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1、-基于单片机的定位装置设计毕业论文设计-第 37 页 题 目 基于单片机的定位装置设计 学生姓名 王孟可 学号 1113024135 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1104 班 指导教师 郑 争 兵 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015年6月 5日毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1104班 学生姓名 王孟可 一、毕业论文设计题目 基于单片机的定位装置设计 二、毕业论文设计工作自_2015 _年_ 1_月_10_日 起至_2015_年 6 月_ 10 日止三、毕业论文设计进行地点: 物理
2、与电信工程学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求： 全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。GPS全球定位系统在实际生活中被广泛应用，是当今信息时代发展中的重要组成部分。因其具有性能好、精度高、应用广的特点，使其成为了迄今最好的导航定位系统。本课题具体要求如下： 1. 熟悉GPS定位的工作原理； 2.利用GPS模块实现数据的接收，能显示所在地的经纬度及时间信息 3.系统集成，完成功能调试。 成果形式：实验样机一套。 毕业设计进度安排: 1.103.20：查阅资料（参考文献不少于10篇），进
3、行方案论证，完成开题报告。完成不少于3000字的外文翻译； 3.204.30：设计硬件电路，编写相关软件、完成电路仿真及样机调试； 5.15.20：完善系统调试，撰写论文，准备毕业设计验收等工作； 5.21-6.10：整理资料，修改论文，准备毕业答辩。 指 导 教 师 郑争兵 系 (教 研 室) 通 信 教 研 室 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 基于单片机的定位装置设计王孟可（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1104班，陕西 汉中 723003）指导教师：郑争兵摘要 GPS是一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的全球定位系统，能为全球用户提供
4、低成本、高精度的三维位置、速度和精度定时等导航信息。GPS全球定位系统在实际生活中被广泛应用，是当今信息时代发展的重要组成部分。因其具有性能好、精度高、应用广的特点，使其成为了迄今为止最好的定位导航系统，所以对GPS的研究很有必要。本设计采用GPS模块，基于单片机STC89C52来实现GPS定位信息显示系统。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。最后经过硬软件的设计，编程，软件调试。如果能够在LCD12864液晶显示屏上显示时间，经纬度等信息，就证明该系统能够正常工作，可以满足课题的要求。关键词 单片机;全球定位系统;
5、GPS模块Design of positioning device based on MCUWang Mengke(Grade11,Class4,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)Tutor:Zheng ZhengbingAbstract：GPS is a with a full range, all-weather, full time,
6、 high precision global positioning system (GPS), can provide a low cost and high precision three-dimensional position, velocity and precision timing navigation information for users in the world. GPS global positioning system is widely used in real life, and it is an important part of the developmen
7、t of the information age. Because of its good performance, high accuracy and wide application, it has become the best positioning and navigation system so far, so it is necessary to study the GPS. The design uses GPS module, based on microcontroller STC89C52 to achieve GPS positioning information di
8、splay system. The basic principle of GPS positioning is according to the high-speed movement of the satellite instantaneous position as a known initial data, using the distance space resection method, determine the position of the measured point. Finally, after the design of hard software, programmi
9、ng, software debugging. If you can display time, latitude and longitude information on the LCD12864 LCD, it is proved that the system can work normally and can meet the requirements of the project. The design uses GPS module, based on microcontroller STC89C52 to achieve GPS positioning information d
10、isplay system.This subject adopts 52 MCU, GPS module, LCD display, GPS antenna hardware, using the C language can display the time, latitude and longitude information using the basic key switch control operation.After the design, programming, debugging, the system can work correctly, can meet the re
11、quirements of the subject. Key words：SCM; global positioning system; GPS module目 录1绪论11.1课题背景及意义11.2 课题研究现状21.3论文主要内容32 GPS简介和方案选择42.1 GPS定位系统简介42.1.1 GPS定义与发展42.1.2 GPS定位系统的基本原理52.1.3 GPS模块定位流程72.1.4 GPS特点72.2 总方案的设计83硬件电路设计93.1系统总体结构图93.2 GPS接收机基本原理93.3单片机最小系统103.4 LCD12864显示电路103.5 GPS接收模块124系统软件
12、设计.154.1 NMEA-0183数据格式和输入输出语句154.2 GPS位系统软件开发环境164.3系统程序流程图194.4 GPS串行通信204.5软件程序编写204.5.1 模块初始化204.5.2 数据接收处理模块215系统调试235.1硬件调试235.2软件调试235.3 系统测试结果23结论25致谢26参考文献27附录A英文文献原文28附录B英文文献译文31附录C源程序37附录D元器件清单49附录E 原理图501绪论1.1课题背景及意义利用GPS全球卫星定位，在全球的范围内实时进行导航、定位的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS始源于1958年美国的一个军方项目，196
13、4年被投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代的卫星定位系统GPS 。其目的主要是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于核爆监测、情报搜集和应急通讯等一些军事目的，经过20多年的研究实验，共耗资300亿美元，截止到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己经全部布设完成。GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统1。GPS的组成有三部分：空间部分：GPS的空间部分是由24颗卫星构成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地球表面的上空20200km，运行的周期为12
14、h。卫星均匀的分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道的倾角为55。卫星分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并且能够在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐的降低。地面控制系统：地面控制系统是由主控制站（Master Monitor Station）、监测站(Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）三个部分组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado.Springfield）。地面控制站负责收集由卫星传回其信息，如卫星星历、大气校正、并计算相对距离。用户设备部分：用户设备部分就是
15、GPS信号接收机。它的主要功能是能捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并且跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号之后，就可以测量出接收天线到卫星的距离和伪距离的变化率，调制解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可以按照定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、速度、高度、时间等信息。完整的GPS 用户设备是由接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成2。GPS系统通过使用来自多个卫星的信号来确定近地面任何位置的移动接收机的位置。我国的卫星定位技术综合了GIS地理信息，GPS卫星导航全球定位，GSM全球数字蜂窝移动通信，计算机网
16、络技术全方位的技术应用。利用GPS卫星信号接收机，来跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，测量传播时间，得到导航电文。接收机24小时不断地接收卫星所发送的数据参数，可根据数据参数计算出接收机的三维位置和时间信息3。GPS技术主要有如下用途：GPS技术的陆地应用GPS技术在地面上的开发与应用体现在许多方面，比如旅游者或旅游车的导游；应急车辆的快速引导行驶；各种车辆的行驶监控；高精度时间对比及频率控制；大气物理的探测；地球物理资源的勘测；工程建设施工放样的测量；沉降监测大型建筑和天然气领域；板内运动状态和地壳形变测量；陆地和海洋大地测量基准的测定；工程、区域、国家等各种类
17、型大地控制网的测量和建设等。GPS技术的海洋应用在海洋方面GPS技术有着非常重要的作用，如：远洋船舶最佳的航程测定；实时调度和监控运输船队在海上的航行；调度和自主导航内河船只；对海洋救援的搜索和定点测量；远洋船队的结队航行与作业调度；海洋油气平台的就位和复位测定；海底沉船位置的精确探测；海底管道铺设测量；海岸地球物理探测；水文测量；海底大地测量控制网的布测；海底地形的精细测量；船运货物失窃报警；净化海洋；海洋纠纷或海损事故的定点测量；港口交通管制；海洋灾难监测等。GPS技术的航空应用 对GPS技术在航空中的应用主要体现在自主导航方式的民航飞机；飞机着陆精度；飞机的空中加油控制；飞机编队飞行的安
18、全保护；航空援救搜索和定点测量；机载地球物理勘探；飞机探测灾区大小和标定探测；摄影和遥感飞机的三维姿态参数测量等。GPS技术在航天方面GPS技术的航天应用同样也有着非常重要的作用；低轨道通讯卫星群的实时轨道测量；卫星入轨和卫星回收的实时点位测量；载入航天器的在轨防护探测；星载GPS的遮掩天体大小和大气参数测量；对地观测卫星的七维三维状态参数测量。GPS技术已经延到多个领域的方方面面，但是要完成上面所说的各个用途，基本的就是要具备能够接受GPS信号并且能够调制输出的设备，而这种设备最基本的功能就是要具备能够接受显示当地所处地点的经纬度以及UTC标准时间。现在市面上尽管已经有很多基于GPS接收模块
19、所开发的产品，如车载GPS导航仪、GPS手持机等等，虽然它的功能强大，但价格相对昂贵一些，而且相对于普通应用也没有必要。所以在这种情况下，本次设计针对于普通用户使用GPS的切实需要，设计制作基于单片机的GPS定位信息显示系统。全球定位系统GPS是近年来开发的最具开创意义的技术之一，它的全球性、全能性、全天候性的定位、定时、测速、导航在众多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输与道路工程中。目前，GPS技术在我国道路工程与交通管理中的应用才刚刚起步，相信随着我国经济的快速发展，高等级公路的快速修建和GPS技术应用研究的逐步深入，在道路工程中的应用也会更加深入和广
20、泛，将会发挥更大的作用。1.2 课题研究现状全球定位系统GPS作为近年来最具有开创意义的高新技术之一，它的全球性、全天候性全能性的定位、定时、测速在许多领域中得到了更广泛的应用。在科技发达的国家，GPS技术已经开始应用于道路工程和交通运输之中。当前，GPS技术在我国的交通运输管理和道路建设工程中的应用才刚刚开始，相信伴随着我国经济的快速发展，高等级公路的快速修建和GPS技术应用的逐渐深入研究，其在道路工程中的应用也会更加深入和广泛，并且将会发挥更大的作用4。当前，在卫星导航应用产业中，作为代表的GPS技术已经成为当今国际所公认的八大无线产业之一。伴随着GPS技术的快速进步与应用需求的增加，GP
21、S的授时校频、精密测量、定位导航等方面的强大功能以及全天候、自动化、高精度、高效率等显著特点，已经涉及许多应用领域。1主要应用领域 民用领域在导航定位方面，GPS的应用对象主要是飞机、船舶和汽车等运动的物体，例如船舶的远洋导航和飞机导航引导，汽车的自主定位导航，城市智能交通管理和地面车辆跟踪等。除此之外，GPS对于消防、医疗、警察等部门的紧急救援、追踪目标和个人野外旅游探险的引导等都有得天独厚的优势。在日常生活之中，GPS还可以用于特殊病人、少年儿童的救助与监护，人身受到攻击时的危险报警，生活中遇到困难时的救助等。在使用的时候，只需要按下GPS手机按钮，急救中心和警务监控中心便会在几秒钟内获得
22、报警人的具体位置，并且及时的提供救助5。当前，国际上主要有以下几家具有代表性的GPS公司：麦哲伦公司、摩托罗拉公司、高明公司、瑟孚公司和罗克韦尔公司。 军事领域在军事领域方面，GPS技术从之前的只为飞机、军舰、战车和地面作战人员提供连续实时、全天候、高精度的定位导航，扩展到目前高精度制导武器复合制导的一种非常重要的技术手段。GPS技术在军事方面的工作原理主要是利用在导弹上安装上GPS接收机，以此接收4颗以上的导航卫星传播的信号来修正导弹的发射轨迹，提高制导精度。军方使用的精密定位服务区别于精度较低、误差较大的民用标准服务。据资料显示，在GPS制导系统未配置前，美国的“战斧”巡航导弹的圆概率误差
23、大约是9米，在其制导系统中加入GPS技术之后圆概率误差将至3米，制导精度得到提高。2 全球GPS产业的结构与现状 GPS技术在进入民用之后，当前GPS主要市场内容便是使用者终端的GPS产品。GPS的使用者终端是指具有多种用途的GPS接收机，例如汽车导航设备、用于登山的手持式接收机、用于航海和航空的接收机等类型的终端产品，一般的手持式GPS产品组成部分包括了内部的天线、电池、芯片组和外部的LCD面板、按键等相关零组件。截止去年为止，全球已经有几十家生产GPS专用芯片的制造商家。从上世纪80年代初开始，第一个用于商业的产品出现至今，GPS产品的重量从100磅降至现在的100克，价格也从之前的十几万
24、美元降为现在的几十美元。当前，全球的GPS产品制造商已经超过50多家，主要的领导商家有高明公司、UBLOX公司和麦哲伦公司等。3 全球GPS市场状况 伴随着GPS应用范围的推广，GPS产品渐渐成为全球无线通信终端市场的一项重要的产品，汽车导航系统与结合无线通信的GPS产品的普及化推动了GPS产品市场的高度成长。根据市场调研公司ABI的报告，2001年，这两类产品在GPS应用产品在市场的比率合计约为38.7%，至2005年增长至53.6%，航海、航空、农业和测量等总共仅占48.4%6。 无论是汽车导航还是GPS通信的应用产品，主要的消费市场都是在欧、美、日等三个地区。将汽车导航作为例子，由于消费
25、电子技术和电子地图的高度发展，再加上智能型的运输系统的成熟，使得日本成为了目前全球汽车导航系统市场值和普及率最高的国家。2000年，日本的汽车导航系统总销售值约为670万美元，占市场的77.9%，北美和欧洲分别占6.9%和13.9%。但是在2004年之后，伴随着汽车导航系统全球的普及化，北美和欧洲的市场销售值增至590万美元和710万美元，各占市场的22.5%和27%，日本的市场因为导航系统的普及化使得增长率趋缓。当前已经推出了整合无线通信和GPS解决方案的商家，有瑟孚科技、天宝公司和快速跟踪公司等，瑟孚公司和快速跟踪公司是两家发展较为积极的公司，而且已经有手机制造厂商和移动通信运营者采用这两
26、家的解决方案7。尽管当前具有GPS定位功能的手机市场发展很被看好，但现在仍有几项问题迫切需要解决：首先，GPS组件运作时将会大幅提高手机的耗电量；其次，无论手机采用的是外接的GPS模块或者是内建的GPS芯片作为解决方案，都不可避免的遇到制作成本高的问题；最后，当前具有提高整合无线通信技术和整合GPS芯片的公司不多。在经历了近30多年的发展，GPS产品逐渐成为只为军事方面服务转变为消费电子产品，而且其应用范围扩展到日常生活中的定位信息、PDA、通信等方面。从现阶段来观察，因为GPS接收机的价格、技术以及市场应用服务等方面都未成熟，在乐观的看待GPS市场发展时，诸如GPS IC设计的成本是否能降低
27、、技术是否能达到手机或PDA所需的最小体积与耗电量以及内建GPS的新手机是否能引起消费者的青睐等问题，必须谨慎的评估8。1.3论文主要内容在此次设计过程中，主要熟悉选用的GPS接收模块的性能指标，结合单片机的相关知识能实现对GPS接收到的卫星信息进行提取，并在液晶显示器上选择性的显示所需要的数据。本文首先介绍了GPS定位系统的发展、基本原理、模块定位流程、特点；然后对设计方案进行筛选，选择易实现的方案；再进行硬件设计，首先展示的是系统总体结构图，紧接着是接收机基本原理，具体介绍了硬件组成部分单片机最小系统、LCD12864液晶显示屏、GPS接收模块；硬件实现后是对软件进行设计，包括单片机的串行
28、通信，软件的程序编写，流程；最后是对Keil软件的介绍和在此设计中的作用。通过C语言实现了GPS信号的提取、显示等。经过实践测试,这种接收机可以达到基本GPS信再进行息接收以及显示，可以做到方便灵活、优质价廉、精度高、连续导航、抗干扰能力强，并可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。2 GPS简介和方案选择2.1 GPS定位系统简介2.1.1 GPS定义与发展GPS的英文简称是Global Positioning System（全球定位系统）。GPS起源于1958年美国军方的一个军事项目，于1964年投入使用。在20世纪的70年代，美国的海陆空三军研发了新一代的全球卫星定位
29、系统GPS。它的主要目的是为海陆空三军提供强大的全天候、全球性和实时的导航服务，并且用于情报搜集、应急通讯和核爆监控等一些军事目的，再经历了20多年的研究实验，总耗资300亿美元，截止到1994年为止，24颗全球覆盖率高达98%的卫星星座已经布设完成9。以24颗定位人造卫星为基础的GPS导航系统，向全球各地全天候的提供三维速度、三维位置等信息的一种无线电导航定位系统。它是由三部分组成的，一是地面监控部分，是由监测站、主控站、地面天线及通讯辅助系统组成的。二是用户装置部分，是由卫星天线和GPS接收机组成。三是空间部分，由24颗卫星组成，21颗运行卫星和三颗备用卫星，均匀分布在空间的6个轨道平面上
30、10。民用的GPS定位精度可以达到10米以内。GPS以前是美国军方研制的一种子午卫星定位系统，于1958年开始研究，1964年正式的投入使用。此系统刚开始是由5颗到6颗卫星组成星网工作，平均每天最多绕地球13次，还无法给出具体地高度信息，定位精度也不够精确。子午仪系统对于研发部门对卫星的研究有很大的帮助，验证了卫星系统定位的可行性，成为GPS研究的奠基作用。因为子午系统对于船舰和潜艇导航方面有缺陷及卫星定位显示在导航方面有优越性。美国的陆海空三方及民用部门都认为一种新的卫星导航将为其能做出很大的改善作用11。基于此原因，美国海军研究实验室(NRL)提出了一个叫做Tinmation的用12至18
31、颗卫星所组成得10000km高度的全球定位网计划，并且分别在1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上面初步测试了原子钟计时系统，这是GPS精确定位的基础。美国空军却则提出了621-B的以每星群4至5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除了1颗采用同步轨道以外其余的卫星都使用周期为24h的倾斜轨道，该计划以伪随机码(PRN)作为基础导航电文来传播卫星测距信号，它的强大功能，当信号的密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS得以取得成功的一个重要基础。空军的计划能够为其供提供高动态服务，但是系统过于复杂，海军的计划主要是用于为船舰提供低动态
32、的2维定位12。因为同时研究这两个系统会花费很高，而且这两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将二者合为一体，并且由国防部带头组织的卫星导航定位，联合计划局(JPO)领导，将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构的成员很多，包括美国海军、陆军、交通部、海军陆战队、国防制图局，北约和澳大利亚作为代表13。在美国联合计划局的领导下最初的GPS计划诞生了，这个计划方案是把24颗卫星分布在互成120度的三个轨道上面。8颗卫星均匀分布于一个轨道上，在地球表面上的任何一点都可以观测到6到9颗卫星。精码精度可达10米，粗码精度可达100米。因为压缩预算，GPS计划减少卫星的发射数量
33、，修改之前的为将18颗卫星均匀分布在互成60度的六个轨道上，但是这个方案使得卫星可靠性不能够得到保障。于是在1988年又重新进行了最后一次修改：24颗卫星，21颗工作卫星和三颗备用卫星，均匀分布在互成60度的六个轨道上面14。以全球24颗人造定位卫星为基础的GPS导航系统，向全球各地全时段的提供三维速度、三维位置等信息。它是由三部分组成，一是地面监控部分，由监控站、主控站、地面天线和通讯辅助系统组成的。二是用户装置部分，由卫星天线和GPS接收机组成。三是空间部分，由24颗卫星，21颗运行卫星和3颗备用卫星，均匀分布在六个轨道平面上。采用GPS定位卫星，在全球范围内进行导航、定位的系统，称为全球
34、卫星定位系统，简称GPS。GPS是美国国防部研究建立的一种具有全天候、全方位、高精度、全时段的卫星导航系统，能够为全球用户提供高精度、低成本的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展15。GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。要实现以上所有功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。图2.1 GPS卫星空间分布图2.1.2 GPS定位系统的基本原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要
35、达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR，）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航
36、电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知16。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
37、然而，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，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 CA码测得的伪距称为CA
38、码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使
39、用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值17。按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位18。在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，
40、双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置19。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。图2.2 卫星星历方程公式如下： 公式2.1 公式2.2 公式2.3 公式2.42.1.3 GPS模块定位流程搜索可用卫星，接收卫星信号，与卫星信号同步，提取导航电文信息。 从导航电文中获取计
41、算位置所需的信息，这些信息应该包括时钟信息和星历等数据。 计算卫星的精确位置，这包括计算卫星的高度和方位角，从而进行必要的对流层校正。 计算伪距，并进行电离层校正等。 重复上述过程，对所有可用卫星进行相应的计算。进行其他必要的校正，例如根据卫星信号到达GPS接收机的时间，校正地球旋转所造成的卫星位置的偏差。根据定位原理，计算出GPS接收机的初始位置，并将其转换成所需的坐标格式进行显示或输出。加入闰秒和UTC（标准世界时）时间补偿计算当前精确的时间。分析可用卫星的信息，计算做好的DOP，进行选星，并计算和修正GPS接收机的位置，给出GPS接收机的三维坐标和准确的时间信息。2.1.4 GPS特点全
42、球全天候定位GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，确保实现全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外）。定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6m，100-500km可达10-7m，1000km可达10-9m。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测时解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。实时单点定位(用于导航)：P码12m ；C/A码510m。静态相对定位：50km之内误差为几mm+(12ppm*D)
43、；50km以上可达0.10.01ppm。实时伪距差分(RTD)：精度达分米级。实时相位差分(RTK)：精度达12cm。观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟；采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟。因而使用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。测站间无需通视GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%50%），同时也使选点工作变得
44、非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。仪器操作简便随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化”。在观测中测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。如果在一个测站上需作长时间的连续观测，还可以通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻了测量工作者的劳动强度。可提供全球统一的三维地心坐标GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。应用广泛2.2 总方案的设计本次设计要求通过单片机控制GPS器件实现定位信息显示功能。在这里使用常见的STC89C52单片机的串行接口接收GPS信号接收模块输出的数据信号，并通过软件筛选出其中有用的定位数据，最后通过单片机的并行接口输出至液晶显示模块显示的方案。该GPS定位信息显示系统硬件部分主要由以下几个部分组成：接收部分：以GPS接收模块为核心的GPS接收机；控制电路：由52单片机为微处理器控制GPS信号；显示部分：