基于单片机的GPS定位系统设计文献综述

本科毕业设计（文献综述）题目基于单片机的GPS定位系统设计姓名专业学号201指导教师信息工程学院二○一五年五月基于单片机的GPS定位系统设计文献综述前言GPS卫星导航定位技术于上世纪80年代末引入中国，目前主要在大地测量(测绘、勘探)、海上渔业和车辆定位监控等领域得到了比较广泛的应用。在全球GPS应用领域中，车辆应用所占的比重最大，目前约占总数的40％以上。1996～1997年间是GPS车辆跟踪系统市场的调整和充实时期。主要是公安、金融等部门利用其专用的常规无线电台(异频单工电台)通信系统和模拟集群系统，在全国三四十个城市建成了金融运钞车和公安交警车辆跟踪系统。1998～2000年GPS车辆跟踪系统市场出现了快速增长的势头。随着我国GSM数字移动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通信网络通过采用GSM公众网的短信息服务找到了新的出路，这对GPS车辆跟踪系统的发展起极大的促进作用[3]。我国现在拥有世界上最大潜力的卫星导航应用市场。经过十多年的发展，我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟，批量化用户群体正在逐步形成，已进入应用行业高速发展的时期。美国联邦通信委员会规定，到2005年美国95％的用户手机必须配有定位能力，2003年底前，95％的新手机有定位能力。而移动电话与GPS结合是最好的解决办法。目前，国际上一些主流手机制造商如诺基亚、爱立信和三星等已开始使用集成的GPS芯片，而日本的日本电信电话移动通信网公司、KDDI和美国的Sprint、Verizon、网信公司等电信运营商也已开始或计划提供基于GPS手机的位置服务[4]。1GPS定位研究的意义GPS（GlobalPositionSystem）是全球定位系统，具有全天候、高精度的特点，伴随着硬件配置的不断提高，应用领域也在不断的扩展，并逐步深入到了人们的日常生活中。GPS已经在经济、军事、科研和社会生活各领域得到了广泛应用，发挥着重要的作用。如在导航领域的一项新技术，GPS用卫星定位的全球定位系统。GPS最初由美国政府控制使用，是目前世界上最具权威性的导航系统。它由30个（4作为备份星）在轨道上运行的卫星。早期的GPS系统用来限制民用信号的，定位精度约100多米，在2000年的限制取消[2]。目前，GPS的民用信号的定位精度可以提供10多米。GPS可以在许多领域，如民用航空，车辆调度管理，整个陆地，海洋和空中导航范围内的深海运输，特别是在车辆定位和导航领域中使用，GPS全球卫星定位技术与了广泛的应用。随着应用领域的日益扩大，中国卫星导航仪的市场规模已从2000年的不到10亿元增长到了2009年的120亿元。发现准确的目的地及周边环境的LED的繁荣GPS导航产品市场需求。据有关统计，全国GPS导航设备普及率达到90%在欧美国家，日本更是超过95%。一个对3G应用与创新的专业观的调查显示，百分之17.79的受访者选择了3G网络视频对话，百分之15.34的受访者选择了GPS和地图搜索，在3G时代的到来，对GPS和电子地图的关注，足以显示其在日常生活中的重要性。[8]。2GPS定位国外市场的发展现状与趋势目前，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT经济新增长点。1主要应用领域(1)民用领域在定位导航方面，GPS的使用对象主要是汽车、船舶和飞机等运动物体。例如船舶远洋导航和进港引水，飞机航路引导和进场降落，汽车自主导航定位，地面车辆跟踪和城市智能交通管理等。此外，对于警察、消防及医疗等部门的紧急救援、追踪目标和个人旅游及野外探险的导引等，GPS都具有得天独厚的优势。在日常生活中，GPS还可用于人身受到攻击危险时的报警，特殊病人、少年儿童的监护与救助，生活中遇到各种困难时的求助等。使用时只需按动带有移动位置服务的GPS手机按钮，警务监控中心和急救中心在几秒钟内便可获知报警人的位置并提供及时的救助[6]。目前国际上具有代表性的GPS公司，主推测量仪器的有天宝公司、徕卡公司、诺华达公司和佳瓦特公司等，主推导航设备和GPSOEM板的有高明公司、麦哲伦公司、摩托罗拉公司、洛克韦尔公司和瑟孚科技公司等。(2)军事领域在军事领域，GPS也已从当初的为军舰、飞机、战车、地面作战人员等提供全天候、连续实时、高精度的定位导航，扩展到成为目前精确制导武器复合制导的一种重要技术手段。其工作原理是利用弹上安装的GPS接收机接收4颗以上导航卫星播发的信号来修正导弹的飞行路线，提高制导精度。区别于误差较大、精度较低的民用标准定位服务，军方使用的是精密定位服务。资料显示，未配置GPS制导系统之前，美军的“战斧”(BGM－109C)巡航导弹的圆概率误差约为9米，在其惯性＋地形匹配制导系统中加入GPS后，圆概率误差降至3米，制导精度大大提高[5]。2全球GPS产业的结构与现状GPS开始进入民用之后，使用者终端的GPS产品便成了当前GPS主要的市场内容。一般来说，GPS的使用者终端主要是指各种用途的GPS接收机，例如用于航空和航海的接收机、汽车导航设备、用于登山和休闲的手持式接收机等类型的终端产品，而一般手持式GPS产品的组成部分，就如同移动电话或个人数字助理(PDA)的结构一样，也包括了内部的天线、芯片组和电池等，以及外部的按键和LCD面板等相关零组件。目前全球GPS相关厂商的产品中又以GPS应用产品与内部的专用芯片组发展最受关注。截至去年，全球约有十余家生产GPS专用芯片的制造商，除了少数几家是以GPS芯片为主要产品的制造商，如瑟孚科技公司，其它则多为以通信芯片为主的制造商，如飞利浦、摩托罗拉和科胜讯等。据估计，到2006年GPS芯片的全球市场值将达50亿美元。从上世纪80年代初期第一个GPS商用产品出现至今，GPS产品重量从100磅(约为45千克)降为100克，而价格也从十几万美元降为现在的几百美元。目前全球GPS应用产品的制造商已超过30家以上，主要领导厂商有高明国际公司、麦哲伦公司和天宝导航有限公司等。天宝公司以生产系统端的GPS产品为主，从军用空军流量控制系统到航空用雷达系统皆在其营运范围之内。近年来，该公司进一步结合了无线通信的定位技术，例如与英飞凌公司合作开发用于无线通信系统端的FirstGPS架构与M－loc模块，以期在无线定位设备市场中抢占先机[6]。3全球GPS市场状况随着应用范围的扩展，GPS产品也逐渐成为全球无线通信终端市场一项重要的产品，推动GPS产品市场高度成长的主要因素是汽车导航系统和结合无线通信的GPS产品的普及化。根据市场研究公司ABI的报告，2001年，这两类产品在GPS应用产品市场的比率合计约为38.7％，到了2005年则将成长至53.6％，其它产品，如航空、航海、测量和农业等合起来仅占46.4％。不论是汽车导航系统或是GPS的通信应用产品，主要的区域市场都是在美、欧、日等三个地区。以汽车导航系统为例，由于电子地图与消费电子技术的高度发展，再加上智能型运输系统的成熟，使得日本成为目前全球汽车导航系统普及率与市场值最高的国家。2000年日本的汽车导航系统销售值约为670万美元，占全球市场的77.9％，而欧洲与北美分别仅占13.9％与6.9％。不过2004年后，随着汽车导航系统的日渐普及，欧洲与北美的市场将成长至710万美元与590万美元，各占市场比例的27％与22.5％，而日本市场则因为普及率高使成长率逐渐趋缓。目前已经推出整合无线通信与GPS解决方案的厂商有快速跟踪公司(SnapTrack)、瑟孚科技、天宝公司等，其中，又以快速跟踪公司与瑟孚科技两家发展较为积极，且已有移动通信运营者或手机制造厂即将采用这两家公司的解决方案。成立于1995年的快速跟踪公司是美国通信大厂高通公司的子公司，自成立以来即以GPS应用于无线通信的技术为发展重点，目前快速跟踪公司与高通公司合作采用结合手机端与系统端的混合式解决方案作为无线定位服务之用，在手机端部分，由内建于手机中的高通公司MSM3300芯片组将GPS专用的LNA、SAW、LCFilter以及GPSOne处理器等组件整合在一起，让手机得以具备接收卫星定位信号之功能，另一方面，则在系统端加装快速跟踪公司的MMASIC芯片组接收GPS信号，再由系统端发射定位信号至手机端[7]，以解决多路信号衰减的问题。目前与该公司有合作关系的公司包括摩托罗拉、日本NEC、日本电信电话移动通信网公司(NTTDoCoMo)和美国得州仪器公司等。瑟孚科技公司无线定位技术的解决方案与快速跟踪公司相似，也就是将其SiRFLoc架构装设在无线网络系统端，让无线基地台可以接收与传送卫星定位资料，另一方面则是将其SiRFstar芯片组嵌入手机的基频上，或是采用IP整合的方式将GPS接收机与手机芯片组整合为一。目前瑟孚科技公司在无线通信领域主要的合作伙伴有日本电信电话移动通信网公司、爱立信、诺基亚和信号软件公司等。虽然具有GPS定位功能的手机市场潜力颇为看好，就现阶段而言仍有几项障碍亟待克服：首先，不论手机采用的是内建GPS芯片或是用外接GPS模块作为解决方案，将无可避免地提高手机成本，也影响消费者购买的意愿；其次，GPS组件运作时将会大幅提高手机的耗电量；最后，目前具有提供整合GPS芯片与无线通信技术的公司仍屈指可数，且手机制造大厂是否愿意采用现有的解决方案，或是另外自行开发仍是未定之数[1]。通过近20年的发展，GPS产品已逐渐转变为消费电子产品，且所能应用的范围已扩展到日常生活中的通信、PDA、定位信息等。不过，以现阶段来看，由于GPS接收机的单芯片化技术、价格以及市场应用服务等仍未臻成熟，因此，在乐观地看待此市场发展时，诸如GPSIC设计的技术是否能达到手机或PDA所需的最小体积与耗电量、成本是否能降低以及内建GPS的新手机是否能引起消费者的青睐等问题，仍必须审慎地深入评估。3GPS定位在我国发展趋势随着我国经济的不断发展，特别是在加入WTO之后，完全可以相信，具有定位功能的GPS移动电话在中国将会有巨大的市场发展潜力，几年之后将超越车辆应用，成为GPS应用最大的领域。“联通无限”其中有一个功能是“定位之星”，它基于GPSOne，可提供目前移动通信领域精度最高、最直观的位置服务，取代短信获取位置信息的方式，用户通过手机或网上地图可实现精确到5米的定位。有了这个功能，从交警维持交通安全、公安破案、物流的传输到出租司机及时地掌握交通情况，甚至孩子迷失或家人晚归，都可以利用GPSOne提供的正确位置信息，获得其所在位置，极大地提高工作效率，为生活带来便捷。“定位之星”通过卫星传输信息，并经过中国联通GPSOne服务器，发送到用户手机上。一旦将GPS与无线通信和互联网结合起来，消费市场更将蓬勃发展。特别是便宜实用、能进入家庭以及与个人关系密切的商品在中国将会有市场，并大有可为。这方面的典型应用不少，如PDA、个人定位产品(如寻人器、引路仪、急救报警等)以及贵重物品追踪器和气象探空仪等[7]。国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。(1)以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。在GPS应用领域，车辆应用所占的比例较大。最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后，它就成了发展的方向。GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成。系统的工作原理是：安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道