基于单片机的GPS公交车报站系统毕业设计说明书.doc

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1、学 号09700113毕业设计说明书基于单片机的GPS公交车自动报站系统毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计

2、）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复

3、印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订摘 要公共汽车成为城市人们出行的必备选择后所面临的问题是乘客们如何能够在正确的车站下车，如何知道这辆车开

4、向哪里，途中还会经过哪些车站。在一些需要提示乘客注意的情况，比如车在转弯需要注意，或者需要让座等等，这时该怎么办？解决的办法就是利用公交车报站器播放语音，提示乘客。 其实语音报站不是什么新鲜的词语了，公交车报站器也不是前所未有，本论文讨论一个具有人性化友好操作界面，成本低报站准确公交车报站器方案。本文介绍一种基于GPS模块和凌阳嵌入式语音单片机SPCE061A设计的自动语音报站系统。利用凌阳SPCE061A串行口通信接收GPS模块输出的经纬度信息，通过对比存储经、纬度数据和相应的站点名字。确认公交车是否进入设定站台范围内，以达到自动报站的目的；再设计的过程中给出硬件电路的设计方案、主要软件流程

5、图、数据处理及其程序设计的方法。本设计解决了以住公交车报站系统人工操作不便、误报站多、故障时不报站等问题。关键字：凌阳单片机SPECE061A，全球定位系统，自动语音报站目 录第一章 绪论1第二章 系统方案论证32.1 系统设计要求32.2方案论证32.2.1 GPS公交车报站器各部分功能4第三章 系统硬件设计53.1 SPCE061A单片机控制设计53.1.1凌阳单片机SPEC06A简介及性能53.1.2 SPCE061A单片机最小系统设计73.1.3单片机电源设计73.2 LCD显示模块设计83.2.1 LCD128 X64简介及功能83.2.2控制器接口信号说明：93.2.3液晶模块串行

6、时序图113.2.4 LCD模块与MCU的串口连接图113.3 音频输出模块123.4 SPR4096外接存储器模块123.5 GPS接收模块133.6.1 GPS定位的基本原理143.5.2 GPS系统组成153.5.3 GPS 输入输出语句说明163.5.4 GPS型号选择203.5.5 GPS接口电路模块223.6按键模块22第四章 数据压缩与语音处理244.1 数据存储与压缩244.1.1 语音压缩与处理244.1.2 站点信息、广告显示与压缩254.1.3 GPS信息压缩与处理26第五章 系统软件设计与研究275.1 系统主程序设计275.2 初始化程序设计295.3 时间程序设计3

7、05.4 语音播报程序设计315.5 GPS 自动报站程序设计325.6 主程序清单34第六章 总结与体会386.1总结386.2 体会38致谢39参考文献40附录41第一章 绪论随着国民经济的飞速发展，公交系统也日新月异。报站也由原来的由随车售票员报站改为司机按键报站了。但是由于公交司机又要开车又要兼顾按键报站，所以常常出现误报、漏报等现象，不能够满足公交系统的要求；另一方面，由于司机开车时为报站分散精力，也对公交的安全运行埋下了隐患。因此，对自动报站系统的需求也日益强烈。应用自动报站系统即可以节省员工开支，增强公司效益。又可以利用报站器播报标准的普通话站名，使各城市更利于交流和发展。近年来

8、，GPS(Global Positioning System)全球定位系统在各种行业广泛运用，特别是车辆监控与定位系统的应用中蓬勃发展。随着经济与科技的持续发展，公交运输系统的要求越来越高。目前我国各大城市公交公司都在进行减员，整体上实行是在每辆公交车上只配备了一个司机，实行无人工报站与售票。为了公交系统的管理现代化与安全考虑，需要对原有系统更新使其更智能化，公交自动语音报站系统符合这一要求。目前现有公共汽车自动报站器，到站时LCD 点阵文字提示仅显示本站和下站，由此，很多乘客并不清楚该车当前行驶的方向以及某站点在整条线路中的具体位置，特别是报站系统故障时。往往不能提前做好下车准备，甚至很多要

9、走回头路；针对这一问题。本文设计一种利用GPS 系统与凌阳单片机、LCD显示行车方向、车处位置，并能够实现自动报站与手动报站之间的切换。能够显示多条站点信息、并能够进行相关站点信息提醒，保证乘客尽可能小的下错或者上错站。 目前在国外，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个 IT经济新增长点。虽然具有GPS定位功能的公交车市场潜力颇为看好，就现阶段而言仍有

10、几项障碍亟待克服：首先，不论公交车采用的是内建GPS芯片或是用外接GPS模块作为解决方案，将无可避免地提高公交车成本，也影响消费者购买的意愿；最后，目前具有提供整合GPS芯片与无线通信技术的公司仍屈指可数，且公交车制造大厂是否愿意采用现有的解决方案，或是另外自行开发仍是未定之数。通过近20年的发展，GPS产品已逐渐转变为消费电子产品，且所能应用的范围已扩展到日常生活中的通信、PDA、定位信息等。不过，以现阶段来看，由于 GPS接收机的单芯片化技术、价格以及市场应用服务等仍未臻成熟，因此，在乐观地看待此市场发展时，诸如GPS IC设计的技术是否能达到公交车或PDA所需的最小体积、成本是否能降低以

11、及内建GPS的新公交车系统是否能引起消费者的青睐等问题，仍必须审慎地深入评估。国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。(1)以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。在GPS应用领域，车辆应用所占的比例较大。最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后，它就成了发展的方向。GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构

12、成。系统的工作原理是：安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。(2)面向个人消费者的GPS终端产品。芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素，使GPS产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系

13、统、移动监控终端以及消费类电子产品。有集成了GPS芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS手持机、GPS 手表，甚至GPS相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡(CF卡式GPS接收机)式、外接(GPS接收机)式等集成产品。利用全球定位系统进行公交车自动报站系统是近几年的一个热门课题。GPS卫星定位语音报站系统具有定位精度高、语音自动播报等特点。此系统设计要求车辆的定位精度要高于50m，如遇外界影响GPS信号还可恢复成手动操作进行报站。第二章 系统方案论证2.1 系统设计要求要求设计一个操作友好且成本很低的公交车报站器，具体要求如下： 1、 可以存放较多的服务用语和广告词

14、； 2、 要求操作简单，每站可自动播报全部报站内容（前方将要到达的站名，上下车提示服务用语） ； 3、 要求具有LCD站点信息显示； 4、 要求语音播报具有自动和手动两种功能； 5、 要求站牌信息及服务信息等都能通过液晶屏显示出来；6、 时间、日历播报、显示和调整功能。7、GPS定位精度在50m以内。2.2方案论证 目前公交车报站器技术主要有以下几种：一般公交车报站器,到站前由司机按进站按钮开始报站，出站时按下出站按钮，开始预报下站的站名，通过序号来记录各个站点；第二种是门控公交车报站器，将开门、关门时转换信号和语音报站器连接，开门和关门时自动报站；第三种是无线收发公交车报站器，它是在每个公交

15、车站点设置发射信号同步模块，公交车临近到站点左右会收到信号，开始自动报站，出站后信号消失，开始预报下一站，此报站器报站准确，但需要为每个站点组建无线发射模组，实施工程复杂、价格昂贵，大部分站点无电源供应，公交车数量多时存在频率干扰很严重影响报站的准确性，每路公交车修改站点非常不方便，系统维护成本高；第四种就是GPS自动语音公交车报站器，此报器是在公交车上安装GPS自动语音报站器，自动识别站点并报告站点信息。由于报站精准，无须人工操作，无须建设任何车外设施。本次设计的任务是利用现有的GPS系统结合凌阳单片机语音技术研制一套车辆自动报站的系统，包括系统的软件与硬件，要求系统具有建设费用少、维护费用

16、低、定位精度高等特点。系统的研究内容包括：车辆定位系统的软件与硬件的设计与制作，即结合GPS和凌阳单片机，对GPS接收机接收的数据进行处理，结合LCD点阵显示和SPCE061A的语音播报功能，并使用控制键盘电路来实现报站器的全自动报站和手动报站的功能，以及系统的整体测试与实际运行。图2.2 为GPS 语音报站系统总体设计框图。GPS 语音报站系统硬件电路主要包括SPCE061A控制模块、GPS 数据接收模块6、语音模块、按键模块、LCD显示等模块。图2.2为GPS 语音报站系统总体设计框图。图2.2 系统硬件总体设计框图2.2.1 GPS公交车报站器各部分功能将语音信息、提示信息和广告信息存入

17、凌阳单片机系统的外扩存储器中，凌阳单片机上电工作后首先检查是全自动报站工作方式还是手动按键报站工作方式，手动按键方式则由键盘直接控制显示和语音播报。当系统工作在全自动报站方式时，凌阳单片机接收GPS的信息，其中包括时间、地理位置、速度和方向等信息，GPS通信遵循NMEA0138协议，凌阳单片机按照协议提取有用信息，根据公交车的实时运行信息，进行上行、下行判断，并准确播报报站信息、广告及提示语，在LCD点显示，并通过扬声器播放出来。选用 SPCE061A单片机作为主控芯片。SPCE061A 芯片集成 A/D、D/A 功能，配合语音函数库可以实现语音功能。外围扩展键盘、显示器件，扩展 SPR409

18、6 FLASH芯片存储语音资源。串口通信能够及时处理GPS接受到得经纬度信息。显示模块是采用12864LCD，通过SPCE061A进行控制显示相关站点、广告等信息。GPS接收模块，通过天线接收卫星发来的相关地理、时间信息并对其进行处理。实时地计算出测站的三维位置，以及速度、时间、航向等定位信息。把获得经度、纬度、高度、时间等信息发送给单片机控制模块。单片机外围硬件电路主要包括：按键和SPR4096模组存储器，按键是在GPS受干扰情况下完成人工手动报站；SPR4096模组增加系统的存储空间，有利于存储大量语音信息。 第三章 系统硬件设计GPS公交车报站器硬件模块包括：凌阳SPCE061A单片机模

19、块、GPS模块、SPR4096存储电路、LCD显示模块、音频输出模块和键盘控制模块组成。3.1 SPCE061A单片机控制设计3.1.1凌阳单片机SPEC06A简介及性能SPCE061A 是凌阳科技推出的一款16 位结构的微控制器。较高的处理速度使用nSP能非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。以 nSP为核心的SPCE061A 微控制器是适用于数字语音处理应用领域，一种最经济的选择产品。SPEC06A主要性能及内部结构1、主要性能：􀂋 16位nSP微处理器； 􀂋 工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5V И

20、715; CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ； 􀂋 内置2K字SRAM； 􀂋 内置32K FLASH； 􀂋 可编程音频处理； 􀂋 晶体振荡器; 􀂋 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A3.6V； 􀂋 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； 􀂋 2个10位DAC(数-模转换)输出通道； 􀂋 32位通用可编程输入/输出端口； 􀂋 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键

21、唤醒； 􀂋 具备触键唤醒的功能； 􀂋 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； 􀂋 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； 􀂋 32768Hz实时时钟； 􀂋 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； 􀂋 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能； 􀂋 具备串行设备接口； 􀂋 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 􀂋 内置在

22、线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口； 􀂋 具有保密能力； 􀂋 具有WatchDog功能。 2、 内部结构及芯片引脚概述SPCE061A有两种封装模式，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；另一种为80个引脚，LQFP80封装。本系统中采用PLCC84封装，在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。图3.1.1为SPEC061A内部结构 图3.1.2为SPEC061A引脚结构图图3.1.1 SPEC061A内部结构图3.1.2 SPEC061

23、A引脚结构图、3.1.2 SPCE061A单片机最小系统设计最小系统接线如图3.1.3所示，在OSCO、OSCI端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻，复位电路 其他不用的电源端和地端接上0.1F的去耦电容提高抗干扰能力。图3.1.3 SPCE061A单片机最小系统原理图3.1.3单片机电源设计直流5V电源经过SPY0029后产生3.3V电压给整个系统供电。SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC，采用CMOS工艺，具有静态电流低、线性调整出色等特点。图3.1.4图中的VDDH为SPCE061A的I/O电平参考，接SPCE061A的51、52、75脚；V

24、DDP为PLL锁相环电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA分别为数字电源与模拟电源，分别接SPCE061A的15脚和36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚；AVSS2接音频输出电路的AVSS2。图 3.1.4 电源模块电路3.2 LCD显示模块设计3.2.1 LCD128 X64简介及功能带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该

25、模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性及功能:（1）、低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）（2）、显示分辨率:12864点 （3）、内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选) （4）、内置 128个168点阵字符 （5）、2MHZ时钟频率 （6）、显示方式：STN、半透、正显 （7）、驱动方式：1/32

26、DUTY，1/5BIAS （8）、视角方向：6点 （9）、背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 （10）、通讯方式：串行、并口可选 （11）、内置DC-DC转换电路，无需外加负压 （12）、无需片选信号，简化软件设计（13）、工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60。表 3.2管脚说明管脚号管脚名电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源负3V0-对比亮度调整4RS（CS）H/LRS=“H”，表示DB7DB0为显示数据 RS=“L”,表示DB7DB0为指令数据5R/W（SID）H/LR/W=“H”，E=“H”，数据被读到DB7DB

27、0RW=“L”，E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E（SCLK）H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH:8位或4位并口方式，L：串口方式16NC空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUTLCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）20K背光源负端3.2.2控制器接口信号说明：1、RS，R/W的配合选择决定控制界面的4种模式：RSR/W功能说明LLMPU写指令到指

28、令暂存器（IR）LH读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态HLMPU写入数据到数据暂存器（DR）HHMPU从数据暂存器（DR）中读出数据2、E信号E状态执行动作结果高低I/O缓冲DR配合/W进行写数据或指令高DRI/O缓冲配合R进行读数据或指令低/低高无动作 忙标志:BF BF标志表明内部工作情况.BF=1时才能对模块进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据.BF=0时,模块为准备状态,能够接受外部指令和数据. 每次操作之前最好先进行状态字检测,只有在确认BF=0之后,才能访问模块。 字型产生ROM（CGROM） 字型产生ROM（CGROM）提供8192个此触发器是用于模块屏幕显示开和

29、关的控制。DFF=1为开显示（DISPLAY ON),DDRAM 的内容就显示在屏幕上，DFF=0为关显示（DISPLAY OFF)。DFF 的状态是指令DISPLAY ON/OFF和RST信号控制的。 显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供642个位元组的空间，最多可控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英数字型(16*8)、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H0006H的编码中（其代码分别是0000、0002、00

30、04、0006共4个）将选择CGRAM的自定义字型，02H7FH的编码中将选择半角英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码BIG5（A140D75F），GB（A1A0-F7FFH）。 字型产生RAM(CGRAM) 字型产生RAM提供图象定义(造字)功能, 可以提供四组1616点的自定义图象空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样地通过DDRAM显示在屏幕中。 地址计数器AC地址计数器是用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入DDRAM

31、/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动加一，当RS为“0”时而R/W为“1”时，地址计数器的值会被读取到DB6DB0中。3.2.3液晶模块串行时序图串行数据传送共分三个字节完成：第一字节：串口控制格式 11111ABC A为数据传送方向控制：H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCD B为数据类型选择：H表示数据是显示数据，L表示数据是控制指令 C固定为0第二字节：(并行)8位数据的高4位格式 DDDD0000第三字节：(并行)8位数据的低4位格式 0000DDDD注意：模块在接收指令前，向处理器必须先确认模块内部处于非忙状态，即读取BF标志时BF需为“0”，方可接受新的指令。

32、如果在送出一个指令前不检查BF标志，则在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即等待前一个指令确定执行完成。指令执行的时间请参考指令表中的指令执行时间说明3.2.4 LCD模块与MCU的串口连接图图3.2.4 LCD原理电路其中CS端为串行方式片选信号端，低电平有效；PSB端为并/串行接口选择端：H-并行；L-串行；RET端为复位端，低电平有效；SID为串行数据输入端，SCLK为串行时钟输入端；只要当时钟信号端SCLK为负跳沿时，将SID端的数据输入液晶模块，因而并不需要SCLK端有连续的稳定频率的时钟信号输入，也就方便了MCU通过其位处理功能方便地进行数据传输。3.3 音频输出模块

33、SPCE061A内置2路10位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。图3.3是音频输出电路图。图 3.3 音频输出电路3.4 SPR4096外接存储器模块公交车自动报站系统需要存储大量的语音文字信息，这就要求系统扩展外部存储空间，本设计采用凌阳公司的SPR4096模组电路，配合PC机使用ResWriter工具，通过EZ-probe下载线，完成对R4096存储器芯片的擦除、写入、校验等功能。并且SPR4096可以直接与SPCE061A单片机相连，实现SPCE061A单片机存储空间的扩展。SPR4096是一个高性能的4M位FLASH，分为256个扇区，每个扇区为2K字节。内嵌512K

34、8位高性能Flash存储器同时内嵌4K8位SRAM。芯片具有BMI（Bus Memory Interface）并行接口总线与SIF（Serial Interface）串行接口总线。在SPR4096芯片中，使用两种电源供电，VDDI与VDDQ。VDDI范围在2.25V-2.75V，这个电源是给内部的Flash与逻辑控制单元供电的。VDDQ范围在2.25V-3.6V，只给I/O口供电。SPR4096最高工作在5.0MHz频率下，最大读电流为2.0mA，最大编程/擦写电流6.0mA。这里采用SPR4096的串行接口模式工作，CF0-2接低电平，CF7接低电平，硬件电路如图3.5所示。图 3.4 SP

35、R4096原理电路图3.5 GPS接收模块GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的缩写，译为利用卫星导航进行测时和测距/全球卫星定位系统。全球定位系统(Global Positioning System-GPS)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，为高精度导航和定位而研制的全球被动式无线电卫星系统，是集成无线电导航、定位和定时于一体的多功能系统。GPS系统的特点:1、全球，全天候工作： 能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不

36、受天气的影响。2、定位精度高： 单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3、功能多，应用广： 随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。3.6.1 GPS定位的基本原理 GPS定位的基本原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法，确定待测点的位置。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：上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=cti

37、(i=1、2、3、4)。di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标

38、x、y、z 和接收机的钟差Vto 。3.5.2 GPS系统组成1、GPS卫星星座组成GPS工作卫星及其星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度， 即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度， 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。 在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS 卫星。位于

39、地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗， 最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗 GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种 时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。2、地面监控系统 对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的 的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上

40、的各种设备是否正常 工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统 另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。这就需要地面站监测 各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。3、GPS信号接收机 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号， 并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，以便测量出GPS信号从卫星 到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计

41、算出测站的三维位置， 位置，甚至三维速度和时间。 静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度 地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的 三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机 所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上 的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地 测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。3.5.3 GPS 输入输出语句说明NMEA协议是为了在不同的GPS（全球定位系统）导航设

42、备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（NMEA-The National Marine Electronics Associa-tion）制定的一套通讯协议。GPS接收机根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$G

43、PRMC、$GPVTG、$GPGLL等（见表3.5）。下面给出这些常用NMEA-0183语句的字段定义解释。表3.5 信息简称序号命令说明最大帧长1$GPGGA全球定位数据722$GPGSA卫星PRN数据653$GPGSV卫星状态信息2104$GPRMC运输定位数据705$GPVTG地面速度信息346$GPGLL大地坐标信息7$GPZDAUTC时间和日期注：发送次序$PZDA、$GPGGA、$GPGLL、$GPVTG、$GPGSA、$GPGSV*3、$GPRMC协议帧总说明：该协议采用ASCII码，其串行通信默认参数为：波特率=4800bps，数据位=8bit，开始位=1bit，停止位=1bi

44、t，无奇偶校验。帧格式形如：$aaccc,ddd,ddd,ddd*hh1、“$”帧命令起始位2、aaccc地址域，前两位为识别符，后三位为语句名3、dddddd数据4、“*”校验和前缀5、hh校验和（check sum），$与*之间所有字符ASCII码的校验和（各字节做异或运算，得到校验和后，再转换16进制格式的ASCII字符。）6、CR（Carriage Return） + LF（Line Feed）帧结束，回车和换行、位置信息（GGA） $GPGGA、M, 、*hh UTC时间，hh mm ss格式（定位它的） 经度dd mm mmmm 格式（非0） 经度方向 N或S 纬度ddd mm m

45、mmm 格式（非0） 纬度方向E或W GPS状态批示0未定位 1无差分定位信息 2带差分定位信息 使用卫星号（0008） 精度百分比 海平面高度 *大地随球面相对海平面的高度 差分GPS信息 差分站ID号 0000-123、GPS DOP 和活动卫星 $GPGSA、*hh 模式M手动，A自动 当前状态 1无定位信息，22D 33D PRN号0132 位置精度 垂直精度 水平精度、当前GPS卫星状态（GSV） $GPGSV、*hh GSV语句的总数目 当前GSV语句数目 显示卫星的总数目0012 卫星的PRV号星号 卫星 仰角 卫星 旋角 信噪比 语句共两条，第条最多包括4颗星的处所。每个星有4个数据，即星号 仰角