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基于GPS数据接收系统

  • 简介:(毕业论文 字数:21808 页数:52 带程序)摘 要:随着电子技术和通信技术的不断进步,以及新的软/硬件开发工具的出现,GPS技术也将获得快速发展。从早期的单点定位和相对定位,发展到目前的差分定位和广域差分定位;从接收到数据后处理到目前的实时数据...
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(毕业论文 字数:21808 页数:52  带程序)摘 要:随着电子技术和通信技术的不断进步,以及新的软/硬件开发工具的出现,GPS技术也将获得快速发展。从早期的单点定位和相对定位,发展到目前的差分定位和广域差分定位;从接收到数据后处理到目前的实时数据处理。DSP作为专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器,配有特殊的DSP指令集,编程灵活,开发较容易,运算速度高,与其他单片处理器相比较具有小体积、高速度,低功耗,高可靠性的特点,适合对高复杂性的GPS 信号的实时处理,高速的DSP数字信号处理器可以让GPS数据更新率降低到0.1秒。
本文首先对本课题的背景、研究现状和GPS的产生、发展、特点及一些本文应用到的关键技术作了简单的介绍,然后进行DSP处理GPS数据接收系统的硬件设计,整个系统可以分为两大模块:接收模块和处理模块。接收模块以GPS为核心,主要进行了GPS与PC机、GPS与DPS之间的接口电路设计;处理模块以DSP处理器为核心,主要是对DSP与PC机之间的接口电路的设计。最后是对软件的设计,包括系统初始化程序设计、导航电文的接收与判断、系统串口通信的设计、导航电文提取及解算程序设计、信号处理模块程序设计,信号处理模块通过在DSP实验箱上的仿真验证了程序的正确性。

关键词:GPS ,DSP,定位,数据接收,实时处理

ABSTRACT :GPS technology has been developing rapidly in recent years because of the advancement of electronic technology and communication technology as well as the appearance of new software and hardware for exploration. It developed from the simple point localization and the relative localization to the difference localization and the macrozonality difference localization, from reception to the data post-processing and then real-time data processing. GPS is a specially-structured micro-processor designed for the rapid realization of various digital signal algorithm processing; it possesses unique sets of instructions, flexible programming, high operating speed and is easy to explore. Compared with other monolithic processors, GPS is characterized by small volume, high speed, low power loss and high reliability, thus it suits to process real-time GPS signals which are very complex because a high speed GPS digital signal processor can reduce the renewing rate of digital to 0.1 second.
This thesis firstly makes a brief review on the background, current studies of this subject and introduces the appearance, development and characteristic and some related key technologies of GPS. And then the author carries on DSP processing and designs the hardware of GPS digital receiving system. The whole system consists of two modules: receiving module and processing module. The receiving module takes GPS as a core, mainly dealing with the design of connection circuit between GPS and PC machine, between GPS and DPS; the processing module takes the DSP processor as a core, also throwing efforts on the design of the connection electric circuit between GPS and PC machine. Finally comes the design of software, including system initialization programming, receiving and judgment of navigational telegram text, the design of system string correspondence, the programming design of the navigational telegram text collection and calculation, the design of signal processing module, and the author proves the correctness of the signal processing module through simulation in the DSP experiment box.

KEY WORDS:GPS, DSP, Positioning,Data reception, Real-time processing

目 录
摘 要 Ⅲ
ABSTRACT Ⅳ
第一章 绪论 1
1. 1 课题研究背景 1
1. 2 课题研究现状 1
第二章 GPS概述 4
2. 1 GPS及其特点 4
2. 2 GPS的载波信号 4
2. 3 GPS定位原理 7
2. 4 导航电文 8
2. 4. 1 导航电文格式 8
2.4.2 导航电文的内容 8
2.5 GPS 原始数据特点 9
第三章 DSP处理GPS接收数据系统硬件设计 10
3. 1 硬件介绍 10
3.1.1 GPS模块 10
3.1.2 DSP模块 11
3. 2 系统结构总体设计 12
3. 3 GSP与PC机接口电路设计 13
3. 4 DSP与PC机接口电路设计 15
3. 4. 1 ICETEK-DM642-PCI评估板功能概述 15
3. 4. 2 TL16C752B介绍 16
3. 5 GPS与DSP接口电路设计 19
第四章 DSP处理GPS接收数据系统软件设计 19
4. 1 系统软件总体设计思想 19
4. 2 系统初始化设计 21
4. 3 导航电文的接收与判断 21
4. 4 系统串口通信设计 22
4. 4. 1 DSP串口通信设计 22
4. 4. 2 GPS与PC机串口通信设计 24
4. 5 导航电文提取及解算程序设计 25
4. 5. 1 导航电文的提取 25
4. 5. 2 导航电文的解算 27
4. 6 信号处理模块程序设计 27
4. 6. 1 FFT算法程序设计 28
4. 6. 2 卡尔曼滤波算法程序设计 34
第五章 总结 36
结 束 语 37
参考文献 38
附 录 39



第一章 绪论
1. 1课题研究背景
目前GPS(GlobalPositioningSystem)的应用已十分广泛,差不多涉及到国民经济的各个领域,尤其是近几年来其向消费市场的发展的强劲势头表示,以GPS为代表的卫星导航应用产品,由于它能很容易地提供位置、速度和时间信息,所以会很快成为现代信息社会的重要信息来源,成为信息时代的国家基础设施之一,由于它功能强大、使用方便、价格合适,所以能很好的与其他系统结合,形成大量的新应用、新产品,迅速的进入我们日常工作、学习、生活和娱乐中。
随着电子技术和通信技术的不断进步,以及新的软/硬件开发工具的出现,GPS技术也将获得快速发展。从早期的单点定位和相对定位,发展到目前的差分定位和广域差分定位;从接收到数据后处理到目前的实时数据处理;而更高速的DSP数字信号处理器让数据更新率降低到0.1秒,最新出现的相位差分(RTK)技术理论上甚至可使定位精度达到厘米甚至毫米级。
1. 2 课题研究现状
DSP(Digital Signal Processing) 作为专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器,配有特殊的DSP 指令集,编程灵活,开发较容易,运算速度高,与其他单片处理器相比较具有小体积、高速度,低功耗,高可靠性的特点,适合对高复杂性的GPS 信号的实时处理。利用其与OEM 板构成的GPS 信息系统,不仅很好地满足GPS 信号处理的实时性和高复杂性,而且由于DSP 强大的数据处理能力,系统还可以进行进一步的功能扩展, DSP已广泛应用于GPS数据处理中。DSP 在GPS 中的二次开发体系结构,可以归结为以下两种:
1、 DSP 作为数字运算平台,固化定位算法:DSP 的输入是GPS 的OEM 板的观测数值,这数值依据不同的OEM 板型号有不同的数据格式;输出是按用户定位算法得到的位置信息。结构示意图如1.1所示,OEM板和DSP结构是分开的。
目前,国内在用户系统的开发中,用的较为普遍的是1式的结构[10]。
世界上很多半导体厂商,如AD、TI、Motorola等,都生产了系列化的DSP 芯片,大致上可将其分为两大类: 定点型芯片和浮点型芯片。GPS 接受机中大多采用TMS320 系列的DSP 芯片。这一型号芯片的结构特征包括:
•哈佛结构;
•流水线操作;
•专用的硬件乘法器;
•DSP系统所需要的重要外部电路。
哈佛结构的主要特点是,把程序和数据存储在物理上相互独立的不同存储空间中,即程序存储器和数据存储器时两个相互独立的存储器电路。哈佛结构为程序存储器和数据存储器各提供一条甚至数条总线,这样就可以实现程序和数据的传输相互独立,大大提高了数据的吞吐率和指令执行速度。TMS320 系列DSP 芯片还在基本哈佛结构的基础上,允许数据存放在程序存储器中,这些存放在程序存储器中的数据可以由算术运算指令直接调用。同时, 还提供了存储指令的高速缓冲器(cache) 和相应的指令,这些指令只需要读入一次,就可以连续使用而不须再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行所需要的时间。流水线指令执行结构实际上就相当于在一个时钟周期内完成了一条指令。由于采用结构的不同,采用哈佛结构的DSP 器件中流水线指令执行结构的硬件电路要比微处理器中的流水线指令执行结构复杂。为了提高DSP 器件的数字处理速度,采用了一个特殊的算术运算单元———乘法—累加器MAC ,使得完成一个乘法指令与完成一个加法指令或数据传送指令所需要的时间相同,极大地提高了程序的执行速度。总的来说,美国TI 公司( Texas Inst rument s)生产的TMS320 系列DSP 微处理器,采用增强结构设计,改进哈佛结构,具有独立的数据和地址总线,支持多级流水线操作,采用了寄存器的存储器映射技术,运算速度高,片上外围资源配置丰富,包括锁相环、定时器、通用I/ O 接口以及串行通信接口,片上J TAG仿真接口,可在线对程序进行调试和下载,开发过程中可对程序进行在线调试,开发完成后,程序和数据写入片上或片外存储器,目标系统可脱离仿真器自主运行。且性能可靠,价位适宜,有很好的性能价格比,市场占有率高,应用也日益广泛。由于GPS 高精度的要求,利用DSP 浮点芯片与GPS 信号OEM 接收板构成定位信息处理系统具有集成度较高,实时性强,功能扩展灵活的特点。
GPS 提供两种服务: 标准定位服务( SPS —Standard Positioning Service) ,指定为民用社团使用;精密定位服务( PPS —Precision Positioning Ser2vice) ,指定为美国核准的军方用户和选定的政府部门用户使用。一般性的多通道SPS 接收机每一通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。A/ D 转换后的采样进入DSP 通道。DSP 包括N 个并行通道,以同时跟踪来自最多达N 颗卫星的载波和码。(N一般为5~12 之间) 。每个通道中包含码和载波跟踪环,以完成码和载波相位测量,以及导航电文数据的解调。GPS 接收设备中的处理器,要实现的是对整个GPS 接收机进行协调控制,并在其内设计实现满足要求的捕获跟踪、卡尔曼滤波、快速FFT 及各种数字滤波器等算法,完成对相关器的控制、导航电文的提取以及定位的解算等任务。它的组成包括微处理器(DSP) 、存储缓冲单元、输入/ 输出接口部分[4][11]。

第二章 GPS概述
2. 1 GPS及其特点
GPS(Global Positioning System),即全球卫星定位系统,是美国国防部为其陆、海、空三军研制的卫星导航定位系统,它具有全天候、连续、实时的精密系统导航与定位能力,有着广泛的应用价值和发展前景,是美国全球防卫体系的一个重要组成部分。
GPS同其他导航定位系统相比,其主要特点有以下几点:
• 全球连续覆盖。 由于GPS卫星的数目较多且分布合理,所以地球上任何位置均可连续同步地观测到至少4颗卫星,从而保证了全球、全天候连续的实时导航与定位。
• 多功能、高精度。 GPS可为各类用户提供动态目标的三维位置、速度和时间信息。一般来说,目前其单点实时定位精度可达5∼10米,测时精度约为数十纳秒。随着GPS测量技术和数据处理技术的发展,其定位、测速和时间精度会有进一步提高。
• 实时定位速度快。 利用GPS定位系统一次定位和测速工作在一秒至几秒内可以完成,这对快速移动的物体很重要。
• 抗干扰和保密性能好。 由于GPS采用了数字通讯的特殊编码技术,即伪随机码技术,因而具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS主要由三大部分组成:空间部分——GPS卫星星座;地面控制部分——地面监控系统;用户设备部分——GPS信号接收机。
1、 空间星座部分 。GPS卫星星座由24颗卫星组成,工作卫星的特定分布保证了在地球上和近地空间任一点、任何时刻均可至少同时观测到4颗GPS卫星;同时,每一颗卫星携带有高稳定度的原子钟,可为卫星发射的导航信号提供定时,并保持与协调世界时同步。卫星发射的导航信号包括卫星星历、钟校正参数等信息。
2、地面监控部分 。由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站设在科罗拉多,三个注入站分别设在印度洋的迭戈加西亚、南太平洋的卡瓦加兰、南大西洋的阿松森岛,相互之间采用先进的通讯系统,主要完成跟踪观测GPS卫星;计算编制卫星星历;监测和控制卫星的运行状况;保持精确的GPS时间系统;向卫星注入导航电文和控制指令等任务。
3、用户设备部分。用户设备部分的核心是GPS接收机,其主要功能是接收卫星播发的信号,获取定位的观测值,提取导航电文中的广播星历、卫星钟改正等参数,经数据处理而完成导航、定位、测速、定时等任务[1]。
2.2 GPS的载波信号

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