北斗/BDS精确授时定位系统
设计与应用
北斗手机号定位
电子与信息学院电子信息工程专业
118552014015      杨**    指导老师 ***
【摘要】目的：提取北斗卫星系统发送出的经纬度/时间/日期/海拔/时速/航速信息。方法：采用廉价并且满足要求的MCS-51单片机，通过电路转化成TTL电平供单片机处理，另一方面，通过将接收的信息，利用MAX232转化成串行数据、通过串口连接到PC机，在PC机上通过Unicore Control & Display软件查看并显示出的信息。结果：实现了以上信息的提取并显示并在PC机上显示数据，完成北斗定位模块的应用与研究。结论：在室内和室外定位的时间长短不一，越空旷的地带，提取定位信息速度越快，并且精度越高。
【关键词】GPS、BDS/北斗、定位、授时、海拔
1.前言
1.1选题背景
Global Positioning System即称为全球卫星定位系统，是采用卫星对某地球表面物进行准确定位的技术。到目前为止有美国的GPS全球定位系统（其优点为技术成熟定位精度高，目前主导着定位系统行业）；第二是俄罗斯的CLONSS（格洛纳斯系统）全球卫星导航系统（抗干扰能力极强）；第三是欧洲Galileo satellite navigation system（伽利略）卫星定位系统（精确最高比CPS高10倍），第四就是由我国的BeiDou Navigation Satellite System（北斗）卫星导航定位系统（自主研发并且具有互动性与开放性优点）；统称为全球四大定位系统。这些全球定位系统可以保证在任意的时间和空间，不受天气的影响同步观测到4颗卫星以及4颗以上，这样就可以在定位、导航、授时等方面得到很大的便捷。现今广泛应用于航海作业、航空业、车辆定位、以及国家军事安全的引导等，为个人出行提供安全可靠的路线，同时被广泛的应用还有手机追踪等。
1.2选题目的
正是由于GPS技术所具有的不受任何天气影响、高精度和无需人工测量等的特点。伴随着冷战结束和经济全球化的飞跃发展，从美国政府宣布取消SA政策开始，全球加大了GPS在民用信号精度的重视，国防建设、社会发展与国民经济建设的各个应用领域基本上都涉及甚至大力使用这项先进技术。同时利用C/A码进行单个点定位的精度由100米提高到将近20米，这将进一步推动GPS技术的应用。据有关数据显示，汽车GPS导航系统无论在国外还是国内，利用率越来越高，带动了一定程度上的经济发展。可见，开发属于中国本土的定位系统不容克缓，也对北斗卫星系统提出了挑战和巨大的机遇。
2. 卫星定位原理
2.1 理论模型
图2-1 卫星定位原理图
美国、俄罗斯、欧盟、等国家大部分采用WGS -84地心坐标定位体系。该坐标的中心原点定在地球质心处，并且以该中心原点为基础所建立的空间直角坐标系中以Z轴的指向BIH 1984.O定义的协议。地球极（CTP)方向，BIH 1984.0中的本初零子午面和CTP赤道中为X轴指向，其中由三个坐标点所构成的三个交点Y轴与Z轴X轴互相垂直，并构成右手坐标系。通过在地球上方的太空定位卫星为基础而建立的坐标参考系统系统。该坐标体系最开始投入实际应用的时候，所能提供的最高分辨率为1-2m，到了1994.1.2，通过不断的完善与升级增加了10个卫星观测站为基础的GPS，从而得到了G730体系也就是后来所使用的WGS84升级，到了1996年的时候，由美国的的国家防卫部门National Imagery and Mapping Agency (NIMA)在原有的坐标系统上修改并通过(U.S.Departemt of Defense, DoD)建立了一个新的参考坐标体系。GPS的卫星所测量到的数据时以G来表示，而730一般是表示在卫星发送时所接收到的第730个观测周期GPS所用的时间。这样就由原来的WGS的老版本号升级打造了定位精度更高的WGS（G873）的版本。USNO和北京站的坐标加入修正了之前的版本提高了改正值是其主要原因，改正了以东向为基础的31-39cm，修改值保持在1min之间。为卫星定位提供了基础，北斗卫星定位采用的也是这种坐标系，不过后期国内也建立了属于中国的坐标系大同小异如图2-2所示。
图2-2 WGS-84坐标系
由空间解析几何可知，在一个三维直角坐标系中，任何一个点的位置都可以通过建立起来的三个坐标X、Y、Z来得到确定。在理想情况下，当我们通过计算只要获取在空间上的X、Y、Z三个坐标值的数据之后，空间上的任意一点我们通过坐标计算即可获取准确的数据。但在卫星传输信号的过程中，只获取A、B、C三点的数据是不够的，由于电离层等多种因素干扰，当测得某一点与这三点的距离时，需要重新引入一个新的变量t，通过t变量重新建立起一个三元方程组，通过几何解析知识可获得该点与X、Y、Z坐标数据，该空间上的某点就可以通过计算获取具体位置。
北斗的设计主要是基于这个原理，在某个时刻太空中的卫星位置都是确定的，只要根据用户在地球上的任何地方都能看到至少三颗卫星，并且能够测得用户和它们的距离，就可以通过以上方法接触自身的具体坐标，不过这是需要在太空中建立卫星网络，合理化设计卫星轨道分布。具体分布和计算如图2-3所示：
图2-3 空间几何计算方法
3. 设计总体方案
3.1系统框图
系统拓扑结构如图3-1所示
北斗接收模块LCD1286液晶显示
MCU
PC机
电源系统
图3-1系统框图
本设计主要有四大部分组成；电源系统，北斗接收模块，人机显示，PC机部分。
3.2 电源部分
电源采用USB接口供电，单片机控制部分同样也是+5V供电，俩个模块同时采用与一个供电系统，节约了成本，也给设计电路带来了方便。同时也方便安装于行程记录仪，电脑接口，以及各种IPAD电器接口等。采用+5V供电，同时输入+5v，UM220-III-3采用3.7V供电，通过板子上的LM317稳压芯片进行供电。
3.3北斗模块
功能介绍：本设计采用由2014年和星通科技（北京）有限公司发布的北斗三代。该公司设计的UM220-III-N是一款北斗/GPS双模式系统的模块，主要运用于车辆行驶导航、给与一定时间反馈信号及其监控功能，对手持通信可便捷携带的设备等也具有一定程度上的使用率。升级之后的UM220系列模块的第三代是UM220-III采用的芯片是采用的是自主开发的GNSSSoC芯片——(HumbirdTM)。该芯片的最大特点是尺寸非常小，目前是国内市场上完全国产化的北斗卫星数据接收模块，它的优点在于功耗更低于其它同类产品、长时间工作、价格低、集成度更高等。相对来说对于要求精小尺寸和节能环保方面的应用更大更广。UM220-III-N的模块如图3-3:
图3-3 北斗模块
UM220-III模块采用卡尔曼滤波等优化算法以及GNS多个系统的融合，可以胜任各种复杂环境，变现出出的捕获与踪能力以及非常可靠的连续定位结果。UM220-III经过1万小时以上的实验室条件测试和实际道路测试，超过1万公里实际道路验证，为用户提供一流的安全的舒适的导航、定位体验。UM220-III可以提供高精确度的1PPS 输出，授时精度，优于20ns。支持单星授时，可由用户任意配置授时模式。具有人性化的设计。完全满足电力同步、电信等精密授时应用场合。尺寸小、重量超轻巧低功耗（小于120mW），无论是单系统单独定位还是多系统联合定位灵敏度都是很高的。设计UM220-III 模块
采用和星通Ultra-Sense 高灵敏度设计，并且能够在弱信号条件下提供优异的捕获、跟踪灵敏度，以及保持接收机定位始终保持在连续性和可靠性。Rhythm•Sleep超低功耗设计，主要通过动态调整工作状态进行部分休眠，确保在不需要运行的部分可以休眠，需要运行的模块以超低功耗运行，适于对供电要求严格的便携移动终端的应用。兼容主流GPS模块，节省替换成本。UM220-III模块几乎兼容国际上的所有GPS模块，它的表贴封方式方便了原位替换GPS模块，在一定程度上节省用户设计、生产成本提高原有电路的利用性。
3.4显示部分
方案一：采用传统七段LED数码显示，优点是发光强，但功耗也大，电路复杂，而且显示的内容少效果不好。
方案二：采用LCD1602较小型液晶屏显示，它的功耗非常低采用2-3V供电即可，可以适应较为艰苦的工作环境中抗干扰能力突出，且无需任何外围电路驱动接口非常简单明了。但不够直观，只能显示字符串，不能显示汉字以及描绘曲线等。
方案三：本文采用具有128×64像素点阵，同时带有ST7500汉字库的图形液晶显示模块显示。能够很出的显示完整的16*16像素型的汉字字符，通过输入在内置中的8192个中文汉字（16X16点阵），以及128个字符（8X16点阵）组成的点阵显示。内部的RAM（GDRAM）可以直接与CPU接口相接无需外围
电路辅助，提供多种界面供微机查询处理等。并行、串行同时都为8位数据的连接方式。具有多种辅助功能：如动态图像显示、画面的移位、以及光标的闪烁和睡眠待机等低功耗模式。
综合以上三种显示分析得到结论：第三种方案更为适合。12864外形如图3-4所示
图3-4 12864外形图
各引脚功能说明如图3-5
图3-5