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1、沈阳航空工业学院电子信息工程学院毕业设计（论文）第1章 课题来源及方案论证1.1 课题来源GPS通信定位系统目前广泛应用于航空、航天、军事、交通、地质勘探、安保跟踪等各种领域。如何有效利用GPS系统（未来我国的北斗系统）为国民经济建设服务，是我们重要的研究任务。 本毕业设计任务来源于“无人机编队飞行”课题，是其中的一个子课题。无人机在现代军事中有举足轻重的作用，无论是单机侦查还是编队飞行轰炸、喷洒农药，无人机都能出色的完成任务。但在高空飞行时由于气流等原因，会造成机翼倾斜，甚至坠机。为防止这类事件的发生，基于GPS的姿态测量系统的设计应运而生。任务要求为：通过安装在无人机上的GPS接收机（25
2、个），初步测量出无人机的飞行姿态，进行显示。1.2 方案设计1.2.1 GPS的基本原理概述GPS是一种精密的卫星导航系统。该系统由24颗绕地球旋转的卫星组成，卫星连续不断地发送位置和时间信息。这些卫星均匀地分布在6个轨道上，每个轨道有4 颗卫星。地面GPS接收机可接收5到12颗卫星信号。为实现地面定位功能，GPS接收机至少需要接收4个卫星信号，其中3个信号用来计算GPS接收机的纬度、经度和海拔高度，第四个信号提供同步时间校准。GPS系统主要分为三个部分：其一、卫星，在天上提供定位信息；其二、控制系统，在地面维护卫星的正常运转，保证卫星的健康状态；其三、接收机，一般用户所使用的部分。其定位原理
3、是将地球分为12个横切面，每个横切面上有两颗定位卫星，互成180的夹角，因而站在地球上的任一点，头顶上总有十二颗定位卫星。卫星与卫星之间的距离、坐标和角度是已知的，卫星和人之间的距离是可测量的，根据几何原理，通常接收机只要接到三颗卫星的信息便可确定二维坐标即经纬度，接收到四颗卫星的信息便可确定海拔高度。GPS可以输出实时定位数据让其他的设备使用，这就涉及到了数据交换协议NMEA 0183。它是一种航海、海运方面有关于数字信号传递的标准，此标准定义了电子信号所需要的传输协议，传输数据时间、并且指明了信息格式需要一个4800bps的串行数据接口。1.2.2 方案设计本方案是将2个GPS接收机分别安
4、装在无人机机身中心和某一机翼翼尖上，GPS输出的实时定位数据经单片机1解译并计算后，得到飞机机身中心和翼尖的海拔高度信息及飞机的姿态信息，这些信息通过无线传输系统发送到地面的单片机2，由单片机2控制飞行高度显示器和飞机姿态显示器进行输出显示。系统框图如图1所示。GPS接收机1GPS接收机2单片机1飞机姿态显示器飞行高度显示器单片机2无线传输系统无线传输系统图1 无人机姿态测量系统原理方框图但是由于实验条件和本人能力有限，系统中的无线传输部分不做讨论。故在上述实际系统的基础上设计实验方案为将两个GPS接收机分别安装在机身中心和某一机翼翼尖上，GPS输出的实时定位数据经单片机解译后，直接输出到飞行
5、高度显示器和飞机姿态显示器，对飞机的高度和姿态进行实时的显示，以验证姿态测量系统的功能。系统框图如图2所示。系统由GPS接收机、单片机、飞行高度显示器、飞机姿态显示器四个部分构成。飞行高度显示器是由数码管循环显示机身中心点的高度和翼尖高度。飞机姿态显示器是由一列水柱式发光二极管显示无人机机翼倾斜情况，即形象显示无人机飞行姿态，同时机翼的平衡、上倾、下倾三种状态由另外两个红、绿发光二极管显示。GPS接收机1GPS接收机2单片机飞机姿态显示器飞行高度显示器图2 无人机姿态测量实验系统原理方框图系统中单片机采用AT89S51，它是常见且性价比较高的单片机。单片机将安装在机身中心的GPS接收机1输出的
6、高度信息数据按照NMEA 0183协议解译后，由数码管输出显示高度信息。同时，单片机将安装在翼尖的GPS接收机2输出的高度信息数据解译后由数码管输出显示高度信息，并与GPS接收机1的输出数据进行比较，由水柱式发光二极管显示翼尖相对于机身中心的高度偏差值。另外，绿色的发光二极管点亮时代表飞机平衡，红色的发光二极管点亮代表所测机翼上倾，两个发光二极管均不亮代表所测机翼下倾，这样就为姿态遥控系统提供了姿态调整信号表1.1列出了水柱式发光二极管显示值和相对高度之间的对应关系及相应的姿态调整信号，其中，“1”表示发光二极管亮，机翼长度为60cm。表1.1发光二极管显示与对应高度关系及相应的姿态调整信号表
7、翼尖相对于机身中心点高度（cm）-60-40-200204060水柱式发光二极管显示00000001000000110000011100001111000111110011111101111111姿态调整信号红色发光二极管显示001绿色发光二极管显示0101.2.3 GPS接收机的选择论证GPS接收机是系统的关键部件，其性能直接影响系统的质量。由设计需要，在下列5种导航型接收机中做选择。1索佳 STRATUS 技术指标：静态测量精度：5mm+1ppm(平面)/10mm+2ppm(高程) 动态测量（走走停停）精度：12mm+2.5ppm(平面)/15mm+2.5ppm(高程)通道数：12 通道内
8、存：4 MB记录时间：55 小时（采样间隔 10 秒）通讯端口：电缆通讯、红外通讯尺寸：125mm155mm2NewStar220E 技术指标：垂直位置精度： 3.5米（1）通道数：并行16通道定位更新率：1Hz、4Hz垂直速度精度：0.15 米 / 秒（1）输出接口：2个RS232串口（TTL）或2个RS232串口（RS232C）可选工作电压：5VDC 10%3AG20-H技术指标垂直位置精度：10米通道数：并行12通道定位更新率：1Hz、5Hz、10Hz输出接口：2个标准串口（TTL电平或RS232电平）速度精度：0.1 米 / 秒工作电压：5VDC 10%4holux m-87技术指标定
9、位精度：3.0m (2dRMS)DGPS (WAAS，EGNOS，MSAS，RTCM)定位精度：2.5m(RMS)（典型）接口：两个CMOS/TTL串行口，其中一个串行输入作为差分输入（DGPS）提供修正量；一个NMEA 输出端口尺寸：25.4x25.4x3mm输入电压：3.5V5.0V，VBAT 3.05.0V结论：比较上述四种接收机，其输出接口、工作电压等技术指标基本相同，都符合设计需要，但鉴于无人机姿态测量的高度精度要求，故理论上应选择精度最好的索佳STRATUS GPS接收机。但由于实验经费限制，实验时选择holux m-87。第2章 系统硬件设计本章主要对实验系统的各部分硬件原理做简
10、要的介绍，并详细阐述系统各部分电路的设计与功能的实现。系统硬件包括GPS接收机、数据选择器、高度显示器及姿态显示器。其中，鉴于GPS接收机在本系统中的重要作用，对于GPS定位系统相关原理及应用做了比较详细的介绍。2.1 GPS的原理及应用2.1.1 GPS的构成GPS的全称：卫星测时测距导航全球定位系统 Navigation Satellite Time and Ranging/Global Positioning System。GPS由三部分构成：1. 空间部分GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾角为5
11、5。此外，还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码，一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz)；一组称为P 码(Procise Code 10123MHz)，P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。2. 地面控制部分地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面
12、控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。3. 用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星
13、的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。
14、地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。2.1.2 GPS的基本原理综述GPS定位系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的
15、时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码，每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与
