GNSS接收机上位机软件的研制

华东交通大学理工学院毕业论文 华东交通大学理工学院 本科生毕业设计 论文 资料袋 题目名称GNSS 接收机上位机软件的研制 学生姓名周舟学 号137专 业通信工程 分 院 电气与信息工 程分院 指导教 师姓名 胡辉职 称教授 序 号 资料名称 袋内有者划 并写明份数 序 号 资料名称 袋内有者划 并写明份数 1任务书7答辩专家评审表 2开题报告8答辩评分表 3原创性申明9成绩汇总表 4 毕业设计 论文 10图 纸 张 5指导教师评审表11软件或程序 光盘 软盘 张 6评阅人评审表12其 它 综合评定成绩 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 华东交通大学理工学院华东交通大学理工学院 Institute of Technology East China Jiaotong University 毕毕 业业 论论 文文 Graduation Thesis 2009 2013 年 题 目 GNSS 接收机上位机软件的研制 分 院 电气与信息工程分院 专 业 通信工程 班 级 通信 2009 1 学 号 137 学生姓名 周舟 指导教师 胡辉 起讫日期 华东交通大学理工学院毕业论文 华东交通大学理工学院华东交通大学理工学院 毕业论文原创性申明毕业论文原创性申明 本人郑重申明 所呈交的毕业论文是本人在导师指导下独立进行的研究 工作所取得的研究成果 论文中引用他人的文献 数据 图件 资料 均已 在论文中特别加以标注引用 除此之外 本论文不含任何其他个人或集体已 经发表或撰写的成果作品 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已 在文中以明确方式表明 本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担 毕业论文作者签名 日期 年 月 日 毕业论文版权使用授权书毕业论文版权使用授权书 本毕业论文作者完全了解学院有关保留 使用毕业论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查 阅和借阅 本人授权华东交通大学理工学院可以将本论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇 编毕业论文 保密的毕业论文在解密后适用本授权书 毕业论文作者签名 指导教师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 华东交通大学理工学院毕业论文 1 摘摘 要要 GPS 给导航带来了许多革命性的改变 它给全球范围内无数的海陆空天用户提供了 非常精确的实时位置 速度和时间信息 现如今 我们也能通过编写软件程序 利用计 算机处理接收的到卫星星历 来调制和解算 从而达到定位以及导航的目的 随着软件 技术的进步 由软件实现的各种通信结构系统已经成为热点中的热点 软件无线电技术有很高的活性和可扩展性 这样不仅让通信技术得以快速的发展 而且也能为 GPS 接收机的研究提供一个很重要的发展方向 GPS 软件接收机的研究 GPS 软件接收机承接了软件无线电技术的优点 摆脱了传统硬件接收机灵活性弱 可扩 展性差的缺点 而且具有开发周期短 成本低等优点 还能对 GPS 技术的一些核心算法 进行研究 GPS 软件接收机除了数据采集的部分应用硬件的方式实现外 其余的功能模 块都采用了软件的形式在 PC 机上实现 GPS 接收机上位机软件有着模块化 可编程性 灵活性以及强适应性等等特点 对 于未来的多导航系统发展有着重要作用 有些多路径数学模型以及抗干扰的方法 通过 对 GNSS 接收机上位机软件的探究 还能够找到改良以及提升接收机环境的适应能力 这为以后研发出具有自主知识产权的 GPS 接收机有着重大的意义 本文正是在这种背景 下展开了对 GPS 接收机上位机软件的研究 本文主要介绍了 GPS 接收机上位机软件的研究与实现 GPS 软件接收机基本上采用 了软件的形式在 PC 机上实现 文中先是对 GPS 系统进行了详细的介绍 然后介绍了 VC 6 0 的开发环境及 MFC 最后重点介绍了基于 VC 实现串口通信的方法以及 GPS 上位机软件有关的设计与实现 并且用这部分的内容进行了整体性能以及关键功能模块 的测试和检验 关键词关键词 GPS 上位机软件 VC 串口通信 界面设计 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 2 Abstract GPS navigation to bring a lot of revolutionary change which let no trees of the land sea and air day worldwide users provides a very accurate real time location velocity and time information Nowadays we can also through the writing software application using the computer processing to receive the satellite ephemeris to make reconciliation so as to achieve the goal of positioning and navigation With the progress of software technology by the software implementation of a variety of communication structure system has become a hotspot in the hot Software radio technology has high activity and extensibility this not only let communication technology rapid development but also for the research of GPS receiver to provide a very important research direction GPS software receiver The advantages of GPS software receiver on the software radio technology get rid of the traditional hardware receiver is weak the shortcomings of poor extensibility flexibility and short development cycle low cost advantages also some of the core algorithm of GPS technology are studied Some applications of GPS software receiver in addition to the data acquisition hardware way outside the rest of the function module of software has been adopted in the form of a realized in PC PC software GPS receiver has a modular programmability strong flexibility and adaptability and so on characteristics is compatible with many navigation system development needs in the future Some mathematical model of the multipath and anti interference methods through a study of upper machine software GNSS receiver you can also find improvement and improve the environment of receiver adaptation ability which is later developed with independent intellectual property rights of the GPS receiver is of great significance This paper is carried out under this background the study of upper machine software GPS receiver This article mainly introduced the research and implementation of GPS receiver of the PC software GPS software receiver is basically in the form of the software in PC This paper first on the GPS system has carried on the detailed introduction and then introduces the development environment of VC 6 0 and MFC Finally introduced the method based on VC realize the serial communication and the design and implementation of the GPS PC software related and this part is the overall performance and the key function module test and validation Key words GPS PC software VC Serial communication Interface design 华东交通大学理工学院毕业论文 3 目目 录录 中文摘要中文摘要 1 英文摘要英文摘要 2 目目 录录 3 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1 1 1 GPS 系统的发展历程 1 1 2 课题研究的背景 2 1 3 国内外研究现状 2 1 3 1 国外研究现状 3 1 3 2 国内研究现状 3 1 4 本文研究的主要内容 4 第第 2 2 章章 GPSGPS 系统概述及系统概述及 VC 6 0VC 6 0 MFCMFC 概述概述 5 2 1 GPS 系统的组成及定位原理 5 2 1 1 GPS 系统组成 5 2 1 2 GPS 定位原理 7 2 2 GPS 信号的组成 8 2 3 VC 6 0 MFC 概述 9 2 3 1 Visual C 6 0 开发环境 9 2 3 2 Microsoft 基础类库概述 9 2 4 本章小结 9 第第 3 3 章章 基于基于 VC VC 实现串口通信的方法实现串口通信的方法 10 3 1 NMEA 0183 协议 10 3 1 1 语法格式 10 3 1 2 协议类型 10 3 1 3 常用协议类型的解释 11 3 2 串口通信的实现过程 13 3 3 MFC 环境下上位机与接收机串口通信的实现 14 3 4 利用虚拟串口实现串口通信 14 3 4 1 虚拟串口虚拟的两个串口 COM1 COM2 14 3 4 2 串口调试助手 15 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 4 3 4 3 软件成功接受的数据 16 3 5 本章小结 17 第第 4 4 章章 GPSGPS 上位机软件的设计与实现上位机软件的设计与实现 18 4 1 设计思路 18 4 2 上位机软件的功能需求 19 4 3 上位机软件设计开发 19 4 3 1 开发环境 19 4 3 2 软件结构 20 4 3 3 界面设计 20 4 4 本章小结 23 第第 5 5 章章 系统测试系统测试 24 结结 论论 28 参考文献参考文献 29 后后 记记 30 华东交通大学理工学院毕业论文 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1 11 1 GPSGPS 系统的发展历程系统的发展历程 从现在全球上看 因为计算机技术和网络技术的不断发展 使得导航技术越来越完 善 成熟 GPS 可以提供全世界范围内非常准确可信的三维定位 测量速度 时间信息 车辆地点定位 防盗 反动 行驶路线监控及指挥等诸多功能 在当今取得了越来越多 的应用 同时 GPS 定位还是一个测量距离的系统 它精准的定位能力来自精确的伪距测 量 全球定位系统的全称是 授时与测距导航系统 是美国国防部为了军事目的而创立的 陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 主要是想彻底解决海上 空中和 陆地运载工具的导航以及定位的一套卫星定位系统 可以说是当时军事异常重要的定位 系统 第一代卫星导航系统具有代表性的是 海军导航卫星系统 因为它实现了全世界 全 天候的实时导航 显现了卫星导航快捷方便的技术优势 但是因为系统的 单星 低轨 低频测速 体制上有着不可能变换的限制 不能够满足大部分高动态用户的实时导航定位 需求 更不能满足军事部门和民用部门需求的高精确 由于这各方面的原因 美国国防 部让海陆空联合开发第二代卫星导航系统 也就是全球定位系统 我们称之为 GPS GPS 采用了一些 NNSS 的成功经验 攻克了 NNSS 的缺点 运用 多星 高轨 高频 测时 测距 的体制 终于解决了实时定位的缺陷 GPS 计划总体上的是分为三个步骤的 第一步骤是方案上进行论证和初步研制阶段 1973 年 1978 年 总共发了 4 颗实验卫星 然后建立了地面跟踪网 同时还研制了地 面接收机 第二步骤是整体研发和实验改进阶段 1979 年 1984 年 总共向宇宙发射 7 颗 Block I 实验卫星 开发了各种各样的导航型和测地型接收机 第三阶段为实际网络结 构阶段 1985 年 1993 年 共发射 Block II 以及 Block II A 实际工作卫星 从计划开始 到 1993 年 GPS 空间星座己经全部建成 它是由遍布在 6 个轨道平面内的 21 3 颗卫星 构成的 从 1973 年至 1993 年 GPS 系统开发研制经历了将近 20 年左右 耗费资金 300 亿美元 在 1993 年 6 月基本建成 1983 年 GPS 逐渐的从军用转向军民共同使用后 又在 1984 年正式确立了保护美国 国家安全的两大政策 就是阻止对 P 码信号进行干扰性的 AS 政策以及减低 C A 码定位 精确性的 SA 政策 应用 SA 技术可以使 C A 码的实时定位精度减低的非常明显 许多隐 藏的民间用户都希望可以改善定位精度 所以在这样的背景下 像一些差分 GPS 定位技 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 2 术的应运 都开始的飞速的发展 然而此时 GPS 平行系统的应用 像俄罗斯研制开发的 GLONASS 系统 还有就是九十年代末期国际上的民航组织所倡导的 GNSS 体制 让美国 政府倍感压力 在这样的背景下 没过总统发布了很多 GPS 现代化的改革 这些改革包 括了启用第二民用频率 第二民用码 还有增加第三民用频率 最后就是改良 GPS 空间 分布的几何图形 还有改进地面的控制网络 这些改革在很大程度上对实时定位有了很 大的提高 而且也提高了定位的精确度和可靠性 1 21 2 课题研究的背景课题研究的背景 全球卫星导航系统 GNSS 的定义是全球范围内卫星导航系统的集合 这里面包含了 已经在运用的美国 GPS 系统 俄罗斯 GLONASS 系统 中国的北斗系统和正在建设中的 欧洲 GALILEO 系统以及我国正在自主开发的北斗二代系统等 1 2 GPS 系统能够在全世 界范围内为所有用户提供全天候的连续精准的位置 速度 时间等信息 在许多领域已 经得到了大面积的应用 美国科学家 Joe Mitola 在 1992 年美国电信系统会议上第一次给出软件无线电的想法 因为它具有较强灵活性和开放性等重要特点 3 软件无线电的提出 很大程度上解决了 GPS 硬件接收机存在的可扩展性比较低 不能灵活运用等问题 软件无线电技术采纳了 可编程的 开放式的平台结构 让程序的加载异常简便 于此同时还能够进行升级 研 究新的算法 正是因为软件无线电思想的提出 还有 GPS 接收机的众多的优势 才能开 发出新一代的 GPS 接收机软件 4 现在 国外完成了基于 PC 机的 12 通道实时 GPS 软件 接收机 而且还有很多的 GPS 软件接收机论文发表 相比较国内在这方面的研究虽然才 刚刚起步 但是有些高校像北京航空航天大学 东南大学等以及一些研究机构也在对于 GPS 软件接收机进行研究与开发 5 1 31 3 国内外研究现状国内外研究现状 就目前来看 随着 GPS 定位技术正在渐渐的推广以及普及 GPS 接收机民用用户数 量也正在大幅度提升 几乎每个国家都在研制和开发各种类型的 GPS 接收机 它体积也 越来越小 重量更轻 而且低能耗低价格 随着 GPS 接收机性能以及功能正在不断改善 现在已经有了非常好的稳定度和可靠性 能够快速实现导航以及快速定位等等功能 6 在 应用领域方面 各种类型的接收机技术也正在被大量的研究利用 像差分技术 微弱信 号捕获技术等等 随着 GPS 接收机的软件化程度渐渐的日益加深 纯软件化实时 GPS 接收机现在也正在飞速发展 更由于 GPS 软件接收机有着可扩展性强 灵活性高等诸多 优点 越来越受到国内外研究机构的青睐 掀起了一股研究 GPS 软件接收机的潮流 7 华东交通大学理工学院毕业论文 3 GNSS 包括了 GPS GLONASS GALILEO 以及我们国家的北斗系列等 已经有越 来越多的国家正在研制属于自己的导航定位系统 从技术发展的总体趋势看 各方多方 技术融合是一个不可逆转的大方向 像现在的 3G 总体方向已经开始朝 LTE 发展了 并 且 GPS 也只 GNSS 中的一部分而已 虽然现在 GNSS 并没有进行融合的明确方向 但是 现在各种 GNSS 系统融合的应用已经被研究还有应用 但是明眼人都知道 多系统的综 合利用才是 GPS 的整体发展趋势 1 3 11 3 1 国外研究现状国外研究现状 从 GPS 问世到现在算起 已经有超过 30 年的历史 这 30 年 GPS 技术已经有了改 天换地的发展 而且 GPS 的一些相关产品的体积以及成本在不断地减低 现在全球各地 GPS 应用产品制造商大概超过了 30 家 像高明国际公司 麦凯伦公司和天宝导航有限公 司等都是下载比较好的厂商 还有 在全球范围内有一些代表性的公司 比如天宝公司 徕卡公司 NovAtel 公司和 JAVAD 公司等 他们主要是生产测量仪器 比如高明公司 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 他们主要生产导航设备 以及 GPS OEM 板 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 它们经过这些年的研制和开发 已经拥有着多年 的研发经验还有丰富的专利产品 光 Trimble 就有超过五百多项已注册 GPS 专利 过去的十多年里 随着研究人员的刻苦专研 GNSS 软件接收机获得了明显的进步 Ohio 大学的 Dennis M Akos 于 1997 年 8 月 他的博士论文中研究了 GNSS 软件接收机前 端模拟信号的接收以及模数转化 Front End 的两种设计方案 8 而且事后还验正了卫星 信号捕获的 FFT 算法的可行性以及跟踪环路的稳定性 随后 James B Y T 出版了一本书 里面详细介绍了 GPS 软件接收机的系统结构以及跟踪的算法细节 9 还提出了一种全新 的信号跟踪检验方法 BASS Block Adjustment of Synchronizing Signal 10 美国 Cornell 大 学的很多学者都差不多同时发表了有关实时多通道 GPS 软件接收机的相关研究文章 实 现了软件接收机的诸多功能 11 12 13 相对来说 国外学着对 GPS 的研究确实比国内要领先的多 国外学者研究发表了许多 与提高 GPS 接受性能相关的文章 正是因为学者们的热情 才使得国外对 GPS 接收机 的研发处于领先地位 1 3 21 3 2 国内研究现状国内研究现状 经过中国知网的调查表明 国内有关与 GPS 接收机研究的的期刊论文以及优秀硕博 论文 从 1979 年开始到 2010 年间 总共发表一千七百多篇 但是和 GPS 软件接收机 相关论文只发表 80 篇不到 而从 2000 年到 2010 年间发表关于 GPS 接收机的论文或者文 章也才一千出头 最主要 GPS 软件接收机的文章仅仅只有三十多篇 由这些我们能够看 出 国内对 GPS 研究这些年虽然一直都在呈现上升的趋势 但是关于 GPS 软件接收机 的开发研究才刚刚开始 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 4 现在我们国内卫星导航定位市场 使用的卫星导航定位核心定位产品基本上来自美 国 日本 韩国以及台湾等地 在国内很少有人开发核心定位产品 大多数都是基于核 心产品来二次开发生产车载的终端 自动导航和手持定位仪等一些产品 随着 GPS 产品 的使用渐渐的增多 我国对 GPS 技术的研究也取得了长足的进步 比如对于 GPS 芯片 的研究上东方联星研制的 OTrack 32 芯片能够同时兼容三大卫星导航系统 还有上海的复 控华龙微系统技术有限公司研制开发的首颗北斗导航芯片等等 我们不仅仅只是在 GPS 芯片研究上取得进步 在 GPS 接收机上位机软件的研究也得到了阶段性的发展 可是因 为各种各样因素的制约 我国发展的还是非常缓慢 对于 GPS 核心技术研究还不够深入 所以我国对 GPS 技术的研究总体实力相比较国外还是差距较大 研究的主力主要集中在 一些科研院所 如 704 所 503 所等 没有能够形成系列化 在市场上影响力不高 而且 像这类研究所主要研制的是军事用途接收机 所以对民用接收机的一些性能指标以及要 求一般考虑的比较少 1 41 4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 本文的主要研究内容为 GPS 接收机上位机软件的研究与实现 在课题内容中重点研 究 GPS 接收机上位机软件的具体设计与实现 第 1 章 简要介绍了 GPS 系统产生 特点 发展 主要针对课题的研究背景及研究 意义进行了介绍 同时结合国内外的研究现状 对 GPS 接收机的研究情况进行了分析 第 2 章 介绍了 GPS 系统的组成及定位原理 GPS 的信号组成 已及 Visual C 6 0 的开发环境 Microsoft 基础类库概述 VC 6 OMFC 的层次结构 第 3 章 介绍了 NMEA 0183 协议的标准规范 在项目设计过程中 串口通信的实 现过程 MFC 环境下上位机与接收机串口通信的实现 解析出接收机的串口数据并显示 在软件界面中 第 4 章 介绍了上位机软件的设计思路 功能需求 还有上位机软件的总体框架 最后分析了上位机软件的界面设计 第 5 章 本章介绍了在软件开发完成后 以不同时段进行了性能的测试 第 6 章 本章对上位机软件的研制工作做了一个总结 并对后续的工作进行了展望 华东交通大学理工学院毕业论文 5 第第 2 2 章章 GPSGPS 系统概述及系统概述及 VC 6 0VC 6 0 MFCMFC 概述概述 2 12 1 GPSGPS 系统的组成及定位原理系统的组成及定位原理 2 1 12 1 1 GPSGPS 系统组成系统组成 1973 年 因为军事目的需要 美国国防部提出了全球定位系统 GPS GlobalPositioning System 作为新一代精密卫星导航定位系统 GPS 具有全球覆盖 连续 全天候工作 能为高动态平台提供服务 高精度等特点 GPS 被人们称为第二代卫星导航系统 它是因为成功的借鉴了第一代子午仪卫星导 航系统的经验并在它的基础上发展壮大起来 和第一代卫星导航系统差不多 GPS 系统 也是由空间星座部分 GPS 卫星星座 地面控制部分 地面监控系统 以及用户设备部分 GPS 信号接收机 三部分组成 如图 2 1 所示就是系统结构图 图 2 1 GPS 系统结构图 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 6 1 GPS 卫星星座 GPS 卫星星座总共是由 21 颗工作卫星以及 3 颗在轨备用卫星构建而成的 GPS 卫星星 座 记作 21 3 GPS 星座 这 24 颗卫星平均在 6 个轨道平面上 轨道的倾角一般都是 在 55 度 轨道面一般在 60 度之间 即各为 60 度的轨道升交点赤经 轨道平面上两两卫 星之间的升交角距一般相差都在 90 度左右 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 有时候甚至不能测得精确的点位 坐标 这种时间段叫 间隙段 可是这种时间间隙段是很少也是很短暂的 其实并不能影 响全世界各地的全天候 高精确 连续不断的实时导航定位测量 GPS 卫星的工作编号 以及试验卫星大体上也都一样 2 地面监控系统 地面控制系统进行导航定位 GPS 卫星其实就是一个已知动态的点 星位置计算的 基础上发射卫星的星历描述卫星运动和每颗 GPS 卫星星历的广告是由地面控制系统的轨 道参数 卫星上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 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 实时地计算出测站的三维位置 甚至三维速度和时间 GPS 卫星发送的导 航定位信号 是一种可供无数用户共享的信息资源 对于陆地 海洋和空间的大多数用 户来说 只要可以拥有可以接收 跟踪 变换以及测量 GPS 信号的接收设备 即 GPS 信 号接收机 无论在什么时间都可以用 GPS 信号来进行导航定位测量 GPS 信号接收器根 据使用目的的不同 用户的要求是不同的 世界上有几十家工厂生产 GPS 接收机 也有 数百种产品 这些产品可以被分类为根据的原理 目的 功能等 静态定位 GPS 接收 器固定在这个过程中 捕获和跟踪 GPS 卫星信号传播时间的 GPS 接收机的高测量精度 使用 GPS 卫星在轨道上的接收器的位置的 2 d 坐标计算的解决方案 动态定位的 GPS 接 华东交通大学理工学院毕业论文 7 收机是用来测试对象的运动轨迹 GPS 接收机位于移动物体称为承运人 承运人的 GPS 接收机天线跟踪过程中 GPS 卫星运动相对于地球 与 GPS 接收机信号实时测量状态参数 的运动载体 接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包 构成完整的 GPS 用 户设备 对于大地测量接收机 两个单元一般分为两个独立的部分 放在相邻站的适当 的地方 电力电缆连接的两个机器观测站的天线单元接收单元的位置 和一些天线和接 收器装置制作成一个整体 观察将被放置在测量部位 2 1 22 1 2 GPSGPS 定位原理定位原理 作为初始数据的 GPS 定位的基本原理是已知的 根据通过测量该卫星的卫星信号到 达接收机的时间延迟的高速运动的瞬时位置 用户可以计算到卫星的距离 用空间距离 后方交会 确定待测点的实际位置 如图 2 2 所示 我们假设时刻 t 的具体规定好的地面 放置一个 GPS 接收机 所以 它可以检测和识别 GPS 信号到达接收机的时间 t 加上一 个接收机接收卫星星历表和其他数据基本可以确定四个方程 前面所说的四个方程中的 待测点坐标分别为 x y z 和 Vto 为未知参数 其中 di c ti i 1 2 3 4 图 2 2 四个方程 di i 1 2 3 4 分别都是卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 这四个卫星到接收机之 间的距离 ti i 1 2 3 4 分别都是卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 这四个卫星信号到达接 收机中间经过的时间 C 是指 GPS 信号所传播的速度 即光速 在这四个方程中每个参数意义都有不同 分别如下 x y z 是具体的坐标空间直角坐标 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 8 xi yi zi i 1 2 3 4 是卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 在 t 时刻确定的空间 直角坐标 可以在卫星导航电文中得到一个答案 Vt i i 1 2 3 4 是卫星 1 卫星 2 卫星 3 卫星 4 的卫星钟钟差 一般是卫星星 历提供的 Vto 是接收机的钟差 有了上面四个方程 我们就能解算出待测点坐标 x y z 以及接收机的钟差 Vto 事实上 接收机往往可以锁住 4 颗以上的卫星 这时 接收机可按卫星的星座分布分 成若干组 每组 4 颗 然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位 从而提高精度 2 22 2 GPSGPS 信号的组成信号的组成 GPS 信号是由全球定位系统 GPS 卫星上振荡器所产生的信号 而所有 GPS 信号 都由一个基本频率 f0 10 23Mhz 组成 GPS 卫星发射的信号主要分为载波 Carrier wave 测距码 Ranging Code 和导航电文 Navigation Messages 三部分 如表 2 1 所示 表 2 1 GPS 卫星发射的信号 1 测距码 测距码包括 C A 码 P 码 L2C 码 L5 码 L1 码和其它加密后的军用码 GPS 卫星所采用的测距码均属于 PRN 码 所有的 GPS 卫星运用的测距码码长 码速率以 及周期均差不多 不一样的 GPS 卫星所采用的测距码码序列都会不太一样 在 GPS 中 由 C A 码和 P 码构成的扩频信号拥有着很强的多址工作能力 GPS 运用到不同 码序列的扩频信号来对 24 颗卫星进行识别和跟踪 虽然它们发射不一样的信号 但是 还是可以按照不同的伪随机码加以认清识别 2 数据码 数据码又称 D 码或导航电文 它可以说是 GPS 进行导航以及定位的基础 在里 面有着关键的作用 包含了有关卫星的星历 卫星的工作状态 轨道摄动改正 时 间系统 大气折射改正 卫星钟运行状态和由 C A 码捕获 P 码等的导航信息 数据 码是二进制码 数码率为 50 bit s 3 载波 GPS 使用 L 波段两种频率作为载频 即 L1 载波 MHz 波长cm42 1575154 01 ffL03 19 1 L2 载波 MHz 波长cm60 1227120 02 ffL42 24 2 两种载频之间的间隔为 347 8 MHz L1 L2 载波频率分别为 P 码率的 154 120 倍 所以选择这两个载波 是为了利用双频法测量出由于电离层效应而引起的延迟 误差 提高了 GPS 系统的定位准确性 华东交通大学理工学院毕业论文 9 2 32 3 VC 6 0VC 6 0 MFCMFC 概述概述 2 3 12 3 1 VisualVisual C 6 0C 6 0 开发环境开发环境 Visual C 6 0 其实是一个程序开发集成环境 它包含文本编辑器 资源编辑器 工 程创建以及管理工具 调试器 联机帮助等 在这个程序开发环境中 程序员能够完成 应用程序的创建 编码 测试 完善等各个阶段的工作 2 3 22 3 2 MicrosoftMicrosoft 基础类库概述基础类库概述 Microsoft 基础类库 也就是指 MFC 可以给用户提供 Windows95 NT 环境下面向 对象的编程接口 提供了许多写作好类 之前一些支持代码 用于解决大多数标准 Windows 编程任务 因此简化了 Windows 应用程序 VC 6 OMFC 的层次结构分为九点 如下所示 1 应用程序框架结构类 2 窗口类 3 图形以及打印类 4 集合类 5 文件以及数据库类 6 OLE 支持类 7 internet 以及网络类 8 调试以及异常类 9 各种辅助类 不算各种各样的辅助类 在微软基础类库主要来源于 CObject 类 CObject 类支持数 据序列化和兼容集合类 对象 任务等 一般用户也能够直接从 CObject 类派生自己所需 的类以获得它的基本操作 所以在 CObject 派生类中 要得到数据序列化 Serialization 支 持 用宏 DECLARE SERIAL 声明并且需要重载 Serialize 函数 2 42 4 本章小结本章小结 本章主要介绍 GPS 系统的组成及定位原理 GPS 的信号组成 以及 Visual C 6 0 的 开发环境 Microsoft 基础类库概述 VC 6 OMFC 的层次结构 只有了解了 VC 的开发 环境 以及 MFC 才能找到基于 VC 实现串口通信的方法 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 10 第第 3 3 章章 基于基于 VC VC 实现串口通信的方法实现串口通信的方法 串行通信拥有实现简单 使用灵活方便 数据传输可靠等特点 所以在工业控制系 统中应用比较广泛 是PC与外部设备进行数据通信时经常要用到的方式之一 所以进行 PC与外部设备通信的上位机关于串口通信的研制开发 在项目开发过程中有着非常重要 的地位 本文运用了VC 为上位机软件的开发环境 因为VC 是一种能够面向对象的 可视化开发工具 提供了很好的界面设计能力 并且在PC机串口通信方面也有很多强大 的功能 VC 拥有功能强大 简单易用和代码执行能力快等优点 所以在通信软件的开 发中已经成为越来越多研究开发人员的首选工具 3 13 1 NMEA 0183NMEA 0183 协议协议 NMEA协议是不同的GPS导航设备统一BTCM标准 由美国国家海洋电子协会开发了 一套通信协议 NMEA通讯协议规定的通讯语句很多都是用ASCII 码作为根据的 NMEA 0183 协议 语句总的数据格式一般为 是作为语句的起始标志 是域分隔符 是校验以及 识别符 在它后面的两位数是校验和 代表了 和 之间的字符是按位异或者值 并不 包含这两个字符 为终止符 由意思可以看出 所有的语句都要结束 其实就是 ASCII 字符的 回车 十六进制的0D 以及 换行 十六进制的0A 3 1 13 1 1 语法格式语法格式 NMEA 0183 的信息格式一般是固定的 如下所示 aaaaa df1 df2 CR LF 从 开始的所有信息 以换行符结束 然后在 后的五个字符来解释基本类型的信息 使用逗号分隔多个参数之间 3 1 23 1 2 协议类型协议类型 NMEA 0183 中有以下三种基本类型的协议类型 分别是 a 信息源 b 查询 c 属性 如表3 1所示 表3 1 三种协议类型 a 信息源标准格式为 ttsss df1 df2 CR LF 一般作为识别信息内容的识别码最后3 个字符是由在 后面两个字符来完成的 华东交通大学理工学院毕业论文 11 基本上信息识别码确定了保留的数据区概念 在NMEA 0183 标准定义下 每一个 不同类型的数据区的信息内容基本上是符合标准定义的 例如 HCHDM 238 M CR LF 标记为 HC 表明信息来源作为磁性的罗盘 HDM 显示以下是船首向航向 238是船首向航向价值 M则表示船首向航向的价值是不可定的 b 查询标准格式一般为 ttllQ sss CR LF 前两个字符是通常作为请求者信息来源识别码 后面两个字符查询信息识别 最后一个字符是说明一个查询信息 而紧接着后面的字段则涉及了三个字的是所有 的内存信息的查询 例如 CCGPQ GGA CR LF 说明 CC 这个设备 计算机 正在开始从 GP 这个设备 GPS 上查询GGA 的内 容 PS差不多将每隔一秒传送这些内容 一直到有其他的查询请求 c 属性对公司而言这是一种利用还没有在标准下预定义的特殊内容的方法 它一般的 格式为 PmmmA df1 df2 CR LF P 定义的是属性内容 mmm 的概念是厂商信息代码 A A Z 代表信息类型 3 1 33 1 3 常用协议类型常用协议类型的的解释解释 NMEA 0183 协议定义了许多语句 可是经常用或者用途最广的语句却只有 GPGGA GPGSA GPGSV GPRMC GPVTG GPGLL 等 以下介绍了一些经 常使用NMEA 0183 语句的字段定义解释 1 Global Positioning System FixData GGA GPS定位信息 GPGGA M M hh UTC 时间 hhmmss 时分秒 格式 纬度ddmm mmmm 度分 格式 前面的0 也马上会被传输 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 也马上会被传输 经度半球E 东经 或W 西经 GPS 状态 0 未定位 1 非差分定位 2 差分定位 6 正在估算 正在使用解算位置的卫星数量 00 12 前面的0 也将被传输 HDOP 水平精度因子 0 5 99 9 海拔高度 9999 9 99999 9 地球椭球面相比较大地水准面的高度多少 2 GPS DOP and Active Satellites GSA 当前卫星信息 GPGSA hh 模式 M 手动 A 自动 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 12 定位类型 1 没有定位 2 2D 定位 3 3D 定位 PRN 码 伪随机噪声码 卫星号在解算位置是可以使用 01 32 一般前面的0也 是需要被传输 PDOP 0 5 99 9 HDOP 0 5 99 9 VDOP 0 5 99 9 3 GPS Satellites in View GSV 一般可见的卫星信息 GPGSV hh GSV 语句的总数 本句的GSV 编号 能够见到卫星的总数 00 12 前面的0 也马上会被传输 PRN 码 伪随机噪声码 01 32 前面的0 也马上会被传输 卫星的仰角 00 90 度 前面的0 也马上会被传输 卫星的方位角 000 359 度 前面的0 也马上会被传输 信噪比 00 99dB 如果没有追踪到卫星时为空 前面的0也需要被传输 4 Recommended Minimum Specific GPS TRANSIT Data RMC 推荐所需定位信息 GPRMC hh UTC 时间 hhmmss 时分秒 格式 定位状态 A 有效定位 V 无效定位 纬度ddmm mmmm 度分 格式 前面的0 也马上会被传输 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 也马上会被传输 经度半球E 东经 或W 西经 地面速率 000 0 999 9 节 前面的0 也马上会被传输 地面航向 000 0 359 9 度 以真北为参考基准 前面的0 也马上会被传输 UTC 日期 ddmmyy 日月年 格式 磁偏角 000 0 180 0 度 前面的0 也马上会被传输 磁偏角方向 E 东 或W 西 模式指示 仅NMEA0183 3 00 版本输出 A 自主定位 D 差分 E 估算 N 数据无效 5 Geographic Position GLL 定位地理信息 GPGLL hh 纬度ddmm mmmm 度分 格式 前面的0 也马上会被传输 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 也马上会被传输 华东交通大学理工学院毕业论文 13 经度半球E 东经 或W 西经 UTC 时间 hhmmss 时分秒 格式 定位状态 A 有效定位 V 无效定位 模式指示 仅NMEA0183 3 00 版本输出 A 自主定位 D 差分 E 估算 N 数 据无效 3 23 2 串口通信的实现过程串口通信的实现过程 在这个项目设计研制的过程中 串口通信要想实现 一般需要分为四步 过程如下 表3 2所示 表3 2 串口通信实现过程 1 打开串口初始化协议设置时 就需要通知Windows本应用程序来使用此串口端口 而且要对其 他一些不必要的应用程序禁用此串口 2 配置串口 3 可以在串口上不断的往返传输数据 并且在传输过程中进行一些相关校验 4 当不使用串口的情况下 就需要关闭正在使用的一些串口 供其他需要的应用程序使用 综上所述 串口编程的实现流程如图3 1所示 图3 1 串口编程的实现流程 周舟 GNSS 接收机上位机软件的研制 14 3 33 3 MFCMFC 环境下上位机与接收机串口通信的实现环境下上位机与接收机串口通信的实现 Win32的系统把文件的定义加深了 不管是文件扩展名 文件 还是通信设备 命名 管道 邮槽 磁盘或控制台的概念被认为是一个文件 因此 MFC CFile类可用于I O功 能支持重叠的输入和输出的串行端口和Win32实现运转 加强了系统的时效性 Win32 API中包括了整套的通讯功能的通讯资源的访问 平常情况下使用MFC串行通信编程基本 步骤如下表3 3所示 表3 3 MFC串行通信编程基本步骤 1 MainFrm cpp中 全局变量概念的定义 HANDLE hCom 将要打开运行的串口句柄 2 打开串口Windows通信会话调用CreateFile 函数来打开一个串行通信程序开始 的CreateFile 在指定的串行设备和相关操作属性 并且命令返回一个句 柄 该句柄后面会用在后续的通信操作 3 串口初始化 打开通讯设备句柄 通常是串行端口的初始化 即配置参数 如波特率 数据位 停止位 奇偶校验 握手协议以及流量控制协议 通过改变数据结 构的串行配置 设备控制块 DCB 的移动设备 ControlBlock 的 来实现 DCB 有将近 30 个的数据结构成员 一个 3 线串行通信 波特率 数据位 停止位 奇偶校验 和其他几个关键参数可以设置 一个简单的方法 让不 知道的 DCB 的细节可以设置串行通信参数 即使用的 BuildCommDCB 函数设置的 DCB 然后配置串行通信接口功能 SetCommState DCB DCB 定义的数据控制块结构 GetCommState HCOM DCB 读取原始参 数的字符串萨尔瓦多集 BuildCo