基于ARM的GPS测量数据接收系统的设计与实现硕士学位论文.doc

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1、Design and Realization of the GPS Measurement Data Rece-iving System Based on ARMAbstract 毕业设计论文 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现 中文摘要 目前 GPS 已经在生产、生活等领域得到广泛地应用。GPS 不仅能够提供接收机 的三维位置信息，而且随着电子技术的发展其测量的精度得到很大的提高，使得 GPS 在现代测绘工作中发挥着重要作用。本文研究的设备用于高精度地理位置信息 的测量，设备要求测量时间 45 分钟以上，测量距离 10 公里以内的两个点之间相对 精度能够达到毫米级，该设备

2、可应用于地质勘探、测绘等方面。 GPS 经过多年的发展，已向多媒体、高精度、实时性等方向发展。嵌入式 ARM 具有功能强、功耗低、先进的嵌入式操作系统等优点，能够满足 GPS 的发展要求， 因此 ARM 与 GPS 相结合成为现代 GPS 设备的发展趋势。 本课题基于地质勘探与测绘对地理位置信息的需要，分析了当前基于单片机系 统的 GPS 在测绘工作中的局限性，分析了 ARM 的功能及特点，设计了基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统。本文从系统组成、前端数据采集原理、方法到采集数据后 的数据分析、计算、结果评定等方面进行了详细的阐述，给出了系统各组成部分的 电路原理图及系统控制软件说明等

3、，为测试的工程化做了有益的尝试。 本文以高性能 32 位 ARM9 处理器 S3C2440A 为核心，以 ALLSTAR 测量型 GPS 芯 片为数据来源，搭建了适用于 GPS 数据采集的硬件系统。详细分析了系统的工作原 理及其具体电路。在这个硬件系统的基础上采用 Wince.NET 5 作为操作系统，进行 了系统软件工作流程的设计工作。 本文使用 Visual Studio 2008 软件开发工具，根据数据编码、通信及存储原理编 写了主机数据采集程序，然后根据 GPS 定位原理及计算技术编写了数据分析软件。 该系统的研究开发工作是在实践的基础上完成的，充分利用了 S3C2440A 芯片提 供

4、的资源，具有高性能、高可靠性、低功耗、低成本的优点，在数据采集速度、稳 定性、存储空间等方面都有较大提高，对提高测绘工作的质量具有较高的实用价值， 可广泛应用于高精度地理位置信息的测量。 关键词：ARM, GPS, 测绘, 导航, 静态测量 Design and Realization of the GPS Measurement Data Rece-iving System Based on ARMAbstract Design and Realization of the GPS Measurement Data Rece-iving System Based on ARM Abstrac

5、t GPS is widely applied in the fields of production and daily life at the moment. It can not only provide three-dimensional position of the receiver, but also improve the accuracy of measuring with the development of electronic technology. Therefore GPS is playing an important role in modern surveyi

6、ng and mapping work. This paper presents an electronic instrument which could be used in high precision location information survey. It requires the relative accuracy in millimeters of the measurement between the 2 points which have a 10-km distance or a more than 45-meter measuring time. The device

7、 can be used in geological prospecting, mapping and so on. After years of developing, GPS has tendencies of multi-media, high-precision, real- time direction, etc. Embedded ARM with powerful functions, low power consumption, advanced embedded operating system can meet the requirements of GPS. Theref

8、ore, the combination of ARM and GPS has become the trend of modern GPS device. On the basis of the geological exploration and mapping needs to the location information, the essay analyses the limitations of the current GPS based on SCM systems in the mapping work and the functions and features of AR

9、M. On which it designs the GPS measurement data rece-iving system. The paper explains in details the system components, method and principle of front-end data collection, data analysis, calculation, assessment of results of GPS. In addition, it presents the parts of system schematic diagram and syst

10、em control software instructions and so on, which takes a useful attempt for test engineering. With the high-performance 32-bit ARM9 processor S3C2440A at the core, ALLSTAR measurement-GPS chip as data sources and the hardware system suitable to Design and Realization of the GPS Measurement Data Rec

11、e-iving System Based on ARMAbstract GPS data acquisition. The paper analyses the working principle of the system and its specific circuit. Based on the hardware, the system designs the workflow of the system software with Wince.NET 5 operating system. With Visual Studio 2008, the author writes the h

12、ost data acquisition program according to data coding, communication and storage principles, and then under the principle of GPS positioning and calculation of technical, writes data analysis software. The research and development of the system is based on practice, which makes full use of the S3C24

13、40A chip, has been proved advantages of high reliability, high stability, low consumption and low cost. It improves considerably in the speed of data acquisition, stability, storage space and so on. Furthermore, it plays an important role in improving the quality of mapping work, which can be widely

14、 used in high-precision location information measurements. Keywords：ARM, GPS, Surveying and Mapping, Navigation, Static Measurement 目 录 第一章第一章 概述概述1 1.1 选题依据及研究意义1 1.2 国内外研究现状及发展1 1.3 主要研究内容3 第二章第二章 嵌入式系统与全球定位系统嵌入式系统与全球定位系统4 2.1 ARM 硬件开发平台 4 2.1.1 ARM 处理器的体系和结构4 2.1.2 基于三星 S3C2440A 处理器的开发平台.5 2.2 AR

15、M 操作系统 8 2.2.1 常见的 ARM 操作系统8 2.2.2 Wince.NET 59 2.3 全球定位系统（GPS）简介 11 2.4 GPS 接收机接收部分等核心部件13 2.4.1 GPS 接收天线 .13 2.4.2 GPS 芯片（OEM 板）14 2.4.3 GPS 芯片数据协议 .15 第三章第三章 GPS 测量数据接收系统设计方案测量数据接收系统设计方案.17 3.1 总体设计17 3.2 测量原理18 3.2.1 系统硬件设计概述.18 3.2.2 系统软件设计概述.22 第四章第四章 系统硬件设计系统硬件设计24 4.1 核心处理模块24 4.1.1 底板电源电路25

16、 4.1.2 CPU 控制.26 4.1.3 存储电路.27 4.1.4 接口转换电路.29 4.1.5 显示电路.30 4.1.6 键盘.32 4.2 GPS 数据模块33 4.2.1 GPS 数据模块电源电路 .33 4.2.2 OEM 接口板34 第五章第五章 系统软件设计系统软件设计36 5.1 下位机软件设计36 5.2 上位机软件设计37 第六章第六章 数据处理及分析数据处理及分析44 6.1 数据处理原理44 6.2 动态数据处理45 6.2.1 动态数据计算原理.45 6.2.2 动态数据计算流程.47 6.3 静态数据处理48 6.3.1 静态数据处理原理.50 6.3.2

17、GPS 相对定位 .51 6.3.3 静态数据计算案例.52 第七章第七章 结论与展望结论与展望57 7.1 全文研究工作总结57 7.2 进一步工作的方向57 参考文献参考文献59 攻读硕士学位期间公开发表的学术论文攻读硕士学位期间公开发表的学术论文61 致致 谢谢62 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 选题依据及研究意义 测绘工作在国民经济建设、科学研究、国防建设及社会发展中都发挥着重要的 作用，它是利用测量仪器测定地球表面自然形态的地理要素和地表人工设施的形状、 大小、空间位置及属性等，对空间数据进行分析、管理、存储和显示等的综

18、合应用1。 在测绘工作中，测绘工作与测量仪器的发展息息相关。随着电子技术的快速发展， GPS（Global Positioning System 全球定位系统）的发展趋势是：精度高、功耗低、 重量轻、操作简单、集成多种功能、海量数据存储与处理。自从 GPS 引入到测绘工 作中后，给整个测绘系统带来了一场变革。 本系统的主要功能是获取地理位置坐标数据，经处理和存储，实现实时导航定 位，而存储的包含原始测量信息的数据，可以用来进行数据后处理。 GPS 定位技术在测绘工作中的使用十分广泛，例如，我国为了对整个版图的多 种信息进行全面的掌握，需要建立一整套统一的坐标系，包括坐标点位置信息、高 程控制方

19、法等，由于测量区域广、面积大、精度要求高，使用传统的测绘方式无论 是野外工作还是测量数据后处理的工作量都是很大的，现在使用 GPS 后，改善了传 统测量存在的效率低、劳动强度大、误差积累明显等问题；对于较大的区域，例如 苏州市轻轨的建设，根据测绘工作的要求，需要对工作区域进行整体控制，GPS 使 用“静态测量”的工作方式可以快速而准确的完成工作；对于一般的导航，GPS 的 使用更加的广泛，并已经由专业测绘工作扩展到日常生活，如汽车导航设备。尽管 GPS 应用领域各不相同，但就测量设备本身而言，其实质都是一样的，即获取地理 位置信息数据。因此，对 GPS 测量数据接收系统的研究有着现实的意义。

20、1.2 国内外研究现状及发展 GPS 设备基本上是纯粹的电子设备，其发展规律与一般的电子产品相似。 在整合性上，GPS 设备的集成度越来越高。早期的 GPS 设备其 GPS 天线、电源 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第一章 概述 2 与处理数据的主机是分开的，靠电缆进行连接，分别提供电力和数据传输。采用分 离元件、低集成度器件来设计的，器件体积大、功耗高、使用复杂，相对应的软件 功能弱，调试不方便，可移植性不好。而现在，已经发展成为 GPS 天线、大容量锂 电池、处理芯片、外部接口、用户界面等高度紧密的整合在一起，可靠性上得到了 很大的提高。 在采用的元器件及功能应用上

21、，早先的 GPS 设备是由 8 位单片机作为 CPU，随 着电子技术的进步，新器件、新技术不断出现，也不断被用来制造新的设备。嵌入 式系统的发展为 GPS 设备的发展提供了良好的契机。由于 GPS 设备的大量应用，特 别是在个人消费方面，汽车导航、智能手机、手持式导航仪等得到大力的发展，这 些设备要求低功耗、多功能，例如智能手机就包含了电话、GPS、高分辨率大屏幕、 声音等多媒体功能，要在一个设备中实现众多的功能，目前使用的是 32 位 ARM（Advanced RISC Machine）CPU。ARM CPU 由原来的 ARM7 发展到 ARM9，主频 由原来的几十兆变为 200 兆、400

22、 兆、533 兆等，性能越来越好；在新的 CPU 通常 会增加新的功能，随着 CPU 的更新，对它起支撑作用的整体系统构架也会随之升级， 这会带来系统的集成度越来越高，功能越来越强。GPS 产品也是这样。还有，GPS 需要强大的后续软件来体现其应用的价值，可以这么说，没有软件的 GPS 仅仅是一 个传感器，所以，软件功能上的更新也是必要的，在 GIS（Geographic Information System 地理信息系统）方面，这得到了很好的体现。而对于专业测量 GPS 而言，多 个行业的专业应用，如铁路、远洋、GIS 采集等，是其发展的方向。 在软件上的发展，配套 ARM CPU 使用的软

23、件操作系统可以选择的也很多，代表 性的有 ucOS、Linux、Windows CE 等，这样，GPS 设备终端就变得可以实现许多的功 能，除了 GPS 定位外还可以进行大容量数据存储、播放多种声音文件、播放视频、 进行高分辨率摄影等，与用户的交互也变得多样化起来，原来只能通过键盘输入信 息，现在可以使用触摸屏甚至是语音识别。对于工业化的测量专用的 GPS 设备而言， 对多媒体的追求是其次的。工业测量 GPS 追求的是测量结果高精度、数据结果高可 靠、位置更新高速度、对外界恶劣环境高防备、软件使用专业化等，目前国内参加 生产的专业测量 GPS 基本都是沿着这些方向发展的。 基于 ARM 的 G

24、PS 测量数据接收系统的设计与实现第一章 概述 3 1.3 主要研究内容 本文是在研究目前国内外现有的 GPS 测量数据接收系统的基础上，借鉴和使用 了最新的研究成果，根据实际需求设计了硬件和软件构架。研究的主要内容是基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的实现方法及其关键技术，其中： 主要研究内容包括： 1） 、GPS 接收机的一般组成，包括器件、组成和结构； 2） 、专业测量 GPS 芯片的具体研究； 3） 、GPS 芯片配合电路的设计、开发与调试； 4） 、ARM 芯片的使用及与 GPS 的结合； 5） 、在 ARM 上运行的软件操作系统及应用程序的编写。 关键技术包括： 1） 、电

25、路设计上，采用了高性能 32 位 ARM9 处理器 S3C2440A 为核心，以 ALLSTAR 测量型 GPS 芯片为数据来源，搭建了适用于 GPS 数据采集的硬件系统； 2） 、采集了 GPS 定位数据，利用 Visual Studio 软件工具编写了嵌入式数据处理 软件； 3） 、使用 GPS 通用数据格式文件 RINEX 进行采集数据的处理，并通过后处理软 件达到了毫米级精度。 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 4 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 2.1 ARM 硬件开发平台 ARM 是全球微处理器行业中一家知名的企业，该公司于

26、1990 年在剑桥大学成 立，它是由苹果电脑、Acorn Computer Group 和 VLSI Technology 联合成立的一家设 计 32 位嵌入式 RISC 芯片内核的公司。如今， “ARM 嵌入式内核”已经被全球各大芯 片厂商采用，基于 ARM 的开发技术也席卷了全球嵌入式产品的市场，并成为嵌入式 系统的主流技术之一2。 2.1.1 ARM 处理器的体系和结构 ARM 构架诞生至今已经有过多次变革，每一次都在性能上得到了很大的提高， 目前 ARM 的架构有： (1) V1 构架（ARM1）：具有基本的数据处理指令（无乘法） ；字节、半字节、字 的 Load/Store 指令；转

27、移指令；软件中断指令；64MB 的寻址空间。 (2) V2 构架（ARM2、ARM3）：增加乘法指令；增加支持协处理器的操作；增加 快速中断模式；增加 SWP/SWPB 的存储器和寄存器交换指令。 (3) V3 构架（ARM6）：增加 MRS/MSR 指令，可以访问新增加的 CPSR/SPSR 寄存 器。增加了异常处理返回；寻址空间扩展到 4GB。 (4) V4 构架（ARM7、ARM9）：低功耗的 32 位 RISC 处理器，包括 32 位地址线 和数据线，具有 ICE 逻辑，调试开发方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主 频高达 130MIPS；完善了软件中断 SWI 指令。 (5

28、) V5 构架（ARM10）：具有带链接和交换的转移 BLX 指令；计数前导零 CLZ 指 令；BRK 中断指令；增加了一些信号处理指令。 (6) V6 构架（ARM11）：增加了 SIMD 功能，为多媒体处理的应用系统提供优化 功能。 其中，ARM7、ARM9、ARM10，Intel 的 StrongARM 系列、Xscale 系列等属于通用处 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 5 理器系列，已经在很多领域大量应用。 ARM 是基于 RISC（Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机）3而设 计的

29、，它有着与 CISC（Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机）在一些 地方有着很大的区别。传统的 CISC 计算机随着计算机技术的发展不断地引入新的复 杂指令集，为了支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，但在这些 指令中，只有约 20%的指令会被反复调用，占程序代码的 80%；余下的 80%指令不 经常使用，在程序代码中占 20%，这就造成了浪费，显得设计不合理，而 RISC 则可 以避免这些问题。 RISC 指令系统相对简单，能够满足大部分的功能需求，只要求硬件执行有限的 最常用的那部分指令，大部分复杂的操作使用成熟的编译技术由简单指令

30、合成，这 使得计算机的执行效率得到提高。目前中高端的服务器普遍使用 RISC 指令集，把重 点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度。CISC 和 RISC 架构各有 其侧重点，现在出现了超长指令集计算机，融合了两只指令集的优势，成为未来 CPU 发展的趋势之一。 2.1.2 基于三星 S3C2440A 处理器的开发平台 三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A采用了ARM920T的内核4， 0.13um 的CMOS 标准宏单元和存储器单元, 它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)，提

31、供了低价格、低功耗、高性能小型微控 制器的解决方案。其低功耗，简单，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型 的应用。 ARM920T实现了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结构。这一结构具有独 立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一 套完整的通用系统外设，S3C2440A减少整体系统成本和无需配置额外的组件。 S3C2440A有如下的功能和特性： 为手持设备和通用嵌入式应用提供片上集成系统解决方案； 16/32 位 RISC 体系结构和 ARM920T 内核强大的指令集； 指令高速存储缓冲器（I-Cache），数据高

32、速存储缓冲器（D-Cache）； 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 6 采用 ARM920T CPU 内核支持 ARM 调试体系结构； 其内部结构图如图2.1所示： 图2.1 S3C2440A内部结构图 其AHB总线（Advanced High-performance Bus）图如图2.2所示： 图2.2 AHB总线图 其APB（Advanced Peripheral Bus）总线图如图2.3所示： 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 7 图2.3 APB总线图 正由于S3C2440A的强

33、大功能，在它上面开发新功能是很有意义的一件事。为了 更好的使用S3C2440A，将CPU及部分核心部件封装为一块尺寸较小、通用性较强的部 件，称之为核心板。板上配备了两片32M的三星SDRAM,一片64M的NAND FLASH,开发板 采用两片半字（half-word）SDRAM 器件共同组成一个32位数据宽度的SDRAM系统， 提高了其与CPU的通信效率。更好的发挥S3C2440A芯片的潜能。核心板尺寸图如图 2.4所示： 图2.4 S3C2440A核心板尺寸图 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 8 其实物图如图2.5所示： 图2.5 S

34、3C2440A核心板实物图 有了核心板还需要一块开发底板来进行接口的扩展，使核心板能够与外设通过 开发板进行通信。开发底板可以扩展许多功能，包括标准的串口、USB、液晶、音频 等，也可以增加其他功能，如红外接收器、温度传感器、摄像头等。总之，核心板 插在开发板上使用，形成一套完整的、丰富接口的ARM嵌入式系统。 2.2 ARM 操作系统 2.2.1 常见的 ARM 操作系统 在嵌入式应用中嵌入式操作系统已经大量存在，尤其在功能复杂、系统庞大、 要求较高的方案中显得越来越重要，可以说没有操作系统的计算机是没有用的，这 点在普通的台式电脑上大家都有深刻体会。操作系统管理整个硬件系统的运行，负 责各

35、种资源的调配，充分发挥了32位CPU的多任务能力，是整个嵌入式系统的灵魂。 目前有多种嵌入式操作系统，它们使得开发实时应用程序的设计和扩展变得容 易，不需要大的改动就可以增加新的功能，把应用程序分割为若干独立运行的模块， 使得程序的设计变得简化许多；对于实时性要求高的应用做到了快速响应和可靠处 理；使得整个系统的资源得到很好的管理和应用。常见的嵌入式操作系统有： 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 9 (1) 嵌入式Linux Clinux是一个完全遵循GNU/GPL公约的嵌入式操作系统，其代码完全开放，内 核由专业公司进行维护。Clinux

36、是从Linux2.x5内核中派生的，沿袭了Linux的大 部分特性，通常应用在仅具有很少内存的嵌入式系统上，系统的CPU可以没有虚拟内 存或者内存管理单元。在GNU通用公共许可证的保证下，几乎可以使用所有的Linux API函数。由于Clinux是在标准的Linux上进行适当的裁剪和针对性的优化，所以 尽管Clinux体积小但仍保留了Linux的大部分优点，如稳定、易于移植，网络功能 强大、良好的文件系统支持等。 (2) Windows CE WinCE是微软公司设计开发的一个开放的，易于使用的，基于掌上电脑的操作系 统。WinCE的图形界面十分出色，非常平易近人，加上微软公司在台式电脑操作系

37、统 上的高普及率，WinCE一开始就很得人心。WinCE使用了精简的Windows API，这使得 系统开发上与Windows开发基本相同，但又有细微差别。WinCE系统还有一个非常吸 引人的地方就是WinCE的开发工具，如Visual C+，与台式电脑上的基本一致，使得 大多数软件只需要简单的修改和移植就可以在WinCE平台上使用。为了推广Windows CE，微软甚至开放了定制操作系统的工具PowerBuilder，开发工具也可免费使用， 如embedded Visual C+等。在程序开发工具上，一些老牌的公司如宝蓝公司等现在 实力都无法与微软抗衡，使得WinCE的市场占有率十分高。 (

38、3) C/OS II C/OS II6是一个源代码开放，移植性良好、可固化、可裁剪的占先式实时多 任务操作系统，其大部分源代码是用ANSIC写的，C/OS II通过了美国联邦航空局 商用航行器认证，证明了其性能的优异。 还有其他一些较有特色的嵌入式操作系统，如VxWorks、Nucleus、eCos等，它 们在某些方面都有其特长，限于篇幅在此不再赘述。 2.2.2 Wince.NET 5 Microsoft WindowsCE7是为各种嵌入式系统和产品设计的一种压缩的、具有高 效的、可升级的操作系统(OS） 。其多线性、多任务、全优先的操作系统环境是专门 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收

39、系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 10 针对资源有限而设计的。Windows CE .NET 是 Windows CE 3.0 的后继产品。Windows CE.NET 具备完整的操作系统特性，它包括了创建一个基于 Windows CE 的定制设备 所需的一切，例如：强大的联网能力、强劲的实时性和小内存体积占用以及丰富的 多媒体和 Web 浏览功能。 （1）操作系统体系结构 Windows CE 是由若干独立模块所建，每一个模块提供特定的功能。其中有几个 模块又被分成几个组件。组件能使 WindowsCE 变得较为紧凑（小于 200 兆 ROM） ， 仅需要使用最小的 ROM、

40、RAM 和其它硬件资源就可运行设备。如图 2.6 所示： 图 2.6 Windows CE 系统架构 （2）WinCE.NET 新增特性 嵌入式系统的开发人员会在 Windows CE.NET 中发现大量的新增特性和改进特性， 其中包括：无线技术，例如蓝牙（Bluetooth） ；设备仿真，该特性可以对完整的设备 环境进行仿真而无需任何额外的硬件投资；平台向导，可以从众多的预置设备设计 中进行选择，以便跳跃式地开始开发流程；此外，还有丰富的多媒体和 Web 浏览功 能，例如 Microsoft Internet Explorer 5.5 和 Windows Media编解码器（Codec）和控

41、 件。 （3）扩展设备驱动程序支持 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 11 高级技术附加数据包接口（Advanced technology Attachment Packet Interface，ATAPI）磁盘驱动程序，提供了 CD 和 DVD 的“读”支持。 新的统一音频模型和示例驱动程序：UAM 实现了对 WAV 和 Microsoft DirectSound 音频 API 的高效支持。它还使得编写一个能有效支持 WAV 和 DirectSound 的驱动程序成为可能。 2.3 全球定位系统（GPS）简介 1973 年 12 月，美国

42、国防部批准了一项计划，由陆海空三军联合研制一种新型 的军用卫星导航系统，称之为“Navigation by satellite timing and ranging global positioning system”即现今简称的 GPS。GPS 属于美国第二代卫星导航系 统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的。GPS 由空间部分、地面监控部 分和用户接收机三大部分组成8，如图 2.7 所示： 图 2.7 GPS 的构成 GPS 系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座。 21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上

43、 （每轨道面四颗） ，轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时 间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（ DOP ） ， 这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 GPS 系统的地面监控部分监控着 GPS 卫星的运作状态及它们在太空中的精确位 置，主地面控制站更负责传送卫星瞬时常数 (Ephemeras Constant) 及时脉偏差 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 12 (Clock Offsets) 的修正量，再由卫星将这些修正量提供给 GPS 接收机器进行定位。 GPS 接收机是一般用户使用

44、的部分，它能被动的接收 GPS 卫星发出的信号，然 后根据多个卫星的信号进行定位。那么接收机是由什么组成的，工作原理是什么， 如何实现一个接收机，数据如何处理，在实际工作中如何使用，技术上有什么新的 发展等问题就是本文中要研究的对象。 GPS 工作原理可以分为下面的几个步骤9： 第一步：GPS 测量方法的理论基础是“后方交会” 。 “后方交会”意思是从一个 未知点上分别观测几个已知点，然后根据测量出的几个距离计算出未知点坐标的测 量方法。其几何原理如下，在平面上，要确定未知点 P 的坐标，至少需要 P 到三个 已知点的距离，其示意图如图 2.8 所示： 图 2.8 “后方交会”的几何原理示意图

45、 在太空中，这些点变为立体空间的点，圆圈变为球面，所以至少需要知道 P 点至 4 个已知点的距离才能确定 P 的位置，其立体图如图 2.9 所示: 图 2.9 “后方交会”的立体图 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 13 第二步：为了实现 “后方交会” ，距离是必须测量的值。而 GPS 测量距离的方 法是通过测量无线电信号在空中传播的时间来完成的。距离 = 速度 时间，GPS 的测距方法与一般的红外测距仪本质上没有区别，不过，用户是不会发出任何无线 电波的，所有的信号都是卫星发出来的，用户只要接收即可。 第三步：为了能通过“后方交会”测定接

46、收机的位置，卫星在太空中的位置必 须精确已知。当美国国防部测量出了卫星的精确位置，他们就把这个位置发给卫星， 卫星就把这个新的改正位置信息加载到 GPS 信号中广播出去。于是，卫星就不仅仅 具有了带有时间信息的伪距码，而且还具备了带有位置信息的星历。 综上所述，GPS 的测量原理为： 后方交会 - 测量距离 - 测量时间 - 测量卫星位置 - 误差改正。 2.4 GPS 接收机接收部分等核心部件 GPS 接收机要接收 GPS 信号并转为数字信息，必需依赖两个核心部件：GPS 天 线和 GPS 芯片，通常称为 OEM 板（Original Equipment Manufacturer Card）

47、 。 2.4.1 GPS 接收天线 GPS 使用的天线一般是无源微带天线，是用来把太空中微弱的 GPS 无线电信号 还原为高频电流的变换装置。GPS 天线有五大特征参数：方向性图、天线增益、输 入阻抗、极化性、频带宽度。其中，方向性图是指辐射能量在空间分布状态的三维 立体图；极化性是指无线电波的电场矢量所指的最大辐射方向。本系统采用的 GPS 天线是专业单频测量型 GPS 天线，它内部由天线与前置放大器密封一体，可保证全 天候正常工作，能够接收来自地平线以上任何方向的卫星信号，不产生死角，底部 有金属板可以削弱多路径效应，具备高增益、低噪声系数、大的动态范围条件，天 线的相位中心保持高度的稳定

48、，当 GPS 卫星运动时能够尽量与几何中心保持一致， 其参数为10： 工作频率：1575.42 MHZ10MHZ 输出阻抗： 50 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 14 驻波比： 1.5:1 极化方式：右旋圆极化 工作电压：3VDC、4VDC、5VDC 工作温度：-45+65 方向性图如图 2.10 所示： 图 2.10 GPS 天线方向性图 2.4.2 GPS 芯片（OEM 板） GPS OEM 板是把 GPS 天线转换来的高频电信号转换为数字信息的部件。本文中 使用的 ALLSTAR OEM 板是单频板11，能够接收 GPS 卫星发射

49、的 L1 波段信号，然后 解调出信号中的位置信息及载波相位信息，并且，该 OEM 板还可以接收差分信号， 从而获得动态的较高精度的定位结果。ALLSTAR OEM 内部硬件结构如图 2.11 所示： 基于 ARM 的 GPS 测量数据接收系统的设计与实现第二章 嵌入式系统与全球定位系统 15 图 2.11 ALLSTAR OEM 板内部硬件结构图 ALLSTAR OEM 板采用了双列直插 20 pin 的硬件通信接口，支持的串口波特率可 到 115200 bit/s。一般使用串口 1 来作为命令输入和数据输出的接口，而串口 2 用来 作为差分数据输入/输出接口，其他的接口视具体需要而决定是否使用。并且这两个 串口都是 RS232(Recommended Standard 232)的接口，在软硬件调试等方面很方便， 其波特率也可以根据需要对 OEM 板发送指令进行更改。 2.4.3 GPS 芯片数据协议 为了保证系统 CPU 与 GPS OEM 板正常的协同工作，必须要建立一套合理的通信 指令。这样，当 CPU 对 OEM 发送指令时，OEM 板能够正确识别并按照需要进行工 作；而 OEM 发送的包含位置信息的数据流也必须按照约定的格式进行发送，这样 CPU 可以进行数据解析，得到所需的数据资料