GPS定位信息显示系统毕业论文

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目录

第1章 GPS简介及基本理论 (1)

1.1 关于GPS的概述 (1)

1.2 GPS的组成 (3)

1.3 GPS信号结构 (6)

第2章方案论证 (8)

2.1 单片机的选择 (8)

2.1.1 AT89C51 (8)

2.1.2 AT8051 (8)

2.2 显示器的选择 (9)

2.2.1 LED动态显示扫描方式 (9)

2.2.2 LED静态显示扫描方式 (10)

2.3 GPS接收板的选择 (10)

第3章硬件电路设计 (11)

3.1 单片机最小系统介绍 (12)

3.1.1 所用单片机引脚介绍 (12)

3.1.2 复位电路 (14)

3.1.3 时钟电路 (15)

3.2 显示电路 (16)

3.2.1 LED显示器结构 (16)

3.2.2 LED显示器工作原理 (17)

2.2.3 LED显示器驱动电路 (17)

3.3 GPS模块与处理器接口电路 (18)

3.4 存储器电路 (19)

3.5 GPS模块串口电路 (20)

3.6 电源电路 (22)

第4章软件部分设计 (23)

4.1 GPS25-LVS的信息输出格式 (23)

4.2 主程序设计 (24)

4.3 单片机的信息接收处理 (26)

总结 (28)

致谢............................................... 错误!未定义书签。参考文献 (29)

附录1：总图 (31)

附录2：部分源程序 (32)

第1章 GPS简介及基本理论

1.1 关于GPS的概述

GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System的字头缩写词(NAVSTAR/GPS)的简称。它的含义是，利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球卫星定位系统。现在国际上已经公认：将这一全球定位系统简称：GPS。

自古以来，人类就致力于定位和导航的研究工作。1957年10月世界上第一颗卫星发射成功之后，利用卫星惊醒定位和导航的研究工作提到了议事日程。1958年底，美国海军武器试验室委托霍布金斯大学应用物理实验室研究美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System—NNSS）。这个系统中，卫星的轨道通过地极，所以又称为子午仪卫星导航系统(Transit)。1964年1月用于北极星核潜艇的导航定位研究成功，并逐步用于各种军舰的导航定位。1967年7月，经美国政府批准，对其广播星历解密，并提供民用，为远洋船舶导航和海上定位服务。由此显示出了卫星定位的巨大潜力。尽管子午仪卫星导航系统已得到广泛应用，并显示出巨大的优越性，但是，这系统再实际应用方面却存在十分严重的缺陷。改系统是由5－6个卫星组成的导航网。卫星运行高度较低（平均约1000km），运行周期为107分钟。对同一个卫星每天通过次数最多为13次。由于采用多普勒定位原理，一台接收机一般需要观测15次合格的卫星通过，才能达到±10M的单点定位精度，再全球围，它给出的定位信息只能是全天候的连续二维坐标——经度和纬度，不能给出高程。这种系统，一方面由于所需的观测时间较长，不能给用户，尤其是高动态用户（如：飞机、车辆等）提供实时和导航服务；另一方面，由于卫星导航较低，受大气影响严重，定位精度的提高受到限制，因而限制了高动态用户和高精度用户的使用。对舰船而言，利用这个系统只能对惯性导航系统和其他无限电导航系统进行连续的精确修正，它的作用远不能满足全球实时定位

的要求。

鉴于子午仪卫星导航系统对潜艇和对水面船舶导航的可靠服务以及该系统存在的缺陷。美国于60年代末着手研究新的卫星导航系统，以满足海陆空三军和民用不盟对导航越来越高的要求。为此，美国海军提出了名为“Timation”的计划，该计划采用12－18颗卫星组成的全球定位网，卫星高度约10000Km，轨道呈圆形，周期为八小时，并与1967年5约31日和1969年9约30日分别发射了timation-1和Timation-2两颗试验卫星，与此同时，美国空军提出了名为“621-B”计划，它采用3－4个星群覆盖全球，每个星群由4－5颗卫星组成，中间一颗采用同步定点轨道，其余几颗采用周期为24小时倾斜轨道。这两种计划的目标一致，即建立全球定位系统。但两个计划的实施方案和容不同，各有优缺点。考虑到两个计划的各自优缺点以及美国难于同时负担研制两套系统的庞大经费开支，1973年美国代理国防部长批准成立一个联合计划局，并在洛杉矶空军航天处设立办事机构。在联合计划局的领导下，诞生了GPS方案。这个方案是由24颗卫星组成的实用系统。这些卫星分布在互成120。的三个轨道平面杉，每个轨道平面平均分布8颗卫星。这样，对于地球任何位置，均能同时观测到6－9颗卫星。预计粗码定位经度为100m左右，精码定位经度为10m左右。1978年，由于压缩国防预算，减少了对GPS计划的拨款，于是将实用系统的卫星数由24颗减为18颗，并调整了卫星配置。18颗卫星分布在互成60。的6个轨道面上，轨道倾角为55。。每个轨道面上布设3颗卫星，彼此相距120。。从一个轨道面的卫星到下一个轨道面的卫星之间错过40。这样的卫星配置即使全部卫星正常工作，其平均可靠度仅为0.9969。如果卫星发生故障，将使可靠性大大降低。因此1990年初又对卫星配置进行了第三次修改。最终的GPS方案是由21颗工作卫星和三颗在轨备用卫星。

卫星的轨道参数基本上与第二方案相同。只是为了减少微型漂移，降低对所需轨道位置保持的要求，为卫星的高度提高了49km，即长半轴由26650km提高到了26609km。这样，由每年调整一次卫星位置改为每七年调整一次。

GPS实施计划共分为三个阶段：

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了试验。试验结果令人满意。

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颗式样卫星。这一阶段称之为Block I。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。试验表明，GPS的定位经度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到14m。由此证明，GPS 计划是成功的。

第三阶段：为使用组网阶段。1989年2月4日第一柯GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设极端。这种工作卫星称为BlockII和BlockIIA卫星。

1.2 GPS的组成

GPS包括下列三大部分：GPS卫星(空间部分)、地面支撑系统(地面监控部分)、GPS接收机(用户部分)。

1.GPS卫星：

自1978年2月22日发射第一颗GPS试验卫星以后，到1985年10月9日发射最后一颗GPS试验卫星，共有11颗试验卫星在轨道上运行。这些试验卫星称为blockI卫星。现在只有四颗卫星仍在工作。试验卫星是在加利福尼亚的登堡空军基地采用AtlasF火箭发射入轨的。运行轨道呈近似圆形，长半轴26560km，倾角为64度，轨道高度约20000km。这些卫星只分布在A，C两个轨道平面那，其目的是为了保证亚利桑那州的Yama试验基地能够获得最长的连续观测时间。每颗卫星按下列方式编号：

（1）顺序编号按照GPS试验卫星发射时间的先后次序对卫星进行编号。

（2）根据GPS试验卫星发射时间的伪随机噪声码(PRN码)对卫星进行编号，在导航定位中，采用PRN编号，这一规则一直沿用至今。

（3）IRON编号：IRON伪Inter Range Operation Number的缩写，意思是部距离操作码。IRON编号是美国和加拿大组成的北美空军指挥部给定的一种随机号，以此识别所选择的目标。

（4）NASN编号：这是美国航天局在其文件中给GPS试验卫星的编号。

（5）国际识别号：他的第一部分表示该卫星的发射年代，第二部分表示该发射卫星的序列号，字母A表示发射的有效负荷。

2.地面支撑系统：

在导航定位中，采用的是卫星后方交会原理。因此必须首先知道卫星的位置，而位置是由卫星星历计算出来的。地面支撑系统的功能就是观测卫星并计算其星历，编辑电文注入卫星，然后由卫星以广播星历的方式实时地传送给用户。

地面支撑系统包括1个主控站，3个注入站和5个监测站，如图1-1所示

图 1-1 地面监控系统方框图

3.用户接收机：

自从GPS全部建成以后，它将昼夜不停地发送导航定位信息，在地球地任何地方和任何时间实现实时定位。这其中最终要地关键设备就是用户接收机。近十几年，世界各国地企业公司和研所单位都相继研制各种类型地接收机。据1998年1月出版地《GPS WORLD》统计，已有60多家企业生产出400多种型号地GPS接收机。

GPS接收机可以按照不同要求进行分类，如按编码信息分类，按接受地数据分类，按接收机通道分类、按照动态性能分类、按用途分类、按工作模式分类等。但总起来说，可分为两大类：导航型和测地型。导航型接收机结构简单、体积小、耗电省、精度低、价钱便宜，一般采用单频C/A码伪距接受技术，定位经度为100m，用于航空、航海和陆地实时导航中：现在发展地差分GPS技术，能使定位精度提高到1-3米，大大拓宽了应用围、有极少数接收机采用P码接受技术，使单点定位精度达到10m，这种接收机专为军用。

GPS接收机地种类虽然很多，但它的结构基本一致，分为天线单元和接受单元两大部分，如图1-2所示：

图 1-2 GPS接收机基本结构

（1）天线单元：

它是由接受天线和前置放大器组成。GPS接收机天线有：定向天线、偶极子天线、微带天线、螺旋天线等。对天线地性能要求是：高增益，低噪声系数、大的动态围。由于高性能场效应FET放大器地出现，现在多采用有源微带天线。

（2）接收单元：

1)通道单元：它的主要功能是接收来自天线单元的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理过程，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置的数据信息。根据不同需要，可设计成6-12通道。通道是由硬件和软件组成。每个通道在某一时可跟踪一颗卫星。当此卫星锁定后，便占据这一通道，直到此卫星信号失锁为止。由于科学技术的反战，并行多通道接收机已经称为主趋势。双通道和多路复用的接收机已经被淘汰。在相关型接收机中，码延迟锁定环和载波相位锁定环是重要的部件。

a）码延迟锁定环(DLL)是将本地伪随机码与卫星的伪随机码对齐，实现卫星的