GPS轨迹数据采集系统的设计

福福 建建 师师 范范 大大 学学 应应 用用 科科 技技 学学 院院 学学 生生 论论 文文 论文题目： GPS 轨迹数据采集系统的设计 指导教师： 施文灶 学 号： 120352010039 姓 名： 吴小霞 年 级： 2010 级 专 业： 电子信息工程 二 0 一四 年 五 月 十五 日 1 GPSGPS 轨迹数据采集系统的设计轨迹数据采集系统的设计 学院：应用科技学院学院：应用科技学院 专业：电子信息工程专业：电子信息工程 学号：学号：120352010039120352010039 姓名：吴小霞姓名：吴小霞 指导教师：指导教师：施文灶老师施文灶老师 【摘要摘要】通过多年携带通过多年携带 GPSGPS，有多媒体、高精度、实时的、行为的方向。，有多媒体、高精度、实时的、行为的方向。ARMARM 的嵌入式具有功能强、低功耗、领先的嵌入式具有功能强、低功耗、领先 的嵌入式操作系统和其他的优势，可以满意的嵌入式操作系统和其他的优势，可以满意 GPSGPS 的发展需要，所以与的发展需要，所以与 GPSGPS 结合的手臂变得现代结合的手臂变得现代 GPSGPS 设备的发展趋势。设备的发展趋势。 本文以高性能本文以高性能 3232 位位 ARM9ARM9 处理器处理器 S3C2440AS3C2440A 为中心，向为中心，向 ALLSTARALLSTAR 测量测量 GPSGPS 芯片为数据源，建立一个适合于芯片为数据源，建立一个适合于 GPSGPS 数据采集数据采集 硬件系统。硬件系统。 【关键字关键字】丈量数据、丈量数据、ARMARM、GPSGPS 轨道数据收集、测绘、导航轨道数据收集、测绘、导航。 2 目目 录录 1、概述.3 1.1 选题的依据及其研究意义3 1.2 研究国内外现状及发展 3 1.3 主要研究内容3 2、 嵌入式系统与全球定位系统4 2.1 ARM 硬件开发平台 4 2.2 全球定位系统（GPS）简介 .4 3、GPS 测量数据接收系统设计方案 .5 3.1 总体设计5 3.2 系统硬件设计概述6 4、系统硬件设计.6 4.1 核心处理模块7 4.2 GPS 数据模块 7 5、数据处理及分析.7 5.1 数据处理原理7 5.2 静态数据处理8 5.3 静态数据处理原理8 5.4 GPS 相对定位 9 6、结论与展望.9 参考文献.10 3 1 1、概述 1.1 选题的依据及其研究意义 GPS 定位技术在测绘中的应用是非常广泛的例如，中国人到的各种信息在整个地图上的所有控件， 需要建立一套坐标系一致，包含的位置信息，高程控制方式，测量宽，尺寸大，精度要求高的坐标， 用传统的测量方法，无论是野外的工作量仍然是测量数据处理后的工作是伟大的，而现在使用的，传 统测量改进是低功耗、 高劳动强度、 错误积累重大问题 ；较大的地区，如苏州城市轻轨的建设，测 绘工作需求的基础上，对工作区的操作需求， GPS 使用“静态测量操作方法” ，可快速，准确地完成 作业;一个通常情况下的导航， GPS 的使用越来越广泛，并拥有专业的测绘工作延伸到平凡的日子， 如汽车导航设备。虽然在不同领域的 GPS 应用程序，但测量设备本身，其本质是相同的，即获取地理 信息数据。因此，GPS 测量数据的接收系统研究具有实际意义。 1.2 研究国内外现状及发展 在结合性上，GPS 设备的集成度越来越高。其前的 GPS 设备 GPS 天线、 主机电源和处理的数据由 电缆的收敛性分隔，离开电源供应和数据传输。分离元件的选择，集成度低的设备规划，设备，体积 大，功耗高，乱七八糟的，弱的相应的软件功能，调试方便，可移植性不好。但现在，现在是一个 GPS 天线，大容量锂离子电池，处置芯片，外部接口，用户界面非常紧在一起，可靠性一直是一个很 大的进步。在设备选型和功能的应用，最新的装置由位单片机，电子技术，新设备，新技术的出现， 也可用于新设备的生产1。 嵌入式系统的发展提供了一个良好的键的 GPS 设备。因为很多的 GPS 设备，尤其是在个人消费、 汽车导航、智能手机、掌上电脑导航器使用大力开展，这些设备需要低功耗，多功能的，并包含如智 能手机， ，高分辨率的屏幕，声音等多媒体功能想在一台设备做很多功能，当前的应用程序是一个 32 位的 ARM （高级 RISC 机）的 CPU 。执行原来的处理器，从原来的几十兆兆字节， ， ，频率等变化，功 能越好；在新的通常会添加一个新的功能，按照更新，支持整个系统的效果上也有资格框架，提出了 越来越高的系统集成，获得更强大的功能。GPS 商品也是这样。此外，下面的软件 GPS 需求强劲，显 示其使用价值，这样说来，全球定位系统没有软件只有一个传感器，因此，对软件功能的更新也是必 要的，在（地理信息系统，地理信息系统） ，它已经非常好的表现。在专业的测量，多职业生涯的使用， 如铁路，海运，的集合，是在他的方向进行。在软件开发、 软件操作系统支持 ARM CPU 的使用可以 选择也很多，代表的 ucOS，Linux，Windows CE 等1。 因此，GPS 终端设备变得能够执行许多功能，除了 GPS 定位，也可以执行以外的大容量数据存储、 播放多个音频文件、 视频广播、 高分辨率记录等。相互作用与用户已变得多样化，并且只有键盘输 入，现在能够使用触摸屏和语音识别。谈到测量专用 GPS 设备的产业化，是的多媒体搜索第二。工业 测量是测量结果的精度要求，高可靠的数据结果导向的更新速度，对外界恶劣环境的高保护，如使用 专门的软件，目前参与的专门生产 GPS 测量是简单地进行沿这些线1。 1.3 主要研究内容 本文是基于研究国内外现有的 GPS 招生制度，研究并利用这些结果迄今测量数据，可根据实际需 要来规划硬件和软件架构： 主要研究内容包括： 1）、全球定位系统接收机通常情况下，包括设备、 组成和结构； 2）、专业测量 GPS 芯片的具体研究； 3）、电路的设计、开发与调试与 GPS 芯片配合； 4）、ARM 芯片的使用及与 GPS 的结合； 4 5）、软件操作系统及应用程序的编写在 ARM 上运行。 关键技术包括： 1）、电路的设计，使用高性能的 32 位 ARM9 处理器 S3C2440A 为核心，用 ALLSTAR 测量型的 GPS 芯片来作为本次数据的来源，并且构建了对 GPS 数据采集的硬件系统的适用； 2）、收集的 GPS 定位数据，使用 Visual Studio 的软件工具，用于嵌入式数据处理软件来写； 3）、利用数据处理常见的数据格式的文件，及后处理软件毫米精度均达到。 2 2、 嵌入式系统与全球定位系统 2.1 ARM 硬件开发平台 苹果电脑，橡果国际电脑集团和 VLSI 技术共同成立了规划的 32 位嵌入式 RISC 芯片的核心公司。 这几年， “嵌入式内核”是目前世界上最大的芯片制造商的选择，基于开发技能也席卷全球嵌入式项目 商场， ，其中嵌入式系统是最主要的一个技能2。 2.2 全球定位系统（GPS）简介 在 1973 年 12 月份的时候，美国国防部同意一项计划，军队要发展一个新的联合军事卫星导航系 统，称为“Navigation by satellite timing and ranging global positioning system”就是现代 社会人们所简称的 GPS。GPS 的空间，一些地面监控部分和用户接收器三部分组件，图如下 2.2 所示： 图 2.2 GPS 的构成 GPS 地面监控系统监控在 GPS 卫星的运行状态以及它们在空间的确切位置，主要的地面控制站的 瞬时恒定的卫星（蜉蝣的常数）在脉冲时间误差（时钟偏移）的数量分级，这些信号，都是通过卫星 提供接受机找到它2。 GPS 的工作原理大致分为以下的三个简单步骤，下面就让我们来了解下： 第一步第一步：十字路口”是指从一个不知道点，观察几个已知点，然后测量，计算几个间隔的基础上， 不知道测量点坐标的方法。其原理是短跑，在飞机上，以确定不知道该点的坐标，至少需求区间三的 已知点，如图所示的图 2.3 所示： 5 图 2.3 就是几何原理的示意图 第二步第二步：为了完成与后面的点连接，时间间隔就是一个我们有必要去衡量的一个值。虽然 GPS 测 量时间间隔法是通过测量的无线电信号在空中传输时间到结束。正所谓根据公式：间隔=速度*时间， 通常红外测距仪 GPS 的定位方法在本质上是没有什么区别的，但是，用户不宣布任何无线电波，那么 所有的信号就都是宣布到卫星，这时候用户只需要接受就可以了2。 第三步第三步：为了能够确定接收机的位置，在空间卫星的位置我们就必须要做到精确。当美国国防部 测量出了卫星的确切位置，他们把这个接收到的信号发给卫星，卫星信息加载到新的广播信号的正确 位置2。 综上所述，GPS 的测量原理为：切除测量距离测量时间测量卫星的位置误差校正2。 3 3、GPS 测量数据接收系统设计方案 3.1 总体设计 作为一个完整的 GPS 导航系统，它的主要功能就是通过 GPS 天线接收 GPS 的信号，并且把这些信 号转换为数字信号，包括定位信息，通过串行端口访问基于 ARM 的嵌入式系统。嵌入式系统软件，串 口监视，接收数据的数据分析时，然后得到一系列数据，测量学习会计的数据可以被应用到地图进行 导航等;另一方面，信息数据包括保留的高精度测量，抵达不久后下载到会计机，并配置专门的软件， 然后用高精度的测量数据3。下面就是整个系统的设计原理图，其图就如下图 3.1 所示： 图 3.1 系统的整体结构 本次我们系统所采用的一些主要器件性能指标就是以下几种： CPU：三星 S3C2440A，主频 400MHz 内存：64M 串口：3 个 RS232 电源:7.4V 4000mAH 锂电池 6 液晶屏：3.5 寸 TFT 彩色触摸屏 GPS 芯片：12 并行通道 ALLSTAR 3.2 系统硬件设计概述 本次系统的整个硬件部分可以分为以下 4 个模块：分别是数据的来源、 主机用户界面、 数据的 链接、处理数据核心，所有组件都集成在一起，如 3.2 示意图： 图 3.2 硬件部分示意图 该 OEM 板的主要特性如下： 12 通道，全天空卫星跟踪 5V 供电 支持无源和有源天线 单芯片射频前置电路 GPS 接收及导航集成在一块单板上 两个数据串口 输出频率为 1、2、5、10Hz 码跟踪及载波相位跟踪 工作温度：-3075，存储温度：-4085 板载可充电锂电池 用户还可以通过蓝牙所开发的用户主机界面，就例如，使用智能手机与蓝牙，处理 GPS 数据，并把 数据保存；也能够发送指令及数据给设备3。 4 4、系统硬件设计 该电路的整体布局的所有外围设备是以主控为中心，选择主站系统的功能起着关键的作用。这篇 文章作为主控制器系统使用 ARM 嵌入式微处理器体系结构。整个体系的硬件部分就分为以下 2 大部分： 一部分是主机，即操控、存储、显现、通讯等功能的一些基本模块；另一部分就是数据源，就是我们 现在简称的 GPS 模块4。系统的硬件结构如图 4 所示。 7 图 4 系统的硬件结构 本次介绍的 ARM 微处理器是选择三星股份有限公司 S3C2440A 这个款式来简单介绍的，S3C2440A 为本次核心，主要的目的就是实现 GPS 数据能有好的接收，下面是进行对部分电路的简单描述4。 4.1 核心处理模块 ARM 的 CPU 已经都集成在中心板，需要使用中央底板供电功能为一般的通用接口，这种布局与我 们平时所使用的台式电脑编程思想总体来说是一样的，可以在底板用在 CPU 和显卡还有硬盘等部件， 能够根据需求进行功用的拓展。功能模块通过与串行通信接口板，在软件发送命令控制模块的工作， 而 GPS 模块的数据流发送到软件分析和应用5。 图 4.1 主机连接原理 4.2 GPS 数据模块 系统数据源和一些 GPS 数据模块的位置信息的发生是整个系统的收集、 分析以及存储和其他的 目标，所以 GPS 数据模块是系统的原则组成的核心部分，如图 4.2 所示： 图 4.2 GPS 数据模块组成原理 根据芯片的技术参数，我们可以根据主板上的一些接口来连接天线，而这一部分是可以不要电路 就可以完成的。GPS 芯片通过双型数据源接口电路板，在根据与电路板 OEM 面板的电源供应连接，外 8 部电源供电和串口引线，串口与主机的串行端口直接连接到串行端口的电路板，这样就能够提供差分 数据连接到数据链路6。 5 5、数据处理及分析 5.1 数据处理原理 GPS 最常见的数据格式是 WGS84 椭球$GPGGA 包括在 NMEA 0183(B)，根据纬度、 经度、 高程(L) 海拔(H)的坐标，如果已知方位不能结束工作，为参考标准坐标整个地球太大。地球的表面是弯曲的， 在地面通常意义上是不一样的“平面” ，给我们的使用带来不便。为了对付这些问题，通过在一定范围 内地球表面的所述平面坐标的一系列数学方法，以及相应的地图的科学家，比较提供地图数据和定位 数据，你可以在地图的位置，如果你设置的政策，你可以得到的方位和距离范围和政策取向的时间， 然后在路上，很多条件是绑定在一起的，供给相关的地理信息很多，地图上的这一共同的视觉效果和 地理分析功能与数据库的正常业务集成，您可以完成导航和定位的完整功能，GIS(地理信息系统地理 信息系统)7。 对于正常使用，导航精度是不够的，但专业的测绘，导航精度不达标厘米，毫米级的需要。因此， 如何实现高精度导航和定位数据成为专业人员使用的策略。例如，在后花园里推进计划一个游泳池， 那么这个游泳池的大小，游泳池的方向，游泳池的方位，然后在现场准确，按照附图中迅速膨胀，在 常规范围放样，精度可以达到 1 2 厘米，这种技能被称为实时运动，需求的设备比较杂乱，价格也 会比较昂贵，但是其中的实质即是差分 GPS。另外，GPS 可以达到毫米级精度，但测量方法是不同的称 为静态的测量，所谓静态，指的是几个 GPS 设备一起在几个测量点固定的和被测量了一段时间，然后 将获取数据与数据处理下载到计算机中，终于有了几个 GPS 进行联系7。 5.2 静态数据处理 静态数据处理是高精度的使用进行，硬件有一定的要求，通常是不能使用的芯片导航天线和 GPS 的应用程序，使用天线专业的静态测量的 GPS 芯片的需求，并可以输出的载波相位信息，这篇文章介 绍的 ALLSTAR 即是这样的 GPS 芯片8。 在此期间，ID22 包括主要的方位信息卫星，作为对方位角计算卫星；变量时间可以包括观测数据， 卫星测量的接收机，主要用于等间距的方位角计算，并获得接收账户定位。因为用了一段时间的连续 观测几个点，将继续记录这两个数据，并存储在装置中，在测量比和满足目前的要求，暂停数据记录， 然后所有数据下载到会计机，用于处理使用专门的软件，你可以得到这些测点的准确相对关系，精度 可达到毫米级8。 5.3 静态数据处理原理 计算卫星的方位是一个重要的因素。当在地面上的任意一点 P 的时间可以观测卫星，最直观、 最方便的方法是要知道点 P 与到卫星方位角和仰角角度来看，因此，就需要把卫星的地心坐标转换下 9。 当卫星地心直角坐标到站地面坐标系统中，还需要检查卫星方位角和仰角角度，坐标系 XYZ 和站 观测卫星的方位角和接触电子仰角为如图 5.3 所示：因此，要计算力矩计算的地面上任意一点 P 能观 测卫星的位置，整个过程可以概括为下图： 9 图 5.3 是站心的坐标系中的卫星的方位角以及卫星的高度角 所以，计算某时刻计算在地面上任意点 P 所能观测的卫星位置时，整个步骤归结起来为： A. 根据卫星的点来计算出每一个卫星在空间中的坐标； B. 从地面点 BLH 的点的矩形空间坐标； C. 根据前面的所完成的步骤，我们依次计算出其坐标。 5.4 GPS 相对定位 我们为什么要制定定位呢？主要的目的是算出卫星位置，计算是为了得到卫星与接收机之间的距 离10。 GPS 接收机和卫星时间间隔之间是一个很艰苦的工作就是要采取适当的操作，以便在一起的多个 GPS 接收机，这是相对简单的得到的 GPS 接收机和卫星之间的时间间隔，那结果就会是我们所想要的， 这种点到点之间的联系，我们通常把这种办法叫做“相对定位10 。 相对定位的过程，至少需要两个精确的大地测量接收器，接收机的两个紧龛的规模的两端，构成 一条基线，并且可以一起观测到同一组的 GPS 卫星。这种方法也可以推到多个点观察同一组卫星的多 个 GPS 接收器，构成一个基准的方法。按照基线理解，测量 AB 两点，可以理解为对 B 就 A 点范围，在 WGS84 知道 B 点坐标系中的一定范围内，即是说，结果是两个坐标重量三角洲 X、 Y 三角洲、 三角 洲 Z 之间。因此，如果假设必须协调有一点要知道，可以根据该坐标精确地确定其它点的坐标10。 6 6、结论与展望 产品的分析，并介绍了本文的重点内容的讨论，而且通常不同于接收器的方向。介绍了嵌入式系 统的概念和的工作原理，从根本上，完成工作的定位原理，如何理解使用说，在未来的方向作了评述。 然后引入用于 GPS 的通用数据格式，GPS 溢价使用一些的内容。介绍了利用数据的解码是最常用 的测量定位算法和会计原则的使用。 10 参考文献 1 李洪涛，薛鸿等.GPS 的应用程序以及设计M.北京：科学出版社，1999 2 宁津生, 李德仁.介绍测量和制图 M.武汉:武汉大学出版社，2004 3 徐鑫顺，贾之冯.嵌入式 Linux 程序设计M.中的应用。北京:机械工业出版社，2007 4 王昆杰，王跃虎，李征航。卫星大地测量学.北京：测绘出版社，1990 5 顾孝烈，鲍峰，程效军. 测量学M. 上海：同济大学出版社，2006 6 古守周，秘金钟，党亚民.下一代标准格式及其应用.全球定位系统，2009(3):52-58. 7 王解先. GPS 精密定轨与定位M. 上海：同济大学出版社，2002 8 顾宝枫，程晓军.大地测量学.上海：同济大学出版社，2006 执行 9 胡辉. 数据采集软件全球定位系统J.全球定位系统，2008(1):25-30. 10 王光霞，顾绍红，计算机 et al.网络电子地图表示方法的分析与研究 J