GPS定位系统设计.doc

本科毕业设计论文
题目:基于GPS与GPRS远程定位系统得设计与实现
作者姓名
指导教师
专业班级 自动化1003
学 院 信息工程学院
提交日期 2014年6月9日
浙江工业大学本科毕业设计论文
基于GPS与GPRS远程定位系统得设计与实现
作者姓名:
指导教师: 教授
浙江工业大学信息工程学院
2014年6月
Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technology
for the Degree of Bachelor
Design and Implementation of GPS and GPRS Based Positioning Systems
Student: Pan Wenxiang
Advisor: Yu Li
College of Information Engineering
Zhejiang University of Technology
June 2014
浙 江 工 业 大 学
毕业设计(论文)任务书
专 业 自动化 班 级 自动化1003 学生姓名 潘文祥
一.设计(论文)题目: 基于GPS与GPRS远程定位系统得设计与实现
二.原始资料:1、李艳晴等,《基于GPRS/GPS得车辆监控系统得设计》,微计算机信息,2004年第4期。 2、钟章队、 GPRS通用分组无线业务、 人民邮电出版社, 2001。 3、 李宁编著。《基于MDK得STM32处理器开发应用》,北京航空航天大学出版社。4、 邵世祥,林 刚,戴美泰 GSM移动通信网络优化 北京:人民邮电出版社2003 5、 李 龙,李广侠,朱德生 基于GSM短消息平台得数据传输及其在物流管理中得应用《军事通信技术》2001、1
三.设计(论文)要求: 1、 分析整个电路得工作原理,2、 控制电路设计,
3、 编写控制程序与实现,4、 电路、程序调试分析
四.毕业设计(论文)内容:
1设计(论文)说明书(根据大纲要求) 万字论文
2 设计(论文)图纸 电路原理图,电路仿真图,程序流程图
五.毕业设计(论文)工作期限:
任务书发给日期 2013 年 12 月 12 日
设计(论文)工作自 2013 年 12 月 12日 至 2014 年 6 月 2 日
设计(论文)指导教师
系主任
主管院长
基于GPS与GPRS远程定位系统得设计与实现
摘 要
本文以“基于GPS与GPRS远程定位系统得设计与实现”为主要内容,利用U_blox公司得U_blox Neo 6M GPS芯片与具有GPRS通信功能得SIM300芯片,以及STC系列得STC12C5A60S2单片机,制作一个GPS数据接收与发送得定位终端。文章给出了系统总体设计方案与控制终端得设计方法及开发流程。
首先阐述相关得理论知识,主要包括:研究背景,研究现状,GPS得定位得原理、GPS得组成部分、GPS得技术特点等。从该定位系统得功能与结构出发,6分析比较各种设计方案,最后选定最合适得设计方案。在系统设计分析得基础上,对所需硬件模块得选取作简单介绍与分析。
然后从系统得硬件电路设计、软件功能设计、以及软件硬件相结合得调试等方面进行分析与说明。硬件电路设计主要包括:单片机电路设计、串口连接电路设计、电源模块设计、LED显示、SIM300电路设计以及GPS模块电路设计。主要通过C语言来进行软件编写。软件程序主要包括:单片机、SIM300、GPS等模块得初始化程序、LED显示程序以及主控程序。
最后阐述了系统测试过程,并给出测试过程中所遇到得问题得解决方案。
关键词:GPS,GPRS,单片机,远程,定位系统
Design and Implementation of GPS and GPRS Based Positioning Systems
ABSTRACT
The main content of this thesis is the topic of design and implementation of GPS and GPRS based positioning systems、 Using the U_blox Neo 6M GPS module which from the U_blox pany, the SIM300 module which has the function of GPRS, the STC12 to design a GPS receiver、 And this thesis will describe all the plane of the remote position systems design、
Firstly this thesis describes the research relevant theoretical knowledge which included background, present situation, theories of GPS and the feature of GPS、 paring the idea of every design which from the function and the structure of the position systems 、Then selecting the most suitable plane from the whole、 In the system design based on the analysis, will briefly introduce and analyses of selecting hardware module、
Then analysis from the part of systems hardware design, software design, as well as a bination of software and hardware debugging、 Hardware circuit design includes: Microcontroller circuit design; serial connection circuit design; Power module circuit design; LCD display; SIM300 circuit design; GPS module circuit design、 The function of software design mainly uses the C language、 Software design includes: MCU, SIM300, GPS, etc、 of each module initialization design, LED display program, and the main design、
Finally, describes the testing of the system and solutions which encountered during the testing、
Key Words: GPS, GPRS, MCU, Remote, Positioning Systems
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1、1 课题得研究背景及研究意义 1
1、1、1 研究背景 1
1、1、2 研究意义 1
1、2 国内外发展状况 2
1、2、1 国内发展状况 2
1、2、2 国外发展状况 3
1、3 本课题得研究内容 3
1、4 文章整体结构 4
1、5 本章小结 5
第2章 定位系统相关技术 6
2、1、 美国GPS定位系统 6
2、1、1 GPS系统组成 6
2、1、2 GPS技术特点 8
2、1、3 GPS定位原理 8
2、2 四大系统得比较 10
2、3 GPS定位系统得相对优势 11
2、4 GPS定位系统得通信协议——NMEA0183 11
2、4、1 NMEA0183通讯协议硬件接口 12
2、4、2 NMEA0183语句解析 12
2、5 GPRS技术介绍 13
2、6 本章小结 13
第3章 系统总体设计 14
3、1 系统功能与组成 14
3、2 系统设计方案得选取 14
3、3 该系统定位终端硬件模块得选取 15
3、3、1 主控制模块 15
3、3、2 定位模块 16
3、3、3 SIM300通信模块 16
3、3、4 LCD液晶显示屏 17
3、4 本章小结 17
第4章 系统硬件设计 18
4、1 定位系统总体硬件结构 18
4、2 单片机控制模块设计 18
4、3 GPS接收模块设计 19
4、4 SIM300模块设计 20
4、4、1 产品概念 20
4、4、2 SIM卡接口及电路设计 20
4、4、3 SIM300模块电路设计 21
4、5 电源模块设计 22
4、6 串口设计模块 23
4、7 LCD液晶模块设计 24
4、8 本章小结 24
第5章 系统软件设计 25
5、1 MCU控制模块得主要功能及流程设计 25
5、2 GPS模块得主要功能及流程设计 26
5、2、1 GPRMC数据详解 27
5、2、2 软件功能设计 27
5、3 SIM300模块得主要功能与设计 28
5、4 LCD显示模块得功能与设计 30
5、5 串口操作模块设计 30
5、6 本章小结 33
第6章 系统测试过程 34
6、1 系统测试软件介绍 34
6、2 模块联合测试 36
6、3 本章小结 38
第7章 总结与展望 39
7、1 总结 39
7、2 展望 39
参考文献 40
附录 42
致谢 45
第1章 绪 论
1、1 课题得研究背景及研究意义
曾经风靡全球得定位系统[1](Global Positioning System),缩写GPS。现在定位技术发展相当成熟得年代,GPS定位技术[2]仍然就是一块不朽得丰碑,其研究意义仍然具有代表性。对GPS定位系统得不断研究可以使定位系统不断得向小型化,智能化与多功能化发展。
1、1、1 研究背景
信息革命时代,高精度得卫星导航定位技术[3]发展迅速,应用范围愈来愈广。GPS定位系统可以比比喻成一个在太空中得设置得无线导航台,该系统就是由24颗定位卫星组成[4],无论在什么时候,都可为地球上得各种客户确定其所在地得地理位置得经纬度以及海拔高度等数据信息。
全球卫星定位系统,即一个按相应分布原理分布在地球上空得24颗卫星组成得卫星系统。这样得卫星系统,保证了在地球上任何一个地面位置上在同一时刻都可以同时检测到4颗或4颗以上得卫星,从而保证卫星可以准确采集到该观测点得经度、纬度、高度、速度等信息,迅速实现卫星导航、定位、授时等功能[5]。还可用于飞机、船舶、车辆以及个人导航,按指定路线精确抵达目得地。有效得降低了用户为了寻找目得地而付出得资源浪费,从一定程度上提高了作业效率、科学水平以及人们得生活质量[2]。
1、1、2 研究意义
课题研究得基于GPS与GPRS得定位系统得应用领域相当广泛,基于不同得领域都就是有其相适应得研究意义,下面简单得介绍一下课题研究得几点意义:
Ø 车船防盗系统:GPS定位技术可以应用于汽车、轮船等交通设备得防盗系统[6]。安装该防盗系统终端在汽车、船只等设备上面,该终端能够自由得获取GPS得定位信息,在该设备被盗得情况下就可以向终端发送定位请求,这样就可以通过接收到由终端传来得GPS定位信息,寻找丢失得车辆与船只等。
Ø 导航系统:凭借GPS得定位系统具有全球、全天候工作、高精度定位、观测时间短等特点,在海上作业、陆路运输、野外勘测等其她行业都承担着导航定位得重任。
Ø 其她领域:除了防盗系统,导航定位系统在其她得领域也同样扮演者重要得角色。例如,该定位系统为游客们在出门旅游时也提供了相当得便捷与安全。在测绘领域也大有作为[7],为工程师们提供便捷服务。
Ø 市场价值:随着互联网技术[8]得不断发展,人们对高品质生活质量得不断提高,高精度得定位电子产品以及相关技术将不断应用在人们得日常生活必需得产品中。随着相关电子产品(例如:智能手机)得普及,该技术也将拥有巨大得市场价值。
1、2 国内外发展状况
美国GPS:GPS就是由美国国防部在1970年代初开始设计与研发,直到1993年才基本全部建成[9]。美国政府在1994年宣布在未来10年内会免费向世界各国提供GPS使用权限,由于军事原因,美国也只会提供精度相对较低得定位信息[10]。这样得定位系统也等价于为美国设计了一个退路,如果发生了军事战争,美国军方为了自己得安全,完全可以关闭对该地区得使用权。GPS导航定位技术得研究,国内外得水平都就是参差不齐,下面简单得从国内、国外两个方面进行介绍。
1、2、1 国内发展状况
我国得卫星定位技术相对于一些发达国家来说起步较晚,从上个世纪八十年代初期才开始从国外引进卫星导航技术,但我国得卫星定位技术发展却非常得迅速。现基本已经处于国际领先水平。初期得时候,我们引进得定位技术主要用于工程测量,石油勘测等大型项目上面[11]。在80年代末期得时候我国又再次得引进GPS定位技术,并开始自己研发基于GPS得定位系统,该技术还只就是作用于小部分部分产业,但就是带来相当可观得经济效益。到上个世纪末期,中国就开始研发属于中国人自己得卫星定位系统,并在2003年6月份,已经成功发射了覆盖整个亚洲得3个同步卫星,该定位卫星主要用于国家安全领域,还没有发展到民用领域。这三颗卫星就标着属于中国人自己得卫星定位系统得诞生,“北斗”导航系统[12]得诞生。
发展中国自己得导航定位系统,2000年10月31日与同年得12月21日,我国成功得发射了两颗北斗一号卫星,由这两颗北斗卫星构成得独特得“双星有源定位系统”。第三颗北斗卫星成功发射与2003年5月25日。它就是北斗导航定位系统得备用卫星,这三颗卫星组成了具有我国自主知识产权得第一代卫星导航系统。
1、2、2 国外发展状况
世界上第一个实用得卫星导航系统,就是美国研制得子午仪(Transit)卫星导航系统,又称为海军导航卫星系统(Navy Nva1gation Satellite System[13]),于1964年正式投入使用,主要为美国海军服务,子午仪系统有46颗卫星组成导航卫星网[14]。卫星轨道就是近似圆形得极轨道,每个轨道上有一颗卫星,卫星沿南北方向运行,轨道高约1100公里,卫星绕地球一周得运行周期约为107分钟,子午仪系统能在全球范围内,全天候实现二维(经度、纬度)定位,航行定位精度0、10、3海里,缺点就是不能连续定位,一次定位得时间又较长,且不能确定用户位置得高度,因此限制了飞机等用户得使用。
为更好地为军方与人民提供高质量得定位信息,最后美国决定于1973年开始研制一种新型卫星定位系统[15],并且命名为全球定位系统( Global Positioning System),简称GPS。1978年之后,一些北大西洋组织得国家与澳大利亚也参加了GPS计划,并于1993年全部建成[16]。
为不受美国得限制,1999年欧洲空间局提出并计划,准备发射30颗卫星,为满足欧洲得海陆空导航系统等作用得定位系统,该系统就组成“伽利略”卫星定位系统[17]。
日本研究了一种区域性卫星导航与气象导航双重功能得导航系统[18]。该系统用两颗同步卫星:一颗就是通信卫星,保持飞机或船舰与地面站得通信联络;另一颗就是气象卫星,用户及地面站可接收其信号,用来协助选择最佳航线。通过两颗卫星发出得信号得应答,可实现准确定位。
1、3 本课题得研究内容
一款定位系统得终端性能得设计主要决定于GPS定位芯片得选取,以及主控中心器材性能得选择。现在大部分得定位终端得设计基本都就是基于嵌入式方案实现得。对于本课题得研究,为了降低开发成本,主要就是采用一款传统51内核得STC12单片机作为控制芯片。采取这样STC12单片机不仅克服了使用普通单片机功能单一,资源分配不合理,或者避免使用更高端单片机得资源得浪费,从而可以降低成本与节约资源,还可以使系统资源得到合理优化。本课题研究内容:设计时GPS定位系统采用得就是STC12C5A60S单片机作为主控器,U_Blox Neo 6M作为定位信息接收模块,SIM300作为通信模块芯片,这样得搭配节约了成本缩短了开发周期。实现功能就是通过U_Blox接收GPS定位信息,单片机通过串口接收并且处理来自GPS得信息数据,处理好得数据然后通过单片机得另一个串口发送给SIM300模块,该模块就可以将接收到定位数据以短信形式发送给手机。这样就实现了定位及定位信息发送得功能。
1、4 文章整体结构
本文共分为7章,各章得主要内容如下:
第1章:绪论。主要介绍课题得研究背景以及研究得意义,国内外发展状况与应用现状,以及论文所需要完成得主要内容以及文章得整个组织结构。
第2章:定位系统得相关技术介绍。本章就是论文得第一个重点,主要就是全方位介绍与定位系统相关得技术,简单分析了现在最流行得GPS卫星定位系统相关定位技术,分别从几个方面对这四个定位系统作简单得比较分析,完成分析过后然后再列出课题选择得GPS定位系统得相对优势。章节最后对GPS定位系统得通信协议进行介绍与学习。
第3章:系统总体设计。对第2章GPS定位系统展开得全方位介绍,本章将继续围绕课题得第2个重点:定位系统总体设计框架与思路。了解系统需求,基于系统设计原则对系统整体结构进行详细说明。这一章从系统功能、系统组成部分、系统设计方案得选取及定位终端硬件模块得选取这四个方面为突破口进行突破。
第4章:系统硬件设计。充分了解系统得功能及组成部分后,本章主要阐述了定位终端得硬件设计与实现过程。这一章主要从系统终端总体硬件结构图、单片机控制模块选材与电路设计、GPS接收模块选材与电路设计、SIM300模块选材与电路设计、电源模块设计、串口模块设计、LCD显示模块设计等,全面介绍定位终端硬件结构设计。
第5章:系统软件设计。基于硬件电路设计得基础上,下面主要任务就就是通过单片机编写主控制程序。主控制程序编写设计模块分别从定位系统总体软件结构设计、MCU控制模块得主要功能及流程设计、GPS模块得主要功能及流程设计、SIM300模块得主要功能与设计、LCD显示模块得功能与设计、串口操作模块设计来进行主控程序得说明与实现。
第6章:系统测试过程。整个系统得设计与以及最后得调试都就是重要得环节。调试与测试在整个系统得设计过程中占有很大比重,只有在不断得调试当中才会发现错误并及时修改程序以达到最佳效果。本次调试分为硬件与软件调试两大部分。
第7章:本次毕业设计得工作总结、不足之处以及今后继续研究得问题。
1、5 本章小结
本章主要围绕着设计课题得研究背景与意义,国内外得发展现状,论文得整体结构以及各章节所涉及得内容,为后续章节得完成打下良好得基础。
第2章 定位系统相关技术
2、1、 美国GPS定位系统
GPS全球定位系统(Global Position System),美国国防部在上个世纪70年代制定得研究计划,该计划耗资200多亿美元且历时20年,于1994年正式完成了该计划。也就就是宣布了一个具有在海陆空都能全方位得、全天候得、高效得进行定位导航得空间卫星系统得诞生。该定位系统不就是凭空而建得,而就是基于美国当时军方使用得海军导航卫星系统(Navy Nva1gation Satellite System)又重新研制得更加全方位得定位卫星系统。按照现在得GPS定位系统得数据资料显示,该定位系统在地球上空20200公里得空间分布了24颗定位卫星。这24颗卫星群还包含了3颗备用卫星,它们都就是绕组地球以近似圆形得轨道运行,24颗定位卫星平均分布在6个空间轨道上面,每个轨道得倾角大约为55度,每颗卫星得运行周期大概为11小时58分钟。这24颗卫星得分布准则就是保证我们在地球上面任何地方都可以同时观测到4颗或4颗以上得定期卫星,这样才能保证定位得准确性、全方位及全天候性。随着GPS定位系统日益完善,互联网技术得日益普及,应用领域也不断扩大,成为人们日常生活中得不可或缺得技术。
2、1、1 GPS系统组成
GPS系统由三个部分组成:空间组成部分、地面监控部分、GPS接收用户部分。下面简单得从这三个部分作简要说明。
(1)空间组成部分:这部分即就是由空间分布得24颗卫星群组成得,通常记为(21+3)GPS卫星群。24颗卫星群还包含了3颗备用卫星,它们都就是绕组地球以近似圆形得轨道运行,24颗定位卫星平均分布在6个空间轨道上面,每个空间轨道得倾角大约为55度左右,每颗卫星得运行周期大概为11小时58分钟。站在地球表面附近得得观测者,每次大约时隔4分钟就会见到同一颗定位卫星。处于地球表面以上可观察到得卫星得数量会随着时间或地点得不同而不尽相同,但就是最少可观察到4颗,最多甚至可到11颗卫星。3颗备用卫星,会在卫星发生故障得时候,根据指挥部得指令与发生故障得卫星进行替换,这就为GPS空间部分能够正常高效得工作提供了有力得保障。
(2)地面监控部分:GPS工作卫星得地面监控系统主要由主控站、注入站与监测站组成。GPS地面监控站主要由一个主控站、三个注入站与五个监测站[19]组成,具体如图21所示。主控站主要就是管理、协调地面监控系统各部分得工作,采集各监测站得数据信息,编制导航电文数据,并送往注入站。注入站再将卫星得星历注入GPS卫星,监控该卫星得运行状态,并向该卫星发送控制指令信息;卫星维护与异常情况得处理。主控站根据各监测站对GPS卫星得观测数据,计算各卫星得轨道参数、钟差参数等,并将这些数据编制成导航电文,传送到注入站,再由注入站将主控站发来得导航电文注入到相应卫星得存储器中去。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存得导航信息还可用一段时间,但就是导航精度会降低。

图21 GPS地面监控中心
(3)GPS接收用户部分:即GPS 信号接收机。其主要功能就是能够捕获到按一定卫星截止角所选择得待测卫星,并跟踪这些卫星得运行。当接收机捕获到跟踪得卫星信号后,就可测量出接收天线至卫星得伪距离与距离得变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中得微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置得经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件与机内软件以及GPS 数据得后处理软件包构成完整得GPS 用户设备。GPS 接收机得结构分为天线单元与接收单元两部分。接收机一般采用机内与机外两种直流电源。设置机内电源得目得在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型得接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用[20]。
2、1、2 GPS技术特点
(1)定轨精度:由美国大陆基地以及美国得海外军事基地上得5个监测中心得观测数据计算得到得广播星历。但因检测中心数量少,故该系统得卫星定轨精度不高。这样计算得卫星定位位置切向误差范围±5m;径向误差范围±3m;法向误差范围±3m。除了广播星历,美国国防制图局根据全球20多个卫星跟踪站得观测资料计算还有一套精密星历,因检测中心数量多且分布范围广,故该定轨精度较5个检测中心得道德数据高出一个数量级。由国际GPS地球动力学服务组织(IGS)所测算预报得精密星历比美国军方测定得精密星历得精度要高得多,卫星位置精度可达±3厘米[21]。
(2)信号分量:GPS信号包含了三种信号分量,即载波、测距码与数据码。这些信号分量都就是在同一个基本频率F0=10、23MHz得控制下产生得。每个GPS卫星在两个频率波段上发布独立信号。GPS卫星得测距与数据码就是采用调相技术调制到载波上,即在两个波段(L1=1575、42MHz与L2=1227、6MHz)得载波信号中[22]。C/A码就是一种短码,用于跟踪、锁定测量得伪随机码,码率为1、023Mb/s,波长约为300米,周期为1Ms。P码就是GPS得精测码,码率10、23Mb/s。
(3)定位精度:利用伪随机码得信号单机测量,理论上按照目前测距码得对齐精度约为测距码波长得1/l00计算,C/A码得测距精度约为±3m;而P码得测距精度约为±0、3m。消除公共误差提高定位精度,可利用2台以上得载波相位GPS定位仪实行联测定位,对于载波信号单频机得相对定位精度可达:±(5mm+2ppm ×D)其中D为两台仪器得相对距离;对于载波信号双频机,它能有效得消除电离层延时误差,其相对定位精度可达:±( 1mm+1ppm×D )[23]。
2、1、3 GPS定位原理
(1)单点动态定位:就就是将一个GPS用户接收机放在一个运动着得载体上,并且该载体能够自动地测得自己动态得实时位置,然后就通过这些实时位置获得得数据处理得到运动载体得具体运行得轨迹。该定位原理又称为“绝对动态定位”。
单点动态定位基本方程(21)。
(21)
式中,Xu、Yu、Zu为动态用户组在Tk时刻得瞬态位置状况;式中Xj、Yj、Zj也就是描述第j颗GPS卫星在其运行得轨迹上瞬时位置坐标,这些坐标可根据星历计算而得到。ρj’为GPS信号接收机得接收天线与第j颗GPS定位卫星之间得距离,又称为“星站距离”。d就是卫星距离偏差,就是由GPS信号接收机得时钟误差及其她误差因素所导致得距离偏差。
利用(21)计算用户得位置时,不能直接计算出它们得三维坐标,而就是只求出了每个坐标分量得修正量,即假设用户初始得三维坐标值为(Xu0,Yu0,Zu0),而计算出得三维坐标得改正值则为△Xu,△Yu,△Zu以及距离偏差d。然后对(21)式中Xu,Yu,Zu分别微分处理,便可得出一组线性方程(22):
(22)
其中,矩阵为
(23)
ρj’为对应于第j颗GPS卫星得伪距观测值。
利用式(23)计算得运动载体得实时点位坐标时,因此后面每一个点位得初坐标都可以根据前一个点位坐标来进行设定,所以关键就是要确定第一个点位坐标得初始值,才能精确求得第一个点位得三维坐标。
(2)实时差分动态定位:就就是将一个GPS用户接收机放在一个运动着得载体上,并且将另一台GPS接收机放在一个基准站之间,这样协作测量该运动载体得实时位置,然后就通过这些实时位置获得得数据处理得到运动载体得具体运行得轨迹,故差分动态定位原理又称为“相对动态定位”。
所谓实时差分动态定位(DGPS),就就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星得导航定位信号,用以联合测得动态用户得精密位置。其中一个检测站坐标信息就是已知,基准接收机就就是设在该基准点得GPS信号接收机。动态接收机,即GPS信号接收机安设在运动载体上,基准接收机与动态接收机同时测量来自相同得GPS卫星得定位信号。利用基准接收机所测得得三维位置信息并与该点已知三维位置信息进行比较,便可得到该GPS定位得三维坐标信息得改正值。及时将GPS三维坐标信息得改正值发送给其她客户得动态接收机组,及时改正后面所检测得实时坐标位置信息,这就被称为实时差分动态定位。图22为实时差分动态定位[24]得原理框图。

图22 差分动态定位得原理框图
(3)后处理差分动态定位[25]:后处理差分动态定位与实时差分动态定位得主要差别在于:在运动载体与基准站之间,不必像实时动态定位那样要建立实时数据传输,而该定位原理则就是在定位检测以后才对动态接收机与基准接收机所采集得定位信息进行测后得处理,而测出接收机所在得载体在对应时刻位置坐标信息。
2、2 四大系统得比较
随着世界上面全球定位得不断发展与应用得不断更新,现在得卫星导航技术比过去得无线电导航技术、天文导航技术等传统技术更加得先进与精准,目前已经成为一种普遍得导航技术,并且应用于许多领域。至于上面所提到得四种卫星定位系统,目前使用最广得也就就是美国得GPS全球定位系统,在GPS刚刚完成计划得初期,美国军方都不会直接把GPS精确地定位信息共享出来够大家使用,而就是被美国军方在其基础上施加了一种干扰信号,使得除了美军自己以外得所有用户只能得到定位精度在100m,授时精度340ns得服务。随着后面俄罗斯得格鲁纳斯与欧洲得伽利略这两个导航定位系统得建立与启动服务,使得控制得GPS定位系统得美国军方压力很大,最终决定于2000年5月全面撤销对GPS得人为干扰,这使得GPS得定位精度提升到20m,授时精度提高到了40ns,并且承诺会加快对GPS得完善,还会增加两个民用得频率。尽管俄罗斯得格鲁纳斯定位系统没有像美军一样得人为加一些干扰信号,但就是由于俄罗斯当时得政府经济处于一片萧条得状态,这一经济状况导致了俄罗斯无法及时得更新一些已经快到服务年限得定位卫星,由于卫星得不到及时得更新与替代,导致了格鲁纳斯得定位精度也一直处于老状态,没有得到巨大提升。所以,格鲁纳斯想在由GPS统治得导航市场上面站稳脚跟也就是很难得。对于我国得北斗导航系统,相对于前面几种卫星定位系统来说,主要就是定位时间较慢,平均每次定位时间大于等于0、6s,不能连续导航,且无法适应高速运动得环境,只能运行在低速运行或则提供静态定位服务。除此之外,北斗定位系统不仅需要地面中心站提供数字高程图信息,还需要用户接收机发送上行,因为这样得原因才使得该系统受到了许多方面得限制。至于欧洲得伽利略卫星定位系统,该系统虽然主要应用于民用,但就是目前该系统还有许多技术不就是很成熟,离我们得实用性还就是有很多差距,综合上面得所有信息,目前我国现在应用最多得导航定位系统还就是美国得GPS全球定位系统。
2、3 GPS定位系统得相对优势
美国全球定位系统具有全球、全天候工作、定位精度高、功能多,应用广等特点。相对于其她得几种定位系统,这里总结了一些GPS得相对优势:
(1)高精度,时效快:GPS得定位精度相对较高,按照理论计算可以达到5m左右;且时效快,平均1秒就可以进行一次定位,这个时间对于高速运动得物体定位尤其重要。
(2)被动式得工作原理:GPS导航定位时候,用户设备只需要接收GPS发送得信号就可以了,直接对其信号进行处理就可以了,更不需要像北斗一样还要发送用户信号,GPS这种原理可以容纳更多得用户,且隐蔽性比较好。
(3)全球连续导航定位:GPS空间部分就是由24颗卫星组成,合理得分布在6个轨道上面,轨道高达20200km,所以在地球表面或者近空空间任何一点,均可同一时间观测到4颗以上卫星,从而可以实现全球、全天候连续导航定位。
2、4 GPS定位系统得通信协议——NMEA0183
NMEA0183协议,接触过GPS设备或者用过GPS设备研发得都了解,这就是一个很常用得GPS通讯协议。简单得介绍一下GPS定位系统得NMEA0183通信协议。
GPS接收机与手持机之间得数据交换格式一般都由生产厂商定制,其定义内容一般用户很难知晓,并且对于不同品牌、不同型号得GPS接收机所配置得控制应用程序也因生产厂家得不同而不尽相同。所以对于通用得GPS应用软件,需要定义一个标准得数据格式,以解决与任意一台GPS得接口问题。NMEA数据标准就就是解决这类问题得方案之一。为在不同型号GPS导航设备中建立统一得RTCM标准才制定了NMEA通信协议,RTCM标准最初就是由美国国家海洋电子协会统一制定得。NMEA[26]协议有0180、0182与0183这3种,NMEA0183可以简单理解就是前两种得升级版,也就是目前使用最为广泛得一种。
2、4、1 NMEA0183通讯协议硬件接口
NMEA0183标准得GPS接收机得硬件接口能够兼容PC机得RS232C串口协议,严格来说NMEA标准不就是RS232C,规范推荐依照EIA422,就是一个与RS232C不同得系统。标准RS232C采用负逻辑,即逻辑“1”表示5V～15v,逻辑“0”表示+5V～+15V,利用传输信号线与信号地之间得电压差进行传输。EIA422标准就是利用信号线之间得压差来传输信号得,每个通道都有信号线,分别为逻辑“1”与逻辑“0”,传输驱动器与接收器主要功能就是转换逻辑电平得电位差,允许驱动器输出为±2V～±6V[27] 。
2、4、2 NMEA0183语句解析
NMEA0183通讯协议所规定得通讯语句都已就是以ASCII码为基础得。为了能够更好地提取GPS信息数据,必须理解NEMA0183协议得帧结构,其帧结构如图24所示。NMEA0183协议语句得数据格式[28]如下:“$”为语句起始标志;“,”为域分隔符;“ *”为校验与识别符,其后面得两位数为校验与,代表了“$”与“*”之间所有字符得按位异或值;“／”为终止符,也就就是ASCII 字符得“回车”(0X0D)与“换行”(0X0A)。典型得NMEA0183语句如下面得GPRMC语句。
●当GPS正常工作时,语句如:
$GPRMC,121252、000,A,3958、3032,N,11629、6046,E,15、15,359、95,070306,,,A*54
●当GPS收不到卫星信号时,GPRMC语句输出变为:
$GPRMC,121252、000,V,3958、3032,N,11629、6046,E,15、15,359、95,070306,,,A*54
NMEA0183规范还允许个别厂商定义私有得语句格式,这些语句以“$P”开始,然后就是三个字符长度得厂商识别号,跟着就是厂商定义得数据,接下来得数据格式与标准格式相同。如Garmin得PGRME私有格式如下:
$PGRME,4、4,M,2、5,M,11、4,M*8。
其中,“P”代表私有格式,“GRM”就是Garmin得代码,“E”表示语句类型。

图24 NMEA_0183协议帧结构
2、5 GPRS技术介绍
General Packet Radio Service得英文简称GPRS,就是鼎鼎有名得通用分组无线业务。GPRS这个业务就是在当时现有得GSM网络基础上面发展得一种新得业务,GPRS得主要功能就就是为当时得GSM用户提供额外得数据分组服务。GPRS与大家都很熟悉得GSM都就是采用相同得无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及 TDMA 帧结构。GPRS这样新得数据分组形式与当前得电路交换得话音业务信道极其相似,因此现有得基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面得 GPRS覆盖。通用分组无线业务可使用户在点对点得分组模式下进行数据得收发,并且不需要以前交换模式下得网络资源。这样得无线