1、学士学位论文基于北斗卫星定位系统设计北斗/BDS精确授时定位系统设计与应用电子与信息学院 电子信息工程专业118552014015 杨* 指导老师 *【摘 要】目的:提取北斗卫星系统发送出的经纬度/时间/日期/海拔/时速/航速信息。方法:采用廉价并且满足要求的MCS-51单片机，通过电路转化成TTL电平供单片机处理，另一方面，通过将接收的信息，利用MAX232转化成串行数据、通过串口连接到PC机，在PC机上通过Unicore Control & Display软件查看并显示出的信息。结果：实现了以上信息的提取并显示并在PC机上显示数据，完成北斗定位模块的应用与研究。结论：在室内和室外定位的时间
2、长短不一，越空旷的地带，提取定位信息速度越快，并且精度越高。【关键词】GPS、BDS/北斗、定位、授时、海拔1. 前言1.1选题背景Global Positioning System即称为全球卫星定位系统，是采用卫星对某地球表面物进行准确定位的技术。到目前为止有美国的GPS全球定位系统（其优点为技术成熟定位精度高，目前主导着定位系统行业）；第二是俄罗斯的CLONSS（格洛纳斯系统）全球卫星导航系统（抗干扰能力极强）；第三是欧洲Galileo satellite navigation system（伽利略）卫星定位系统（精确最高比CPS高10倍），第四就是由我国的BeiDou Navigatio
3、n Satellite System（北斗）卫星导航定位系统（自主研发并且具有互动性与开放性优点）；统称为全球四大定位系统。这些全球定位系统可以保证在任意的时间和空间，不受天气的影响同步观测到4颗卫星以及4颗以上，这样就可以在定位、导航、授时等方面得到很大的便捷。现今广泛应用于航海作业、航空业、车辆定位、以及国家军事安全的引导等，为个人出行提供安全可靠的路线，同时被广泛的应用还有手机追踪等。1.2选题目的正是由于GPS技术所具有的不受任何天气影响、高精度和无需人工测量等的特点。伴随着冷战结束和经济全球化的飞跃发展，从美国政府宣布取消SA政策开始，全球加大了 GPS在民用信号精度的重视，国防建设
4、、社会发展与国民经济建设的各个应用领域基本上都涉及甚至大力使用这项先进技术。同时利用C/A码进行单个点定位的精度由100米提高到将近20米，这将进一步推动GPS技术的应用。据有关数据显示， 汽车GPS导航系统无论在国外还是国内，利用率越来越高，带动了一定程度上的经济发展。可见，开发属于中国本土的定位系统不容克缓，也对北斗卫星系统提出了挑战和巨大的机遇。 2. 卫星定位原理2.1 理论模型图2-1 卫星定位原理图美国、俄罗斯、欧盟、等国家大部分采用WGS -84地心坐标定位体系。该坐标的中心原点定在地球质心处，并且以该中心原点为基础所建立的空间直角坐标系中以Z轴的指向BIH 1984.O定义的协
5、议。地球极（CTP)方向，BIH 1984.0中的本初零子午面和CTP赤道中为X轴指向，其中由三个坐标点所构成的三个交点Y轴与Z轴X轴互相垂直，并构成右手坐标系。通过在地球上方的太空定位卫星为基础而建立的坐标参考系统系统。该坐标体系最开始投入实际应用的时候，所能提供的最高分辨率为1-2m，到了1994.1.2，通过不断的完善与升级增加了10个卫星观测站为基础的GPS，从而得到了G730体系也就是后来所使用的WGS84升级，到了1996年的时候，由美国的的国家防卫部门National Imagery and Mapping Agency (NIMA)在原有的坐标系统上修改并通过(U.S.Depa
6、rtemt of Defense, DoD)建立了一个新的参考坐标体系。GPS的卫星所测量到的数据时以G来表示，而730一般是表示在卫星发送时所接收到的第730个观测周期GPS所用的时间。这样就由原来的WGS的老版本号升级打造了定位精度更高的WGS（G873）的版本。USNO和北京站的坐标加入修正了之前的版本提高了改正值是其主要原因，改正了以东向为基础的31-39cm，修改值保持在1min之间。为卫星定位提供了基础，北斗卫星定位采用的也是这种坐标系，不过后期国内也建立了属于中国的坐标系大同小异如图2-2所示。图2-2 WGS-84坐标系由空间解析几何可知，在一个三维直角坐标系中，任何一个点的位
7、置都可以通过建立起来的三个坐标X、Y、Z来得到确定。在理想情况下，当我们通过计算只要获取在空间上的X、Y、Z三个坐标值的数据之后，空间上的任意一点我们通过坐标计算即可获取准确的数据。但在卫星传输信号的过程中，只获取A、B、C三点的数据是不够的，由于电离层等多种因素干扰，当测得某一点与这三点的距离时，需要重新引入一个新的变量t，通过t变量重新建立起一个三元方程组，通过几何解析知识可获得该点与X、Y、Z坐标数据，该空间上的某点就可以通过计算获取具体位置。北斗的设计主要是基于这个原理，在某个时刻太空中的卫星位置都是确定的，只要根据用户在地球上的任何地方都能看到至少三颗卫星，并且能够测得用户和它们的距
8、离，就可以通过以上方法接触自身的具体坐标，不过这是需要在太空中建立卫星网络，合理化设计卫星轨道分布。具体分布和计算如图2-3所示：图2-3 空间几何计算方法3. 设计总体方案3.1系统框图系统拓扑结构如图3-1所示图3-1系统框图本设计主要有四大部分组成；电源系统,北斗接收模块，人机显示，PC机部分。3.2 电源部分电源采用USB接口供电，单片机控制部分同样也是+5V供电，俩个模块同时采用与一个供电系统，节约了成本，也给设计电路带来了方便。同时也方便安装于行程记录仪，电脑接口，以及各种IPAD电器接口等。采用+5V供电，同时输入+5v，UM220-III-3采用3.7V供电，通过板子上的LM3
9、17稳压芯片进行供电。3.3北斗模块功能介绍：本设计采用由2014年和星通科技（北京）有限公司发布的北斗三代。该公司设计的UM220-III-N是一款北斗/GPS双模式系统的模块，主要运用于车辆行驶导航、给与一定时间反馈信号及其监控功能，对手持通信可便捷携带的设备等也具有一定程度上的使用率。升级之后的UM220系列模块的第三代是UM220-III采用的芯片是采用的是自主开发的GNSSSoC芯片(HumbirdTM)。该芯片的最大特点是尺寸非常小，目前是国内市场上完全国产化的北斗卫星数据接收模块，它的优点在于功耗更低于其它同类产品、长时间工作、价格低、集成度更高等。相对来说对于要求精小尺寸和节能
10、环保方面的应用更大更广。UM220-III-N的模块如图3-3:图3-3 北斗模块UM220-III模块采用卡尔曼滤波等优化算法以及GNS多个系统的融合，可以胜任各种复杂环境，变现出出色的捕获与踪能力以及非常可靠的连续定位结果。UM220-III经过1万小时以上的实验室条件测试和实际道路测试，超过 1万公里实际道路验证，为用户提供一流的安全的舒适的导航、定位体验。UM220-III可以提供高精确度的 1PPS 输出，授时精度，优于20ns。支持单星授时，可由用户任意配置授时模式。具有人性化的设计。完全满足电力同步、电信基站等精密授时应用场合。尺寸小、重量超轻巧低功耗（小于120mW），无论是单
11、系统单独定位还是多系统联合定位灵敏度都是很高的。设计 UM220-III 模块采用和星通 Ultra-Sense 高灵敏度设计，并且能够在弱信号条件下提供优异的捕获、跟踪灵敏度，以及保持接收机定位始终保持在连续性和可靠性。RhythmSleep超低功耗设计，主要通过动态调整工作状态进行部分休眠，确保在不需要运行的部分可以休眠，需要运行的模块以超低功耗运行，适于对供电要求严格的便携移动终端的应用。兼容主流GPS模块，节省替换成本。UM220-III模块几乎兼容国际上的所有GPS模块，它的表贴封方式方便了原位替换GPS模块，在一定程度上节省用户设计、生产成本提高原有电路的利用性。3.4显示部分方案
12、一：采用传统七段LED数码显示，优点是发光强，但功耗也大，电路复杂，而且显示的内容少效果不好。方案二：采用LCD1602较小型液晶屏显示，它的功耗非常低采用2-3V供电即可，可以适应较为艰苦的工作环境中抗干扰能力突出，且无需任何外围电路驱动接口非常简单明了。但不够直观，只能显示字符串，不能显示汉字以及描绘曲线等。方案三：本文采用具有12864像素点阵，同时带有ST7500汉字库的图形液晶显示模块显示。能够很出色的显示完整的16*16像素型的汉字字符，通过输入在内置中的8192个中文汉字（16X16点阵），以及128个字符（8X16点阵）组成的点阵显示。内部的RAM（GDRAM）可以直接与CPU
13、接口相接无需外围电路辅助，提供多种界面供微机查询处理等。并行、串行同时都为8位数据的连接方式。具有多种辅助功能：如动态图像显示、画面的移位、以及光标的闪烁和睡眠待机等低功耗模式。综合以上三种显示分析得到结论：第三种方案更为适合。12864外形如图3-4所示图3-4 12864外形图各引脚功能说明如图3-5图3-5读写时序如图3-6所示图3-6读写时序图3.5 控制部分在琳琅满目的51系列单片机中，国内STC公司所研发的1T增强系列更具有市场竞争力，因他不但和MS-51指令经过合适的内部资源按照用户需要的分配可以移植原来的控制需要操作的对象码等，并借助于非常大的 FLASH的制造工艺具有大容量R
14、AM，本次设计采用的主要控制单元是近几年STC较为成功与典型的的1T 运行速度的12C5A60S2单片晶体控制单元，拥有60K的内部处理速度FLASH ROM工艺技术。这种的高科技水平技术给用户设计时的存储数据的单元在设置方式有快速的擦除数据、改变程序内容等优势，给使用的技术人员带来了在时间上与脑力上以及开发上的灵活应用。而且STC的单片机还可以支持RS232形式的串口程序录入方式等。很明显的可以看出，利用单片机作为控制单元给开发人员的同时带来了在烧录代码形式的方便并且在开发控制对象的时间也节约了许多。在安全方便，可以对开发者的代码进行程序加密和硬件保护等措施，又可以很好地保护了研发人员的的劳
15、动成果。选用STC12C5A602S增强版单片机的理由：降低开发成本，方便时效可靠等，可以满足本论文设计要求。DIP封装单片机外形管脚如图3-7所示图3-7 DIP封装单片机外形各引脚功能如图3-8所示：图3-8 功能引脚图4. 硬件电路4.1 UM220-III-N原理图如图4-1图4-1 UM220-III-N原理图 4.2 单片机及显示电路如图4-2所示图4-2 单片机及显示4.3 制作过程由于接收芯片采用的是表面贴装工艺，在焊接的时候不管是温度的控制还是焊接的时常都提出了较高的要求。因此本次焊接的工艺采用了热风枪焊接该芯片，在使用热风枪焊接工艺的时候要结合该芯片的电气规则进行操作。温度
16、设置在600-700C之间，保持与焊接对象的距离在1CM左右，用镊子固定住，左右摇晃动作，时长10S左右。对于其他DIP封装形式的元器件采用烙铁进行安装，由于是纯手工制板，也给电路带了点问题，需要花时间检测每条电路节点是否正常。对于单片机晶体振荡器的安装也需要特别注意，由于布线等工艺问题，需要考虑到高频干扰或者来自外界的信息扰动等，采用补偿电容方式进行启动，因此在安装电容和晶体振荡器的时候需要非常靠近单片机，这样才能保证安全可靠的运行。注意： 1. 为防止模块焊接中出现脱落，请不要将模块设计在板子背面焊接，即最好不要经历两次焊接循环。 2. 焊接温度的设置取决于产品工厂的诸多因素，如主板性质、
17、锡膏类型、锡膏厚度等，请同时参考相关IPC标准以及锡膏的指标。 3. 由于有铅焊接温度相对较低，若采用此焊接方式，请优先考虑板子上的其他元器件。焊接温度曲线如图4-3所示图4-3 焊接温度曲线5. 数据分析5.1 NMEA0183 协议简介美国、俄罗斯、欧盟、中国采用的卫星数据信号传输协议均是NMEA0183体系协议，该协议的制定是由USA国家海洋NMELA开发维护并由美国向全球发布没有保密的数据格式。刚开始主要应用在军事航海船只、导航安全以及在到较远地区时双方之间所使用的关于电子设备之间的通信往来。目前全球大部分的卫星接收设备终端都是按照NMEA0183协议进行信号的解析与使用。它定义在96
18、00波特率的传输时间上进行卫星数据的发送以及详细的数据传输协议，包括时间上，以及详细的传输信号的组成方式等。以NMEA0183的协议传输的内容是按照“完整一段话的”的方式为基础发送的数据，每个句子的结构如图所示，假如该“句子”的发送的内容值错误或者无效，接收终端将会将对应接收的信号做无效处理，继续接收新的电信息。但相对应的 .仍需被发送。格式如图5-1所示。图5-1 协议数据格式该协议同样有自己的编译技术，所谓的编译技术是研究如何将一种表达方式的语言或者数字符号(称作源语言)通过一定的手段转换成另一种可以供编译者使用的符号或者语言(称作目标语言)的等价过程的程序。这个过程主要有四个阶段，包括词
19、法的分析、语法的分析、语义的分析与目标代码的生成几个阶段，构成如图5-1所示图5-1 编译过程5.2 可行性的分析 从对NMEA0183协议进行系统的分析中结果中，很容易的会发现凡是符合NMEA0183协议中具有GPS报文功能与高级程序语言之间的关系很密切，大部分存在如下共性： 都由字符串或者字符组成，字符或字符串是GPS构成报文与高级语言程序的最原始最基本的单位。并且结构相似，单词的形式出现，并且这些词都是由字符或者字符串构成。 再由字符或者字符串组的单词组成语句。最后形成的报文或程序由这些单词或者语句构成。 语句的存在并无二义，并且上下文中不存在无关的语法解析对它们进行描述。正式由于以上的
20、几点的共同性质存在，我们可以充分利用编译的技术水平对符合NMEA0183协议接收的信息中所含报文进行分析与解析。从上世纪20年代到50年代之间，正是由于编译技术的出现，并且通过几代人的完善。当今编译技术可以说是已经发展到非常成熟的阶。对于NMEA0183协议进行解析过程中，利用使用此技术将可以非常有效地正确的对解析的性能进行可靠的分析与控制。词法分析:词法的讨论与分析一般由具有扫描功能的程序模块完成。该具有扫描功能的程序模块会将GPS发送的字符串分解成单词记号，经过对图5-1中协议框架的分析，基本上我们将定义出(如 、 GPG2G A 、 GPRMC 、 , 、 3 、 )保留字的、地 址、
21、值和校。四种类型的以字符组成的单词形式的出现在协议中。设计了能识别并确定由接收到的信号的单词有穷自动DFA性。如图5-2所示.图5-2中协议框架的分析5.3 协议语句分析参考卫星定位总站发布的文件，（CFGNMEA语句中的nmeaVer为V30），nmeaVer 为V40 的版本。请nmeaVer 为h41 的版本我们需要请参考车载终端用北斗导航模块数据接口规范。注意：下面章节所出现的语句的消息格式适用对在NMEA 3.0 基础上，而延伸扩展出来的北斗相关语句的形式版本。 例如：$GPGGA,M,M,*hh 包含LORANID的地理位置信息命令，LCGLL是报告位置信息例如：$LCGLL、，推
22、荐的定位信（Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）例如$GPRMC, , , , , *hh GSA当前卫星信息（GPS DOP and Active Satellites）$GPGSA, , , GSV可见的卫星信息GPS Satellites in View$GPGSV, ,?,VTG地面的速度信息Track Made Good and Ground Speed$GPVTG, T, M, ,N, , K, *hh 5.4 PC机软件测试采用CTD测试软件对模块进行测试。系统框图如图5-4所示图5-4 PC机测试框图初始化界面如图
23、5-5所示图5-5 系统界面配置 CDT 软件，包括串口号，波特率等。UM220 出厂默认 9600。单击 receiveedit 即可配置，界面如图5-6所示图5-6 初始化配置星座图，显示当前接收卫星信号数量如图5-7所示图5-7 星座图追星信噪比如图5-8所示图5-8 信噪比而且还提供了丰富UM220 进行配置。可配置模块工作的系统（GPS,BD,GPS+BD），采用AT指令。比如配置不输出 GGA 消息，或者其他语句的控制等，给开发者带了非常大的便利在控制台界面输入。如图5-10所示图5-10 控制台首先 GGA 对应的 ID 为 00，不输出就是输出的频率为 0（频率计算详见下图），
24、指令就为 $CFGMSG,0,0,0 如果想要让 GGA 返回到每秒输出 1 条的 指令就为：$CFGMSG,0,0,1 输入指令的地方会下图中画圈的位置，输入完整的指令后按回车键就可以将指令输入到模块了。如配置模块只输出 GNRMC 语句（配套的地图软件需要用到），分别输入一下四条指令： $CFGMSG,0,0,0 $CFGMSG,0,1,0 $CFGMSG,0,2,0 $CFGMSG,0,3,0 此时可通过 ASIC 码查询串口观察输出语句，如果没有出错的话，此时模块只输出 GNRMC 语句。此时如果用 CDT 软件观察搜星等情况时，界面会不出现任何数据，因为界面需要的数据被禁止输出了。
25、6 误差分析由于北斗全球定位系统尚未全部构建完成，对于定位精度还有极大的提高空间。大部分分析的数据从比较广阔的地方得到，如天台和操场，未进行有较多障碍物的测试。对于单片机所处理的数据存在误差，相当于接收机接收卫星信号是一致的，这种多径误差带来的也是有一定的误差，目前也无法避免。以及信号在传送过程中所遇到的电离层、对流层所带来的干扰，产生的误差等。7系统展望本系统基本完成了GPS所有的功能，可以说是完全可以替换GPS所在的应用场所。具有广阔的市场前景和意义。8总结 本次设计从选题到完成经历了漫长的阶段，听取了老师和同学们的建议。在学习卫星导航技术中遇到较多问题，而又比较少人在学这个，只能求助于网
26、上以及老师。在这个过程中，我学会了许多解决问题的思路，独立思考，以及敢于实践等，面对新的领域，新的协议，从理解到整个系统的构建，都投入了许多的时间和精力，也收获到新知识新体会。致谢 两年的本科学习生涯接近尾声，此次毕业设计中，特别需要感谢潘美老师一路下来的指导和帮助，才能让我顺利的完成此次的毕业设计。参考文献1 http :/ / www. nmea. org/ . NMEA 0183 Standard For Interfacing Marine Electronic Devices EB/ OL , Version 2. 30 , March 1 , 1998.2 冯博琴 ,冯岚等译、 (
27、美) Kenneth C. Louden 著 , 编译原理及实 践M , 第 1 版 ,北京:机械工业出版社 ,2000 :1218.3 Intel Corporation. Intel PXA255 Processor Developer s Manual S. March 2003. .4 Kodamatani H，Saito K，Niina N，et aL.SimpLe and sensitive method for determination of gLycoaLkaLoids in potato tu-bers by high-performance Liquid chromato
28、graphy with chemi-Luminescence detection J. 20055 洪大永.GPS 全球定位系统技术及应用M.厦门:厦门大学出版社,1998.6 刘瑞华.MCS-51 单片机与 GPS-OEM 板的串行通信J.电讯技术,20047 吴崇善 . 正确认识和应用“北斗一号”导航定位系统 (二) J. 当代通信, 2004 8 李庆利, 薛永祺, 施鹏飞 . 无陀螺DR 及其与北斗组合导航的 融合算法 J. 计算机工程, 20069 Proc IEEE Int Conf on M ulti2Sensor Fusion and Integration for Intel
29、ligent System. L asV egas, 1994: 10刘晓,等.基于单片机采集 GPS 数据系统的设计.青岛科技大学学 报,2006,2.The precise timing and positioning system /BDSDesign and ApplicationElectronic and information engineering, College of electronic and Information Engineering118552014015 Shenggdi Yang guidance teacher Meiying PanAbstract Ob
30、jective: to extract the latitude / longitude / time / date / time / speed /speed information of the Beidou satellite system. Methods: using cheap and meet therequirements of MCS-51 single chip microcomputer, through the circuit into TTL level for the microprocessor, on the other hand, by the received information, use MAX232 into serial data, through the serial port is connected to the PC, PC through the UNICORE Control & display software view and displays the information. Results: to achieve the above information extraction and display and display data in the PC machine,
