车载GPS导航仪设计.doc

本科生毕业设计本科生毕业设计 车载 gps 导航仪设计 the design of the car carry gps navigater 学生姓名 梁智雄 所在专业通信工程 所在班级通信 1042 申请学位工学学士 指导教师 冯青职称讲师 答辩时间2008 年 6 月 14 日 目 录 1，绪论 1.1 gps 系统简介.1 1.2 研究背景和前景分析 .2 2，设计说明 2.1 设计原则.4 2.2 设计依据4 2.3 目标产品介绍4 2.4 总体设计方案 .5 2.5 主要内容.7 3，gps 全球定位系统 3.1 gps 系统的组成.8 3.2.1 空间星座部分8 3.1.2 地面监控部分.8 3.1.3 用户设备部分.8 3.2 gps 定位的基本原理.9 4，信号接收子系统 4.1 gps 信号结构.11 4.1.1 gps 的信号结构 .11 4.1.2 导航电文.11 4.2 gps 接收模块13 4.3 gps 接收模块的输出数据格式 15 4.4 gps 的误差源17 4.4.1 与 gps 卫星有关的误差17 4.4.2 与卫星信号传播有关的误差17 4.4.3 与接收机有关的误差.18 5，车辆定位导航中的 卡尔曼滤波算法 5.1 卡尔曼滤波的基本思想及其应用领域 .19 5.2 gps 动态定位中卡尔曼滤波模型的建立 20 5.3 卡尔曼滤波模型的 matlab 仿真分析.24 6， 硬件系统设计29 7， 基于 dsp 的数据处理平台. 7.1 tms320vc5402 数字信号处理器简介 .36 7.1.1 dsp 芯片的特点 .36 7.1.2 dsp 芯片的分类 38 7.1.3 dsp 芯片的应用 .38 7.2 软件设计思路 39 7.3 软件设计流程图39 7.3.1 dsp 工作流程总图 .39 7.3.2 接收 gps 数据流程图 40 7.3.3 dsp 与 arm 通信模块流程图41 7.4 程序源代码.41 8，基于 arm7 的主控平台 8.1 平台部件介绍.42 8.1.1 arm7 s3c44b0x 简介42 8.1.2 嵌入式操作系统 uc/os 简介42 8.1.3 uc/gui 简介44 8.2 uc/os 的移植44 8.2.1 移植的介绍44 8.2.2 移植的内容45 8.3 uc/gui 的移植.52 8.5 应用程序52 8.5.1 流程图.52 8.5.2 程序代码53 结论53 参考文献.54 致谢54 附录 1 附录 2 附录 3 摘 要 车载 gps 导航仪在过去十年内已经成为汽车工业发展的焦点。在欧美国家和日本，车载 gps 导 航仪在最近几年内得以广泛的应用。车载 gps 导航仪是融全球卫星定位技术(gps)和嵌入式系统技术 于一体的高科技系统。它的主要功能是通过 gps 模块从卫星获取 gps 数据,将移动车辆的动态位置(经 度、纬度、速度)等信息精确实时地在地图上显示出来。本课题的整体思路是将车载导航系统分成三部 分：信号接收子系统，数据处理系统和主控平台。gps 子系统用于接收 gps 卫星数据，数据处理系统 采用卡尔曼滤波算法对数据进行处理，主控平台主要负责与用户进行信息交互，以便控制和管理整个 车载导航系统。 本设计采用卡尔曼滤波技术大大地提高了导航精度，在没信号的时段，则采用预测估值的办法， 对数据进行平滑处理，既节省了成本，又能到得到准确稳定的导航。主控平台以 arm 作为微处理器， 嵌入式 uc/os 作为操作系统，ucgui 作为图形用户界面的开发环境。整个系统所涉及到的关键技术 包括：gps、卡尔曼滤波技术、嵌入式技术、dsp，arm、uc/os、数据处理技术等。 关键词关键词：gps,卡尔曼滤波技术，dsp，arm7，uc/os abstract the car carry gps navigater has already became the foucus of the automobile industry development in the past decade.at the western countries and japan, the car carry gps navigater has been used widely in the last few years.the car carry gps navigater is the high technology system that melt the world satellite fixed position technique(gps) and built-in system technigly.its main function is obtain the gps data from the satellite by gps mold piece, then display the dynamic state position(longitude, latitude and speed) of the vehicle on the electron map.the whole thinking of this topic is to divide the carry car navigater system into three parts:the signal receive sub- system, the data processing system and the main control roof.the gps sub- system is used to receive the gps satellite data, the assignment of the data processing system is to carry out the kalamen filter, the main control roof is responsible for carrying on an information with customer to hand over with each other, in order to control and management the whole car carry navigation system. this design adoption kalman filter technique consumedly exaltation navigate accuracy,as the star signal is much weak sometimes, adoption the estimate estimate value of way, logarithms according to carry on smooth processing, since economical cost, again arrive get accurate stability of navigate.the main control roof to use arm as microprocessor, the built-in uc/os be an operate system, the ucgui be the development environment of the sketch customer interface.the whole system involve to of the key technique include:gps,carl the kalman filter,built-in technique,dsp, arm,uc/os,the data processing technique etc key words: gps,kalman，dsp，arm7，uc/os，gui 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 1 一一 绪论绪论 1.1gps 系统简介 全球定位系统(globalpositioningsystem 一 gps)是美国从本世纪 70 年代开始研制，历 时 20 年，耗资 200 亿美元，于 1994 年全面建成，能在海、陆、空实施全方位实时三维 导航与定位的新一代卫星导航与定位系统。全球卫星定位系统的前身是美国海军导航卫 星系统(称为子午仪)。1958 年 12 月，美国海军和 johnshopkins 大学物理实验室为了给北 极核潜艇提供全球导航，开始研制一种卫星导航系统，称为美国海军导航卫星系统。在 该系统中，由于卫星轨道通过地极，因此被称为“子午卫星系统” 。1959 年 9 月美国发射 了第一颗试验性卫星，经过几年实验，1964 年该系统建成并投入使用。1967 年美国政府 宣布该系统解密并提供民用。虽然子午卫星系统对导航定位技术的发展具有划时代的意 义，但由于该系统卫星数目较少(只有 6 颗工作卫星)，运行高度较低(平均约为 1000 公里)， 从地面站观测到卫星的时间间隔也比较长(平均约为 1.5 小时)，因而不能进行三维连续导 航。加之获得一次定位解所需时间较长，所以难以充分满足军事导航的需求。为了满足 军事及民用部门对连续实时三维导航的需求，1973 年美国国防部开始研究建立新一代 1973 年美国国防部开始研究建立新一代卫星导航系统，即目前的全球卫星定位系统，简 称为 gps。 gps 是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球用户提供连续、 实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息，满足军事部门和民用部门的需要。它 的结构如下： gps 整个发展计划分为三个阶段实施。 第一阶段为原理方案可行性验证阶段，从 1978 年到 1979 年，共发射了 4 颗试验卫 星，建立了地面跟踪网，研制地面 gps 接收机，对系统的硬件和软件进行了试验，试验 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 2 结果令人满意。 第二阶段为系统的研制与试验阶段从 1979 年到 1984 年，又陆续发射了 7 颗试验 卫星。第一阶段和第二阶段共发射 11 颗试验卫星，这些试验卫星称为第一代卫星。 第三阶段为最后的工程发展与完成阶段。1989 年的 2 月 4 日，发射了 gps 第一颗工 作卫星，到 1994 年 3 月 10 日共研制发射了 28 颗工作卫星。这些工作卫星称为 blockii 和 blockiia 卫星，与此同时，不仅研制了高精度导航型接收机，还研制了能对卫星载被 信号进行相位测量的定位精度极高的接收机和采用相位差分的 gps 载体姿态测量接收机， 满足了精密导航与制导等一系列军事目的之要求。从 gps 计划的提出到该系统的建成使 用，历经 20 余年，耗资数百亿美元。这一工程项目是美国政府继阿波罗登月计划和航天 计划之后的第三项庞大空间项目。gps 从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航 及定位问题，它不仅可以广泛地应用于海上、陆地和空中动目标的导航、制导和定位， 而且可为空间飞行器进行精密定轨，满足军事部门的需要。同时，它在各种民用部门也 获得了成功的应用，在大地测量、工程勘探、地形普查测量、地壳监测等众多领域展现 了极其广阔的应用前景。有人说，将来只有我们想像力的限制才会限制 gps 的潜在应用。 gps 将对人类活动产生极大的影响。 1.2 研究背景和前景分析 当前，用在汽车导航的技术有多种，例如，将磁罗盘方位仪和速度仪结合在一起，利 用航位推算技术可以对车辆进行定位和测向。但这些技术都有较多的缺点，有些系统的导 航误差会随时间而积累，不适合长时间的单独导航，有些系统受地理位置或者天气的限制 较大，不能提供全球，全天候和实时的导航。卫星导航技术的出现，极大的解决了上述问 题，使提供全球，全天候和实时的导航成为现实，也从根本上促进了 it 技术的整体发展。 车载导航仪技术的灵活运用为现代交通的便利提供了广泛和深入的帮助，该技术 一经问世，即显示出强大的生命力和广阔的应用前景，并产生了巨大的社会和经济效 益，成为 90 年代后整个世界新的经济增长点之一。由于巨大的市场潜力和不可估量的 发展前景，日本几乎所有的汽车生产厂家都参加了这一高科技角逐，仅近几年投入市 场的新系统就有 30 多个。根据gpsword杂志刊登的美国工业发展研究机构的 统 计预测，在 2006 年，日本、北美和欧洲每年至少有1500-2500 万套产品售出，在 2010-2015 年间，将有 50的汽车在出厂时，就已装备了车载导航系统，在以后时间 里该系统的普及率将会逐渐提高到 100。 改革开放后，随着我国交通运输事业的迅速发展，如何研究一套适合我国国情的 车载导航系统，使之能满足国内运输和车辆管理的需要，这对我国的国民经济建设有 重要的现实意义和经济价值。随着国内私人汽车的普及，车载导航系统将逐渐被人们 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 3 所认识。尽管目前车载导航系统在国内的使用还很有限，但其巨大的市场潜力已经引 起各方的关注。前两年让消费者翘首等待的威驰车最大的亮点和卖点就是车载导航系 统，这被视作在中国产的汽车上安装车载导航系统的开端，也是丰田公司对中国车载 导航系统市场的一次探路行动。 具有导航、定位、防盗等实用功能的车载gps 产品在我国有着广阔的市场前景。 武汉科学技术情报研究所预测 2006 年开始，车载 gps 产品市场需求将进入一个快速 增长期，研制国产化车载 gps 产品近年内可望形成一项利润空间较大产业。车载 gps 产品通常是指安装在车辆上，可以确定车辆的位置，并结合通讯模块把位置信息 发送给服务中心的系统。主要由 gps 接收机主机板、天线通讯模块和显示屏组成。此 类产品可以针对不同行业的需求进行组合，因而应用非常广泛，大部分功能都是基于 定位功能延伸出来的。武汉科学技术情报研究所专家认为，车载gps 产品在国内有 着广阔的市场前景。据统计，我国2004 年汽车销售达到 500 多万辆，汽车保有量达 到 2500 多万辆，私家车保有量达到 700 多万辆。从实际情况来看，近年来我国运输 市场持续升温，各种物流系统均显示出对gps 车辆监控管理系统的明显需求。 业内 人士预计,未来三年内,我国车载 gps 导航器的市场预计将有 100 亿元以上。 然而，目前市场上的导航仪普遍存在着一些问题。要使用户获知车辆位置或者向用户 提供操纵指示，就必须精确地确定车的位置。因此，对任何性能良好的车辆定位与导航系 统来说，精确、可靠的车辆定位是必要的先决条件。可是目前车辆导航系统所广泛采用的 gps 定位系统虽然具有全天候、高效率、多功能、操作简便、使用广泛等显著优点，但 gps 的工作严重地受到环境的影响，尤其是电磁干扰、多路径效应、由树木产生的信号衰 减、城市高层建筑群及立交桥等对卫星信号的遮挡，使得 gps 信号的可见性变差，甚至 可见星少于 4 颗而无法定位。因此，如何实现确定稳定的导航，将成为一个必须面对的问 题。目前，国内外专家在这方面也取得了一定的突破，比如采用 gps/ins 这样的组合导 航系统，很大程度上解决了上述问题，可是，这种组合系统，成本较高，只适用于高端或 者特殊场合，不便于推广。本课题采用卡尔曼滤波技术和平滑处理技术，既降低了成本， 又在很大程度上满足了广大用户对准确稳定导航的需求。 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 4 2 设计说明设计说明 2.1 设计原则 根据以上需求分析、总体设计要求，结合目标产品的性能指标，该车载 gps 导航仪 的设计必须满足以下设计原则： 1、本设计以满足客户的需求为第一前提，适当超前，统一规划；满足客户需求 是根据需求分析进行合理的设计，本设计的工作都能反映客户的需求。 2、先进性：本产品技术领先期长、产品丰富，价格适中，适和将来发展的应用，这 是为未来的发展作前景性的考虑。 3、可扩展性：应用的技术不断向前发展，往往需要对系统进行扩充，或增加与其他 系统的互连。设计时充分考虑满足易于系统在未来使用上扩充和升级的要求，并且预留 了相应接口。 4、高可靠性：所设计的导航仪器必须有高可靠性，保证系统运行的稳定性，尤其是 采用卡尔曼滤波技术对数据进行了处理，从而得到高精度的实时导航。 5、标准化：作为一项网络工程设计，必须遵守国际相关标准，而各个模块的设计以 及元气件的选取都有一定的标准，只有符合相关行业标准，才能保证设计的通用性。 6.实用性：该 gps 导航仪具有易安装，易使用的人性化设计特点，适合广大用户使 用。 2.2 设计依据 （一） gb/t 19392-2003 汽车 gps 导航系统通用规范 （二） gb/t 全球定位系统（gps）术语及定义 （三）sj/t 10694-2006电子产品制造与应用系统防静电检测通用规范 （四）sj 20882-2003印制电路组件装焊工艺要求 （五） sj/z 9071-1987微处理机系统的二进制浮点运算 （六） sj/t 11169-1998锂电池标准 （七）sj/t 11343-2006数字电视液晶显示器通用规范 （八） sj/t 10694-2006电子产品制造与应用系统防静电检测通用规范 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 5 （九）sj/t 11364-2006电子信息产品污染控制标识要求 2.3 目标产品介绍： 基本参数 型号 zlc-1 微处理器 s3c44b0，tms320vc5402 gps 芯片 sirf 第三代 内存 32mb rom + 64mb sdram 天线 外置卫星天线 数据更新率 1 次/秒 gps 通道 20 通道 数据接口 hpi/mmcx 操作系统 uc/os 屏幕参数： 屏幕尺寸 3.5 英寸 屏幕特性 tft 液晶显示面版,led 背光模块,240320 分辨率,6 万 5 千色彩显示 坐标基准 wgs-84 地图比例尺 从 100 米到 40 公里的比例尺缩放 其他参数 电池 1350mah 可充电锂电池 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 6 尺寸 98mm*84mm*17.7mm 重量 145g 2.4 总体设计方案 本设计的主要思路是：通过 dsp 接收 gps 数据，然后进行卡尔曼滤波或者平滑处 理，再把处理的结果通过 hpi 口递交给以 arm7 为载体的主控平台，在主控平台上将用 户的位置和速度等信息实时显示出来。 系统结构图如下所示： gp 按键中 断处理 ucgui 界面 ucos 管理调度 与 dsp 通信 gps 模块 sr87 dsp tms320vc5402 任务通信任务通信 任务调度任务调度 arm7 s3c44b0x lcd lm7m632 任务调度 hpi 口 传递导航数据 应用软件 操 作 系 统 接收 gps 卫星信号 实现卡尔曼滤波算 法及平滑处理 主控平台 显示地图等导 航信息 s 接收模块的任务就是从卫星广播信号中解调出导航电文，然后从导航电文中获取 gps 的各种轨道参数，再根据定位方程组解算出观测站的实时位置。本设计采用 progin 公司 的 sr87 接收模块，该模块采用高灵敏度，性能良好的 sirf iii 芯片，能够跟踪同时跟踪 多达 20 颗卫星。这种模块非常适用于手持设备或者车载嵌入式系统中，另外，考虑到汽 车的外壳，特别是汽车防爆膜会对 gps 信号产生严重的阻碍，所以本设计采用一个带磁 铁（能吸附到车顶）的外接天线来接收卫星信号。 用 gps 进行定位的一个基本问题就是存在多种误差源影响导航精度，克服误差，提高 精度的方法多种多样，其中卡尔曼滤波器是使用比较广泛的一种，它采用递推线形最小 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 7 方差估计思想，即利用上一时刻的估计值和该时刻的观测值，估算出该时刻在数学 意义上的最优值，滤波效果非常显著，加上平滑处理算法，可以得到精确稳定的导航 参数。不过卡尔曼滤波算法，涉及到大量的数学运算，使用实时性能比较好的数字信 号处理器，是很有必要的，本设计采用ti 公司的 tms320vc5402，它能很好地满足 本设计的性能要求，而且它提供丰富的指令集，只是它没具备异步串行通信接口，而 gps 模块输出的数据是异步串行信号，为了在节省成本的前提下解决这个矛盾，本设 计使用 dsp 的 i/o 口来接收 gps 数据。 作为一款大众化消费类导航产品 ，构建一个人性化的主控平台，是嵌入式产品设 计的基本要求，本设计选用三星公司的s3c44b0x 芯片作为处理器 ，嵌入式 uc/os 作为操作系统，ucgui 作为图形用户界面的开发环境，而且很好地对它们进行了移植和 组合 数据流程图如下所示： gps 模块从天线接收 卫星信号，输出 nmea0183 协议导航 数据 数据处理模块，根据误差情 况，建立滤波模型；有信号 时，进行卡尔曼滤波；无信 号时，进行平滑处理，从而 得到精确连续的导航数据 主控平台，上面运行实时操作系 统和应用软件。操作系统实现多 任务管理调度，应用软件响应按 键操作，接收 dsp 数据，控制 lcd 显示等。 lcd 显示地图，经度， 纬度，速度等导航数据 nmea 0183 hpi mmcx 2.5 主要内容 该设计的主要内容有如下几点： 1，根据国家消费电子产品设计规范，以及相关的国际标准，确定系统参数指标 2，掌握 gps 的基本工作原理，分析 gps 卫星信号的结构和误差源，理解 nmea- 0183 数据传输协议； 3，建立卡尔曼滤波模型，对其进行仿真和编程实现。这部分涉及较多数学上的复杂 运算，而且卡尔曼滤波器本身的参数会随着滤波的次数增加而变化，达到一定的 程度，才趋于稳定，如果模型建立不合理，还会出现滤波误差增大，甚至“发散” 的现象； 4，掌握 dsp 芯片的工作原理及其汇编语言，c 语言编程。在节省硬件成本的前提下， 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 8 实现卡尔曼滤波算法，对 gps 模块输出的异步串行信号进行接收，而且向主控平 台递交处理结果。 5，采用 arm 和 uc/os，uc/gui 构建主控平台，实现在地图上显示用户的位置信 息。其中涉及到操作系统和图形用户界面的移植应用知识。 3 gps 全球定位系统全球定位系统 3.1gps 系统的组成 gps 主要有三大组成部分 :gps 卫星(空间星座部分)、地面支撑系统 (地面监控部分)、 gps 接收机(用户设备部分)。 3.1.1 空间星座部分 gps 的空间卫星星座由 24 颗卫星组成(其中有 3 颗备用卫星)5fl，这些卫星分 布在 6 个轨道面内，每个轨道面上有 4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾 角为 55 度，各轨道平面升交点赤道相差 60 度，在相邻轨道上，卫星的升交角距 相差 30 度。轨道平均高度约为 zozo0mk，卫星运行周期为 1lh58mni。因此，同 一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4mni。每颗卫星每天约 有 sh 在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为 4 颗，最多可达 n 颗。gps 卫星在空间的上述配置，保障了在地球任何地点、任 何时刻均至少可以同时观测到 4 颗卫星。卫星信号的传播和接收不受天气的影响， 这就是使 gps 成为一种全球性、全天候的连续实时定位系统。空间部分的3 颗 备用卫星在必要的时候，将根据指令代替发生事故的卫星工作，这对于保障gps 空间部分正常而高效地工作是极其重要的。 gps 卫星的基本功能是 : （l）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的指令。 (2)卫星上设有微处理器，进行部分必要的数据处理工作。 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 9 (3)通过星载高精度艳钟和铆钟提供精密的时间标准。 (4)向用户发送导航与定位信息。 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 3.1.2 地面监控部分 gps 的地面监控部分目前由分布在全球的 5 个地面站组成，包括卫星监控站、 主控站和信息注入站。监控站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设 有双频 gps 接收机、高精度原子钟、计算机和若干环境数据传感器。接收机连续 观测 gps 卫星、采集数据、监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准。环境传 感器收集当地有关的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，在存储和传 达到主控站，用以确定卫星的精密轨道。主控站设在科罗拉多州。主控站除协调和 管理所有地面监控系统的工作外，其主要任务是 :(1)根据本站和其他监控站的所有 观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据 传送到注入站。(2)提供 gps 的时间基准。各监测站和 gps 卫星的原子钟均应与 主控站的原子钟向步或测出其钟差，并把这些钟差信息编入导航电文送到注入站。 (3)调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 (4)启用备用卫星以替代实效的工 作卫星。注入站现有 3 个，注入站的主要设备包括天线、 c 波段发射机和计算机， 其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电 文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。在整 个 gps 的地面监控部分，除主控站外无人值守。各站间用现代化的通信系统联系 起来，在原子钟和计算机的精确控制下自动运行。 3.1.3 用户设备部分 gps 的空间部分和地面监控部分，是用户广泛应用该系统进行导航和定位的 基础，而用户只有通过用户设备，才能实现 gps 导航和定位的目的。用户设备的 主要任务是接收 gps 卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量， 并经数据处理完成导航和定位工作。 用户设备主要由 gps 接收机硬件和数据处理软件组成，而 gps 接收机的硬件一 般包括主机、天线和电源。 3.2gps 定位的基本原理 gps 的基本定位原理是:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户收到这 些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、方向以及运动速度和时间信息。具体如下： gps 卫星在地球坐标系中的位置坐标已知，我们就在地球坐标系中用它来做为一个球心 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 10 o1，有知道卫星到测站的距离 r1，则以它为半径，可在地球系里面画出一个球面来。同 理，倘若该 gps 接收机同时能观测到第二，第三颗 gps 卫星，并由前述步骤算出第二， 三颗卫星在地球系中的位置 o2，o3 的坐标来，将它们亦作为球心，根据测站到 o2，o3 的观测距离 r2，r3，再画出两个球面来，由于测站要同时满足既在球面 1 上，又要在球 面和球面上，则它必定是在三个球面的交点上，这意味找由三个球心 o1，o2，o3 和三 个半径 r1，r2，r3 作出的球面必交与一点。根据集合原理，在已知球心坐标和半径的 条件下，写出联列的三个球面方程，求得的公共解坐标就一定是观测站（gps 接收机） 在地球坐标系中的三维坐标。另外，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能 总是同步，所以除了用三颗卫星确定用户的三维坐标 x、y、z 外，还要利用一个卫星来求 出卫星与接收机之间的时间差 t。 如下图所示，每一颗卫星连续不断地向 gps 接收机发送可跟踪的唯一编码序列， gps 接收机可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。 设有四颗卫星 1,2,3,4，坐标为(xi，yi，zi)(i=1,2,3,4)，用户坐标为（xu，yu，zu）ri 为 伪距离，即接收机到卫星的距离 ri=t*ci；t 是用户时钟偏差。 联立四个方程得到以上方程组，求解联立方程组可求出用户的三维坐标。此为非线性方 程组。可以采用许多线性化算法或迭代算法进行解算。 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 11 4 信号接收子系统信号接收子系统 4.1gps 的广播信号 4.1.1gps 的信号结构 gps 卫星发射的信号包括三种信号分量 :载波、测距码和数据码 (即导航电 文)。所有这些信号均在同一频率介 10.23mhz 的控制下产生的 151。如下图所 示 gps 利用 l 波段的两种频率的信号 ll 和 lz 作载波，其频率分别为 1575.42mhz 和 1227.6mhz，目的在于测量和消除因电离层效应引起的延迟误差。 在载波 ll 调制有 ca/码、p 码和数据码，而在载波 lz 上只调制 p 码和数据码。 gps 发射两种测距码 :ca/码和 p 码，均为伪随机噪声码，简称为伪码。 其中 ca/码为粗码，码结构是公开的，供一般用户使用，定位精度可达20- 40 米。p 码是精码，是结构不公开的保密码，难于捕获，易于保密，定位精度可 达 5-10 米。 4.1.2 导航电文 导航电文是用户用来定位和导航的基础，是由卫星信号调制出来的数据码，包含 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 12 了卫星的星历、工作状态、时钟改正、电离层时延、大气折射改正以及由ca/ 码捕获 p 码等导航信息。它是由卫星信号解调出来的数据码。这些信息以 50bius 的速率调制在载频上，数据采用不归零制困rz)的二进制。导航电文采 用主帧、子帧、字码和页码格式，每主帧电文长度为1500bit，传送速率为 5bit/s，所以发送一帧电文需要 30s 时间。每帧导航电文包括 5 个子帧，每个子 帧长 6s，共有 300bit。第 1、2、3 子帧各有 10 个字码，这三个子帧的内容每 30s 重复一次，每 hl 更新一次，第 4、5 子帧各有 25 页，共有 15000bit。一帧完 整的电文共有 375000bit，需要 750s 才能传送完，花费时间达 125min。电文内 容在卫星注入新的数据后再进行更新。导航电文的内容包括遥测码（tlm)、转 换码（how）、数据块 i、数据块 ii 和数据块 iii 等 5 部分，其结构示意图如 下 图所示。 各部分内容如下 : 每一个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导。其中所含 的同步信号为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解释电文数据。 每一个子帧的第二个字码都是转换码，它的主要作用是帮助用户从已捕获的 c/a 码转换到 p 码。 子帧 1 的第 3-10 个字码为数据块 i，它的主要内容是 :标志码(指明载 波 l2 的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况 )、数据龄期、卫星时钟改正系 数。 数据块 ii 含在子帧 2 和子帧 3 内，它载有卫星的星历，即描述有关卫星运行 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 13 轨道的信息。这是 gps 定位中最常用的数据。 。 数据块 iii 含在子帧 5 内，它提供 gps 卫星的历书数据。当接收机捕获到某 颗卫星后，利用数据块 m 的信息可以得到其它卫星的概略星历、时钟改正、码分 地址和卫星状态等数据。数据块 iv 空置，留作备用。 当采用 gps 进行定位解算时，可通过上述导航电文获取gps 卫星的各种轨 道参数，在此基础上准确计算卫星的瞬时位置。 4.2gps 接收模块 gps 接收模块的任务就是从卫星广播信号中解调出导航电文，然后从导航电文 中获取 gps 的各种轨道参数，再根据前述方程组解算出观测站的实时位置。 本设计采用 progin 公司的 sr87 接收模块，该模块采用高灵敏度，性能良好 的 sirf iii 芯片，能够跟踪同时跟踪多大 20 颗卫星。这种模块非常适用于手持 设备或者车载嵌入式系统中 sr87 主要特点如下： （1）采用高灵敏度 sirf iii 芯片组 （2）接收性能良好，能同时跟踪多大 20 颗卫星 （3）输出 ttl 电平信号，遵循 nmea-0183 协议 （4）低功耗 （5）平均冷启动时间低于 42 秒 （6）内置 1mb sram （7）内置一块俚电池，使得模块能快速定位 （8）紧凑封装（ 25.4*25.4*7mm3），便于集成 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 14 sr87 技术参数： 电气特性： 频率 l1，1575.42mhz c/a 码 1.023mhz 通道数 20 灵敏度 -159dbm 位置精度 10meters,2d rms 坐标系 wgs-84 热启动 平均 1sec 冷启动 平均 42sec 响应时间 平均 0.1sec 动态特性： 海拔高度 r0-r4,lr subs pc, lr, #4 ;pc=lr-4; its a jump instruction,used to return from irq sub lr, lr, #4;lr=lr-4; mov r12, lr ;r12=lr; mrs lr, spsr ;lr=spsr andlr, lr, #0xffffffe0;clr the mode orrlr, lr, #0xd3 ;disable the interrupt and enter svc mode msr cpsr_cxsf, lr ;cpsr_cxsf=lr export _tick _tick stmdb sp!,r0-r11,lr ;=push lr, r0-r11sp ;interrupt disable(not nessary) mrsr0, cpsr ; r0=cpsr orrr0, r0, #0x80; and set irq disable flag msrcpsr_cxsf, r0 ; cpsr_cxsf=r0 ;end of interrupt ;(clear pending bit of intpend that dont accessed it.) ;ri_ispc= bit_timer0; ldr r0, =i_ispc ldr r1, =bit_timer0;clr int_timer0 pending bit str r1, r0 ;r1r0 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 47 bl irqstart bl ostimetick bl irqfinish ldrr0, =need_to_swap_context ldrr2, r0 ;ldr: memory to register,r2=need_to_swap_context cmpr2, #1 ldreqpc, =_con_sw;if equal,then switch context export _not_con_sw _not_con_sw ;not context switching ldmia sp!,r0-r11, lr subspc, lr, #4 export _con_sw _con_sw ;set need_to_swap_context is 0 movr1, #0 strr1, r0 ;now context switching ldmia sp!,r0-r11,lr ;pop sublr, lr, #4 strlr, pc, #saved_lr-.-8; ;change supervisor mode ;!r12 register dont preserved. (r12 that pc of task) mrs lr, spsr ;lr=spsr andlr, lr, #0xffffffe0 ;enable all irq fiq orrlr, lr, #0x13 msr cpsr_cxsf, lr ;cpsr_cxsf 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 48 ; ;now supervisor mode ; strr12, sp, #-8; saved r12-sp-8 ldrr12, pc, #saved_lr-.-8 stmfdsp!, r12; push r12 that pc of task under svc mode subsp, sp, #4; inclease stack point ldmiasp!, r12; restore r12 stmfdsp!, lr; save lr (cpsr?) stmfdsp!, r0-r12 ; save register file and ret address mrsr4, cpsr ; r4=cpsr stmfdsp!, r4; save current psr mrsr4, spsr; yyy+ stmfdsp!, r4; yyy+ save spsr ; ospriocur = ospriohighrdy ldr r4, addr_ospriocur ldr r5, addr_ospriohighrdy ldrbr6, r5 ;r5-r6 strbr6, r4 ;r6-r4 ; get current task tcb address ldr r4, addr_ostcbcur ;sp-ostcbcur.ostcbstkptr; ldr r5, r4 str sp, r5 ; store sp in preempted taskss tcb;sp-r5 ; get highest priority task tcb address ldr r6, addr_ostcbhighrdy ldr r6, r6 ldr sp, r6 ; get new tasks stack pointer;sp-r6 ; ostcbcur = ostcbhighrdy str r6, r4 ; set new current task tcb address ldmfdsp!, r4; yyy+ ;pop r4 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 49 ;andr4, r4, #0xffffff20 ;orrr4, r4, #0x13 msr spsr_cxsf, r4; yyy+ ;psr=r4 ldmfdsp!, r4; yyy+ ;pop r4 ;andr4, r4, #0xffffff20 ;orrr4, r4, #0x13 msr cpsr_cxsf, r4; yyy+ ;cpsr_cxsf=r4 ldmfdsp!, r0-r12, lr, pc; yyy+ ;pop to r0-r12,lr,pc saved_lrdcd0 ;void disableint(void) ;void enableint(void) ; ;disable and enable irq and fiq preserving current cpu mode. ; export armdisableint armdisableint stmdbsp!, r0 mrsr0, cpsr orrr0, r0, #noint msrcpsr_cxsf, r0 ldmiasp!, r0 mov pc, lr export armenableint armenableint stmdbsp!, r0 mrs r0, cpsr bic r0, r0, #noint msr cpsr_cxsf, r0 ldmiasp!, r0 mov pc, lr export os_task_sw os_task_sw 广东海洋大学 2004 届本科生毕业设计 50 stmfdsp!, lr; save pc stmfdsp!, lr; save lr stmfdsp!, r0-r12 ; save register file and ret address mrs r4, cpsr stmfdsp!, r4; save current psr mrs r4, spsr; yyy+ stmfdsp!, r4; yyy+ sa