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1、目 录一、设计题目1二、设计背景及意义1三、GPS简述23.1 GPS组成及工作原理23.2 GPS卫星信号特征与定位原理43.2.1 GPS卫星信号及美国的SA和AS政策43.2.2 GPS卫星定位的基本原理63.3 GPS定位的基本方法73.4 GIS简介84.1系统构成及原理94.2 方案介绍104.3 嵌入式处理器的选择114.4 嵌入式Linux操作系统124.5 GPS接收机的选择134.6 无线通信方式的选择14五、车载终端控制155.1 GPS定位模块15六、设计总结18七、设计心得18八、参考文献19一、设计题目 随着全球经济的迅猛发展，交通紧张问题日益严峻，为此提出了ITS
2、(智能交通系统)作为解决这一问题的全新方案。车辆导航监控系统是ITS的重要组成部分，本设计题目就是嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用，以 IlltelPXA255处理器为核心处理器，以嵌入式Linux系统为操作系统，结合USB摄像头，GPS接收机，CDMA无线传输模块等外设构建了基于嵌入式系统的多功能车载导航监控系统。二、设计背景及意义 自从二十世纪六、七十年代以来，随着交通需求的日益增大，交通与环境、交通与能源之间的矛盾日益加剧。世界各国都存在不同程度的交通拥挤和堵塞的现象，交通事故与日俱增，环境污染越来越受到人们的关注，这些都严重影响着社会经济发展和人民生活，以前那种简单的交通控制技术已
3、经不能满足需求，交通事故和堵塞给人们带来了巨大的效率、能源和生命上的损失。21世纪人类正进入以计算机、网络、卫星通信为特征的信息社会，人员流动的日益频繁使得每个人对空间信息有了更多的依赖，尤其是在户外和移动过程中对地理信息的需求更加迫切。人们更加关心“当前我在哪里?”、“目的地在哪里?”、“如何到达?”等问题。随着我国国民经济的飞速发展，城市建设日新月异，但与此同时城市交通问题变的日益严重，己成为严重影响许多大中城市发展的重点问题之一，许多大中城市政府部门每年都要投入大量的人力、物力，用以改善和解决城市交通拥挤的问题。人民生活水平的不断提高，使得拥有私车的人的数量迅速增加，这不但加剧了城市道路
4、交通拥堵状况，同时也带来了车辆被盗事件的频发。在研究如何解决上述问题的过程中，ITS(智能交通系统)应运而生。它作为一种解决问题的全新方式在国内外迅速发展起来。ITS是一种综合性的网络，是一种实现地理信息获取、管理、可视化分析、输出等的高效手段。它与尖端科技领域的全球卫星定位技术(GPS)、通信技术、互联网技术以及其它应用领域有机结合，不仅为地理信息系统提供了良好的发展前景，同时也为这些应用领域提供了一套科学的解决应用问题的方法，不但可以提供全新、透明、可视、实时、互动、形象化的车辆跟踪、个人辅助导航等服务，而且提供车辆管理、行车路线调度、交通事故处理等辅助决策功能。车辆导航监控系统是ITS系
5、统的重要组成部分。它将卫星定位技术(GPS)，地理信息系统(GIS)以及现代通信技术融于一身。主要功能是将装有GPS接收机的移动载体的动态位置(经度、纬度、高度)、时间、状态等信息实时的通过无线网络链接到指挥控制中心，而后在具有强大地理信息处理和查询功能的电子地图上进行载体运动轨迹的显示，并能对载体的准确位置、速度、运动方向、车辆状态等基本信息进行监控和查询。电子地图数据库为车辆的监控管理提供了一个可视化的平台，GPS技术使车辆的实时定位成为可能，通信技术则在GIS和GPS之间架起了桥梁，使得远距离监控得以实现。车辆导航监控系统可以在GPS和GIS系统的协助下借用先进的通信工具，对车辆进行实时
6、路线监控，从而引导车辆避开拥塞路段提高道路交通通信能力，缓解交通拥挤和堵塞，使人们节约出行时间，减少开销。 综上所述，将GIS、GPS技术运用于我国的交通运输行业具有重要的现实意义。它既可以提高交通运输的安全性、可靠性，又能改善服务质量，提高运输管理水平，创造良好的社会效益和经济效益。三、GPS简述3.1 GPS组成及工作原理 GPS系统主要由三大部分组成，即空间卫星部分,地面监控部分以及用户接收部分。(l)空间部分 空间卫星部分由空间运行的多颗卫星按一定规则组成GPS卫星星座。GPS工作卫星共24颗，其中21颗卫星处于工作状态，3颗处于在轨备用状态，组成 (21+3)GPS工作卫星星座。GP
7、S卫星均匀分布在6个倾角为55。的轨道平面内，各轨道之间相距600，因此相邻两轨道之间的升交点赤经相差600。同一轨道面内相邻两卫星间升交距相差900，相邻两轨道面上的卫星升交角比较，东边比西边超过30度。GPS卫星的主要作用主要有以下三个方面: 1、接收地面注入站发送的导航电文和其它信号。 2、接收地面主控站的命令，修正其在轨道运行偏差及启用备件等。 3、连续的向广大用户发送GPS导航定位信号，并用电文的形式提供卫星自身的位置以及其它卫星的概略位置，以便用户接收使用。GPS卫星的定位精度与被观测卫星的分布位置有关。对于只能观测到4颗卫星的情况，因为在这一时间段内别无选择，其定位精度一般较差，
8、这个短暂的时间段称为“时间间隙段”。在时间间隙段内须用新型的GPS/GLONASS集成式接收机同时接收GPS信号和GLONASS信号才能消除“间隙段”的影响。“间隙段”仅出现在极少数地区，而广大范围内不会出现这种情况。(2)地面监控部分 监测站卫 星 注入站 主 控 站 计 算 机 中 心GPS卫星作为一种动态已知点，其“已知数据”为表述卫星运动及其轨道参数的“卫星星历”，不可能也无需在卫星上设置庞杂的机构去测算和编制，而是由地面监控站测算好后编成电文形式发送给卫星，再由卫星转发至地面用户。另外，卫星上各种设备是否工作正常，是否启用备件，卫星运行情况，是否需要纠正运行轨道以及使各卫星处于同一时
9、间标准一一GPS时间系统等，都需要由地面站来完成。GPS工作卫星的地面监测部分由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成。主控站的作用是数据收集、数据处理、监测协调、控制卫星。监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据。利用环境传感器测出当地的气象数据。然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态数据注入主控站，为主控站编算导航电文提供可靠的数据。注入站与监控站一样，是无人值守的工作站，设有3.66m抛物面天线。一台C波段发射机和一台电子计算机。其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。地面监控系
10、统工作程序如图1所示： 图1 监测系统工作流程图 (3)用户接收部分用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS信号接收机，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，解释出GPS卫星所发送的导航电文，实时的计算出观测站三维位置，甚至三维速度和时间。按用途的不同，GPS信号接收机可分为导航型、测地型和授时型三种。按携带形式的不同可分为袖珍式、背负式、车载式、机载式、弹载式和星载式。按
11、工作原理可分为码接收机和无码接收机，前者动态、静态定位都能用，后者只能用于静态定位。按使用载波频率的多少可分为单频接收机(用一个载波频率L;)和用两个载波频率(L，、LZ)的双频接收机，以双频接收机为精度定位的主要用机。对于车载型接收机，主要用于运动车辆的监控定位，可实时给出车辆的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为士25m，但其价格便宜，因而应用广泛。3.2 GPS卫星信号特征与定位原理3.2.1 GPS卫星信号及美国的SA和AS政策 GPS卫星播发的信号，包含载波信号、测距码、数据码等多种分量，它能满足多用户系统的导航、高精度定位的需要。GPS卫星信
12、号包含的载波、测距码(包含P码、C/A码)、数据码(导航电文、或称D码)都是在同一个基准频率f0=10.23MHz的控制下产生的。GPS使用的L段载波有两种不同的频率，它们的频率和波长分别为: L、载波:fl=154xfo=1575.42MHz，入=19.03cm L、载波:f2=120xf0=1227.60MHz，入=24.42em在载波L;上调制有C/A码、P码和数据码;在载波L:上只调制有P码和数据码。GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的，由于伪随机码只有1和0，两种状态。当码值取O时，对应的码状态为+1;而码值取1时，对应的码状态为-1 。载波和相应的码状态相乘后便实
13、现了载波的调制，此时码信号被加载到载波上，经过播发可供用户接收，GPS卫星的数据结构如图2所示。 图2 GPS卫星数据结构 GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码，均属于伪随机码 (PRN)，这种二进制的数码序列不仅具有良好的自相关特性，而且又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。P码常用于精密导航和定位。虽然P码的精度很高，但其结构不公开，专供美国军方特许用户使用，而C/A码的精度虽然较低，但码的结构是公开的，可供GPS接收机的广大用户使用。GPS信号的产生如图3所示。 图3 GPS信号产生原理图SA技术，即有选择可用性技术，它是人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，故意降低GPS定位精
14、度。使C/A码定位的精度由原来的20m降低到loom。As(Anti-Spoofing)技术即反电子欺诈技术，其目的是为防止敌方使用P码进行精密导航定位。SA和AS技术的使用将对定位产生很大影响:1、降低单点定位精度;2、降低长距离相对定位地精度;3、AS技术会对高精度相对定位数据处理、整周 未知数的确定带来不便。但鉴于GPS技术巨大的实用价值，美国将GPS向民用领域免费开放，同时于2000年5月1日起停止SA政策，即不再对民用定位码加入人为干扰，使民用定位精度大大提高。3.2.2 GPS卫星定位的基本原理 GPS卫星的定位原理是利用测绘学中的测距交会的原理确定点位。在绕地球运行的人造地球卫星
15、上装有无线电信号发射机，在接收机时钟的控制下，可以测定信号到达接收机的时间t，进而求出卫星和接收机之间的距离;从为各项改正数。但是，卫星上的原子钟和地面接收机的钟不会严格同步，假如卫星的钟差为ut，接收机的钟差为御，则由于卫星上的原子钟和地面上接收机的钟不同步对距离的影响为s。(式2.2)现在欲确定待定点P的位置，可以在该处安置一台GPS接收机。如果在某一时刻ti同时测得了4颗GPS卫星A、B、C、D的距离,则可列出4个观测方程为: 图4为GPS卫星定位的原理示意图。 图4 GPS卫星定位的原理示意图 由此可见GPS定位的实质就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知数据的起算数据，采取空间距离后方交会的方法，确定待定点的空间位置。利用GPS进行定位有多种方式，如果就用户接收机天线所处的状态而言，定位方式分为静态定位与动态定位，如果按参考点位置的不同，又分为单点定位和相对定位。(l)静态定位与动态定位 静态定位是指GPS接收机在进行定位时，待定点的位置相对其周围的点位置没有发生变化，其天线位置处于固定不
