1、第 1 页 共 39 页 舰船定位系统研究与设计摘要：GPS 技术自从被用于民用之后就在各行业中得到了广泛的应用，用途不同的 GPS 设备层出不穷。随着舰船的研制和发展，同时也相继配置与之配套的导航定位设备，每当舰船改型换代时，都要对导航定位系统(或设备)提出新的要求，促进导航定位系统迅速的发展。本课题选择 ARM9 平台为系统硬件基础，嵌入式 Linux 为软件设计平台，研究舰船 GPS 定位系统的嵌入式实现方案。本文在参阅了大量国内外相关资料的基础上，首先从 GPS 定位系统应用现状出发，阐述了课题研究意义和主要研究内容。然后介绍了 GPS 定位系统的组成和基本定位原理。接着，详细介绍了
2、GPS 定位系统硬件开发平台的搭建，包括开发板的系统资源和 GPS 模块性能指标。紧接着介绍了舰船 GPS 定位系统软件开发平台的搭建方法，分析了 Bootloader 的启动过程、嵌入式 Linux 的特点以及内核的移植创建过程，在完成上述工作之后，完成了舰船 GPS 定位数据的提取，制作了可用于舰船 GPS 定位的地图并编写图形软件，最后，将程序移植到开发板上运行及调试。在文章的最后，分析了系统的问题和不足，以及日后相应的改进工作。关键词:GPS，ARM9，嵌入式 Linux第 2 页 共 39 页 Research and Design of Ship Positioning Syste
3、mAbstract:Since GPS technology was used in civil use,it is wildly used in each vacation. A great variety of GPS equipments were designed. Along with the ships research and development, but also have configured ancillary navigation equipment, ship modification and updating of the time when every one
4、navigation system (or equipment) proposed new requirements, to promote the rapid navigation system development. The topic chosen for the system hardware platform based on ARM9 embedded Linux software design platform for the research ship in embedded GPS positioning system program.On the base of many
5、 reference books and papers，this thesis begins with thedevelopment and use of GPS，it describes and introduces the role and significance. Then it outlines the composition and principle of GPS.Following this,the thesisintroduces the building of hardware development platform， including the characterist
6、ic feature of arm development board.Then,it discusses how to build software platform，including how to replant embedded Linux system as GUI.At the end of the thesis,it elaborates on how to pick up the useful GPS positioning information, the method for matching map and positioning information. Summari
7、zes insufficient of the system design in this project and also gives some imaginations of working in the future at last.Keywords:GPS，ARM ，Embedded Linux1 引言第 3 页 共 39 页 1.1 课题研究的背景与意义1.1.1 GPS技术全球定位系统(GPS)是美国国防部研制的第二代卫星导航与定位系统。它能为全球的用户提供全天候、连续、实时的高精度位置、速度和时间信息。在信息需求日益增长的现代社会，GPS 由于能够全球覆盖、全天候、连续、实时提供
8、高精度三维位置、三维速度和时间信息的能力，在军事、民用方面都得到了越来越广泛的应用。GPS 卫星定位技术于上世纪 80 年代末引入中国，国内一些高校、科研院所及公司都展开了这方面的研究。 GPS 技术具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，己经融入了我国国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。目前主要在大地测量(测绘、勘探)、海上渔业、舰船航行和车辆定位监控等领域得到了比较广泛的应用。各种专用舰船、商用船只只要装上 GPS 接收设备，就可以在全球任何地点，进行定位和测速 【1】 。舰船根据船用 GPS 系统测得的相对地球速度和用水压计程仪测出相对水的速度，
9、可以直接算出海洋洋流速度，以保证舰船在适宜的洋流区航行。利用 GPS 的定位和测速信息，船只可始终沿大圆航线精确航行，以节省燃料和时间。目前，先进的船用 GPS 接收设备，含有一个在标准海图上投影显示的显示屏。这种使用方便的“微型海图”除了显示船位外，还能大大简化导航信息的输入和显示。所有航途基准点、危险点和其它重要标志都能用海图的游标迅速而简便地输入。此外，利用 GPS 接收设备，在狭窄航道和汇流区域，即使在雾天和黑夜能见度下降的情况下，实施海上交通管制，也能使碰撞减至最低限度。尤其是巨轮在港口航行或通过狭窄航道时，可通过差分 GPS 系统以满足相对航道中心高达 5 米的导航精度。美国海岸警
10、备队在圣马斯河进行了成功的实验，证明了在冰块将所有浮标和其他目视标志带走后，差分 GPS 系统能成功地引导舰船在冬季通过狭窄的航道。1.1.2 嵌入式技术嵌入式系统(EmbeddedSystem)定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，第 4 页 共 39 页 软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的实质是一种专用的控制特定设备或对象、完成特定任务的计算机系统。嵌入式技术的核心思想，是最大限度地对硬件和软件量身定做，以提高效率、性价比、实时性等。以生活中常见实例来讲，手机、数字视频设备等电子产品都可认为是一个嵌入式系统或其中以嵌入式
11、系统为重要核心，它们分别具有通信、视频处理方面的针对性功能。与通用计算机系统相比，嵌入式系统一般具有如下特点：(1)软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术和行业技术为一体；(2)需要操作系统支持，代码小，执行速度快；(3)专用紧凑，用途固定，成本敏感；(4)可靠性要求高；(5)多样性，应用广泛，种类繁多。基于 ARM 的舰船定位系统本身就是一个典型的嵌入式系统。研究这个舰船定位系统的设计和开发，就是要实现一个基于 ARM 的嵌入式系统，并且这个嵌入式系统可以实现舰船定位的功能。本舰船定位系统在众多嵌入式芯片中选择了 ARM 主要是由市场前景、开发难易、资金投入等多个方面全面权衡之后做出的选择。
12、当前，ARM 占据了 32 位嵌入式 CPU 市场 70%以上的份额，俨然成为 32 位嵌入式 CPU 的事实工业标准。ARM 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和 OEM 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的 ARM 相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM 很快成为许多全球性 RISC 标准的缔造者。目前，总共有 30 家半导体公司与 ARM 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括 Intel、IBM、LG 半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和 MRI等一系列知名公司。所以，在市场上关于 ARM 嵌入式开发的资料和参考设
13、计会更多、更加丰富，相应的系统开发的难度就会降低，产品研发的时间、人力、财力开销都会相应降低。另外，当前社会上实际产品设计中对 ARM 的应用也极为广泛，对基于 ARM 的第 5 页 共 39 页 嵌入式系统的学习有利于提升自己适应社会需求的能力，提升自己就业的竞争力，具有巨大的现实意义。1.2 国内外研究现状现在相位差分技术 【2】 的发展, 为舰船定位 【3】 测定开辟了新的途径。通过一个多天线系统,使用专用 GPS 接收机或带有载波相位输出的 GPS 接收机, 进行载彼相位差分测量, 以获得舰船的定位信息, 即利用 GPS 干涉技术来测定舰船的定位信息是 90 年代的最新成果。这种无码接
14、收的概念是 1978 年由麻省理工学院和美国宇航局首先提出来的, 后来相继出现了 Macrometer 和 Series 接收机。1988 年, 进行了实时低动态舰载GPS 干涉仪的试验, 开发了 GPS 干涉仪用作舰船定位测定和海上地球物理勘探。进人 90 年代, 许多公司推出了自己的舰船定位系统, 如 Ashtech 公司的 GG24 姿态/航向测定系统、Trimble 公司的 Tan Vector 姿态/位置测定系统和 Adroit 公司的 ADS 系统。它们在 m 级基线长度上定位测量的精度都在 1mrad 左右, 已能和一些惯性系统相媲美。在国内, GPS 定位测量系统的研究还处于起
15、步阶段, 许多单位已开展了大量的有关定位测量的技术研究, 而且军方也表示了相当浓厚的兴趣。东南大学、南京航空航天大学、海军工程大学和海军试验基地等高校和研究单位, 对 GPS 舰船定位系统在理论、模型和方法上进行了有益的尝试, 并作了一些卓有成效的工作, 但大都处于理论分析与论证阶段, 目前还没有研制出产品样机。纵观国内外的研究实验情况, 可以看出开发具有自主产权的 GPS 舰船定位系统, 实现 GPS 舰船定位测量国产化具有重要而深远的意义。1.3 发展趋势整个系统是一个基于 ARM9 的 S3C2440 的嵌入式应用系统，不论从功能、价格、还是前景这些方面来讲，都比目前投入广泛使用的其他基
16、于单片机技术或者基于其他嵌入式微处理器技术的系统有优势。由于现在所实现的系统是一个通用的开发平台，因此整个系统比较复杂。将来可以根据特定的应用，在现有系统上裁剪出一个小系统。电子地图设计是一项庞大的项目，同时在 Linux 下开发地理信息系统(GIS)也有一定难度，今后可以进一步完善电子地图设计。而 GPS 对人类活动影响极大，第 6 页 共 39 页 应用价值极高。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。将嵌入式 Linux 系统和 GPS 技术相结合，实时显示 GPS 信息。1.4 主要内容及章节安排本文在设计和调试嵌入式硬件系统、构建和调试Linux软件
17、平台、开发设计GPS接收驱动程序和定位系统应用程序的工作上，针对S3C2440的各类接口设计接口丰富的功能底板，在Linux操作系统下开发设计串口、LCD等驱动程序以满足系统需要,同时在Linux平台上开发设计图形模式的GPS定位系统，并以电子地图的位图形式显示定位信息和标定地理位置，在习惯上实现与个人电脑windows操作系统使用和设计风格相一致的简便操作。论文章节安排如下：第一章，引言；第二章，GPS定位技术的基本原理；第三章，系统设计综述；第四章，硬件系统设计；第五章，软件系统设计；第六章，结论；参考文献；致谢。1.5 小结本章主要介绍课题研究的背景与意义、国内外研究现状、发展趋势、课题
18、的研究的主要内容及论文的基本结构。第 7 页 共 39 页 2 GPS定位技术的基本原理本章简要介绍了 GPS 定位系统的组成、工作原理以及目前世界上几种重要的卫星定位系统。2.1 GPS定位系统的组成全球定位系统(GPS)由 3 个部分组成，即空间卫星星座、地面监控系统和用户接收设备。2.1.1 GPS空间星座GPS 系统星座由 24 颗卫星组成，工作卫星分布在 6 个轨道面内，每个轨道面内分布有 4 颗卫星。每个轨道面相对地球赤道面的倾角为 55 度，各个轨道面之间相距 60 度，轨道的平均高度为 20183 千米，卫星的运行周期为 11 小时 58 分钟。相同时刻位于地平线以上的卫星数目
19、随时间和地点而异，最少为 4 颗，最多为 n颗。GPS 卫星这样空间配置，保证了在地球上的任何地方、任何时刻均至少可以同时观测到 4 颗卫星。GPS 卫星的基本功能是:接收和储存有地面监控站发来的跟踪监测信息；在地面控制中心下指令，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星进行必要的数据处理工作；通过星载高精度铯钟提供精密的时间基准向用户广播信息。2.1.2 地面监控系统GPS 系统的地面监控系统由 1 个主控站、3 个注入站和 5 个监测站组成。出于战略的考虑，它们全部位于美国本土。地面监控系统的核心是主控站(MCS)，位于科罗拉多州空军基地。3 个注入站分别设在印度洋的迭戈加西亚、南太平洋的卡
20、瓦加兰、南大西洋的阿松森群岛。5 个监测站分别位于科罗拉多州、夏威夷、阿松森群岛、迭戈加西亚和卡瓦拉多。整个 GPS 地面监控部分，除主控站外均无人值守，各站之间用现代化的通信系统联系，各项工作高度自动化。主控站的主要任务是收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、环第 8 页 共 39 页 境要素等数据；计算每颗 GPS 卫星的星历和卫星钟差、时钟改正量、状态数据以及信号的大气层传播改正，并以一定形式编制成导航电文，传送到注入站；此外还控制和监测其余站的工作情况并调整卫星姿态和位置，检测和维护卫星健康，替换故障卫星 【4】 。注入站的作用是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、
21、钟差、导航电文和其他控制指令注入到相应卫星的存储系统。它是以 10cm 波段的微波作为载波，每天至少上传两次导航信息。监测站的主要作用是在于对 GPS 卫星进行连续的观测，采集数据和监测卫星的工作状况，并收集当地的气候资料，然后把所有观测资料传送到主控站以确定卫星的精密轨道。2.1.3 用户接收设备用户接收设备主要是 GPS 接收机，它由无线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。GPS 接收机具有解码、分离出导航电文、进行相位和伪距测量的功能。在全球任何地方，只要能接收到 4 颗以上卫星，就可以实现测速、测时、计算接收机天线中心的三维坐标等功能。2.2 GPS定位原理2.2.1
22、 GPS定位方法利用 GPS 进行定位的方法有许多种，按照参考点的不同位置可分为绝对定位和相对定位两种。绝对定位，即在地球协议坐标系统中，确定观测站相对地球质心的位置，这时，可认为参考点和地球质心相重合。相对定位，即在地球协议坐标系统中，确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置 【5】 。按照用户接收机天线在测量中所处的状态，定位方法可分为静态定位和动态定位。GPS 卫星信号中包含有多种定位信息，根据需要的不同，可以从中获得不同的观测数据，其主要数据分别为根据载波相位观测得到的伪距，根据码相位观测的出的伪距，由积分多普勒计数得出的伪距差，由干涉法测量得出的时间延迟。目前广泛采用的观测参数主要为
23、码相位观测量和载波相位观测量。码相位观测，即测量 GPS 卫星发射的测距码信号(C/A 码或 P 码)到达用户接收机天线的传播时间，也称为时间延迟测量。载波相位观测，即测量接收机收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，它是目前最精确的观测第 9 页 共 39 页 方法。2.2.2 GPS定位原理GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图 2.1 所示，假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机，可以测定 GPS 信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确
24、定以下四个方程式10222111 1()()()()ttxyzcvd20222 2tt301333 3()()()()ttxyzcv40222444 4ttd卫星 1(,)xyz卫星 2(,)xyz卫星 3(,)xyz卫星 4(,)xyzZY(x,y,z)X图 2.1 GPS 定位原理上述四个方程式中待测点坐标 x、 y、 z 和 Vto 为未知参数,其中 di=cti (i=1、2、3、4)、di (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 到接收机之间的距离、ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4的信号到达接收机所经历的时间、c
25、 为 GPS 信号的传播速度（即光速） 。 四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 在 t 时刻的空间直第 10 页 共 39 页 角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto 为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 x、y、z 和接收机的钟差 Vto 。2.3 小结本章首先介绍了 GPS 的概念与组成，全面地阐述 GPS 各部分的功能，让读者有了大概的了解
26、；其次是详细论述 GPS 定位的基本原理及方法。 3 系统设计综述作为一个典型的嵌入式系统的设计，首先要确定设计的层次结构和开发方式。按照开发流程，具体工作的第一步需要完成系统硬件包括处理器、外围设备的选型；在此基础上，进一步完成操作系统的选择以及应用软件开发方式的确定；最后，为保证设计结果的正确性，有必要在设计开始之前总体上对设计的可行性进行考察。3.1 系统软硬件层次结构一般而言，一个典型嵌入式系统的体系结构主要可以分为四个部分：嵌入式处理器，嵌入式外围设备，嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。当然，由于嵌入式系统从根本上具有个性差异，其结构层次也不能一概而论。本设计采用如上所述的典型层次结构，如图 3.1 所示。
