基于GPS汽车导航系统的设计.docx

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基于GPS汽车导航系统的设计

毕业设计说明书

基于GPS汽车导航系统的设计

学生姓名：

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指导教师：

2012年6月

基于GPS汽车导航系统的设计

摘要

随着科技的高速发展,GPS技术也迅速发展。

基于PC机的导航系统因其价格和功耗高已不能满足社会发展的需要，嵌入式系统迅速发展起来。

特别是以ARM处理器为主的硬件平台，具有体积小、功耗低、性能强、可靠性高的特点，而且为高速、稳定性运行嵌入式操作系统提供了硬件基础。

因此，嵌入式系统已被广泛应用于工业控制、消费电子、网络通信和军事国防等各个领域。

本文主要对汽车导航系统进行了设计和介绍：

一是对GPS、组成及GPS定位原理进行了介绍；而是对汽车导航系统中用到的相关理论知识进行了介绍，包括NMEA-0183标准、嵌入式系统概述及组成、嵌入式处理器、WindowsCE、µClinux、EVC和eSuperMap等；三是对汽车导航系统硬件进行了设计；四是对汽车导航软件系统进行了设计。

硬件设计采用了Zarlink公司生产的GP2015作为射频前端与数字基带处理器芯片GP4020构成了GPS模块。

GPS模块与S3C2440处理器、网络音频模块、时钟复位电路、LED触摸显示屏、SDRAM存储器、FLASH存储、CF卡、USB和RS232接口等共同构成了汽车导航系统的硬件平台，为以后的升级提供了空间。

在软件设计上考虑到ARM7TDMI和S3C2440处理器任务不同，选择了不同的。

操作系统。

简单介绍了BootLoader的设计开发，ARM7TDMI采用了µClinux操作系统，S3C2440处理器采用了WindowsCE操作系统。

利用北京超图公司的SuperMapDeskPro进行了电子地图的绘制设计，在WindowsCE系统上运行eSupermap软件实现地图的放大、缩小、平移导航功能和其他应用软件实现车载娱乐功能。

关键字：

GPS,汽车导航系统,ARM

DesignofcarnavigationsystembasedonGPS

Abstract

Withtherapiddevelopmentoftechnology,GPStechnologyisalsodevelopingrapidly.NavigationsystembasedonPCforitspriceandhighpowerconsumptionalreadycannotsatisfythedemandofsocialdevelopment,embeddedsystemhavedevelopedrapidly.EspeciallyhardwareplatformwiththeARMprocessor,notonlyhassmallsize,lowpowerconsumption,strongperformance,thecharacteristicsofhighreliability,highspeed,stability,butalsoprovidesrunningembeddedoperationsystemforthehardwarefoundation.Therefore,theembeddedsystemhasbeenwidelyusedinindustrialcontrol,consumerelectronics,networkcommunication,militarydefense,andotherfields.

Thispaperfocusesonthedesignandintroduceofcarnavigationsystem:

Firstly,theintroductiontoGPS,compositionandGPSpositioningprinciple;Secondly,theintroductiontotherelatedtheoryandknowledgeareusedinthecarnavigationsystem,includingNMEA-0183standard,embeddedsystemoverviewandcomposition,embeddedprocessor,WindowsCE,µClinux,EVCandeSuperMap,etc.;Thirdly,thedesigntohardwareofcarnavigationsystem;Fourthly,thedesigntosoftwareofcarnavigationsystem.

ThehardwaredesignusesGP2015fromZarlinkasRFfront-endanddigitalbasebandprocessorchipsGP4020,constitutetheGPSmodule.GPSmoduleandS3C2440processor,networkaudiomodule,clockresetcircuit,theLEDdisplay&touchscreen,SDRAMmemory,FLASHstorage,CFcard,USBandRS232interfaceconstitutethehardwareplatformofcarnavigationsystem,whichprovidesroomforthefutureupgrading.

BecausethetaskofARM7TDMIandS3C2440processorisdifferent,sowechoosedifferentoperatingsystem.AndintroducingsimplythedesignanddevelopmentofBootLoader,ARM7TDMIadoptedµClinux,S3C2440processorusedWindowsCE.ThedrawingdesignofelectronicmapiscompletedinSuperMapDeskPro,inWindowsCEoperatingsystem,eSupermapsoftwarerealizesthenavigationfunction,suchasthemapamplification,narrow,translation,etc.;thein-carentertainmentfunctionrealizedintheoperationofotherapplicationsoftware.

Keywords:

GPScarnavigationsystemARM

1绪论

1.1研究背景及意义

导航的概念最早起源于航海，起初只是用来引导船只安全航行。

从几千年前，人们就开始对导航技术进行了大量的研究，计里鼓车和指南车的出现都是人类在导航技术方面探索的结果，中国古代四大发明之一的指南针，也是最早古代出现的导航设备[]。

随着科技的不断发展，在全球范围内，城市建设加快、汽车拥有率提高、道路扩展、交通系统日益复杂，汽车工业与电子工业的不断发展,使电子技术在现代汽车上的应用越来越广泛。

随着新能源的开发和利用、汽车工业低碳化的生产，汽车电子技术正趋向于环保、安全、信息化方向发展。

信息化、智能化、网络化被公认为汽车电子产品发展的主要趋势。

导航产业也随着这些因素的影响而兴起和不断发展，特别是在欧美市场车载导航产品需求持续攀升，众多厂商纷纷投入车载导航产品生产行列。

进入2011年，中国GPS市场竞争更加激烈，竞争焦点由价格向品牌、服务转移的趋势更加明显。

这也意味着中国GPS市场正进入发展的拐点期，未来的汽车导航市场将有一个可以预见的良好前景。

但在我国，大部分车辆都还没有配装GPS导航定位系统，能够配备包含诸多功能及丰富信息的导航电子地图仍为数不多，技术上差距较大，各种GPS产品的质量良莠不分，价格参差不齐[]。

因此,我国必须在较短的时间内开发出具有自主知识产权的导航应用系统并实现产业化，这对提高我国在汽车自导航应用中自主创新能力、实现各类车辆的有效指挥、控制和管理、人们日常出行提供便利的交通信息和地理引导以及国名经济都有着同样的重要意义。

1.2国内外汽车导航发展现状

1.2.1国外现状

在国外，GPS导航系统研究起步较早，应用也十分广泛。

美国在在20世纪中期就引入了一种具有无线路径引导功能的导航系统，有利的控制和疏导了交通。

到了90年代，又实施了面向新世纪的新一代交通智能方案，从根本上解决了交通中的各种问题，减少了事故事发率，降低了能源浪费，提高了工作效率。

日本从20世纪70年代初开始，就相继实施、完成了“动态路径诱导系统”，“道路车间通信系统”，“管理交通信息控制系统”，“超智能车辆系统安全车辆系统等方面的研究。

从根本上改变了道路交通状况，满足了人们日常生活的需求。

在欧洲，80年代初期，英、法等国先后各自研究适合自己本国的GPS导航系统[]。

GPS车载导航定位系统一经问世，即显示出强大的生命力和广阔的应用前景，并产生了巨大的社会和经济效益，成为90年代至今整个世界新的经济增长点之一。

由于巨大的市场潜力和不可估量的发展前景，日本几乎所有的汽车生产厂家都参加了这一高科技角逐，仅近几年投入市场的车载自主导航新系统就有30多个。

美国、欧洲和日本的车载导航仪产品已经日益走向成熟，形成了规模化的市场需求。

如日本的宏达、尼桑、本田、马自达、三菱以及松下、先锋、阿尔派、健伍等公司都有自己的车载导航产品。

世界其它发达国家如美国、德国、荷兰不甘落后，力图在该市场占有一席之地。

目前在欧洲，由飞利浦、西门子开发的车载导航系统1995年已在雷诺、菲亚特等大众化民用车辆上使用；奔驰-S系列、宝马-7系列从上世纪90年代年起，厂装车辆已将GPS车载导航系统列在选装清单上。

此外，根据《GPSWord》杂志刊登的美国工业发展研究机构的数据，2007年，日本、北美和欧洲每年约有2000万套产品售出，预测在2010-2015年间，约有60-70％的汽车在出厂时，就已装备车载导航系统，在以后时间里该系统的普及率将会逐渐提高到90％[]。

1.2.2国内现状

中国的车载导航技术经过十几年的市场培育，用户目标与需求已逐步明确，以及技术的研发、市场的培育的逐步完善，车用导航装置应用市场业已启动和日臻成熟，现在已逐步进入应用的高速发展时期。

中国上世纪末发射、建立并逐步健全的专为交通行业应用的北斗导航定位系统，将为车辆卫星导航定位产业的发展提供良好的基础条件和无限广阔的空间。

此外，中国的道路建设和电子地图技术，尤其是轿车市场的发展极大的推动了车载导航技术的发展。

但是，GPS技术传入中国的时间不是很长，导航系统的研制和发展较晚，硬件制造以及导航软件、导航地图等方面都与发达国家存在相当大的差距。

目前汽车导航产品的准确性能不尽如人意，导航仪硬件、软件质量以及地图更新等问题层出不穷。

目前我国车载导航系统发展存在的困难主要由以下几个方面：

1、不完善的硬件设施

由于我国现在还属于发展中国家，同时具有较为广泛的地理范围，这都使得相应的交通通信等硬件设施需要较长时间的发展，因此现今为止我国都未建立起一套完善的交通实时处理系统。

所以，目前市场上销售的车辆导航系统都是针对已经设计好的路况信息进行导航的，这也就妨碍了我国实时交通系统的发展。

2、不规范的电子地图标准

规范的电子地图标准是地理信息系统发展的必要。

我国为了解决该问题成立了相应的项目专题小组。

该小组通过对我国地理信息的研究和对国际上的电子地图标准的分析，提出了建立我国电子地图标准的必要性。

因此，我国的相关机构正在加紧制定适合我国国情的导航电子地图标准。

3、现有产品的发展不够均衡

导航系统产品的开发和发展需要多种技术的整合，例如测绘技术、计算机技术、通信技术、机械工程等技术。

这些技术都是较为重要的技术，不能作为普通技术被大多数厂家所掌握。

所以国内导航产品的发展不够均衡，大多数都存在着技术较为简单、地图不够准确、产品价格较高等缺点，而就制约了电子导航产品的广泛性和服务性能。

因为，一个好的导航产品需要多种企业的共同协调发展，例如整理地图数据的公司、相应的计算机软件服务公司和车载电子产品的硬件制造公司等等，只有这些企业的技术得到了共同的进步发展，才能使得导航产品得到高速发展[]。

2汽车导航系统相关理论

2.1GPS及组成

目前，世界上正在运行的全球卫星定位导航系统主要有两大系统，即美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS（格鲁纳斯）系统。

欧洲也提出来具有自己特色的GALILEO（伽利略）全球卫星定位计划。

中国在21世纪初也开始拥有自主知识产权的全球卫星定位导航系统，即北斗星卫星导航系统[]。

GPS是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通（船舶、飞机、汽车等）导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活（人员跟踪、休闲娱乐）等不同领域。

GPS又称为全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年、耗资200亿美元，于1994年3月完成其整体部署，实现其全天候、高精度和全球的覆盖能力。

现在GPS与现代通信技术相结合，使得测定地球表面三维坐标的方法从静态发展到动态，从数据后处理发展到实时的定位与导航，极大地扩展了它的应用广度和深度。

载波相位差分法GPS技术可以极大提高相对定位精度，在小范围内可以达到厘米级精度。

此外由于GPS测量技术对测点间地通视和几何图形等方面的要求比常规测量方法更加灵活、方便，已完全可以用来施测各种等级的控制网。

GPS全站仪的发展在地形和土地测量以及各种工程、变形、地表沉陷监测中已经得到广泛应用，在精度、效率、成本等方面显示出巨大的优越性。

GPS由空间卫星部分、地面控制部分和用户设备（GPS接收机）三大部分组成。

1.空间卫星部分是由分布在与地球赤道面倾角为55°的6个轨道面上的24颗卫星（21颗工作星，3颗备份星）组成的，其运行周期为11h59min，轨道平面高度为20200km，这样的分布是为了保证每天出现在地平线上的卫星数目在4～11颗左右。

GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射机和接收机及微处理器，GPS定位的关键在于高稳定度的频率标准。

在GPS中，GPS卫星是作用如下。

（1）用L波段的两个无线载波（波长为19cm和24cm）向广大用户不断地发送导航定位信号。

每个载波用导航信号D（t）和伪随机码（PRN）测距信号进行双向调制。

用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A码，精美测距码叫P码。

由导航电文可知道卫星当前的位置和卫星的工作状况。

（2）在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm）发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。

（3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。

2.地面控制部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。

（1）主控站

主控站又称联合空间执行中心，它位于美国科罗拉多州普林斯附近的佛肯空军基地。

它的任务有：

采集数据、推算编制导航电文；给定全球定位系统时间基准；负责协调和管理所有地面监测站和注入站系统，诊断地面支撑系统和卫星的健康状况，并加以编码向用户指示，使整个系统正常工作；调整卫星运动状态，启用备用卫星。

（2）注入站

3个注入站的任务是将主控站发来的电文注入到相应卫星的存储器。

每天注入3次，每次注入14天的星历。

此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。

（3）监测站

5个监测站除了位于主控站和3个注入站之处的4个站以外，还在夏威夷设立了1个监控站。

监控站的任务就是为主控站提供卫星的观测数据。

每个监测站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6min进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。

在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每15min平滑一次观测数据，依此推算出每2min间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。

3.用户设备（GPS接收机）

（1）GPS接收机分类

按用途分为导航型接收机、测地型接收机和授时型接收机。

导航型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。

这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25m。

这类接收机价格便宜，应用广泛。

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。

这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。

仪器结构复杂，价格较贵。

授时型接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通信中时间同步。

按接收的载波频率分为单频接收机和双频接收机。

单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。

由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）精度定位。

双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号。

利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千千米的精密定位。

按接收机通道数可分为多通道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机。

按接收机工作原理分为码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机和干涉型接收机。

码相关型接收机是利用码相关技术得到的伪距观察值，即由GPS接收机产生与卫星上发射的伪随机码结构完全相同的复制码，通过移相器使复制码与接收码最大相关，测定卫星信号到达用户接收机天线的传播时间。

平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定载波伪距观测值。

混合型接收机就是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。

干涉型接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。

（2）GPS接收机组成及工作原理

GPS接收机主要由GPS接收机天线、GPS接收机主机及电源组成。

接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成，如图2.1所示。

图2.1GPS接收机模块图

1）GPS接收机天线

天线由接收机天线和前置放大器组成。

天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波信号软化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大。

为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对天线部分由以下要求：

天线和前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失；能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；有防护与屏蔽措施，最大限度地减弱信号的多路径效应；天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。

由于GPS天线接收来自约20200km高空的卫星信号很弱，信号电平只有-50dB～-180dB,输入功率信噪比为S/N=-30dB,即信号淹没在噪声中。

为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器。

对于双频接收机设有两路前置放大器，以减少带宽，控制外来信号干扰，防止

、

信号干扰。

大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，但也有些导航型接收机为减少天线质量、便于安装、避免雷电事故，而将天线和前置放大器分开。

2）GPS接收主机

经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变低频信号，必须采用变频器。

信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。

不同类型的接收机其通道是不同的。

GPS信号通道的作用是：

①搜索卫星，牵引并跟踪卫星；②对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文；③进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。

从卫星接收到的信号是扩频的调制信号，所以要经过解扩、解调才能得到导航电文。

为了达到此目的，在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。

接收机内设有储存器或存储卡，以存储卫星星历、卫星星历、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。

微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是微机指令统一协同下进行的。

其主要工作步骤是：

①接收机开机后首先对整个接收机工作状态进行自检，并测定、校正、存储各通道的时延值；②接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星，当捕捉到卫星后即对信号进行牵引和跟踪，并将标准信号译码得到GPS卫星星历，当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置；③根据机内存储的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角；④根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航参数、航偏距、航偏角、航行速度等；⑤接收用户输入信号，如测站名、测站号、作业员姓名、天线高、气象参数等。

GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息，并配有一个控制键盘，用户可以通过键盘控制接收机工作，对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。

3）电源

GPS接收机电源有两种：

一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存储器供电，以防止数据丢失；另一种为外接电源，这种电源常用于可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。

当用交流电时，要经过稳压电源或专用电源交换器。

综上所诉，GPS接收机的工作流程是：

当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发出的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、三维坐标和时间。

GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。

2.2GPS定位原理

GPS的定位通过获得若干卫星的位置及接收机离卫星的距离来计算用户的位置，也就是每一颗卫星连续不断地向GPS接收机发送可跟踪的唯一编码序列，GPS信号接收机可根据接收的编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。

GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其信息内容包括各空间卫星的识别标志、精密原子钟的标准时间信号和空间卫星自身的参数。

卫星发射两个载波频率：

L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz，在L1载波上调制有1.023MHz的伪随机噪声码（C/A码）和10.23MHz的伪随机噪声码（P码）以及50b/s的导航电文，在L2载波上只调制有P码和导航电文。

GPS卫星导航系统采用多星高轨测距体制，以距离作为基本观测量。

卫星发射的L1载波和伪随机噪声码都与卫星时钟同步，经过一定的传播延迟后，被接收机接收。

接收机将接收到的信号解调，得到延迟后的伪随机噪声码，它与接收机本身产生的伪随机噪声码相比较，即可确定两个码之间的相对位移，及传播延迟T，