嵌入式GPS定位系统的设计与实现.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.46M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1定位系统国内外的研究进展

1.2课题意义

1.3本课题研究的基本任务与要求

1.4论文的主要内容和章节安排

2总体方案及硬件系统设计

2.1总体设计方案

2.2嵌入式系统硬件电路设计

2.2.1核心电路系统(及S3C2410的最小运行系统)的选型设计

2.2.2功能底板电路系统设计

2.3嵌入式系统电路系统组成

3 GPS接收机模块设计

3.1GPS定位原理

3.2 GPS接收模块的应用

3.2.1天线检测电路

3.2.2实时时钟

3.2.3MOTOROLA二进制命令表

3.2.4GPS天线P1MAM

3.3 GPS软件系统设计

3.4数据处理模块

3.5 GPS接收误差分析

3.5.1GPS卫星星历误差

3.5.2卫星钟误差

3.5.3接收机钟误差

3.5.4多路径效应

3.5.5电离层折射误差

3.5.6对流层延迟

4软件系统设计

4.1嵌入式操作系统的定制

4.2 WINCE下应用程序开发的特点

4.3应用程序设计

4.3.1GPS初始化

4.3.2串口通信

4.3.3GPS接收译码

4.3.4放大、缩小地图程序算法

4.3.5最佳路径分析

5实验结果验证

5.1软件介绍

5.2实验结果分析

6结论

致谢

参考文献

附录

重庆大学硕士学位论文嵌入式GPS定位系统的设计与实现姓名：张慧敏申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：何伟20070425

重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着微电子技术和空问大地测量技术的发展为地理信息系统的发展带来无穷的活力。近些年来，由于全球定位系统(GPS)能够提供位置、速度、时间等信息，使其应用越来越广泛，已经涉及到国民经济的各个领域。嵌入式系统具有广阔的科技前沿和应用前景，已成为继个人电脑和互联网以后最为重要的发明之一。将GPS、嵌入式等技术集成实现目标的实时定位，从而完成嵌入式定位系统的设计与实现，有着极大的开发和应用前景。本课题主要是研究一种基于ARId9微处理器的GPS定位系统的设计与实现方法。论文研制基于APJd9嵌入式架构的GPS定位系统，重点研究和设计基于嵌入式处理器$3C2410为核心的电路系统，并且根据嵌入式硬件系统定制WindowsCE软件平台，在WindowsCE环境下采用EmbeddedVisualC++4．0软件开发设计MotorolaM12GPS接收模块的驱动和控制程序以及具有空间地理信息显示功能的定位系统，并且利用WindowsCE的图形显示方式，设计具有电子地图位图显示形式的定位显示模式。本论文研究内容主要涉及嵌入式系统硬件研制，GPS定位原理和接收模块的应用开发，嵌入式操作系统WindowsCE的定制和系统构建，基于c语言的接口驱动程序设计和嵌入式可视化应用程序设计等技术，更重要的是基于这些技术实现具有地理图形模式的嵌入式定位系统。本文针对嵌入式定位系统的软硬件设计和实现，提出了利用以ARM9核为硬件基础和以WindowsCE操作系统为软件基础的设计实现定位系统的的解决方案。实验结果证实，所研制的嵌入式定位系统能够完成预期的定位功能，对基于嵌入式技术的定位系统设计具有一定的参考价值。关键字：GPS，嵌入式，定位系统，WindowsCE

重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTThemicroelectronictechnologyandspacegeodetictechniques’developmentbringboundlessvitalitytogeographicinformationsystems．Inrecentyears，becausotheGPSsystemcanprovideposition,velocityandtimeinformation,ithasbeenused晰dely，relatingtoallal'easofthenationaleconomy．Embeddedsystemhasbroadforelandofscienceandprospectsofapplication．ItbecomesoneofthemostimportantinventionafterpersonalcomputersandtheInternet．GPS，Embeddedintegrationtechnologywhichcallachievethegoalofreal-timepositioningandthecompletionoftheembeddedpositioningsystemdesignandimplementation,havegreatprospectsofdevelopmentandapplication．ThisprojectmainlyresearchesthedesignandimplementationofGPSorientationsystembasedontheARMmicroprocessor．ThepapersbasedonthestructureARM9embeddedGPSpositioningsystem,focusesonresearchanddesignforembeddedprocessoroDreS3C2410circuitandcustomizeWindowsCEsoftwareplatformaccordingtoembeddedhardwaresystem．ItdesignsMotorolaM12GPSRocoivcrModuledriveandcontrolprogramandspatialgeographicinformationdisplaypositioningsystemusingEmbeddedVisualC++4．0soRwareinWindowsCEenvironmentandusetheWindowsCEgraphicaldisplaymodetodesignpositioningofdisplaymodewithelectronicmaps．Thispapermainlydealswithresearchembeddedhardwaredevelopment,principlesofGPSreceivermoduleapplicationdevelopment,embeddedWindowsCEoperatingsystemcustomizationandsystemconstruction,basedontheCLanguageInterface-dfivanprogrammingandembeddedvisualizationapplicationdesigntechnology,moreimportantly,thetechnologybasedonthesegraphicsmodewithageographicalpositioningsystemembedded．Todesignandimplementembeddedpositioningsystemhardwareandsoft：ware,thispaperusesARM9coreashardwareandWindowsCEoperatingsystemassoft-waretodesignembeddedtechnology．Theexperimentalresultsconfirmedthattheembeddedpositioningsystemcanaccomplishthedesiredpositioninggoal，andithassomcreferencevaluetothedesignofpositioningsystembasedOiltheembeddedtechnology．Keywords：GPS，EmbeddedSystem，Thepositioningsystem，WindowsCEⅡ

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：当罐宣炙签字日期：≯卯7年／月厂日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密()，在——年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密(V勺。(请只在上述一个括号内打“4”)学位论文作者签名：乡缮躺欠导师签名：签字日期：九。7年∥月(日砺船／I签字日期：玉1年∥月j日

重庆大学硕士学位论文1引言1．1定位系统国内外的研究进展由于现代科学技术的发展，导致大地测量学出现重大的技术突破，其具体表现在以全球定位系统(GPS)、卫星激光测距(SLR)和甚长基线干涉(VLBI)为代表的空间大地测量技术手段的出现。在大地测量学的这些新技术手段中，又因GPs能高精度、自动化、全天候和高效益运作而成为其中代表。全球定位系统(百obalpositioningsystem．简称GPS)是20世纪70年代由美国国防部研制的新一代卫星导航定位系统，该系统可向人类提供高精度的导航、定位和授时服务II|。五十年代末，原苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其的跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星导航定位系统TRANSIT的建成，在军事和民用方面取得了极大的成功，是导航定位史上的一次飞跃。我国也曾引进了多台多普勒接收机，应用于海岛联测、地球勘探等领域。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频率低、轨道精度难以提高，使得定位精度较低，难以满足大地测量或工程测量的要求，更不可能用于天文地球动力学研究。为了提高卫星定位的精度，美国从1973年开始筹建全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)。在经过了方案论证、系统试验阶段后，于1989年开始发射正式工作卫星，并于1994年全部建成，投入使用。(ZIPS系统的空间部分由2l颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，地面高度为20000余公里，轨道倾角为55度，扁心率约为0，周期约为12小时，卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575．442兆赫兹(L1波段)和1227．6兆赫兹(L2波段)，卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的C／A码和P码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时服务121。6PS系统的控制部分由设在美国本土的5个监控站组成，这些站不间断地对GPS卫星进行观测，并将计算和预报的信息由注入站对卫星信息更新。GPS系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此用户的数量也是不受限制的。虽然GPS系统一开始是为军事目的而建立的，但很快在民用方面得到了极大的发展，各类GPS接收机和处理软件纷纷涌现出来。目前在中国市场上出现的接收机主要有Novhtel、ASHTECH、TRIMBLE、CMC等。能对两个频率进行观测的接收机称为双频接收机，只能对一个频率进行观测的接收机成为单频接收机，他们在精度和价格上均有较大区别。

重庆大学硕士学位论文对于测绘界的用户而言，GPS已在测绘领域引起了革命性的变化。目前，范围上数公里至数千公里的控制网或形变监测网，精度上从百米至毫米级的定位，一般都将GPS作为首选方式，随着RTK技术的日趋成熟，GPS已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透”-41。国际GPS大地测量和地球动力学服务IGS自1992年起，已在全球建立了多个数据存储及处理中心和百余个常年观测的台站，我国也设立了上海余山、武汉、西安、拉萨、台湾等多个常年观测台站，这些台站的观测数据每天通过Internet网传向美国的数据存储中心，IGS还几乎实时地综合各数据处理中心的结果，并参与国际地球自转服务IERS的全球坐标参考系维护及地球自转参数的发布。使用者也可免费从Internet网上取得观测数据及精密星历等产品。GPS系统的实时导航定位精度很高，美国在1992年起实行了所谓的sA政策，即降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动(使伪距和相位的量测精度降低)，后又实行了A—s政策，即将P码改变为Y码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响，但美国为了获得更大的商业利益，这些政策终将被取消。近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+IPPM．D，单频接收机在一定距离内精度可达IOmm+2PPM．Dul。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。美国、日本、德国等发达国家在国内建立了大量GPS综合应用网络，如美国连续运行参考站网络系统(CORS)、美国CUE，ACCQPOINT公司的广域定位导航服务网络、加拿大的主动控制网系统(CACS)、德国的卫星定位与导航服务计划(SAPoS)、日本的GPS连续应变监测系统(CoSMoS)等”1。1．2课题意义随着我国信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展，无论是电子政务、电子商务，还是数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化，都需要采集多种实时地理空间数据，因此，中国发展“连续运行参考站”系统的紧迫性和必要性越来越突出。几年来，国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的卫星定位连续运行网络，其中著名的有中国地震局牵头建设的中国地壳运动监测网络，交通部建的沿海差分站网系统，信息产业部建立的电离层监测网络，国家测绘局建立的连续运行参考框架网络，部队建设的连续跟踪站网络等。目前，为满足国民经济建设信息化的需要，一大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的2

重庆大学硕士学位论文连续运行网络系统，特别是具有多种功能的综合服务系统‘71∞。我国GPS综合服务系统的建设现已进人快速发展时期。GPS的技术革命和巨大的应用潜力，使它在我国的许多相关学科和行业中受到普遍的重视和关注。当前我国“数字中国”、“数字省区”、“数字工程”等数字化工程建设事业发展迅猛Ⅲ’。基于嵌入式GPS定位系统的产品大多从国外进口，它们被广泛应用在城市规划、气象信息、公安、交通、海洋测绘、地质考察及野外旅游考察等方面，而嵌入式GPS定位系统的国内产品相对较少，且技术可靠性不高，因此开发设计集成化程度高，技术可靠性好的嵌入式tiPS定位系统具有十分重要的意义。1．3本课题研究的基本任务与要求本课题主要研究内容是：利用ARM嵌入式系统和GPS接收系统作为硬件开发平台，以WindowCEn21操作系统为软件平台，采用EmbeddedVisualc++作为软件开发工具设计GPS定位程序。通过对ARM嵌入式系统的合理配置设计制作嵌入式功能板，再配以相应的处理的算法，接收GPS数据并对其通过图形方式实时显示地理位置信息。设计集成化程度高、技术可靠性好、操作简单方便的嵌入式GPS定位系统具有重要的实用意义。本课题具体工作包括以下几个方面：①合理研究和选型基于ARM9核的$3C2410核心电路系统，充分考虑软件平台构建和应用程序设计所需的硬件资源容量；②在选用适合需求的$3C2410核心电路系统的基础上，设计制作嵌入式功能底板，绘制原理图和PCB图，重点考虑各类接口和驱动电路设计，特别是嵌入式操作系统调试串口、以太网接口、GPS接收串口及其LED显示驱动电路的设计，充分利用$3C2410丰富的接口资源，设计功能完善和接口丰富的功能底板；③合理选用GPS接收模块，选用定位精度高并具备实时授时等功能的可靠性好、数据传送端口匹配性好(匹配$3C2410通用接口)、底层驱动程序易于开发的GPS接收模块，以满足定位系统需求；④针对$3C2410嵌入式电路系统和GPS接收系统，构建和调试WindowsCE操作系统，熟悉WindowsCE环境下的驱动程序设计和图形界面的应用程序开发；⑤在WindowsCE平台上，采用EmbeddedVisumC++软件开发设计GPS接收驱动程序和图形模式下的定位系统应用程序；⑥针对嵌入式定位系统的设计要求，对硬件设计系统和软件系统进行测试，完成整个系统功能要求。3

重庆大学硕士学位论文1．4论文的主要内容和章节安排本文在设计和调试嵌入式硬件系统、构建和调试WindowsCE软件平台、开发设计GPS接收驱动程序和定位系统应用程序的工作上，针对$3C2410的各类接口设计接口丰富的功能底板，在WindowsCE操作系统下开发设计串口、LCD等驱动程序以满足系统需要，同时在WindowsCE平台上开发设计图形模式的GPS定位系统，并以电子地图的位图形式显示定位信息和标定地理位置，在习惯上实现与Pcwindows操作系统使用和设计风格相一致的简便操作。论文章节安排如下：第一章，引言；第二章，总体方案及硬件系统设计；第三章，GPS接收机模块设计；第四章，软件系统设计；第五章，实验结果验证；第六章，结论。4

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