基于AT89S52的GPS定位系统设计与研究

基于AT89S52的GPS定位系统设计与研究 绪论

某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时刻之差。所以时间间隔测量称为相对时间测量，而时刻测量相应地称为绝对时间测量。利用GPS进行精密的导航与测量，应尽可能获得高精度的时间信息。描述时间的系统有多种，与GPS定位相关的主要有恒心时、原子时和力学时3种。

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基于AT89S52的GPS定位系统设计与研究 GPS定位系统的组成

第二章 GPS定位系统的组成

全球定位系统（Global Positioning System）是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，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

整个系统的组成可用图1.0进行说明。 GPS卫星 GPS用户 设备 监测站 主控站 注入站 地面支持系统 图1.0 GPS系统的组成

2.1 卫星星座部分

2.1.1 卫星星座的构成

GPS的空间卫星星座由24颗卫星组成（其中，21颗为工作卫星，3颗为备用卫星）。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上均匀分布有4颗卫星，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55度，各轨道平面升交点的赤径相差60度。在相邻轨道上，卫星的生交距相差30度。轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11h58min（恒星时12h）,载波频率为1575.42MHz和1227.60MHz。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只不过每天提前4min。每颗卫星每天约有5h在地平线上，

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位于地平线上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。

GPS卫星空间的分布保障了地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测。由于GPS卫星是分布在20000多千米高空的运动载体，只能是在同一时间测定3个距离才能定位，要实现同步必须具有统一的时间基准，从解析几何角度出发，GPS定位包括确定一个点的三维坐标和实现同步的时间4个未知参数，因此必须测定到至少4颗卫星的距离才能定位。 2.1.2 GPS卫星及其功能

GPS卫星的主体呈圆柱形，每颗卫星装有4台高精度原子钟，这是卫星的核型设备，它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。

GPS卫星有如下基本功能：

1) 接受和存储有地面监控站发来的导航信息，接受并执行监控站的控制命令。 2) 借组与卫星上设有的微处理机进行必要的数据处理工作。 3) 通过星载的高精度铯原子钟和铷原子钟提供精密的时间标准 4) 向用户发送定位信息

5) 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星

2.2 地面监测部分

地面监测部分包括1个主控站、3个信息注入站和5个卫星监控站。5个监测站分别位于全球不同德位置（地点略）。监测站分别于注入站并置。地面监控部分的主要任务是：①监视卫星的运行；②确定GPS时间系统；③跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态；④向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。 2.2.1 监测站

现有的5个地面站均具有监测站的功能。监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内没有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各1台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状态。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并存储和传送到指控站，用以确定卫星的轨道参数。 2.2.2 主控站

主控站设在美国科罗拉多州斯平士(Springs)的联合空间执行中心(CSOC)。主控站除了对地面监控系统协调和管理外，其主要任务是：

1) 根据本站和其他监测站的所有观测资料，推算编制各卫星星历、卫星钟差和

大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。

2) 提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站

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的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。

3) 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。 4) 启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。 2.2.3 注入站

3个注入站分别设在印度洋，南大西洋和南太平洋。注入站的主要设备包括1太直径为3.6m的天线，1台C频段发射机和1台计算机。其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储器，每天注入3次～4次。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。

这里需要指出是分布在全球5个不同位置的整个GPS地面监测控制部分，除主控站外均无人职守。各站之间通过现代化的通信网络相互联系，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度自动化和标准化。

2.3 用户设备部分

用户设备通常称为GPS接收机，本设计主要是设计该部分，利用已经设计好的GPS接收模块接收卫星发送的定位信息，通过MCU处理显示定位信息。其GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源，是用户设备的核心部分，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经过简单数据处理而实现实时导航和定位；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。

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