浅析应用于手机中的gps系统设计毕业设计论文.doc

长沙民政职业技术学院

2014届

毕 业 实 践 报 告

系 别：电子信息工程学院

专 业：应用电子技术

2014年5月1日

目 录

摘 要 3
一、前言 3

二、GPS的定义 4
2.1 GPS的基本定义 4
2.2 GPS在手机中的定义 5
三、手机中GPS定位基本原理 5
3.1 GPS原理 5
3.2 单点定位方法 6
3.3 GPS手机基本原理 7
四、手机中GPS的组成模块 7
4.1芯片模块 7
4.2手机软件 7
五、GPS导航手机的发展前景 7
六、结语 7

参考文献 7
谢词 7

浅析应用于手机中的GPS系统

【摘要】
GPS即全球定位系统(Global PositioningSystem) , 是随着现代科学技术的发展而建立起来的卫星导航定位系统。目前, GPS卫星定位技术正广泛应用于测绘、交通、物流等多个领域。尤其是近两年, GPS迅速应用到了手机行业中。本文分析了GPS在手机中可实现的功能, 以及GPS技术如何与手机融为一体。
手机的功能越来越多了，这些功能正在逐渐地改变着我们的生活。手机上的音乐视频播放、拍照，这些功能早已被大家说熟悉。而手机上的GPS定位的功能也成为大家日常使用最多的功能之一。GPS即全球定位系统（Global Positioning System），简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。

【关键字】 GPS、全球定位系统、手机、导航软件

一、前言
随着科技的迅猛发展,我们对我们的生活中的工具要求越来越高.通讯工具手机更新的也是相当的快,那么手机中的功能也是让我们更具新鲜感,其中手机中的全球定位系统更是为我们带了更多的方便.
提到GPS，很多朋友想到的就是定位和导航功能，但随着智能系统API接口的开放，我们在手机上使用到的基于GPS的应用越来越多，这些新奇的基于GPS应用让大家眼前一亮。
LBS全称为Location Based Services,也就是基于地理位置的服务。这样的服务目前在手机中非常地流行。比如目前很多年轻人喜欢的签到应用。到达一个地点，通过GPS定位，就可以在该地点定位签到，记录自己的心情，诸如街旁、开开、微领地都属于这样的应用。
此外，传统的网络社交及IM软件也将GPS功能与软件功能完美结合。最近非常流行的微信、米聊以及QQ都加入了查找附近好友的功能。在开启了这项功能打开手机的GPS后，你就可以找到同样打开该服务的用户，并与其进行聊天，结识更多新的朋友。最新版的新浪微博客户端也加入了这项功能。
我们在开车的时候需要进行导航，现在的一些运动类应用也通过手机的GPS来记录我们运动的轨迹。在开启手机的GPS并定位成功后，我们可以选择自己运动的类型，步行、跑步、骑车等活动类型，随后，手机就会记录你的运动轨迹，通过你的身高体重信息还可以计算出你消耗的热量。这样在运动的时候，你的手机也能够利用GPS发挥出它的作用了。
利用GPS也能够给我们的生活带来一种全新的体验。大家目前使用最多的就是通过定位来了解附近的吃饭、娱乐、购物场所。比如我们通过大众点评的手机客户端，就可以很快知道自己所在地的各种饮食以及休闲娱乐或者购物场所。此外，一些团购网站也充分利用了手机定位的特点，能够告诉您所在位置目前正在进行优惠团购的商家。有了这样的功能，将给我们的生活带来极大的便利。
社交、生活、消费与手机上GPS的结合，让原本功能单一的GPS定位实现了更丰富、更人性化、更不可思议的用途。大家也不妨在自己的手机中安装几款适合您的应用，体验一下智能手机给我们带来的改变。

二、GPS的定义
2.1 GPS的基本定义
GPS即全球定位系统(Global PositioningSystem) ,对于全球定位系统,随着进几年的发展,已经慢慢的渗入到我们没个人的生活中了.GPS最初是美国国防部批准的陆海空三军联合研制的卫星导航系统, 该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统, 具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。20世纪90年代以来, GPS在我国的应用已经从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域。尤其在近几年, GPS在车辆上的应用比较广泛, 因而手持GPS接收机得到越来越多人的使用。目前, 虽然人们开始意识到GPS可以为生活带来很多便利, 但是绝大多数用户还仅仅停留在GPS的导航、指路功能, 而定位监控、紧急救助、搜索设施等功能却被忽略。GPS精准的定位、查询功能可以实现随时随地为人们提供服务。目前国内广泛应用的车载GPS只能在汽车上使用, 无法最大限度地发挥GPS的“空间优势”。GPS需要一个尽情释放、发挥的平台。手机的移动性、便携性和普及性无疑给GPS一个全新的发展空间。
2.2 GPS在手机中的定义
现在市面上的导航手机还分为两类，一类是真正的通过太空中的卫星进行GPS导航，误差3-5米，如天将军导航手机等，另一类是通过基站和网络进行粗略的导航的，称为A-GPS，这种导航没有真正的通过卫星GPS导航的精确，一般定位误差为100米，如诺基亚5233手机等。对于手机行业来说, 在成功整合了MP3音乐播放器、数码相机及PDA功能后, GPS导航与手机的结合也成为另一种新趋势。中国的两大移动通信运营商已经推出了手机定位业务。手机定位基于手机的移动基站, 受环境影响大, 定位精确度不高, 没有手机信号的地方更是无法实现定位。GPS手机是指在智能手机中安装电子地图, 通过在手机中内建GPS模块或者外接蓝牙GPS模块来接收卫星信号进行高精度定位, 可以绕过移动通信运营商, 不需要增加运营成本, 用户也无需负担额外的服务费用, 并可以实时地找到所需的最佳方位。另外, GPS手机排除了卫星钟及大气干扰等因素, 其定位的精度能保证在几米至几十米。

三、手机中GPS定位基本原理
3.1 GPS原理
全球定位系统(GPS)是上世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到 1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；(3)用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。全球定位系统的主要优点：(1)全天候；(2)全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。全球定位系统的主要缺点：但在视野不开阔如大树底下或房间及地下停车场内，找不到空间足够数量的定位卫星，不能定位。
3.2 单点定位方法
GPS 手机定位功能通过GPS 定位技术中的单点动态定位方法来实现。在定位过程中, 接收机天线处于运动状态。这种运动状态也是相对的, 通常是指待定点的位置, 相对其周围的点位发生显著的变化, 或针对所研究的问题和事物来说, 其状态在观测期内不能认为是静止的可以忽略。单点动态定位是用安设在一个运动载体上的GPS 信号接收机, 自主地测得该运动载体的实时位置, 从而描绘出该运动载体的运行轨迹。所以单点定位又叫绝对动态定位。
单点动态定位的基本方程为:
ρ′j = [ ( Xj - Xu) 2 + ( Yj - Yu) 2 + ( Zj - Zu) 2 ]1/ 2 + d (1)
式中, Xu , Yu , Zu 为动态用户在tk 时刻的瞬时位置; Xj 、Yj 、Zj 是第j 颗GPS 卫星在其运行轨道上的瞬时位置, 它可以根据广播星历计算; ρ′j 为码接收机所测得的GPS 信号接收机天线和第j 颗GPS 卫星之间的距离, 即站星距离; d 是由于接收机时钟误差等因素所引起的站星距离偏差。利用公式(1) 解算用户位置时, 不是直接求它的三维坐标, 而是求各个坐标分量的修正量, 即给定用户三维坐标的初始值( Xu0, Yu0, Zu0) , 而求解三维坐标的改正值(ΔXu , ΔYu , ΔZu) 和距离偏差d 。对公式(1) 中Xu , Yu , Zu 分别微分, 便得到线性方程X = A - 1 B (2)式中。矩阵如图：

3.3 GPS手机基本原理
GPS手机首先将本身的基站地址信息通过网络传输到定位服务器；定位服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息（包含GPS的星历和方位俯仰角等）到手机；该手机的GPS模块根据辅助信息（以提升GPS信号的第一锁定时间TTFF能力）接收GPS原始信号；手机在接收到GPS原始信号后解调信号，计算手机到卫星的伪距（伪距为受各种GPS误差影响的距离），并将有关信息通过网络传输到定位服务器;定位服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备（如差分GPS基准站等）的辅助信息完成对GPS信息的处理，并估算该手机的位置；定位服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或应用平台（如手机上的GPS应用程序）。

四、手机中GPS的组成模块
4.1 芯片模块
GPS 手机硬件的重要组成部分是GPS 芯片, GPS 芯片是衡量GPS 手机性能的重要标准。GPS 芯片内置于GPS 手机当中。GPS 芯片的接收灵敏度越高, 搜星速度越快, 功耗越低, 使用就会越方便、越广泛。2005 年7 月, 西安华迅公司推出了国内第一块GPS 芯片, 2006 年中国科学院微电子研究所也成功开发出了两款GPS 基带soc 芯片。但国内企业、研究机构的GPS 芯片在性能上与国外产品有很大差距, 现有的芯片市场基本上还是国外几大厂商占据, 这其中影响较大的有SIRF、Garmin、u - blox、摩托罗拉、索尼、富士通、nxp 、nemerix、unav 等厂商。目前大多数的GPS 手机使用的都是SIRF Star Ⅲ系列芯片。SIRF 公司的芯片由一块射频集成电路、一块数字信号处理电路和标准嵌入式GPS 软件构成。射频集成电路用于检测和处理GPS 射频信号, 数字信号处理电路用于处理中频信号, 标准嵌入式GPS 软件用于搜索和跟踪GPS 卫星信号, 并根据这些信号求解用户坐标和速度。这种芯片具有快速接收信号的能力和对信号进行高效处理的能力, 无论在野外还是城市都不会失信号。如果我们处于峡谷环境内, 除了那些直接从卫星发射过来的信号, SIRF Star Ⅲ还会接收到很多从其他坚硬的表面(比如悬崖高楼) 反射的信号, 也就是通信中常说的多径衰落。事实上GPS 是通过计算卫星信号到达接收器所用的时间来确定用户所在的位置, 所以那些反射信号就成为难以摆脱的干扰源。也就是我们用GPS 进行测量中提到的多路径效应。不过SIRF Star Ⅲ具备强大的数字处理能力, 它能够通过众多的what ifs 算法剔除掉无用的干扰, 并且把那些被其他GPS 产品所忽略的较弱的有用信号筛选出来。另外,SIRF Star Ⅲ具备非常快的收集信号的速度, 当GPS 掉线以后它也能够快速重新定位。GPS 手机芯片工作过程为: GPS 手机开机后首先对整个接收机工作状况进行自测, 并测定、校正、存储各通道的时延值。然后对卫星进行搜索, 捕捉卫星信号。其次根据机内存储的卫星历书和测站位置, 计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角。再次根据预先设置的航路电坐标和单点定位测站位置计算导航的参数、航偏距、航偏角、航行速度等。最后接收用户输入信号。

4.2 手机软件
对于一部GPS 手机来说, 除了有性能良好的芯片外, 还要有一款实用的GPS 手机软件。一般的GPS 手机软件都具有定位、导航、三维模式及夜间模式切换、路径导航、功能设置以及周边设施查询等功能。
(1) 定位功能。GPS 设备最基本的功能就是让使用者知道自己当前的具体位置。对一部GPS 手机来说,定位功能的好坏, 可以通过平均寻星时间、最多卫星数、误差等参数来衡量。其中平均寻星时间是将手机放在固定位置, 从软件运行到准确定位时间为准。连接GPS 卫星数是将GPS 手机在无云遮挡的晴天里, 找到一个开阔地, 观察通过软件得到的卫星数量。误差指数则是软件中显示的建筑物名称和道路的误差。对现在所广泛应用的GPS 手机软件来说, 大多数软件的定位速度都较快, 并且能准确地定位到使用者的位置。
(2) 导航画面。导航画面是用户在使用过程中接触最多的。通过这个界面, 用户能察看到详细的地图资料, 包括公路、立交桥、街道及周边的设施, 还可以在这里查看到方向、地图比例等。一般比较好的GPS手机软件都能够使用户轻松地通过导航界面的地图来选择线路以及查找周边的设施。
(3) 三维模式。导航系统里所谓的三维模式并不是真正的三维, 而是人们俗称的215 维, 相对平面画面增加了立体感, 与人的直观视觉更接近, 增加了对距离的判断, 但它会造成一定程度的视觉误差, 让用户对地图的操作比较困难。
(4) 路径导航。路径导航是非常有实用意义的功能, 尤其在用户到达一个陌生城市的时候, 它能够发挥很大的作用。通过定位功能, 确定当前位置, 在输入目的地后, 导航系统就能设计出一条合理的线路, 在哪个路口转弯, 立交桥上怎么行使, 导航系统都会通过地图上预先制定出的路径和语音方式给用户提示。
(5) 功能设置。导航系统的功能繁多, 主要包括路径规划、系统设置、辅助功能、周边设施查询等。对这些功能的合理设置能让导航系统更好地为用户服务。而且考虑到用户经常会在等待红绿灯或者堵车的间歇来使用和调整这些功能或设置, 因此功能菜单的设置也会成为我们考察的对象, 主要是看各个导航系统的功能是否全面, 各项设置是否便捷等。总的来说, 每个软件的功能设置都差不多, 但是在操作方式上都各有特色, 而且操作都很简单。
(6) 周边设施查询。这个功能是所有导航系统都很重视的一个方面。所有软件的分类查询都很详细, 用户可以在很短的时间内找到自己需要的设施, 并设置为目的地, 导航系统将带用户前往。

五、GPS导航手机的发展前景
今年以来，具有定位和导航功能的手机正日益受到消费者的追捧，市场前景看好。根据市场研究机构Isuppli的最新预测，2006年至2011年，在全球范围内具备GPS定位功能的手机出货量将翻两番，由2006年的1.096亿部增长到2011年的4.44亿部。他们还预测，到2011年，具备定位导航功能的手机在全部出货手机中所占比例将由2006年的11.1%增加到29.6%。目前GPS导航手机市场占有率约为2.3%，随着3G的发展，到2011年GPS手机的市场占有率将达到20%。 　　
随着GPS功能向智能手机的渗透，国内将成为一个最大的GPS手机市场。我国市场上也已经有许多设计独特的产品推出，如天将军T60导航手机等。有分析人士认为，2010年是我国GPS手机的元年，GPS手机已经不仅适应车载导航用户，也能适应步行者以及人们日常公交的换乘用户使用，未来的GPS手机功能将涵盖普通百姓更多的需求。在技术上，随着3G网络的发展，特别是TD-SCDMA网络的发展，将为运营商提供基于位置的服务创造更为有利的条件，应用的范围也将更为广泛。业内人士认为，目前虽然人们已经感受到了GPS手机的魅力，但是绝大多数用户对此的认识仍然只是停留在导航、定位、搜索等功能上，实际上在一些诸如监控、紧急救援等突发事件中的应用潜力更大，如老人小孩监控手机、外勤业务人员管理手机[3]、免安装GSP车载防盗报警跟踪手机等。未来，GPS手机应用发展将是多元化的，人们将迎来一个GPS手机的新时代。PND是便携式导航设备的英文简称，随着越来越多的导航软件供大显示屏智能手机使用，作为独立专用设备的PND地位岌岌可危。虽然到目前为止，具有导航功能的手机/智能手机对PND市场增长还不曾产生威胁，但iSuppli 相信，随着iPhone 手机使用倍受瞩目的TomTom和Navigon的导航软件，这一情形将会改变。 　　
由于电池寿命短、定价策略不明确以及显示屏小，手机不会威胁PND 的导航霸主地位。但随着智能手机的快速发展，这些问题已经或即将得到解决，从而使手机导航应用所占市场份额不断增加。 　　移动导航应用原则上拥有四类用户群，其特点包括:1.越来越多的用户通过智能手机下载免费的导航地图软件。2.低端PND 用户最有可能转向智能手机导航设备，比如iPhone。这种智能手机能够在小屏幕上提供类似PND 的导航功能，而且可随时连接。 　　3.不经常使用导航但对转弯提醒(TbT)电话导航应用比较熟练的用户，也可能选择智能手机导航应用而放弃专用导航设备PND，从而充分利用手机的多功能特性。4.对于经常使用导航但比较在意价格的低端PND 用户，PND 供应商必须谨慎定位其智能手机产品，确保不会与自己的专用PND 产品互相竞争。5.高端PND 用户群能够透彻理解复杂的导航特性，他们非常享用以驾驶员为中心的高级功能。该用户群中在意价格的那些用户可能转向智能电话，而PND 铁杆用户则希望连网的PND 能够以较低的服务费提供更多以驾驶员为中心的高级功能。6.与手机用户群相比，PND 拥有者是经常使用导航功能的用户.7.手机不是专门的导航设备，其设置只适合临时导航。
智能手机对 PND 制造商产生了巨大的冲击。智能手机导航的兴起不可避免，这是由于很多手机都集成了GPS 功能、大尺寸触屏可用性更好、以及内置连接功能可用于系统升级，因此在一个手机上可以使用多种捆绑业务，从而充分利用均价数据计划。此外，苹果公司决定采用Navigon 和TomTom 提供的导航软件，更是导致市场需求涌向多功能手机而与专用PND 渐行渐远。就以iPhone的导航软件为例。自6 月份发布新的操作系统以来，苹果公司已有6 个机载及2 个离机实时TbT 导航软件供iPhone 使用。iPhone 用户最初的反应是鼓励导航软件供应商，因为Navigon 的导航软件自发布以来在德国iTune 中的销量居前5 名，而TomTom的则迅速冲至App Store 中付费导航软件的第4 名。有意思的是，在推出iPhone 导航软件之后，TomTom 仍然认为，PND 需求会继续走旺，iPhone导航应用只代表一次发展的机会而不是对PND 的威胁，尤其是从短期来看。TomTom 公司现有业务的80%来自PND，但随着智能手机占有更大的市场，这一数据会随之改变。iSuppli 相信，在iPhone 手机导航应用中，离机导航软件用户的增长速度将超过机载导航软件用户的增长速度，尤其是在2009 年和2010 年。与较新的机载导航软件供应商相比，离机导航软件供应商无疑在智能手机导航应用方面拥有更多经验。而且，由于与手机运营商关系更好，现有的离机导航软件用户将从中得到好处。但由于机载导航软件能够提供类似PND 的高级功能，且用户更倾向于一次性付费购买导航软件，因此随着时间的推移，机载导航服务将吸引更多用户。 　　从2004 年开始，PND 市场的增长速度及流行程度一直超过预期。iSuppli 预测2009 年将成为PND 的分水岭，因为它们将从生命周期的生长期进入成熟期。iSuppli 相信，到2011 年，几乎100%的智能手机将集成GPS 功能。更好的微处理器支持、容量更高的内置闪存、更长的电池寿命以及与PND 相当的价格，都会促使用户选择智能手机导航应用。到2012 年，智能手机将成为主要的导航设备，提供与中档PND 相似的特性及功能。 　　
到2013 年，两大PND 供应商将占有大致相当的PND 市场份额。iSuppli 预测，在2009 年至2013 年间，现有的TomTom 和Garmin PND 出货量将不会有大的变化(假定其使用寿命为3 年)。但是，智能手机导航很可能会抢占部分PND 市场。PND 出货量的任*的增长，都可能来自亚太地区。该地区过去使用PND 的用户不多，但在不断增加。估计从2009 年到2013 年，iPhone 手机导航用户数将从200 万增加到280 万。

六、结语
手机的发展之迅速给我们的生活带来了许许多多方便,而当今只能手机在市场的地方足以见得它的功能之强大.然而手机中的GPS导航系统更是迅猛发展起来了,我们也在这发展强势之中寻得了研究兴趣,特此我们组以此来作为我们的实践报告的题目.也希望在这次报告中能够更加了解GPS导航系统,也让我们深入到科技发展的强劲之势来,感受科技的发展.
对于我们这些刚刚踏入社会而又没有经验的应届毕业生来说,我们更需要去了解这个社会,关注这个这个社会,那么我们就更需要去了解这个社会的发展,更需要去关注科技的发展.所以,这也是我们用这个来作为我们实践报告的目的所在.
在此次报告的过程中,有我们一组成员间的共同讨论,一起协商,团结协作完成了我们此次报告的浅析与报告的撰写.

参考文献
[1]李明峰 ,冯宝红 ,刘三枝. GPS 定位技术及其应用[M] . 北京 :国防工业出版社 ,2006
[2] 蒲爱洁. GPS 手机发展呈现新机[J ] . 中国电信业 ,2008 (5)
[3] 王少伟.多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究[D].北京:北京交通大学,2006.
[4] 方鹏.GPS/INS组合导航与定位系统研究[D].上海:同济大学,2008.

谢 词
在完成实践报告的工程中,才真正感受到我们的大学生活即将结束.在时光如箭般流逝的同时,我们在大学中也学到了许许多多的包括专业知识以外的东西.我想这都将成为我们踏入社会这一殿堂的基层保障.
当然在这大学三年中我们有许许多多的感谢要说.尤其是在本次实践报告撰写中两位指导老师的指导,以及给予我们一些更富有经验性的建议,在此我们组成员表示深深的感谢和崇高的敬意.
在临近毕业之际，我还要借此机会向在这三年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们三年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业实践报告。
同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。
我还要感谢同组的各位同学以及我的室友，你们给了我们很多的帮助，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢!