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1、1北斗/BDS 精确授时定位系统设计与应用电子与信息学院 电子信息工程专业5 杨* 指导老师 *【摘 要】目的:提取北斗卫星系统发送出的经纬度/时间/日期/海拔/时速/航速信息。方法:采用廉价并且满足要求的 MCS-51 单片机，通过电路转化成 TTL 电平供单片机处理，另一方面，通过将接收的信息，利用 MAX232 转化成串行数据、通过串口连接到 PC 机，在 PC 机上通过 Unicore Control & Display 软件查看并显示出的信息。结果：实现了以上信息的提取并显示并在 PC 机上显示数据，完成北斗定位模块的应用与研究。结论：在室内和室外定位的时间长短不一，越空旷的地带，提
2、取定位信息速度越快，并且精度越高。【关键词】GPS、BDS/北斗、定位、授时、海拔1. 前言1.1 选题背景Global Positioning System 即称为全球卫星定位系统，是采用卫星对某地球表面物进行准确定位的技术。到目前为止有美国的 GPS 全球定位系统（其优点为技术成熟定位精度高，目前主导着定位系统行业）；第二是俄罗斯的 CLONSS（格洛纳斯系统）全球卫星导航系统（抗干扰能力极强）；第三是欧洲 Galileo satellite navigation system（伽利略）卫星定位系统（精确最高比 CPS 高 10 倍），第四就是由我国的 BeiDou Navigation
3、Satellite System（北斗）卫星导航定位系统（自主研发并且具有互动性与开放性优点）；统称为全球四大定位系统。这些全球定位系统可以保证在任意的时间和空间，不受天气的影响同步观测到 4 颗卫星以及 4 颗以上，这样就可以在定位、导航、授时等方面得到很大的便捷。现今广泛应用于航海作业、航空业、车辆定位、以及国家军事安全的引导等，为个人出行提供安全可靠的路线，同时被广泛的应用还有手机追踪等。1.2 选题目的正是由于 GPS 技术所具有的不受任何天气影响、高精度和无需人工测量等的特点。伴随着冷战结束和经济全球化的飞跃发展，从美国政府宣布取消 SA 政策开始，全球加大了 GPS 在民用信号精度
4、的重视，国防建设、社会发展与国民经济建设的各个应用领域基本上都涉及甚至大力使用这项先进技术。同时利用 C/A 码进行单个点定位的精度由 100 米提高到将近 20 米，这将进一步推动 GPS 技术的应用。据有关数据显示， 汽车 GPS 导航系统无论在国外还是国内，利用率越来越高，带动了一定程度上的经济发展。可见，开发属于中国本土的定位系统不容克缓，也对北斗卫星系统提出了挑战和巨大的机遇。 2. 卫星定位原理2.1 理论模型2图 2-1 卫星定位原理图美国、俄罗斯、欧盟、等国家大部分采用 WGS -84 地心坐标定位体系。该坐标的中心原点定在地球质心处，并且以该中心原点为基础所建立的空间直角坐标
5、系中以 Z 轴的指向 BIH 1984.O 定义的协议。地球极（CTP)方向，BIH 1984.0 中的本初零子午面 和 CTP 赤道中为 X 轴指向，其中由三个坐标点所构成的三个交点 Y 轴与 Z 轴 X 轴互相垂直，并构成 右手坐标系。通过在地球上方的太空定位卫星为基础而建立的坐标参考系统系统。该坐标体系最开始投入实际应用的时候，所能提供的最高分辨率为 1-2m，到了 1994.1.2，通过不断的完善与升级增加了 10 个卫星观测站为基础的 GPS，从而得到了 G730 体系也就是后来所使用的 WGS84 升级，到了 1996 年的时候，由美国的的国家防卫部门National Imager
6、y and Mapping Agency (NIMA)在原有的坐标系统上修改并通过 (U.S.Departemt of Defense, DoD)建立了一个新的参考坐标体系。GPS 的卫星所测量到的数据时以 G 来表示，而 730 一般是表示在卫星发送时所接收到的第 730 个观测周期 GPS 所用的时间。这样就由原来的 WGS 的老版本号升级打造了定位精度更高的 WGS（G873 ）的版本。USNO 和北京站的坐标加入修正了之前的版本提高了改正值是其主要原因，改正了以东向为基础的 31-39cm，修改值保持在 1min 之间。为卫星定位提供了基础，北斗卫星定位采用的也是这种坐标系，不过后期国
7、内也建立了属于中国的坐标系大同小异如图2-2 所示。图 2-2 WGS-84 坐标系3由空间解析几何可知，在一个三维直角坐标系中，任何一个点的位置都可以通过建立起来的三个坐标 X、Y、Z 来得到确定。在理想情况下，当我们通过计算只要获取在空间上的 X、Y、Z 三个坐标值的数据之后，空间上的任意一点我们通过坐标计算即可获取准确的数据。但在卫星传输信号的过程中，只获取 A、B、C 三点的数据是不够的， 由于电离层等多种因素干扰，当测得某一点与这三点的距离时，需要重新引入一个新的变量 t，通过 t 变量重新建立起一个三元方程组，通过几何解析知识可获得该点与 X、Y、Z 坐标数据，该空间上的某点就可以
8、通过计算获取具体位置。北斗的设计主要是基于这个原理，在某个时刻太空中的卫星位置都是确定的，只要根据用户在地球上的任何地方都能看到至少三颗卫星，并且能够测得用户和它们的距离，就可以通过以上方法接触自身的具体坐标，不过这是需要在太空中建立卫星网络，合理化设计卫星轨道分布。具体分布和计算如图 2-3 所示：图 2-3 空间几何计算方法3. 设计总体方案3.1 系统框图系统拓扑结构如图 3-1 所示M C U北斗接收模块 L C D 1 2 8 6 液晶显示P C 机电源系统4图 3-1 系统框图本设计主要有四大部分组成；电源系统,北斗接收模块，人机显示，PC 机部分。3.2 电源部分电源采用 USB
9、 接口供电，单片机控制部分同样也是+5V 供电，俩个模块同时采用与一个供电系统，节约了成本，也给设计电路带来了方便。同时也方便安装于行程记录仪，电脑接口，以及各种 IPAD电器接口等。采用+5V 供电，同时输入+5v，UM220-III-3 采用 3.7V 供电，通过板子上的 LM317 稳压芯片进行供电。3.3 北斗模块功能介绍：本设计采用由 2014 年和星通科技（北京）有限公司发布的北斗三代。该公司设计的UM220-III-N 是一款北斗/GPS 双模式系统的模块，主要运用于车辆行驶导航、给与一定时间反馈信号及其监控功能，对手持通信可便捷携带的设备等也具有一定程度上的使用率。升级之后的
10、UM220 系列模块的第三代是 UM220-III 采用的芯片是采用的是自主开发的 GNSSSoC 芯片(HumbirdTM)。该芯片的最大特点是尺寸非常小，目前是国内市场上完全国产化的北斗卫星数据接收模块，它的优点在于功耗更低于其它同类产品、长时间工作、价格低、集成度更高等。相对来说对于要求精小尺寸和节能环保方面的应用更大更广。UM220-III-N 的模块如图 3-3:图 3-3 北斗模块UM220-III 模块采用卡尔曼滤波等优化算法以及 GNS 多个系统的融合，可以胜任各种复杂环境，变现出出色的捕获与踪能力以及非常可靠的连续定位结果。UM220-III 经过 1 万小时以上的实验室条件
11、测试和实际道路测试，超过 1 万公里实际道路验证，为用户提供一流的安全的舒适的导航、定位体验。UM220-III 可以提供高精确度的 1PPS 输出，授时精度，优于 20ns。支持单星授时，可由用户任意配置授时模式。具有人性化的设计。完全满足电力同步、电信基站等精密授时应用场合。尺寸小、重量超轻巧低功耗（小于 120mW），无论是单系统单独定位还是多系统联合定位灵敏度都是很高的。设计 UM220-III 模块采用和星通 Ultra-Sense 高灵敏度设计，并且能够在弱信号条件下提供优异的捕获、跟踪灵敏度，以及保持接收机定位始终保持在连续性和可靠性。RhythmSleep 超低功耗设计，主要通
12、过动态调整工作状态进行部分休眠，确保在不需要运行的部分可以休眠，需要运行的模块以超低功耗运行，适于对供电要求严格的便携移动终端的应用。兼容主流 GPS 模块，节省替换成本。UM220-III 模块几乎兼容国际上的所有 GPS 模块，它的表贴封方式方便了原位替换 GPS 模块，在一定程度上节省用户设计、生产成本提高原有电路的利用性。3.4 显示部分方案一：采用传统七段 LED 数码显示，优点是发光强，但功耗也大，电路复杂，而且显示的内容少效果不好。方案二：采用 LCD1602 较小型液晶屏显示，它的功耗非常低采用 2-3V 供电即可，可以适应较为艰苦的工作环境中抗干扰能力突出，且无需任何外围电路
13、驱动接口非常简单明了。但不够直观，只能5显示字符串，不能显示汉字以及描绘曲线等。方案三：本文采用具有 12864 像素点阵，同时带有 ST7500 汉字库的图形液晶显示模块显示。能够很出色的显示完整的 16*16 像素型的汉字字符，通过输入在内置中的 8192 个中文汉字（16X16 点阵），以及 128 个字符（8X16 点阵）组成的点阵显示。内部的 RAM（GDRAM ）可以直接与 CPU 接口相接无需外围电路辅助，提供多种界面供微机查询处理等。并行、串行同时都为 8 位数据的连接方式。具有多种辅助功能：如动态图像显示、画面的移位、以及光标的闪烁和睡眠待机等低功耗模式。 综合以上三种显示分
14、析得到结论：第三种方案更为适合。12864 外形如图 3-4 所示图 3-4 12864 外形图各引脚功能说明如图 3-56图 3-5读写时序如图 3-6 所示图 3-6 读写时序图3.5 控制部分在琳琅满目的 51 系列单片机中，国内 STC 公司所研发的 1T 增强系列更具有市场竞争力，因他不但和 MS-51 指令经过合适的内部资源按照用户需要的分配可以移植原来的控制需要操作的对象码等，并借助于非常大的 FLASH 的制造工艺具有大容量 RAM，本次设计采用的主要控制单元是近几年 STC较为成功与典型的的 1T 运行速度的 12C5A60S2 单片晶体控制单元，拥有 60K 的内部处理速度
15、FLASH ROM 工艺技术。这种的高科技水平技术给用户设计时的存储数据的单元在设置方式有快速的擦除数据、改变程序内容等优势，给使用的技术人员带来了在时间上与脑力上以及开发上的灵活应用。而且 STC 的单片机还可以支持 RS232 形式的串口程序录入方式等。很明显的可以看出，利用单片机作为控制单元给开发人员的同时带来了在烧录代码形式的方便并且在开发控制对象的时间也节约了许多。在安全方便，可以对开发者的代码进行程序加密和硬件保护等措施，又可以很好地保护了研发人员的的劳动成果。选用 STC12C5A602S 增强版单片机的理由：降低开发成本，方便时效可靠等，可以满足本论文设计要求。DIP 封装单片
16、机外形管脚如图 3-7 所示7图 3-7 DIP 封装单片机外形各引脚功能如图 3-8 所示：图 3-8 功能引脚图84. 硬件电路4.1 UM220-III-N 原理图如图 4-1图 4-1 UM220-III-N 原理图4.2 单片机及显示电路如图 4-2 所示图 4-2 单片机及显示94.3 制作过程由于接收芯片采用的是表面贴装工艺，在焊接的时候不管是温度的控制还是焊接的时常都提出了较高的要求。因此本次焊接的工艺采用了热风枪焊接该芯片，在使用热风枪焊接工艺的时候要结合该芯片的电气规则进行操作。温度设置在 600-700C 之间，保持与焊接对象的距离在 1CM 左右，用镊子固定住，左右摇晃动作，时长 10S 左右。对于其他 DIP 封装形式的元器件采用烙铁进行安装，由于是纯手工制板，也给电路带了点问题，需要花时间检测每条电路节点是否正常。对于单片机晶体振荡器的安装也需要特别注意，由于布线等工艺问题，需要考虑到高频干扰或者来自外界的信息扰动等，采用补偿电容方式进行启动
