基于单片机的北斗定位显示终端设计电气自动化专业.docx

第1章 绪论 1.1 选题背景及研究意义 环球卫星导航系统，（Global Satellite Navigation System，GSNS）即能够实现全宇宙范围内实时高精准的目标定位以及路线导航。该系统可以堪称国家高科技发展产物，GSNS是国家整体科技实力的象征，不仅能够监控领土的各项数据，从而达到安全保障，而且能够推动人类物质精神文明前进的步伐。 尽人皆知，自从二十世纪中后期至今，西方巨头以欧美为代表，特别是美苏的发达国家，这可谓航天卫星领域的领头羊，他们纷纷意识到外太空的资源十分重要，不约而同，逐步展开发射高领域导航卫星的任务。为了与发达国家相媲美，更重要的是拥护广大人民群众的利益所在，我们是不屈不挠的民族，果断不甘落后，并于二十世纪八十年代初期，我国便独立建设卫星导航系统，其名为北斗。 可喜可贺的是，在2003年中，我国已将三颗北斗成功发射到外太空，与此同时，卫星导航定位技术不断完善，系统更加稳定可靠，基本能够实现全天任意时刻卫星导航通信，可以达到实时无死角。这一伟大成果，是我国成为世上第三个拥有完善卫星导航的国家，弥补了定位导航领域的空白[1]，即使这样与美苏相比仍然有一定的差距，要戒骄戒躁不断学习与完善。 1.2 国内外研究现状 1.2.1国外研究现状 迄今为止，市面上的环球卫星导航已出现了不少种类，首先西方巨头美国以“全球定位系统”（GPS）最为著名，其次就是亚洲俄罗斯的“格洛纳斯”（GLONASS）。两者各有各的特色，不易从局面上分清哪款更优，在此期间欧洲也奋发图强开始针对“伽利略”（Galileo）这一系统展开研究，不久就会有所成果。 95年的四月份，美国成功实现了GPS系统的完全组网运行。从整体来看，所谓的GPS分别由二十四颗小卫星构架而成，并且其均匀等距排布在6个类圆形的轨道，不难得出结论，每个类圆形轨道都有4颗。其中GPS系统的信号接收由一个主控站与五个监控站协同完成。具体运行过程中，在某一特定时刻节点上，能够准确得到4种卫星信号的传送时间间隔，即可实现三维坐标性质的实时定位情况。目前所看，正是第二代GPS卫星导航系统，其突出特点引入了星钟、星链以及自控导航等，这将导致其实用性大幅上升。 95年末，GLONASS导航在俄罗斯本土诞生，不过当时受限于美方的恶性抵押，在资金储备方面也是一大硬伤，导致补网部分未成功及时运行，GLONASS还称不上全导航定位。该系统同样是24颗卫星构成，不同点在于只有三项轨道，民用指标不是很高仅仅为50米，基本可以满足需求。 欧盟联合研制的伽利略导航（Galileo），它的星体较为丰富，想法也更具独特，在该系统里有30颗参与，但是其中只有27颗参与运转，其余3颗即为备用选项。直到2014年的8月份，二批次的第一颗卫星才进入轨道，此前有6颗生在运行当中，这样便可实现基本的定位性能。不过它对GPS系统加以分析，取其精华，去其糟粕，它与美苏两国的导航定位系统相兼容，而且能够完美处理加密、密钥以及拒用。不仅这样，其精度可达十米以内[3]，响应速度也是极快的。 不难看出，未来的发展方向便是差分导航多系统相融。并将数字化铯钟引入其中，惯性与无线电等穿插其中，这将使我国面临更加严峻新格的挑战，针对这一现实问题进行北斗导航的探索。 1.2.2国内研究现状 北斗导航系统（BeiDou Navigation Satellite System,BDS），构架大体可分为三块，空间区、陆地区以及用户区共同实现。自研制以来，已经有22颗北斗卫星成功送入外太空中。在亚太区域已经实现全面覆盖，而且能够实现无源导航，这可是市面上前所未有的事情。据估计在2020年左右，无源导航信息服务将在全球成为现实。中国的步伐正在大步前进，在军工方面、制造方面乃至人类生活出行上都全方位运用北斗。 在现实生活中，大陆基本已经离不开北斗了，譬如车辆驾驶监控与导航；应急最佳线路指引，板块间相对运动与地壳运动检测；气象预报；工程预算；大气污染智能反馈等等。都与北斗卫星密不可分。 乃至海洋船舶方面，也是不可或缺的一项，茫茫大海航行船载自身定位，焦石飓风预测，避险归害，规划最佳航线，果断提高效率和实时安全性；实现海陆无缝通讯的同时还能进行实时调度与监测；14年荣幸通过国际海事审议北斗导航安全通行函件，由此可知，北斗即将正式融入环球导航成为其中的一员，在国际中占稳一席之位[5]。 航空航天领域中，众所周知，空中加油站是避免不了的，那么准确定位上就更加离不开北斗，再有准确的着陆点意味着定点停机，也需要北斗的帮助。 北斗已经贯穿于国内的各行各业，都发挥着不可替代的功效，北斗导航卫星得以实施，必然离不开信号收发以及在任意时刻的数据显示。信号输出具体要考虑到本体的三维坐标，也就是说俗称的经纬与天线高程，除了这些还有全球时刻、相对速度和卫星数量等等信息。中国北斗起步较晚，在精度上与国外的技术相比还存在一定量的差距，日后，一定不负所望成为一枝独秀。 1.3 本文研究主要内容 本课题所设计的定位显示终端以最小内核为核心，主控芯片采用弘晶科技的STC12C5A60S芯片，该芯片为功耗低、速度高、抗干扰强的51单片机，片内集成1280字节的RAM，用户程序空间高达62K，片内资源丰富。在探索北斗运作流程的同时，提取导航模块的数据进行加以分析，并使其呈现在LCD12864上，具体显示出此时的日期、时间、经纬度以及运速，还需实现语音播报。要求绘制控制原理图，并进行调试电路以及硬件搭建，为北斗导航仪器的开发提供参考。 第2章 北斗定位系统的研究 2.1 北斗导航定位系统概述 中国致力于导航系统的研发进程，其中北斗作为最为坚实的一项，不断攻克难关自力更生艰苦奋斗，自主研制、独立于外界的稳定运行在太空中的卫星导航。党和人民共同坚信，我们有信心完成独立研创、全面兼容、稳定运行覆盖面广的导航系统，共同建设同步导航于全球。 2.1.1 北斗定位导航系统组成 用户区、空间区、陆地区共同完成导航定位。 导航兼容终端机和操作用户终端共同打造用户区，无线电测定（Radio Determination Satellite Service,RDSS）是具体拟采用的方法之一，它与无线电导航（RNSS）相结合，这样便可提供短报文通讯和地点随时定位。 30颗运动轨道变化卫星与5颗保持轨道相对不动的卫星构成空间区。其中坐标为160 ºE、110.5 ºE、58.75ºE、140 ºE和80 ºE坐落于相对于地球不动轨道，3颗轨道变化卫星与27颗椭圆轨迹卫星。 主控点、监控点、注入点有效构成陆地区。其中主控点要总结归纳各个监测点所采集来的数据，并逐个加以分析处理，整理为导航和差分报文，用于稳定控制与可靠运行。监控点简单来讲就是收发站用于数据衔接，接收反馈回来的各种信号，并及时将其打给主控点。注入点主要负责导航报文，差分有效性的控制管控。三区协同管控观测信息。 2.1.2 北斗定位原理 根据查阅大量相关资料可以总结归纳出，世界上三大导航Galileo、GPS、GLONASS与北斗的实现原理大同小异，即定位主要依靠三心定位空间几何来完成。用户在瞬间了解到2颗卫星以上的信号，通过逆向返回求解空间间距，从而得到空间经纬，这是距离交会法就派上用场了，用于求解用户接受的具体方位。即以下步骤： 1.实时监测接收设备与3颗卫星的间距； 2.利用报文发送至使用者卫星具体位置； 3.确定球心，即卫星，监测到的间距为半径绘制球面； 4.已知绘制的所有球面交与两点，排除一点即可获得用户坐标如图2-1所示。 图2-1 三球交会定位原理图 到目前为止我国研制的第二代北斗，智能化程度已经较高了，不需要认为发送信息了，单方面不再借助电子及用户高程图，导致卫星直接测距完成定位，集成化程度相当之高，根据这一要求则要增加卫星数量才能得以实现，具体如图2-2所示，不过有利必然伴随着一定的弊端，如若实现全球性覆盖，卫星的数量就会屈指可数，故因此，我国的北斗产品还未实现环球通用，单一亚太地区能够适用。 图2-2 北斗定位原理图 2.2 UM220-ⅢN模块分析 2.2.1 UM220-ⅢN芯片详解 如图2-3所示芯星通针芯片，该模块集成在车载导航、气球探空等的北斗/GPS组合多系统兼容模块。通过查阅相关资料，ARM9是其UM220-ⅢN的有效内核，不但灵敏度高，而且跟踪性能也是很良好的，响应速度高达20ns，它具备其他芯片共有的特性，且可靠性稳定。 图2-3 UM220-ⅢN模块外观 与美国GPS相比，UM220-ⅢN不仅能够改变收发信号模式，而且也可以接收单一信号，也兼容双路平台信息，不必说，准确度稳步提升。 2.2.2 UM220-ⅢN的管脚功用 结合图2-4与表2-1阐述UM220-IIIN的引脚功用，从图中可以清晰看出24个引脚对称均匀排布： 图2-4 UM220-ⅢN引脚图 表2-1 UM220-ⅢN管脚说明 序号 名称 I/O 电平标准 描述 1 nRESET I LVTTL 外部低电压重置 2 AADET_N I LVTTL 有无源天线核查 1:即为无源天线 0:即为有源天线 3 TIMEPULSE 脉冲 4 I 外部中断 5 I 是否短路检测 1:即为天线地短路 0:即为天线地正常 6 TXD2 2串口发信号 7 RXD2 I 2串口收信号 8 RSV 悬空，保留管脚 9 VCC_ 输出电压 10 GND I 接地信号 11 RF_IN I GNSS输入信号(BD2 B1+GPS L1) 12 GND I 接地 13 GND I 接地 14 SPLSDO SPI数据输出 15 SPLSDI I SPI数据输入 16 SPLSCK SPI时钟 17 SPLCS1 SPI片选端 18 SDA I/O 数据DDC 19 SCL I/O 时钟DDC 20 TXD1 1串口发数据 21 RXD1 I 1串口收数据 22 I SRAMV、RTC备份电压 23 VCC - 供电电源 24 GND - 接地 2.2.3 UM220-ⅢN语句输出格式 是北斗需要依据的协议格式，早在1983年的时候，西方巨头美方海事电子协会（National Marine Electronics Association,NMEA）就已经订制了这种协议准则，凡是运用此协议都必须公然遵守。该协议的特殊形式输出类型为ASCII码，依据8位数据4800的波特率进行串行通讯，且没有校验奇偶，起始和终止位各占一位。 首先，传送方式要以 作为起始字符，否则不能识别，其次，分别需要两个字符的字母作为“识别符”，三个字符作为“语句名称”，结尾必须要以英文逗号收尾，UM220-ⅢN模块特别指出的是，所谓的“识别符”包含三种情况，其中，GP为GPS系统单独定位；BD为北斗系统单独定位；GN为GPS与北斗系统混合定位。 有多大十多种的数据类型可供参考，用于GPS定位功用的GGA；陆地坐标指示为GLL；UTC时间参数默认由ZDA显示；标准差由GST钩落而成；ALM表示星历；有的信息不可见，而有一部分可见，那么就由GSV输出，在具体应用中RMC最为广泛也最为常见，其为最短数据信号。以RMC语句为例进行详细介绍。 面对于普通的，要求系数不是很精密的情况，RMC的语句表是皆可胜任的。具体操作格式如下所示： 表2-2 RMC的语句格式详解 编号 含义 取值 格式 备注 <1> 定位间隔 UTC时间 <2> 取值是否 A/V A：即为有效V：即为无效 <3>