1、 本 科 毕 业 设 计RTK GPS 板卡驱动电路设计与开发摘 要自从GPS问世以来，就以其高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉吸引了全世界许多用户。目前，国内GPS应用发展势头迅猛，短短几年间，GPS在我国的应用已经从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域，GPS的广泛应用改变了人们的工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济效益，具有广阔的应用前景。Trimble BD970 GNSS接收模块作为在GNSS 领域的 Trimble公司最新技术，应用于装备原始设备制造商和系统集成，是一款紧凑型的多星座模块，专为满足各种精确到厘米级的定位精度应用需求而设计。本文阐述了能够测试T
2、rimble BD970 GNSS接收模块的功能的驱动电路板的设计原理。此驱动电路板主要由电源模块，串口通信模块和LED 提示模块组成。通过此驱动电路板，能够实现上位机与Trimble BD970 GNSS接收模块的通信，对Trimble BD970 GNSS接收模块的定位输出、差分输入、LED指示等功能进行方便测试。关键词：GPS GNSS 驱动电路 功能测试The Driver Circuit Design Of Trimble BD970 GNSS Receiver ModuleYang Lijian（College of Science, South China Agricultura
3、l University， Guangzhou 510642，China）Abstract:Since the advent of GPS, with its high precision, all-weather, global coverage, convenient and flexible and the high quality and low price to attract many users around the world. At present, the domestic GPS application development momentum is swift and
4、violent, in just a few years, the applications of GPS in our country have from a small number of scientific research units and military departments quickly spread to the civilian sector, GPS is widely used to change the way people work, improve work efficiency, brought huge economic benefits, has br
5、oad application prospects. Trimble BD970 GNSS receiver module as Trimble refused company the latest technology in the field of GNSS, applied to original equipment manufacturers and system integration equipment, is a more compact constellation modules, designed to meet all kinds of precise positionin
6、g to the centimeter level accuracy application requirements and design.It is expounded in this article to test Trimble BD970 GNSS receiver module function of the drive backplane design principle of the drive plate is mainly composed of power supply module, serial communication module and LED prompt
7、module through the drive plate, can realize the upper machine with Trimble BD970 GNSS receiver module of communication, the Trimble BD970 GNSS receiver module positioning output differential input LED indicator functions such as convenient to test.Key words:GPS GNSS Drive Circuit Functional TestI目 录
8、1 前言 .11.1 全球定位系统系统简介 .11.2 国外其他全球定位系统简介 .21.2.1 格洛纳斯全球导航卫星系统 .21.2.2 伽利略卫星定位系统 .31.3 中国北斗卫星导航定位系统 .31.4 GPS 产品的应用现状 .51.4.1 GPS 芯片组的应用现状 .51.4.2 GPS 模块的应用现状 .61.4.3 GPS 接收机的应用现状 .62 Trimble BD970 GNSS 接收模块的功能与硬件接口 .82.1 Trimble BD970 GNSS 接收模块的定位规格 .92.2 Trimble BD970 GNSS 接收模块各排针功能 .92.3 NMEA-0183
9、 标准协议简介 .113 驱动电路设计理论分析及元件选择 .113.1 驱动电路排座接口 .123.2 电源模块 .133.2.1 220V 转换 5V 电路 .133.2.2 9V 转换 3.3V 电路 .143.3 串口通信电路 .153.4 LED 驱动支持电路 .164 驱动电路板制作与测试分析 .174.1 电路板焊接 .184.2 电路板调试 .194.3 电路板测试与分析 .195 结论 .20参考文献 .21附录 .22致谢 .24II华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表11 前言随着航天技术和电子技术的发展，卫星定位技术的应用越来越广。大到国土面积的测量，小到汽车行驶时的导航
10、，卫星定位都能为我们提供便捷，精确的服务。与此同时，卫星定位系统的市场上也出现了“一超多强”的局面。除了美国的全球定位系统外，多个卫星定位系统也迅速崛起，如俄罗斯的格洛纳斯全球卫星导航系统，欧盟的伽利略卫星定位系统以及中国的北斗卫星导航定位系统。1.1 全球定位系统系统简介全球定位系统（Global Positioning System，通常简称 GPS）是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。该系统的组成包括太空中的 24 颗 GPS 卫星；地面上的 1 个主控站、3个数据注入站和 5 个监测站及作为用户端的 GPS 接
11、收机。GPS 卫星高度为 20200km，卫星运行周期为 11 小时 58 分。GPS 卫星在轨重量一般为 843.68kg，设计寿命七年半，依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电。卫星有 12 根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为 30 度的电磁波束，并由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整。卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫星天线始终对准地心。过天顶的卫星可见时间为 5 小时，在地表任意地点及任何时刻，在高度角 15 度以上，平均可同时观测到 6 颗卫星，最多可达 9 颗卫星，但随着第三代 GPS 卫星的发射，可观测到的卫星个数大大增多。在使用中，最少只需其中 4 颗卫星，就能迅速确定用
12、户端在地球上所处的位置及海拔高度。GPS 接收机所能连接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。GPS 系统是由美国政府于 20 世纪 70 年代开始进行研制于 1994 年全面建成。使用者只需拥有 GPS 接收机，无需另外付费。GPS 信号分为民用的标准定位服务（sps,standard positioning service)和军规的精密定位服务（ pss,precise positioning service)两类。民用讯号中加有误差，其最终定位精确度大概在 100 米左右；军规的精度在十米以下。2000 年以后，克林顿政府决定取消对民用信号所加的误差。因此，现在民用GPS 也可以达到十
13、米左右的定位精度。GPS 系统拥有如下多种优点：全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖（高达98%）；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；2不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。GPS 计划实施分为三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从 1973 年到 1979 年，共发射了 4 颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从 1979 年到 1984 年，又陆续发射了 7 颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS 定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶
14、段。1989 年 2 月 4 日第一颗 GPS 工作卫星发射成功，表明GPS 系统进入工程建设阶段。1993 年底实用的 GPS 网即（21+3 ）GPS 星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。同时，为了改进 GPS 系统，美国计划并发射了第三代 GPS 卫星。表 1 GPS 卫星的发展概况卫星类型 卫星数量/颗 发射时间/年 用途第一代 Block I II 19781985 试验 -第二代 Block II,IIA 28 19891996 正式工作第三代 Block IIR,IIF 33 19972010 改进 GPS 系统1.2 国外其他全球定位系统简介1.2.1 格洛纳斯全球导航
15、卫星系统GLONASS 是 GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从 80 年代初开始建设的与美国 GPS 系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。 GLONASS 系统的卫星星座由 24 颗卫星组成，均匀分布在 3 个近圆形的轨道平面上，每个轨道面 8 颗卫星，轨道高度 19100 公里，运行周期 11 小时 15 分，轨道倾角64.8。GLONASS 与 GPS 有许多不同之处：一是卫星发射频率不同。GPS 的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方
16、式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。而 GLONASS 采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。由于卫星发射的载波频率不同，3GLONASS 可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。二是坐标系不同。GPS 使用世界大地坐标系（WGS-84），而 GLONASS 使用前苏联地心坐标系（PE-90）。三是时间标准不同。GPS 系统时与世界协调时相关联，而 GLONASS 则与莫斯科标准时相关联。1.2.2 伽利略卫星定位系统伽利略卫星定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲
17、版 GPS”之称，也是继美国现有的“全球定位系统”（GPS）及俄罗斯的 GLONASS 系统外，第三个可供民用的定位系统。伽利略系统的基本服务有导航、定位、授时；特殊服务有搜索与救援；扩展应用服务系统有在飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业。2010 年 1月 7 日，欧盟委员会称，欧盟的伽利略定位系统将从 2014 年起投入运营。该系统计划将由 32 颗中高度圆轨道卫星和 2 个地面控制中心组成，其中 27 颗卫星为工作卫星,3 颗为候补。卫星高度为 24126km，位于 3 个倾角为 56 度的轨道平面内，该系统除了 30 颗中高度圆轨道卫
18、星外，还有 2 个地面控制中心。当时预计系统于 2008年建成，总投资 36 亿欧元，以商业运营的模式全部民用。伽利略系统由空间段、地面段、用户三部分组成。空间段由分布在 3 个轨道上的 30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有 10 颗卫星，9 颗正常工作，1 颗运行备用；轨道面倾角 56 度。地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。用户端主要就是用户接收机及其等同产品，伽利略系统考虑将与 GPS、GLONASS 的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。1.3 中国北斗卫星导航定位系统北斗
19、卫星导航系统(英文简称“COMPASS ”，中文音译名称“BD ”或“Beidou”)是中国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。与美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略并称为全球四大卫星定位系统。2011 年 12 月 27 日，北斗卫星导航系统开始试运行服务。2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。4北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号的 2 代系统，由空间段，地面段，用户段三部分组成。空间段包括五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星
20、。地球静止轨道卫星分别位于东经 58.75 度、80 度、110.5 度、140 度和 160 度。非静止轨道卫星由 27 颗中圆轨道卫星和 3 颗同步轨道卫星组成。地面段包括主控站、卫星导航注入站和监测站等若干个地面站。 主控站主要任务是收集各个监测站段观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。 注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。 监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星段跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。用户段包括北斗系统用户终端以及与其他卫星
21、导航系统兼容的终端。系统采用卫星无线电测定（RDSS）与卫星无线电导航（RNSS ）集成体制，既能像GPS、GLONASS、GALILEO 系统一样，为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告以及短报文通信功能。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度 10 米，测速精度 0.2 米/秒，授时精度 10 纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。与 GPS 全球定位系统、GLONASS 格洛纳斯全球导航卫星系统、 GAL
22、ILEO 伽利略卫星定位系统对比，北斗卫星导航系统有多个系统优势：（1）混合轨道北斗导航轨道是个特殊的混合轨道，可提供更多的可见卫星的数目，卫星一多，导航定位的精度就越高，能支持更长的连续观测的时间和更高精度的导航数据。北斗卫星导航系统开放服务可以向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度 10 米，测速精度 0.2 米/秒，授时精度 10 纳秒。（2）通讯功能北斗卫星导航系统和美国 GPS、俄罗斯 GLONASS 相比，增加了通讯功能，一次可传送多达 120 个汉字的信息。5（3）位置报告用户与用户之间可以实现数据交换。到了信息中心，可以自动算出发射时间和位置，信息量比 GPS 更多。（4
23、）模式兼容北斗全球定位系统功能具备与 GPS、GALILEO 广泛的互操作性。北斗多模用户机可以接收北斗、GPS、GALILEO 信号，并且实现多种原理的位置报告，稳定性更高。北斗卫星导航系统的主要用途有四个方面：（1）导航与通信的集成增强了导航能力和搜索救援能力，可实现用户信息共享和信息交换；（2）多系统兼容服务，可以实现公开服务相互兼容，必要时提供多系统监测信息和差分改正信息；（3）提供双向授时授权服务；（4）以双向伪距时间同步方法摆脱卫星时间同步与精密轨道之间的依赖关系。1.4 GPS 产品的应用现状1.4.1 GPS 芯片组的应用现状当前，完全掌握导航芯片组设计技术的国家很少，主要集中
24、在美国、日本、欧洲和俄罗斯。目前活跃在市场上的有数十家接收机或模块制造厂商，但真正具有导航芯片组设计制造能力的厂商却不多，如表 2 所示。主要有美国的 SiRF、Motolora、Trimble，欧洲的 Philips、Mitel，日本的 NEC、SONY 等公司。最早专做导航芯片组生意的公司是美国的 SiRF 技术公司，现在稳居龙头地位。表 2 GPS 芯片组研制厂商表厂商名称 产品类型 芯片型号SiRF 芯片/Star GRF2i/GPS2eMotolora 芯片模块 MMC2003/MC1504Trimble 芯片模块 -Philips 芯片 SAA1575/SA1570VLSI Solutions 芯片 -Mitel 芯片 GP4020/GP2015NEC 芯片 uPD77533/GP2015STMicro-electron 芯片/GiPSy ST20-GP6/STB5600
