C52单片机串口接收北斗和GPS混合信号（GNRMC）。
并通过软件实现显示和播报定位数据。
显示屏采用LCD12864，语音播放模块使用YS-M3模块。
如图3-1所示为整体方案框图，通过天线接收的数据信号经过芯片UM220-ⅢN模块处理，通过串口将定位信息传到单片机，最后通过单片机信息处理在LCD12864显示并在语音模块播放[9][10]。
图3-1北斗导航硬件设计框图
3.1单片机最小系统
本设计中使用的是STC89C52单片机，单片机具有的特点有稳定性好、成本经济、使用简单、可控性好等。
单片机电路加上复位和晶振两个部分就形成了其最小系统。
最小系统是构成开发板的基本单元。
以此为基础，用户加上北斗模块、语音播放模块和显示模块。
单片机最小系统电路图如图3-2所示。
其中包含晶振电路和复位电路。
晶振电路采用11.0592MHz的无源晶振，所以并联两个30pF电容作为起振电路[11]。
图3-2单片机最小系统电路
3.2北斗定位模块电路
本设计选用的是和芯星通公司的UM220-ⅢN双系统高性能北斗定位模块。
基于该公司的双系统多频率高性能SOC芯片，能够同时支持BD2B1、GPSL1两个频点。
UM220-ⅢN体积小，采用SMT焊盘，适合低成本、低功耗的北斗模块。
UM220-ⅢN通过UART接口与开发板进行通信。
本设计中使用的北斗开发板为江苏艾琳科技生产的北斗开发板。
该开发板可将TTL电平通过MAX232转换成232电平，与电脑进行数据交互。
并引出了两组串口，两组串口都可以输出NMEA扩展语句，串口1还可对芯片内部升级[7]。
实物如图3-3所示。
图3-3北斗开发板实物图
本北斗卫星模块串口有磁珠和瞬态抑制二极管（TransientVoltageSuppressor,TVS），用于对浪涌的消除，使得模块更加安全稳定。
如图3-4为模块电源集成电路。
模块电源集成电路由LM317集成稳压器构成，可输出1.2V~37V的电压，保证1.5A输出电流。
LM317有三个引脚，分别为调整端、输入端和输出端，调整端和输出端电压恒为1.25V。
可通过设置为不串联电阻分压作用获得想要输出的电压大小。
在电源两端并联多个0.1µF电容起到滤波作用，减少电源电压的波动，保护电路。
图3-4北斗模块电源电路
如图3-5为北斗模块芯片电路。
由北斗模块UM220-ⅢN和其附加电子器件组成。
其中北斗模块外接4组插针，在芯片与电源间串联电感的作用是起差模滤波作用，防止电流突变对芯片造成损坏；并联电感的作用是提高芯片运行的稳定性，防止产生噪声。
发光二极管为指示灯，每有信号传输一次则闪烁一次。
TXD1与单片机的P3.0（RXD）相连，进行串行通信。
图3-5北斗模块芯片电路
如图3-6为北斗模块串口电路图，芯片UM220-ⅢN的串口信息通过MAX232转化为232电平信号，通过9针的串口与电脑PC端相连。
可以进行模块数据定义和系统升级。
图3-6北斗模块串口电路
北斗模块关键指标如表3-1所示[12~14]。
表3-1北斗模块关键指标
电源电压
3.3V~5V
冷启动时间
32秒
热启动时间
1秒
温启动时间
<1秒
接口
TTL全双工接口
波特率
9600bps
工作环境
40℃~85℃
3.3液晶显示单元电路
LCD12864可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字、128个字符及64×256点阵显示RAM。
如图3-7和表3-2为管脚说明。
图3-7LCD12864
LCD液晶显示器数据由单片机P0口进行控制，P2口进行指令控制操作。
LCD12864主要技术参数和显示特性如：
电源：
VDD3.3V~5V（内置升压电路，无需负压）；显示内容：
128列×64行；接口：
8位并行或串行；多种软件功能：
光标显示、画面移动、自定义字符、背景光等[15]。
表3-2LCD12864管脚说明
引脚序号
管脚名称
说明
1
GND
电源地
2
VDD
电源输入（+5V）
3
V0
液晶显示对比度调节
4
RS
数据输入
5
R/W
读写选择（1读；0写）
6
E
读写使能
7-14
DB0-DB7
数据总线
15
PSB
并/串口选择（1并；0串）
16
NC
悬空
17
REST
液晶模组复位
18
Vout
悬空
19
BLA
背光源正端
20
BLK
背光源负端
3.4语音模块电路
3.4.1语音模块工作原理
YS-M3语音播放模块主要包括一个单片机芯片、一个MP3硬解码芯片、TF卡槽以及其他电阻电容组成。
语音模块工作原理：
首先将MP3歌曲文本从存储卡取出并读取存储器上的信号，其次，解码芯片对信号处理。
然后通过D/A转换器将解出来的数字
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