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GPS模块设计实验报告 姓 名：何探 学 号：3090731126 班 级：通信09-1班 指导教师：杨小平一 GPS定位系统简介GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。Gps由gps卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）和gps信号接收机（用户设备部分）三部分组成。 GPS是伴随现代科技的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航和定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的三维测速、导航、定位与授时能力，而起且具有良好的抗干扰性和保密性。其作业特点具体体现在如下七个方面。 （1）全球、全天候工作：GPS能为用户提供连续、实时的三维位置、三位速度和精密时间，不受天气的影响。（2）定位精度高：目前GPS单片机定位精度优于10m，若采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。（3）观测时间短：随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，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。（4）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。（5）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，将所采集的数据传递到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，现在的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。（6）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。目前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。（7）功能多、应用广：GPS不仅在测量、导航、测速、测时等方面体现出其便捷和快速，而且在其他方面也得到广泛的应用。GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用。二 GPS定位原理 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。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： 原理图分为单片机最小系统和gps模组，显示MAX232N与单片机系统的接口单片机最小控制系统GPS模组液晶显示模块与接口 TXD、RSD引脚连接，模组将接收的定位数据传输到单片机上，经过单片机处理，再由液晶显示器显示。注：必须保证单片机的TXD、RSD引脚上不挂有除GPS模组以外的任何器件；模组的供电电压为3.3-5V之间，电压不得超过5V，或者源地反接，避免烧坏模组；串口为TTL电平，波特率4800，数据位8，停止位1，校验位：None。三GPS标准协议NMEA0183语句参考读数GPS NMEA0183标准语句$GPGGA例：$GPGGA,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,0000*1F字段0：$GPGGA，语句ID，表明该语句为Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息字段1：UTC 时间，hhmmss.sss，时分秒格式字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段3：纬度N（北纬）或S（南纬）字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段5：经度E（东经）或W（西经）字段6：GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，3=无效PPS，6=正在估算字段7：正在使用的卫星数量（00 - 12）（前导位数不足则补0）字段8：HDOP水平精度因子（0.5 - 99.9）字段9：海拔高度（-9999.9 - 99999.9）字段10：地球椭球面相对大地水准面的高度字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）字段12：差分站ID号0000 - 1023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空）字段13：校验值$GPGLL例：$GPGLL,4250.5589,S,14718.5084,E,092204.999,A*2D字段0：$GPGLL，语句ID，表明该语句为Geographic Position（GLL）地理定位信息字段1：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段2：纬度N（北纬）或S（南纬）字段3：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段4：经度E（东经）或W（西经）字段5：UTC时间，hhmmss.sss格式字段6：状态，A=定位，V=未定位字段7：校验值$GPGSA例：$GPGSA,A,3,01,20,19,13,40.4,24.4,32.2*0A字段0：$GPGSA，语句ID，表明该语句为GPS DOP and Active Satellites（GSA）当前卫星信息字段1：定位模式，A=自动2D/3D，M=手动2D/3D字段2：定位类型，1=未定位，2=2D定位，3=3D定位字段3：PRN码（伪随机噪声码），第1信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段4：PRN码（伪随机噪声码），第2信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段5：PRN码（伪随机噪声码），第3信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段6：PRN码（伪随机噪声码），第4信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段7：PRN码（伪随机噪声码），第5信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段8：PRN码（伪随机噪声码），第6信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段9：PRN码（伪随机噪声码），第7信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段10：PRN码（伪随机噪声码），第8信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段11：PRN码（伪随机噪声码），第9信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段12：PRN码（伪随机噪声码），第10信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段13：PRN码（伪随机噪声码），第11信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段14：PRN码（伪随机噪声码），第12信道正在使用的卫星PRN码编号（00）（前导位数不足则补0）字段15：PDOP综合位置精度因子（0.5 - 99.9）字段16：HDOP水平精度因子（0.5 - 99.9）字段17：VDOP垂直精度因子（0.5 - 99.9）字段18：校验值$GPGSV例：$GPGSV,3,1,10,20,78,331,45,01,59,235,47,22,41,069,13,32,252,45*70字段0：$GPGSV，语句ID，表明该语句为GPS Satellites in View（GSV）可见卫星信息字段1：本次GSV语句的总数目（1 - 3）字段2：本条GSV语句是本次GSV语句的第几条（1 - 3）字段3：当前可见卫星总数（00 - 12）（前导位数不足则补0）字段4：PRN 码（伪随机噪声码）（01 - 32）（前导位数不足则补0）字段5：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补0）字段6：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补0）字段7：信噪比（0099）dbHz字段8：PRN 码（伪随机噪声码）（01 - 32）（前导位数不足则补0）字段9：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补0）字段10：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补0）字段11：信噪比（0099）dbHz字段12：PRN 码（伪随机噪声码）（01 - 32）（前导位数不足则补0）字段13：卫星仰角（00 - 90）度（前导位数不足则补0）字段14：卫星方位角（00 - 359）度（前导位数不足则补0）字段15：信噪比（0099）dbHz字段16：校验值$GPRMC例：$GPRMC,024813.640,A,3158.4608,N,11848.3737,E,10.05,324.27,150706,A*50字段0：$GPRMC，语句ID，表明该语句为Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐最小定位信息字段1：UTC时间，hhmmss.sss格式字段2：状态，A=定位，V=未定位字段3：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段4：纬度N（北纬）或S（南纬）字段5：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段6：经度E（东经）或W（西经）字段7：速度，节，Knots字段8：方位角，度字段9：UTC日期，DDMMYY格式字段10：磁偏角，（000 - 180）度（前导位数不足则补0）字段11：磁偏角方向，E=东W=西字段16：校验值$GPVTG例：$GPVTG,89.68,T,M,0.00,N,0.0,K*5F字段0：$GPVTG，语句ID，表明该语句为Track Made Good and Ground Speed（VTG）地面速度信息字段1：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）字段2：T=真北参照系字段3：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）字段4：M=磁北参照系字段5：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）字段6：N=节，Knots字段7：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）字段8：K=公里/时，km/h字段9：校验值Data and time (ZDA) 时间和日期信息$GPZDA,*hh UTC时间，hhmmss（时分秒）格式 UTC日期，日 UTC日期，月 UTC日期，年时区Datum (DTM) 大地坐标系信息$GPDTM,*hh本地坐标系代码 W84坐标系子代码 空纬度偏移量 纬度半球N（北半球）或S（南半球）经度偏移量经度半球E（东经）或W（西经）高度偏移量坐标系代码 W84 GARMIN定义的语句1、 Estimated Error Information（PGRME）估计误差信息$PGRME,M,M,M*hh HPE（水平估计误差），0.0999.9米 VPE（垂直估计误差），0.0999.9米 EPE（位置估计误差），0.0999.9米2、 GPS Fix Data Sentence（PGRMF）GPS定位信息$PGRMF,*hh GPS周数（01023） GPS秒数（0604799） UTC日期，ddmmyy（日月年）格式 UTC时间，hhmmss（时分秒）格式 GPS跳秒数 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输） 纬度半球N（北半球）或S（南半球） 经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输） 经度半球E（东经）或W（西经） 模式，M=手动，A=自动 定位类型，0=没有定位，1=2D定位，2=3D定位 地面速率（01851公里/小时） 地面航向（000359度，以真北为参考基准） PDOP位置精度因子（09，四舍五入取整） TDOP时间精度因子（09，四舍五入取整）3、 Map Datum（PGRMM）坐标系统信息$PGRMM,*hh 当前使用的坐标系名称（数据长度可变，如“WGS 84”）注：该信息在与MapSource进行实时连接的时候使用。4、 Sensor Status Information（PGRMT）工作状态信息$PGRMT,*hh 产品型号和软件版本（数据长度可变，如“GPS 15L/15H VER 2.05”） ROM校验测试，P=通过，F=失败 接收机不连续故障，P=通过，F=失败 存储的数据，R=保持，L=丢失 时钟的信息，R=保持，L=丢失 振荡器不连续漂移，P=通过，F=检测到过度漂移 数据不连续采集，C=正在采集，如果没有采集则为空 GPS接收机温度，单位为摄氏度 GPS接收机配置数据，R=保持，L=丢失注：本语句每分钟发送一次，与所选择的波特率无关。5、 3D velocity Information（PGRMV）三维速度信息$PGRMV,*hh 东向速度，514.4514.4米/秒 北向速度，514.4514.4米/秒 上向速度，999.99999.9米/秒6、 DGPS Beacon Information（PGRMB）信标差分信息$PGRMB,K,*hh 信标站频率（0.0，283.5325.0kHz，间隔为0.5kHz） 信标比特率（0，25，50，100或200bps） SNR信标信号信噪比（031） 信标数据质量（0100） 与信标站的距离，单位为公里 信标接收机的通讯状态，0=检查接线，1=无信号，2=正在调谐，3=正在接收，4=正在扫描 差分源，R=RTCM，W=WAAS，N=非差分定位 差分状态，A=自动，W=仅为WAAS，R=仅为RTCM，N=不接收差分信号在目前手持项目中，正常的定位或导航系统，基本主要完成如下的功能：读取当前坐标使用报文：Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐定位信息读取速度使用报文：Track Made Good and Ground Speed（VTG）地面速度信息读取方向使用报文：Track Made Good and Ground Speed（VTG）地面速度信息注：速度和方向的计算这块，有一点需要注意，就是GPS接收机并非简单的将两次坐标相减进行计算，而是采用的多普勒效应进行处理，所以在实际应用中，速度和方向的计算会稍后一点延迟，因为信号是1秒接收一次，而且方向的计算还要根据前几秒的方向进行加权平均。读取卫星数及状态使用报文：GPS Satellites in View（GSV）可见卫星信息 GPS DOP and Active Satellites（GSA）当前卫星信息有很多种因素会影响到GPS的准确率，以下是一个GPS误差引入简表：卫星时钟误差：0-1.5米卫星轨道误差：1-5米电离层引入的误差：0-30米大气层引入的误差：0-30米接收机本身的噪音：0-10米多路反射：0-1米总定位误差：大约28米上述的简表，并不表示一定会存在这么大的误差，这是给出的最好及最差的范围，当然最好情况不能同时发生，最差的情况也不能同时发生。实际在卫星的导航电文中，已经包含了大气层的修正参数，能够消除50%到70%的误差，而且这两年出的GPS的误差大致范围是10米或以内。在现有情况下，民用级单台GPS接收机要想达到1m以内的精度是不可能实现的，原因除GPS本身精度外，还包括地图、定位点测绘、嵌入式设备的运行速度等，所以过度追求定位精度对于民用产品来说已无实际的意义。漂移是GPS导航时需要处理的问题之一，漂移主要有两个方面，第一，速度过快，以至于GPS的响应时间短于当前运行速度，出现漂移；第二，在高大建筑密集或天气情况不好的地方，因为GPS信号经过多次的折、反射，造成信号误差，出现漂移。解决GPS漂移主要从两方面入手：一、主系统的设计主要减少在近距离内对GPS信号的干扰。二、软件处理。软件处理主要集中在导航软件处完成，导航软件会将坐标定位在道路之内，如果GPS接收到的信号超出道路的半径范围将自动过滤这个数据，并根据上次的速度及方向推算出当前点的位置。对于静态漂移，也有建议做软件判断：1.检测到的状态为静止时，强制速度为0；2.速度为0时，强制方向为0；3.数据中的速度值为0时，就不去更新地图上的经纬度；4.通过比较上次定位数据的经纬度差的绝对值（同时包括时间）再来判定是否有慢速移动；另外有些GPS模块（UBLOX）可设置静止模式、行走模式、汽车模式、海上模式、飞行模式，通过设置这些参数来解决漂移问题。四 GPS模块介绍及设计 GPS模块就是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路我们常说的GPS定位模块称为用户部分，它像“收音机”一样接收、解调卫星的广播C/A码信号，中以频率为1575.42MHz。GPS模块并不播发信号，属于被动定位。通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差大。初次定位的模块至少需要4颗卫星参与计算，称为3D定位，3颗卫星即可实现2D定位，但精度不佳。GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用。 GPS模块性能的*价指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、功耗、时间精度等。模块开机定位时间在不同的启动模式下有很大不同。一般来说，冷启动时间是指模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况，包括星历、时间等，一般标称在1分钟以内;温启动时间是指模块内部有较新的卫星星历(一般不超过2小时)，但时间偏差很大，一般标称在45秒以内;热启动时间是指关机不超过二十分钟，并且RTC时间误差很小时的情况。一般标称在10秒以内;重新捕捉时间就如同汽车钻过了一个隧道，出隧道时重新捕捉卫星。一般标称在4秒以内。 如果模块在定位后放的时间很久，或模块在定位后运输到几百公里以外的地方，这样模块内部有星历，但是这个星