毕业设计（论文）

基于GPS汽车导航接收系统的设计

目录

摘 要

近年来，随着高精度、低价格、实时、安全可靠的定位测量和授时方法的出现，全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)技术得到越来越多的应用。车载定位导航系统(Vehicle Location and Navigation System，简称(VLNS)，简而言之，就是利用现今普遍流行的全球定位系统(GPS)，对车体所在位置进行地理定位，并与地理信息系统GIS相结合，配合城市电子地图及主要交通公路电子地图，为司机提供实时行车导航信息的系统。

本论文首先介绍了全球定位系统的一般原理，定位系统的组成和特点，并对GPS的定位原理和系统的误差进行了详细的分析；对车载定位导航软硬件系统做了详细地阐述，重点设计和分析了信号接收模块，对接收过程中形成的误差进行了分析和改进；本设计的一个重要功能是利用电子地图的道路网，设计出合理的拓扑结构，并采用Dijkstra算法设计出一种最短路径的寻优方法。

关键词 GPS定位原理；接收机；误差；最短路径寻优

燕山大学本科生毕业设计（论文）

Abstract

In recent years, along with high accuracy, low price, real-time, safereliable localization survey and time service method appearance,global positioning system (Global Positioning System, is called GPS)the technology to obtain more and more many applications. Theautomobile is in the modern civilized society will relate the closestone kind of transportation vehicle with each person, will apply theglobal positioning system to the vehicles navigation becomes one ofglobal satellite positioning system application biggest potentialmarkets. The vehicle carries the positioning and navigation system (VehicleLocation and Navigation System, the abbreviation (VLNS), in brief, isuses the nowadays universal popular global positioning system (GPS),carries on the geography localization to the chassis in the position,and unifies with geographic information system GIS, coordinates thecity electron map and the main transportation road electron map,provides the real-time driving navigation information for the driverthe system.

The present paper first introduced the global positioning systemgeneral principle, the positioning system composition and thecharacteristic, and have carried on the detailed analysis to the GPSlocalization principle and the system error; Carried the localizationnavigation software and hardware system to the vehicle to do in detailelaborated that, designed and has analyzed the signal receive modulewith emphasis, formed the error to the receiving process in to carryon the analysis and the improvement; A this design important functionis uses the electronic map the road net, designs the reasonabletopology, and uses the Dijkstra algorithm to design one kind of mostshort-path to seek the superior method.

Keywords GPS principle Receiver Error Shortest Path Optimization

第1章 绪论

目 录

摘 要 ............................................................................................................. I Abstract ...................................................................................................... II

第1章 绪论 ................................................................................................ 2

1.1 课题背景 .......................................................................................... 2

1.2 开发车载定位导航系统的意义 ...................................................... 3

1.3 车载定位导航技术的发展状况 ...................................................... 3

1.3.1 GPS的发展状况......................................................................... 3

1.3.2 车载GPS的发展状况............................................................... 4

1.3.3 路径寻优的发展 ........................................................................ 4

1.4 本文主要的研究内容和具体工作 .................................................. 4

第2章 全球定位系统 ................................................................................ 5

2.1 全球定位系统 .................................................................................. 5

2.1.1 全球定位系统概述 .................................................................... 5

2.1.2 全球定位系统的组成 ................................................................ 5

2.1.3 GPS定位原理............................................................................. 6

2.1.4 GPS系统的特点......................................................................... 7

2.1.5 GPS系统的误差分析................................................................. 9

2.2本章小结 ......................................................................................... 10

第3章 汽车导航接收系统的设计方案 ................................................... 11

3.1 车载定位导航硬件系统概述 ......................................................... 11

3.1.1 车载定位导航系统的构成 ....................................................... 11

3.1.2 车载定位导航系统硬件整体结构 ........................................... 11

3.2 GPS接收机的选用 ........................................................... 12

3.2.1 GPS接收机的分类................................................................... 12

3.2.2 GARMIN GPS25LP接收机 ..................................................... 14

3.3 GPS接收机与PC机间的接口电路 ............................................... 16

3.4本章小结 ......................................................................................... 18

第4章 接收机与计算机间通讯的连接设计.......................................... 19

4.1车载定位导航系统概述 ................................................... 19

4.1.1车载定位导航系统主要特点 ................................................... 19

4.1.2车载定位导航系统软件整体结构 ........................................... 19

4.2 GPS接收机与车载计算机间的串行通讯 ...................................... 20

4.2.1接收机的语言—NMEA接收输出语句 .................................. 20

4.2.2串行通讯 ................................................................................... 20

4.2.3数据的截取 ............................................................................... 21

4.3本章小结 ......................................................................................... 21

第5章 定位导航系统的路径寻优控制 .................................................. 25

5.1 最短路径寻优 ................................................................................ 25

5.1.1 最短路径 .................................................................................. 25

5.1.2 最短路径算法 .......................................................................... 25

5.2 集成环境下的路径寻优 ................................................................ 28

5.2.1道路拓扑结构—数据存储结构表的设计 ............................... 28

5.2.2最短路径的实现 ....................................................................... 29

5.3本章小结 ......................................................................................... 35

结 论 .......................................................................................................... 37

参考文献 .................................................................................................... 39

附录 ............................................................................................................ 41

附录 ............................................................................................................ 46

附录 ............................................................................................................ 49

附录 ............................................................................................................ 55

致谢 ............................................................................................................ 61

第1章 绪论

1.1 课题背景

近年来，随着高精度、低价格、实时、安全可靠的定位测量和授时方法的出现，全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)技术得到越来越多的应用。特别是全球定位系统与地理信息系统(Geography InformationSystem，简称GIS)相结合的导航产品或系统，在世界范围内己成为发展热点。

21世纪，汽车是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具。据统计，仅几个发达国家的汽车保有量目前已达数千万辆。因此，将全球定位系统应用于车辆导航将成为未来20年中全球卫星定位系统应用的最大的潜在市场之一。在我国，仅特种车辆就有几十万辆，可以说，GPS导航定位在公路交通系统中的应用前景相当广阔。

车载定位导航系统(Vehicle Location and Navigation System，简称VLNS)，简而言之，就是利用现今普遍流行的全球定位系统(GPS)，对车体所在位置进行地理定位，并与地理信息系统GIS相结合，配合城市电子地图及主要交通车载自主定位导航系统(Automatic Vehicle Location and NavigationSystem，简称AV LNS)或称智能交通引导系统(Intelligent Transport RoutingSystem，简称ITRS )，是对车体进行自主定位的系统，是各种信息技术，包括卫星导航系统、数据通信、计算机、电子传感器以及软件开发等的综合系统。它也是驾车用户直接使用和操作的部分，是综合各种交通信息并以简单友好的方式向用户提供驾驶信息的关键设备。公路电子地图，为司机提供实时行车导航信息的系统。

该系统要求:

(1)具有快速的运算能力、显示画面有丰富的色彩、能提供语音信息、有大量数据的读取能力。

(2)具有接收GPS信号的定位功能(包括完成差分定位)，全天候为车辆提供位置信息，必要时还将使用惯性导航或采集车辆的速度和方向进行航位推算。

(3)具有丰富的软件，能向用户提供丰富的驾驶信息，如:最佳的行车路线、地理信息查询等。

第1章 绪论

(4)具有对车辆的控制功能并能采集车辆的行驶数据，控制车辆的电路、油路和动力等，保障车辆的安全、舒适、省力和防盗窃。

(5)适合于任何道路、任何天气下，从大型货车到高级轿车。

1.2 开发车载定位导航系统的意义

导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及个人(总称作运载体)安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。

根据导航台的位置来看，导航系统可分为:

(1)陆基导航系统:导航台位于陆地上，导航台与导航设备之间用无线电波联系。

(2)星基导航系统:导航台设在人造卫星上，以扩大覆盖范围。全球定位系统的出现，开创了人类导航技术的新时代。全球定位系统以其全天候、全球连续覆盖、导航定位精度高和速度快等诸多优点，使导航技术得到了广泛的发展。特别是把GPS定位的准确性与电子地图的直接性以及计算机的多媒体特性生动形象地结合在一起的车载定位导航系统的出现，使导航技术进入了一个全新的领域。配合电子地图，GPS的定位信息可以通过计算机在电子地图上实时、准确和形象的显示出来。不仅使人们知道自己所处的地理位置，还可以对自己所处的环境及各种所需的专项信息有进一步的了解，从而大大提高了导航的性能。

车载定位导航系统可以为车辆等交通工具提供实时具体的导航服务，是一种环保节能、信息化的高科技产品，因此，车载GPS导航系统的开发与应用对社会和经济发展具有重要的意义。

1.3 车载定位导航技术的发展状况

1.3.1 GPS的发展状况

80年代初，我国一些院校和科研单位开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。

80年代中期，我国开始引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统(双星定位系统)，生产导航型GPS接收机。据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约在4万台左右，

燕山大学本科生毕业设计（论文）

其中测量类约500-700台，航空类约几百台，航海类约3万多台，车载类数千台，而且以每年两万台的速度增加。这些数据都足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。

目前，陆海空的导航核导弹的制导、大地测量和工程测量的精密定位、时间的传递和速度的测量等，都应用了GPS技术。对于测绘领域，GPS卫星定位技术己经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定地球动态参数、高精度的海洋测绘、工程量测等。我国的《全球定位系统(GPS)测量规范》己于1992年10月1日起实施。

此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。GPS技术的应用正向更深层次发展。

目前，GPS的应用也将进入人们的日常生活。GPS信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地。例如，手表式的GPS接GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS就像移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。

1.3.2 车载GPS的发展状况

1.3.3 路径寻优的发展

1.4 本文主要的研究内容和具体工作

针对采用车载GPS接收机进行自主定位的车辆很少，且成本较高、定位精度不够等缺陷，本文提出了一套车载自主定位导航系统设计方案，旨在研究一套成本低的具有现代化、智能化的车载自主定位导航系统，实现了车载定位导航系统的多项功能。具体工作如下：

(1)设计GPS数据的接收和处理工作

采用全球定位系统对车体进行地理定位，必须能够实时将GPS数据的定位数据采集到车载计算机中，并进行数据处理，所以本文设计了一套软、

第1章 绪论

硬件设计方案实时地接收和处理GPS数据。

(2)GPS与GIS两系统的集成

车载定位导航系统是集GPS定位的准确性与电子地图的直接性以及计算机生动的多媒体特性于一体的系统，因此必须实现GPS与GIS两系统的数据通讯，本文选用了适当的方法将GPS与GIS两系统集成。GIS系统不在本文研究范围，请参照参考文献。

(3)最短路径寻优

车载定位导航系统的一个重要功能就是利用地理信息系统的空间优势快速生成通往目的地的最短行车路线，本文在集成后的车载定位导航系统道路网中，采用Dijkstra算法求出最短的行车路线，为司机行车提供了帮助。

第2章 全球定位系统

第2章 全球定位系统

2.1 全球定位系统

2.1.1 全球定位系统概述

全球定位系统(Global Positioning System——GPS)是具有在海、陆、空

进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

目前，全球定位系统己成为迄今最好的导航定位系统，随着GPS的不

断改进，硬、软件的不断完善，其应用领域正在不断地开拓。

2.1.2 全球定位系统的组成

GPS系统包括三大部分:

空间部分——GPS卫星星座

地面控制部分——地面监控系统

用户设备部分——GPS信号接收机

(1)GPS卫星星座:GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨

备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3) GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。

(2)地面监控系统:对于导航定位来说，GPS卫星是一动态己知点。星的

位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

5

燕山大学本科生毕业设计（论文）

(3)GPS信号接收机:GPS信号接收机的任务是: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，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

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大部分。GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。

2.1.3 GPS定位原理

GPS是一种利用时间测距的定位系统，其定位的基本原理如下:

图2-1地面点与卫星的几何关系

如图2-1所示，设用户地面点P到卫星Si的距离为dpi,如果卫星时钟

和接收机时钟完全同步，则有如下方程:

dpi= C(tpr-tsv)-CτA ( 2-1 )

式中: C ---光速，m/s

tpr---地面接收机的同步观测时刻，S

tsv---卫星Si的同步发射时刻，S

6

第2章 全球定位系统

τA---传播路径中的附加延时，S

实际上，卫星时钟和接收机不可能完全同步，所以，实际测出的距离

并非实际距离，称为伪距，记为ρpi，并且有:

ρpi = C(tpri-tsvi ) ( 2-2 )

式中: tpri---含钟差的地面接收机的观测时刻，S

tsvi---含钟差的卫星si的发射时刻，S

其中

tpri=tpr+δtpri (2-3)

tsvi=tsv +δtsvi (2-4)

式中: δtprit---地面接收机的钟差，S

δtsvi---卫星si发射时刻的钟差，S

则有:

ρpi=C(tpr-tsv)+ C (δtpri-δtsvi)

=dpi+CτA +C(δtpri-δtsvi)

=dpi+dpi (2-5)

式中: δdpi---测距误差

另一方面，接收机可以通过卫星星历解算出Si点的坐标(Xsi,Ysi,Zsi),

这里，设用户位置p点的坐标为(Xp,Yp,Zp)，则有:

dPi=(Xsi Xp)2 (Ysi Yp)2 (Zsi Zp)2 (2-6)

将式(2-6 )代入式(2-5) ρpi =(Xsi Xp)2 (Ysi Yp)2 (Zsi Zp)2+δdpi (2-7)

其中，Xp ，Yp，Zp和δdpi为未知数，因此，若同时观测到4颗不同

卫星到P点的伪距值ρpi(i =1,2,3,4)，根据式( 2-7 )导出的四个方程联立成方程组，即可求出各未知数，从而求出P点的坐标(Xp,Yp,Zp)。但是由于δdpi的随机性，为更准确的解算出P点的坐标，最好能够观测到4颗以上的GPS卫星的数据。

2.1.4 GPS系统的特点

GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应

用广泛等特点著称。

5

燕山大学本科生毕业设计（论文）

(1)定位精度高

应用实践己经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10 6,

100-500km内可达10 7,1000km可达10 9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解析平面位置误差小于1 mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长校差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。

(2)观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静

态定位，仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15Km以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

(3)测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可

节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

(4)抗干扰能力强

由于采用了伪随机噪声码技术，因而GPS的信号具有抗干扰能力强，

保密性好等特点。

(5)可提供三维坐标

经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确

测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

(6)操作简便

随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜”的

程度;接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。

(7)被动式全天候导航作业

用户只需装备接收机就可以接收信号进行导航，而无需发射任何信号，

因而隐蔽性能好，不易被发现。而且，目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

(8)功能多、应用广

目前，GPS系统应用领域正不断扩大，不仅可用于测量、导航，还可

以用于测时、测速等，测速的精度可达0.lm/s，测时的精度可达几十毫微秒。

8

第2章 全球定位系统

2.1.5 GPS系统的误差分析

GPS在定位过程中产生各种误差，这种误差按性质可分为系统误差和

偶然误差。系统误差从大小和危害性上来说都比偶然误差要大得多，但是系统误差是有规律可循的，可以采取一定的措施来加以消除。

影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类:

(1)与GPS卫星有关的因素

① SA：美国政府在GPS基准信号中加入高频抖动等方法，人为降低

普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

②卫星星历误差：在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所

需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异。星历误差的大小主要取决于卫星跟踪系统的质量。

③卫星钟差：卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS

标准时间之间的误差。由于卫星上的原子钟带来的误差主要表现为系统误差。

④卫星信号发射天线相位中心偏差：卫星信号发射天线相位中心偏差

是GPS卫星上信号发射天线标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

(2)与传播途径有关的因素

①电离层延迟：由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS

信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。

②对流层延迟：由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS

信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。’电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。

③多路径效应：由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的

卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，就是所谓的多路径效应。

(3)与接收机有关的因素

①接收机钟差：由于接收机中一般使用精度较低的石英钟，因而会产

生较大的时钟误差，接收机钟差就是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。

②接收机天线相位中心偏差：接收机天线相位中心偏差是GPS接收机

5

燕山大学本科生毕业设计（论文）

天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。

③接收机软件和硬件造成的误差：在进行GPS定位时，定位结果还会

受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

(4)其他因素

① GPS控制部分人为或计算机造成的影响：由于GPS控制部分的问题

或用户在进行数据处理时引入的误差等。

②数据处理软件的影响：数据处理软件算法不完善对定位结果的影响。

上述的各项误差对测距的影响可达数十米，有时甚至可超过百米，比

观测噪声大几个数量级。因此必须设法加以消除和削弱，才能提高定位精度。

消除和削弱这些误差的主要方法有:

(1)建立误差改正数模型

(2)求差法：利用误差在观测之间的相关性或定位结果之间的相关性，

安排适当的观测纲要和数据处理方法(如同步观测、相对定位等)，通过求差的方法来消除或大幅度的削弱其影响。

(3)选择较好的硬件和较好的观测条件：有的误差既不能采用求差的方

法来解决，也无法建立改正数模型(如多路径误差)，肖U弱它的唯一办法是选用较好的天线，仔细选择观测站的位置，并远离反射物和干扰源。

(4)差分法或软件修正法改善SA：在众多的误差源中，SA是美国为防

止未经许可的用户把GPS用于军事目的，采取了SA(Selective Availability)政策，人为地加入误差信号，故意降低定位精度。

为了克服SA粗码精度不够的问题，进一步提高GPS有两种办法:一种

是采用差分法，但这种方法系统硬件和软件均应投入。另一种是软件修正法，这种方法硬件不用投入，软件修正后的显示精度可达l0m。所以对GPS系统而言，一般采用软件修正法，既能满足要求，又能节省投资，是一种较好的选择。但对精度要求高的系统，软件修正法便不能胜任，只能采用差分法了。

2.2本章小结

本章简单介绍了GPS的概况、定位系统的组成和特点，并对GPS的定

位原理进行了详细的介绍，为以后的工作提供了理论基础。

10