基于单片机的GPS定位系统设计文献综述

本科毕业设计本科毕业设计 文献综述 文献综述 题 目 基于单片机的 GPS 定位 系统设计 姓 名 专 业 学 号 201 指导教师 信息工程学院信息工程学院 二二 一五年五月一五年五月 基于单片机的 GPS 定位系统设计 基于单片机的基于单片机的 GPS 定位系统设计文献综述定位系统设计文献综述 前言 GPS 卫星导航定位技术于上世纪 80 年代末引入中国 目前主要在大地测 量 测绘 勘探 海上渔业和车辆定位监控等领域得到了比较广泛的应用 在 全球 GPS 应用领域中 车辆应用所占的比重最大 目前约占总数的 40 以上 1996 1997 年间是 GPS 车辆跟踪系统市场的调整和充实时期 主要是公安 金融等部门利用其专用的常规无线电台 异频单工电台 通信系统和模拟集群系 统 在全国三四十个城市建成了金融运钞车和公安交警车辆跟踪系统 1998 2000 年 GPS 车辆跟踪系统市场出现了快速增长的势头 随着我国 GSM 数字移动通信系统的快速发展与全国普及 作为系统瓶颈问题的通信网络通过 采用 GSM 公众网的短信息服务找到了新的出路 这对 GPS 车辆跟踪系统的发 展起极大的促进作用 3 我国现在拥有世界上最大潜力的卫星导航应用市场 经过十多年的发展 我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟 批量化用户群体正在逐步形 成 已进入应用行业高速发展的时期 美国联邦通信委员会规定 到 2005 年 美国 95 的用户手机必须配有定位能力 2003 年底前 95 的新手机有定位 能力 而移动电话与 GPS 结合是最好的解决办法 目前 国际上一些主流手 机制造商如诺基亚 爱立信和三星等已开始使用集成的 GPS 芯片 而日本的 日本电信电话移动通信网公司 KDDI 和美国的 Sprint Verizon 网信公司等 电信运营商也已开始或计划提供基于 GPS 手机的位置服务 4 基于单片机的 GPS 定位系统设计 1 GPS 定位研究的意义 GPS Global Position System 是全球定位系统 具有全天候 高精度的 特点 伴随着硬件配置的不断提高 应用领域也在不断的扩展 并逐步深入到 了人们的日常生活中 GPS 已经在经济 军事 科研和社会生活各领域得到了 广泛应用 发挥着重要的作用 如在导航领域的一项新技术 GPS 用卫星定位 的全球定位系统 GPS 最初由美国政府控制使用 是目前世界上最具权威性的 导航系统 它由 30 个 4 作为备份星 在轨道上运行的卫星 早期的 GPS 系 统用来限制民用信号的 定位精度约 100 多米 在 2000 年的限制取消 2 目前 GPS 的民用信号的定位精度可以提供 10 多米 GPS 可以在许多领 域 如民用航空 车辆调度管理 整个陆地 海洋和空中导航范围内的深海运 输 特别是在车辆定位和导航领域中使用 GPS 全球卫星定位技术与了广泛的 应用 随着应用领域的日益扩大 中国卫星导航仪的市场规模已从 2000 年的 不到 10 亿元增长到了 2009 年的 120 亿元 发现准确的目的地及周边环境的 LED 的繁荣 GPS 导航产品市场需求 据 有关统计 全国 GPS 导航设备普及率达到 90 在欧美国家 日本更是超过 95 一个对 3G 应用与创新的专业观的调查显示 百分之 17 79 的受访者选 择了 3G 网络视频对话 百分之 15 34 的受访者选择了 GPS 和地图搜索 在 3G 时代的到来 对 GPS 和电子地图的关注 足以显示其在日常生活中的重要 性 此外 消费者和市场的需求也促进了航运业的发展和成熟 2009 中国的 民用汽车保有量达到一亿七千万但是装载导航设备的车辆 还不足 70 万辆 尽管不少汽车厂家对其高端车型在出厂前就安装了导航系统 以低端车型也可 选导航其它产品和服务 但价格昂贵 车载导航系统 GPS 以美元花冠连线然 后安装价格有 7000 元 所以没几个人 买一辆汽车非常实用导航配置遗弃 按 20 个私家车保有量的平均年增长率的估计 导航产品的要求是一个很大的 增值 因此 研究和开发必要的 GPS 是适应大众的要求的 8 基于单片机的 GPS 定位系统设计 2 GPS 定位国外市场的发展现状与趋势 目前 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 1 主要应用领域 1 民用领域 在定位导航方面 GPS 的使用对象主要是汽车 船舶和飞机等运动物体 例如船舶远洋导航和进港引水 飞机航路引导和进场降落 汽车自主导航定位 地面车辆跟踪和城市智能交通管理等 此外 对于警察 消防及医疗等部门的 紧急救援 追踪目标和个人旅游及野外探险的导引等 GPS 都具有得天独厚的 优势 在日常生活中 GPS 还可用于人身受到攻击危险时的报警 特殊病人 少年儿童的监护与救助 生活中遇到各种困难时的求助等 使用时只需按动带 有移动位置服务的 GPS 手机按钮 警务监控中心和急救中心在几秒钟内便可 获知报警人的位置并提供及时的救助 6 目前国际上具有代表性的 GPS 公司 主推测量仪器的有天宝公司 徕卡 公司 诺华达公司和佳瓦特公司等 主推导航设备和 GPS OEM 板的有高明公 司 麦哲伦公司 摩托罗拉公司 洛克韦尔公司和瑟孚科技公司等 2 军事领域 在军事领域 GPS 也已从当初的为军舰 飞机 战车 地面作战人员等提 供全天候 连续实时 高精度的定位导航 扩展到成为目前精确制导武器复合 制导的一种重要技术手段 其工作原理是利用弹上安装的 GPS 接收机接收 4 颗以上导航卫星播发的信号来修正导弹的飞行路线 提高制导精度 区别于误 差较大 精度较低的民用标准定位服务 军方使用的是精密定位服务 资料显 示 未配置 GPS 制导系统之前 美军的 战斧 BGM 109C 巡航导弹的圆概 率误差约为 9 米 在其惯性 地形匹配制导系统中加入 GPS 后 圆概率误差 降至 3 米 制导精度大大提高 5 基于单片机的 GPS 定位系统设计 2 全球 GPS 产业的结构与现状 GPS 开始进入民用之后 使用者终端的 GPS 产品便成了当前 GPS 主要的 市场内容 一般来说 GPS 的使用者终端主要是指各种用途的 GPS 接收机 例如用于航空和航海的接收机 汽车导航设备 用于登山和休闲的手持式接收 机等类型的终端产品 而一般手持式 GPS 产品的组成部分 就如同移动电话 或个人数字助理 PDA 的结构一样 也包括了内部的天线 芯片组和电池等 以及外部的按键和 LCD 面板等相关零组件 目前全球 GPS 相关厂商的产品中 又以 GPS 应用产品与内部的专用芯片组发展最受关注 截至去年 全球约有十余家生产 GPS 专用芯片的制造商 除了少数几家 是以 GPS 芯片为主要产品的制造商 如瑟孚科技公司 其它则多为以通信芯 片为主的制造商 如飞利浦 摩托罗拉和科胜讯等 据估计 到 2006 年 GPS 芯片的全球市场值将达 50 亿美元 从上世纪 80 年代初期第一个 GPS 商用产品出现至今 GPS 产品重量从 100 磅 约为 45 千克 降为 100 克 而价格也从十几万美元降为现在的几百美元 目前全球 GPS 应用产品的制造商已超过 30 家以上 主要领导厂商有高明国际 公司 麦哲伦公司和天宝导航有限公司等 天宝公司以生产系统端的 GPS 产品为主 从军用空军流量控制系统到航 空用雷达系统皆在其营运范围之内 近年来 该公司进一步结合了无线通信的 定位技术 例如与英飞凌公司合作开发用于无线通信系统端的 First GPS 架构 与 M loc 模块 以期在无线定位设备市场中抢占先机 6 3 全球 GPS 市场状况 随着应用范围的扩展 GPS 产品也逐渐成为全球无线通信终端市场一项重 要的产品 推动 GPS 产品市场高度成长的主要因素是汽车导航系统和结合无 线通信的 GPS 产品的普及化 根据市场研究公司 ABI 的报告 2001 年 这两 类产品在 GPS 应用产品市场的比率合计约为 38 7 到了 2005 年则将成长至 53 6 其它产品 如航空 航海 测量和农业等合起来仅占 46 4 不论是汽车导航系统或是 GPS 的通信应用产品 主要的区域市场都是在 美 欧 日等三个地区 以汽车导航系统为例 由于电子地图与消费电子技术 基于单片机的 GPS 定位系统设计 的高度发展 再加上智能型运输系统的成熟 使得日本成为目前全球汽车导航 系统普及率与市场值最高的国家 2000 年日本的汽车导航系统销售值约为 670 万美元 占全球市场的 77 9 而欧洲与北美分别仅占 13 9 与 6 9 不过 2004 年后 随着汽车导航系统的日渐普及 欧洲与北美的市场将成长至 710 万 美元与 590 万美元 各占市场比例的 27 与 22 5 而日本市场则因为普及率 高使成长率逐渐趋缓 目前已经推出整合无线通信与 GPS 解决方案的厂商有快速跟踪公司 SnapTrack 瑟孚科技 天宝公司等 其中 又以快速跟踪公司与瑟孚科技两 家发展较为积极 且已有移动通信运营者或手机制造厂即将采用这两家公司的 解决方案 成立于 1995 年的快速跟踪公司是美国通信大厂高通公司的子公司 自成 立以来即以 GPS 应用于无线通信的技术为发展重点 目前快速跟踪公司与高 通公司合作采用结合手机端与系统端的混合式解决方案作为无线定位服务之用 在手机端部分 由内建于手机中的高通公司 MSM3300 芯片组将 GPS 专用的 LNA SAW LC Filter 以及 GPS One 处理器等组件整合在一起 让手机得以 具备接收卫星定位信号之功能 另一方面 则在系统端加装快速跟踪公司的 MMASIC 芯片组接收 GPS 信号 再由系统端发射定位信号至手机端 7 以解 决多路信号衰减的问题 目前与该公司有合作关系的公司包括摩托罗拉 日本 NEC 日本电信电话移动通信网公司 NTT DoCoMo 和美国得州仪器公司等 瑟孚科技公司无线定位技术的解决方案与快速跟踪公司相似 也就是将其 SiRFLoc 架构装设在无线网络系统端 让无线基地台可以接收与传送卫星定位 资料 另一方面则是将其 SiRFstar 芯片组嵌入手机的基频上 或是采用 IP 整 合的方式将 GPS 接收机与手机芯片组整合为一 目前瑟孚科技公司在无线通 信领域主要的合作伙伴有日本电信电话移动通信网公司 爱立信 诺基亚和信 号软件公司等 虽然具有 GPS 定位功能的手机市场潜力颇为看好 就现阶段而言仍有几 项障碍亟待克服 首先 不论手机采用的是内建 GPS 芯片或是用外接 GPS 模 基于单片机的 GPS 定位系统设计 块作为解决方案 将无可避免地提高手机成本 也影响消费者购买的意愿 其 次 GPS 组件运作时将会大幅提高手机的耗电量 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 且手机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 1 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手机或 PDA 所需的最小体积与耗电量 成本是否能降低以及内建 GPS 的新手机是否 能引起消费者的青睐等问题 仍必须审慎地深入评估 基于单片机的 GPS 定位系统设计 3 GPS 定位在我国发展趋势 随着我国经济的不断发展 特别是在加入 WTO 之后 完全可以相信 具 有定位功能的 GPS 移动电话在中国将会有巨大的市场发展潜力 几年之后将 超越车辆应用 成为 GPS 应用最大的领域 联通无限 其中有一个功能是 定 位之星 它基于 GPS One 可提供目前移动通信领域精度最高 最直观的位 置服务 取代短信获取位置信息的方式 用户通过手机或网上地图可实现精确 到 5 米的定位 有了这个功能 从交警维持交通安全 公安破案 物流的传输 到出租司机及时地掌握交通情况 甚至孩子迷失或家人晚归 都可以利用 GPS One 提供的正确位置信息 获得其所在位置 极大地提高工作效率 为生 活带来便捷 定位之星 通过卫星传输信息 并经过中国联通 GPS One 服务器 发送 到用户手机上 一旦将 GPS 与无线通信和互联网结合起来 消费市场更将蓬 勃发展 特别是便宜实用 能进入家庭以及与个人关系密切的商品在中国将会 有市场 并大有可为 这方面的典型应用不少 如 PDA 个人定位产品 如寻 人器 引路仪 急救报警等 以及贵重物品追踪器和气象探空仪等 7 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 基于单片机的 GPS 定位系统设计 号和组号等 在监控中心的电子地图上显示出来 3 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统 移动监控终端以及消费类电子产品 4 移动监控终端是移动目标监控系统的关键部分 有用于集装箱等货物 车 辆的跟踪等领域的隐蔽式安装产品 也有多功能的综合车载平台 但随着产品 成本的降低与体积的微型化 市场上已出现供儿童 老人 病人甚至宠物等特 殊群体使用的手表类 寻人仪和儿童玩具型 GPS 产品 它们可佩带在身上 嵌入老人的拐棍中 甚至植入体内 6 与上述产品相比 各种个人消费类 GPS 电子产品则更加接近人们的生活 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 目前国内市场 上多见的是高明公司 麦哲伦公司 Navman 等外国公司品牌的 GPS 手持机和 汽车导航仪等 基于单片机的 GPS 定位系统设计 4 课题设计的结构与功能 本设计的主要目的是在单片机的理论基础上 选用 IAP15W4K58S4 单片 机来提取 GPS 模块的接收数据并由液晶显示接收数据 使用 NMEA 输出命令 结合单片机串行通信知识能实现对 GPS 接收到的卫星信息进行提取 并在液 晶显示平台上选择性的显示数据 1 GPS 模块实现定位 2 单片机通过串口控制 GPS 模块 获得定位数据 3 根据需要把定位数据存储在 EEPROM 或在液晶显示模块进行显示 4 键盘实现功能选择 5 看门狗电路确保系统的可靠性 基于单片机的 GPS 定位系统设计 5 结论 在我国 GPS 已经成为地基无线电跟踪与测量系统的一种补充手段 但它 在导航和航天测控领域的应用潜力却令人瞩目 例如 我国的导弹和航天测控 系统用户可根据所需测量精度 目标大小及动态特性的要求 选择导弹 航天 器 装载 GPS 转发机或 GPS 接收及测量系统 以完成各类导弹 卫星 飞机 和炮弹 以及低空长弧段飞行目标等各种飞行体 甚至多个目标的精确跟踪和 定位 GPS 亦可为一切航天器 卫星 飞船等 精确定轨 定姿 定轨精度可达 厘米级 也可为载人航天器实时入轨和返回提供判断信息 还可为航天器的交 会对接 提供高精度的相对位置 速度和姿态信息