基于GPS汽车导航系统的设计

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星升降时间、方位和高度角；④根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航参数、航偏距、航偏角、航行速度等；⑤接收用户输入信号，如测站名、测站号、作业员姓名、天线高、气象参数等。

GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息，并配有一个控制键盘，用户可以通过键盘控制接收机工作，对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。 3）电源

GPS接收机电源有两种：一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存储器供电，以防止数据丢失；另一种为外接电源，这种电源常用于可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电源交换器。

综上所诉，GPS接收机的工作流程是：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发出的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、三维坐标和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。 2.2 GPS定位原理

GPS的定位通过获得若干卫星的位置及接收机离卫星的距离来计算用户的位置，也就是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信号接收机可根据接收的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。GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其信息内容包括各空间卫星的识别标志、精密原子钟的标准时间信号和空间卫星自身的参数。卫星发射两个载波频率：L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz，在L1载波上调制有1.023MHz的伪随机噪声码（C/A码）和10.23MHz的伪随机噪声码（P码）以及50b/s的导航电文，在L2载波上只调制有P码和导航电文。GPS卫星导航系统采用多星高轨测距体制，以距离作为基本观测量。卫星发射的L1载波和伪随机噪声码都与卫星时钟同步，经过一定的传播延迟后，被接收机接收。接收机将接收到的信号解调，得到延迟后的伪随机噪声码，它与接收机本身产生的伪随机噪声码相比较，即可确定两个码之间的相

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对位移，及传播延迟T，由T即可确定卫星（x1,y1,z1）与接收机（x0,y0,z0）之间的距离R1=C?T,式中C为电波传播速度。

R1=(x1?x0)2?(y1?y0)2?(z1?z0)2 (2.1)

式(2.1)中，x0,y0,z0是未知量，x1,y1,z1和距离R1是已知量。如果接收机能同时测出据3颗卫星的距离，便有3个这样的方程，从而可以联立3个方程式求解出接收机所在的位置坐标。但是由于用户接收机一般不可能有十分准确的时钟，因此所测的卫星信号在空间的传播时间是不准确的，算出的距卫星距离也不准确，该距离被称为伪距。然后，在接收机接收卫星信号的瞬间，接收机与卫星导航系统所用时钟的时间差应该是一个定值△T，于是式(2.1)改写为式(2.2)。

R1=(x1?x0)2?(y1?y0)2?(z1?z0)2+△T?C (2.2) 式中C为电波传播速度，显然，只要接收机能同时测出4颗卫星的距离，便有4个这样的方程式。从而可以联立4个方程式求解出接收机所在位置的坐标x0,y0,z0和△T，即可以确定接收机位置和准确的时间。知道了用户在不同时间的准确三维位置，用三维位置除以所经过的时间，即可求解出用户的三维运动速度。

GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的。伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。GPS信号中使用了伪随机编码技术，识别和分离各卫星的信号，并提供无模糊度的测距数据。GPS技术采用m序列，即产生于最长线性反馈移位寄存器。

假设初始状态为（a3,a2,a1,a0）=（1，0，0，0），则在每移一位时，由a3和a0模2相加，产生新的输入a3+a0,使状态变为（1，1，0，0）。这样移位15次，又回到初始状态。在完成这一过程中，其输出端就会产生一个随机码00111101011001[7、8]。 2.3 NMEA-0183标准

GPS数据遵循NMEA-0183协议，该数据标准是由NMEA（National Marine Electronics Association，美国国家海事电子协会）于1983年制定的。统一标准格式NMEA-0183输出采用ASCII码，其串行通信的参数为：波特率＝4800bps，数据位＝8bit，开始位=1bit，停止位＝1bit，无奇偶校验。数据传输以“语句”的方式进行，每

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个语句均以“$”开头，然后是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”，接着就是以逗号分割的数据体，语句末尾为校验和，整条语句以回车换行符结束[9]。

NMEA-0183的数据信息有十几种，这些信息的作用分别是：$GPGGA：输出GPS的定位信息；$GPGLL：输出大地坐标信息；$GPZDA：输出UTC时间信息；$GPGSV：输出可见的卫星信息；$GPGST：输出定位标准差信息；$GPGSA：输出卫星DOP值信息；$GPALM：输出卫星星历信息；$GPRMC：输出GPS推荐的最短数据信息等。 分别介绍如下：

1. GPRMC语句（Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data－RMC，推荐定位信息1次/1秒）

对于一般的GPS动态定位应用，GPRMC语句完全满足要求。该语句中包括经纬度、速度、时间和磁偏角等字段，这些数据为导航定位应用提供了充分的信息。下表详细说明GPRMC语句中的各个字段：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12> 字段 $GPRMC语句意义——取值范围

<1> UTC时间：hhmmss.ss格式——000000.00～235959.99 <2> 状态，有效性 ——A表示有效；V表示无效

<3> 纬度格式：ddmm.mmmm——0000．00000～8959.9999 <4> 南北半球——N北纬；S南纬

<5> 经度格式：dddmm.mmmm——00000.00001～7959.9999 <6> 东西半球——E表示东经；W表示西经 <7> 地面速度——000.00～999.999 <8> 速度方向——000.003～59.99

<9> 日期格式，月日年——010100～123199 <10> 磁偏角，单位：度——00.00～99.99 <11> 磁偏角方向——E表示东；W表示西

<12> 模式指示及校验和—— A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效 2. GPGGA语句（Global Positioning System Fix Data－GGA，GPS定位信息, 输出1次/1秒）

GPS定位主要数据，该语句中包括经纬度、质量因子、HDOP、高程、基准站号等字

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段。下表详细说明GPGGA语句中的各个字段：

$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，，<12>,，<14>

字段 $GPGGA语句意义——取值范围

<1> UTC时间：hhmmss.ss——000000.00～235959.99

<2> 纬度，格式：ddmm.mmmm ——0000．00000～8959.9999 <3> 南北半球——N北纬；S南纬

<4> 经度格式：dddmm.mmmm ——00000.0000～17959.9999 <5> 东西半球——E表示东经；W表示西经

<6> 质量因子——0=未定位，1=GPS单点定位固定解，2=差分定位，3=PPS解；4=RTK固定解；5=RTK浮点解；6=估计值；7=手工输入模式；8=模拟模式； <7> 应用解算位置的卫星数——00～12

<8> HDOP，水平图形强度因子——0.500~99.000 ；大于6不可用 <9> 天线高程（海平面）——－9999.9～99999.9 <10> 线线高程单位(m) ——m

大地水准面起伏——地球椭球面相对大地水准面的高度 <12> 大地水准面起伏单位(m) ——m

<13> 差分GPS数据期——差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空），不使用DGPS时为空 <14> 基准站号——0000～1023；不使用DGPS时为空

3. GPGSV语句（GPS Satellites in View－GSV，可见卫星信息，1次/5秒）

GPS可见星的方位角、俯仰角、信噪比等每条语句最多包括四颗卫星的信息，每颗卫星的信息有四个数据项，即：(4)－卫星号，(5)－仰角，(6)－方位角，(7)－信噪比 $GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>,<15>,<16>,<17>,<18>,<19>

字段 $GPGSV语句意义——取值范围 <1> 总的GSV语句电文数——0～12 <2> 当前GSV语句号 <3> 可视卫星总数——0～32

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