基于ATMEGA8单片机的GPS定位系统设计.doc

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.99M 资料格式：doc 举报版权申诉

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1.1课题的提出目的及意义1

1.2国内外研究与应用现状2

1.3论文构成及研究内容4

2.1 GPS工作原理4

2.2 GPS系统的组成7

2.3 GPS接收机9

2.4 GPS信号结构与数据采集9

3.1 系统硬件框图12

3.2 硬件电路的组成12

3.2.1 GPS接口电路 12

3.2.2 复位电路设计13

3.2.3 串口电路 14

3.2.4 LCD液晶显示电路15

4.1系统软件设计概述18

4.2 GPS数据采集与处理的实现

4.2.1 GPS数据格式20

4.2.2 系统串口设计20

4.3 滤波算法的实现21

4.4 LCD显示任务23

5.1实验方案24

5.2 实验结果分析与讨论24

基于 ATMEGA8 单片机的 GPS 定位系统设计摘要本文主要是研究利用 ATMEGA8 单片机提取 GPS 卫星接收芯片（SDC Inc）接收到的数据，然后再把数据用软件滤波，并在 LCD 上显示经纬度等信息，以实现系统的功能。由于 GPS 定位数据中存在着影响定位精度的随机误差，文中对接收机的位置误差建立了线性卡尔曼滤波模型，并利用观测数据对 GPS 定位数据的自适应卡尔曼滤波算法进行了仿真，结果表明滤波后定位精度得到了提高。关键词: GPS， AVR 单片机，卡尔曼滤波 Abstract This article is extracted using ATMEGA8 SCM GPS satellite receiver chip (SDC Inc) to and then the data filtering software and LCD display latitude and receive the data, longitude and other information in order to achieve the function of the system. As GPS positioning data in a positioning accuracy of the impact of random error, the text of the receiver's position error to establish a linear model Kalman filtering and use of data on the GPS positioning data adaptive Kalman filter the simulation results After that filter positioning accuracy has been enhanced. Key words: GPS, AVR microcontroller, Kalman filter I

目录 1 绪论 ..................................................................1 1.1 课题的提出目的及意义 ............................................. 1 1.2 国内外研究与应用现状 ............................................. 2 1.3 论文构成及研究内容 ............................................... 4 2 GPS 工作原理及组成 .................................................... 4 2.1 GPS 工作原理 ..................................................... 4 2.2 GPS 系统的组成 ................................................... 7 2.3 GPS 接收机 ....................................................... 9 2.4 GPS 信号结构与数据采集 ........................................... 9 3 硬件电路设计与实现 ...................................................12 3.1 系统硬件框图 .................................................... 12 3.2 硬件电路的组成 .................................................. 12 3.2.1 GPS 接口电路 ............................................. 12 3.2.2 复位电路设计 ............................................. 13 3.2.3 串口电路 ................................................ 14 3.2.4 LCD 液晶显示电路 ..........................................15 4 系统软件设计与实现 ................................................... 18 4.1 系统软件设计概述 ................................................ 18 4.2 GPS 数据采集与处理的实现 ........................................ 20 4.2.1 GPS数据格式 ..............................................20 4.2.2 系统串口设计 ............................................. 20 4.3 滤波算法的实现 .................................................. 21 4.4 LCD 显示任务 .................................................... 23 5 系统实验测试及定位精度分析 ........................................... 24 5.1 实验方案 ........................................................ 24 II

5.2 实验结果分析与讨论 .............................................. 24 结论 ...................................................................25 参考文献 ...............................................................26 致谢 ...................................................................29 附录 ...................................................................30 III

1.1 课题的提出目的及意义 1 绪论随着国民经济的迅猛发展及社会信息化的空前提高，因为 GPS 技术和全天候、高精度和自动测量功能先进的测量工具和新的生产力,已经集成到国家经济建设、国防建设和社会发展的各种应用程序。 GPS 的主要用途有： 1、地面上应用，包括导航、压力反应,观测的大气物理、地球物理勘探、市政规划和控制车辆； 2、水上应用，包括了测定远洋外出船的最适宜的路线、实时的对外出船只进行调度与导航、此外还有海洋上的救援、水文环境地质的测量。 3、航空航天等方面的应用，其中包括对飞机进行导航、对低轨卫星进行定轨导航、导弹的制导、对航空发生突发情况的救援以及对载人航天器进行防护探测等。三维导航在 GPS 的各种功能中占据首位。GPS 系统在汽车导航以及交通管理中的应用如下：（1）可以对特定车辆进行跟踪,运用的原理就是通过电子地图和卫星导航功能来实现的，实时显示具体车辆的实际位置,任意减少时,放大,改变地图,恢复,可以遵循移动目标,目标是在屏幕上,也多窗口、多车,多屏幕在同一轨道上显示。（2）根据人们的需要，自动线路规划和人工线路设计。（3）可以查询信息。（4）可以进行话务的指挥。（5）可以对突发事件进行紧急援助。除了 GPS 导航应用,基于位置的应用程序中,测量应用程序,在天基卫星精确时钟应用程序在地面站的实时监控,传输精确的全球定位系统(GPS)的时间和频率是另一个非常重要的应用这是基于 GPS 空间卫星上载有的精确时钟可以发布准确的时间和频率信息。应用该功能可以服务于各种各样的实验。除了上述的那些功能，我们还可利用 GPS 全球定位系统来测出我们所期待的想要的气象数据，让这些数据为我们所应用。本文的研究是现代技术的应用 GPS 技术,促进应用程序提交的背景下。面对全球定位系统的高昂的价格，并且自主开发的难度大的种种困难，GPS 信号源就可以选用 ARMIN 公司的 GARMIN，15L 模块传感器，然后运用自己的原理硬件等条件来开发小型的简易的全球定位数据采集系统。依照当前的世界上的统一标准，可以通过运用相关的理论将 GPS 的理论同电子计算机以及通讯技术相结合，从而创立新的环境系统，进而利用相关版块定位数据信息的输出，对这样的结果进行适当的处理，在满足要求的定位精度下来实现近乎精确的导航定位的效果。这样的系统环境简洁易操作。[1][2]。 1

1.2 国内外研究与应用现状我国是 20 世纪 80 年代末引进的 GPS 接收机技术。自引进该技术以来，在理论研究和应用技术开发以及接收机制造等各个方面不断取得突破性的进展。 1958 年全球定位系统开始进入施工设计阶段，自这一阶段起，起到重要作用的宇宙卫星也发生着很大的改变，尽管全世界一直都在进步，但美国一直处于领先地位。为了尽快摆脱对美国垄断 GPS 卫星的依赖，世界各国也在全力以赴地建立属于自己的全球定位系统。最初开发的系统在苏联，解体后俄罗斯后继续该项目。俄罗斯在 1993 年开始建立自己的全球卫星导航系统。系统于 2007 年开始运营,但是只有在俄罗斯内进行卫星定位和导航服务。到 2009 年,扩大服务范围到了全世界的范围。能够识别的系统服务,包括陆地、海洋和空中目标坐标和速度信息。（1）系统在开发过程中,军事的代表并没有直接参与。民用卫星导航和定位系统是一个具有商业性质的一热导航定位系统,政治因素的非军事用户使用系统的更少（2）传统的 GPS 全球定位系统存在着一定的缺陷，就是在没有预兆的情况下，很可能突然地不工作，失效，出现一系列的错误。伽利略系统改造了系统的结构，保障了系统的稳定性，持续性，可靠准确地向用户提供所需求的信息。（3）为了可以进一步的提高系统的精确度，采取了一定的措施，将性能更好的原子钟安置在特定的卫星上，将地面监测站更多、分布更广的安放在适当位置等一系列的措施。从而给用户提供了更准确的信息，也将服务领域向更广的地方延伸。（4）伽利略系统与 GPS 系统的关系非常微妙，既相互独立，也互相兼容，很好的解决了非常多的棘手问题。我国的北斗卫星导航系统也具有较高的地位。5 颗静止的轨道卫星和 30 颗非静止轨道卫星构成了我国的自主研发的北斗卫星，在我们的计划中，将在 2012 年北斗系统覆盖亚太地区，覆盖全球这一战略目标将在 2020 年左右实现。本文所研究的课题中，所用的导航定位系统仍然是美国建立的 GPS 定位系统[3]。 1.3 论文构成及研究内容本篇论文一共分五章，第一章为绪论，主要阐述了本文课题提出的出发点并且同时分析了一下当前全球定位系统的国内外形势；第二章介绍 GPS 工作原理及组成；第三章介绍基于 AVR 单片机的 GPS 定位系统的硬件设计；第四章介绍 GPS 软件设计与实现；第五章介绍 GPS 定位系统实验测试及定位精度分析。本文所设计的系统是利用 ATMEGA8 单片机提取 GPS 卫星接收芯片（SDC Inc）接收到的数据，然后再对数据进行软件滤波，并在 LCD 上显示经纬度等信息。 1.4 本章小结本章主要是介绍了此次论文的提出动机以及现在这项技术的主要意义，分析了国内外的 GPS 的发展现状，并且展望了一下在新的时代背景下所展示出来的战略地位，现在国际上主要是美国，俄罗斯，欧盟以及中国有比较先进的全球定位技术，并且都是具 2

有关键的作用。我国自主研制的北斗卫星技术已经愈趋成熟，可以广泛地应用于我国各项科技方面。本篇论文主要由 5 个章节构成，分别从系统理论原理到外在结构分析研究了这个设计，另外还有分组对比实验来验证设计的严谨性。 2 GPS 工作原理及组成 2.1 GPS 工作原理 GPS 的英文全称是 NGlobal Positioning System。它主要的意义在于，使用卫星导航和测距测试构成全球卫星定位系统。在现在的情况下，21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成了目前的全球定位系统。这样的设计可以让人们随时随地任何时间都可以观测出所需要的定位导航，方便于人们更好的生活。全球定位系统是到目前为止口碑最好，精度较高，应用广泛的系统。 GPS 单点定位基本原理是利用测距交会确定点的位置，同样的，应用相同原理的还有无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系统，其原理是在地面上固定一个位置，在某一时刻测出三个发射台距离这个位置的三个距离 1p , 2p , 3p 。然后将三个发射台所在的位置作为每一个球的球心，以 1p , 2p , 3p 半径能够做出三个平面圆，接这样的情况下，所出现的相交区间就是接收机所在的位置。以上便是 GPS 卫星定位的基本原理[4]。定位原理图见图 2-1 所示。图 2-1 测距交会定位原理可以根据上述原理，算出测站 P 的位置。设某一个特定的时刻T 某个特定的位置 P 3

利用 GPS 系统同时测得该点距离这三个卫星 1S ， 1S ， 1S 的距离 1p , 2p , 3p ，然后通过相关译文辅助材料可以得到相应坐标  X , Y i i , Z i  i 3,2,1 。进而得到下列方程 2 p 1   XX  2  1   YY 1  2    ZZ  1 2 2 p 2   XX  2    YY 2  2  2   ZZ  2 2 2 p 3   XX  2  3   YY 3  2    ZZ  3 2 (2-1) (2-2) (2-3) 通过以上的方程可以很清晰的看出来，只要是确定了这三个观测点到测站的距离，就可以确定了这个位置。对于待定点来讲，根据待定点运动状态可以将其分为静态定位和动态定位。静态定位是指对于固定的待定点，将 GPS 接收机固定其上，观测恰当的时间，来确定点的坐标叫绝对定位。而动态定位则至少一台接收机处于运动状态[5]。 2.2 GPS 系统的组成系统主要由三大组成部分：即空间星座部分；地面监控部分；用户接收设备。 1、空间星座部分，空间星座是面对地面控制和用户终端的桥梁，它为地面用户终端提供各种码和载波信号，从而实现定位。从根本上来说，他就是通过空间卫星的各种后方交会的原理给用户终端提供定位。 2、地面监控部分，在目前的情况下，主要由分布在世界各地的 5 个监测站构成。站内一般设有很多有特定作用的设备，比如双频 GPS 接收机、计算机和若干环境数据传感器等。整个 GPS 的地面监控部分，如图 2-2 所示，除主控站外均无人值守。 4

图 2-2 地面监控系统方框图 3、用户接收设备，GPS 空间段、地面控制是基于广泛的用户应用程序的导航和定位系统,用户只能由一个用户设备(接收器),才可以达到特定的导航和定位。接收机的主要作用就是就收各种设备反馈回来的信号，将这些信号进行整合筛选，接收机的工作过程如下: A、选择卫星:首先我们要知道大概的卫星的航向，然后从这些卫星中挑出几何位置关系较好的统计起来，可以形成自己的星历。 B、搜捕和跟踪被选卫星信号:搜索信号不必循规蹈矩地逐个搜索，一旦掌握了其大致的方向位置，就可以粗略的计算出其模糊的位置。 C、定位计算[6]。 2.3 结构图尽管 GPS 的种类繁多，各式各样，但是其主要结构还是不尽相同，主要是由两个方面构成，其结构如图 2-3 所示[7][8]。 5

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