北斗卫星定位系统的研究

哈 尔 滨 理 工 大 学

毕 业 设 计

题 目：院、 系：姓 名：指导教师：系 主 任： 北斗定位系统研究 荣成学院 电气工程系 朱瑞锋 侯甲童 王哈力

2016年6月24日

北斗定位系统研究

摘 要

全球卫星导航系统已经成为重要的信息产业之一，越来越多的国家注意到其巨大的潜在价值。并成为衡量一个国家综合实力强弱的工具，成为各国研究的重点。

本设计主要对基于STC89C52单片机的北斗定位接收机的软硬件系统展开了研究。首先，研究了北斗导航系统的发展现状、原理和特点；其次，选用和芯星通的UM220-ⅢN芯片为北斗模块的核心芯片；然后，研究了接收机芯片的工作原理和特征，确定了北斗导航接收机的硬件和软件整体方案；最后，在此方案的基础上进行了软硬件的调试。本次设计的接收机首先通过北斗模块接收定位信息，然后发送给单片机进行信息处理，最终在显示模块显示且在语音模块播报。

本设计所做的北斗导航接收机实现了精准定位。可以用LCD12864显示经纬度、速度、时间、日期，并且用YS-M3语音播报模块播放经纬度。

关键词 卫星定位系统；北斗；STC89C52；UM220-ⅢN芯片

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The Research of Beidou Positioning System

Abstract

The global satellite navigation system has become one of the important information industry.More and more countries pay attention to its huge potential value.It has become the tool to measure a nation's comprehensive strength , and a focus of research.

In this design, the hardware and software system of the Beidou positioning receiver based on STC89C52 single chip microcomputer is studied. Firstly, the paper studies the development, principle and characteristic of the Beidou navigation system; secondly, choose the He Xin Xing Tong UM220- III N chip as the core chip of Beidou module; then, study the working principle and characteristics of the receiver chip, determine the Beidou navigation receiver hardware and software of the overall program; finally, on the basis of this scheme were the debugging of the hardware and software. The design of the receiver first through the Beidou module to receive positioning information, and then sent to the microcontroller for information processing, and finally in the display module display and broadcast in the voice module.

This design for the Beidou navigation receiver has realized the accurate positioning. It can be used LCD12864 display latitude and longitude, speed, time, date, and with YS-M3 speech module play the latitude and longitude.

Keywords Satellite positioning system; Beidou; STC89C52; UM220-ⅢN chip

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目 录

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

第1章 绪论 .......................................................................................................... 1 课题研究背景及意义 .................................................................................... 1 国内外发展现状 ............................................................................................ 1 国外发展现状 ............................................................................................ 1 国内发展现状 ............................................................................................ 2 本课题主要研究内容 .................................................................................... 3 第2章 北斗定位系统 .......................................................................................... 4 北斗定位系统概述 ........................................................................................ 4 北斗定位系统组成 .................................................................................... 4 北斗定位系统的定位原理 ........................................................................ 4 2.2 UM220-ⅢN模块 ....................................................................................... 5 2.2.1 UM220-ⅢN芯片介绍 ........................................................................ 5 2.2.2 UM220-ⅢN引脚功能描述 ................................................................ 6 2.2.3 UM220-ⅢN输出语句格式 ................................................................ 7 本章小结 ........................................................................................................ 8 第3章 总体方案设计 .......................................................................................... 9 单片机最小系统 ............................................................................................ 9 北斗定位模块电路 ...................................................................................... 10 液晶显示单元电路 ...................................................................................... 12 语音模块电路 .............................................................................................. 13 语音模块工作原理 .................................................................................. 13 语音模块工作模式 .................................................................................. 13 本章小结 ...................................................................................................... 14 第4章 定位系统软件设计 ................................................................................ 15 开发环境及软件方案设计 .......................................................................... 15 4.1.1 µVision4 ............................................................................................ 15 软件设计流程 .......................................................................................... 15 定位信息接收与处理 .................................................................................. 15 数据接收 .................................................................................................. 15 数据处理 .................................................................................................. 16 模块软件设计 .............................................................................................. 18 语音播报模块 .......................................................................................... 18

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液晶显示模块 .......................................................................................... 19 中断函数 .................................................................................................. 21 本章小结 ...................................................................................................... 21 第5章 系统调试与分析 .................................................................................... 22 系统调试 ...................................................................................................... 22 北斗模块调试 .......................................................................................... 22 软件调试 .................................................................................................. 24 结果分析 ...................................................................................................... 24 本章小结 ...................................................................................................... 26 结论 .................................................................................................................... 27 致谢 .................................................................................................................... 28 参考文献 ............................................................................................................ 29 附录A ................................................................................................................. 31 附录B ................................................................................................................. 33 附录C ................................................................................................................. 40

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

全球导航卫星系统〔Global Navigation Satelite System,GNSS〕是一种为人们提供全球、全时段高精度定位导航信息的卫星系统。作为一个国家的基础设施，GNSS标志着一个国家的综合实力，是保障国家安全、提高人民幸福指数的重要设施。

众所周知，20世纪70年代以来。以美国和苏联为首的各国认识到太空资源的重要性，相继启动各自的卫星导航计划。为紧随经济和科技迅速发展的步伐，我国于1980年开始创立一个独立的北斗卫星导航系统。

2003年，随着将第三颗北斗卫星顺利送入太空，我国组建了完整的卫星导航定位系统，可以确保全天候、全天时提供卫星导航通信信息。标志着继美国和前苏联后，我国成为世界上第三个建立了完善卫星导航系统的国家。改变了我国长期缺少高精度、实时定位的局面，填补了我国卫星导航定位系统的领域空白[1]。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

目前，世界上已建成的全球卫星导航体系有美国的“全球定位系统”〔GPS〕和俄罗斯的“格洛纳斯”〔GLONASS〕系统。而欧洲也正在抓紧建设“伽利略”〔Galileo〕系统[2]。

1995年4月27日，美国成功实现了GPS系统的完全组网运行。在空间部分，GPS的星座由24颗卫星组成，这24颗卫星等距地分布在6个近圆轨道上，每个轨道上有4颗卫星。接收部分由1个主控站和5个监控站组成。用户在同一时刻精准计算4颗卫星信号的传播时间，可得到高精度的三维定位数据。现役的第二代GPS卫星增加了星钟、星间链路和自主导航三大功能，大大增强了GPS的导航精度、GPS系统的生存能力。

1995年12月，俄罗斯〔前苏联〕的GLONASS卫星定位系统落成。但由于美国压制和后期资金紧缺，补网卫星没有及时发射，系统还满足不了导航和定位的要求。GLONASS系统由24颗卫星组成，散布在三个轨道上。GLONASS系统的民用标准定位精度是50m。

伽利略卫星导航系统〔Galileo〕是由欧盟牵头开发的全球卫星导航体系。该体系内共有30颗卫星，包括27颗运行星，3颗备用星。2014年8月，随着第二批的一颗卫星成功进入预定轨道，太空中已有6颗正式的伽

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利略卫星，可初步施展地面定位的作用。Galileo系统与GPS系统、GLONASS系统相兼容的全球定位系统。它吸收了GPS的经验，具有很多优点。Galileo系统实施了三载波模糊度解算技术〔Three-carrier Ambiguity Resolution,TCAR〕，较好地处理了加密、密钥和拒用三者的关系。该系统定位精度10m，定时精度33ns[3]。

当今，卫星导航系统正在向多系统组合导航和差分导航方向发展。卫星导航定位技术与惯性导航技术、无线电导航技术相结合，并且即将应用数字化铯钟技术。这对我国北斗导航系统提出了更严格的要求和更新的挑战。

1.2.2 国内发展现状

中国北斗卫星导航系统〔BeiDou Navigation Satellite System,BDS〕由空间段、地面段和用户段三部分构成。目前为止，中国已成功发射22颗北斗导航卫星。已成功覆盖亚太大部分地区，具备区域无源导航服务能力。预计2020年前后，北斗导航系统将形成全球无源服务能力。随着我国综合实力水平的提高，“北斗”产品越来越多地在工业制造、军用领域、生活服务领域发挥着不可替代的作用。

北斗定位系统在陆地上的开发应用方面具有极其重要的地位，表达在诸多方面，如：车辆行驶状态监测和导航；旅游景点导航；应急车辆最快路线引导；大气物理观测；工程建设的施工测算；板内运动状态和地壳形变测量；智能火车网建设；智能放牧；气象监测等[4]。

北斗定位系统在海洋方面有着同样重要的作用，例如：提供远洋船只的定位；计算最短航程，提高运输安全和效率；远洋船队在航行中的实时调度和检测；提供两船之间、船与陆地的短报文通信；海洋救援的搜救和定点测量；海底管道铺设测量；水文监测等。2014年11月23日，国际海事组织海上安全委员会审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函，这标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得面向海事应用的国际合法地位[5]。

北斗定位系统在航空方面的应用主要表达在：民航飞机的自主导航；飞机精密着陆；飞机空中加油等。

北斗系统已经在我国许多领域发挥着重要作用。利用这套系统，最基本的就是接收北斗系统发出的信号并能够实时输出显示。输出的信息包括定位地点的经纬度、天线高程、UTC〔协调世界时〕时间、地面速度、日期、时间、卫星个数等。由于北斗系统发展时间较短，与GPS和GLONASS系统在精度方面有一些差距。但相信北斗卫星系统在未来会大放异彩。

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1.3 本课题主要研究内容

本设计采用STC89C52单片机为核心，研究北斗卫星工作原理，读取北斗卫星导航模块的标准数据，在LCD12864屏幕上显示当前的经纬度、日期、时间和速度信息，并且使用语音模块播报经纬度。能够正确画出系统原理图，并且能够正确调试电路，最终完成导航系统的实物制作，为今后开发北斗卫星导航仪打下基础。

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第2章 北斗定位系统

2.1 北斗定位系统概述

北斗卫星导航定位系统是中国正在努力实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航定位系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统。促进卫星产业链形成，具有完善的国家卫星导航系统。

2.1.1 北斗定位系统组成

北斗卫星导航定位系统由空间段、地面段和用户段三部分构成。

空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地球静止轨道卫星ºE、80 ºE ºE、140 ºE和160 ºE。非静止轨道卫星由3颗倾斜同步轨道卫星和27颗中圆轨道卫星组成[5]。

地面段包括主控站、注入站和监控站等假设干个地面站。主控站主要作用是收集每个监测站的观测数据，分析数据，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的控制管理。监测站接收卫星信号，发送给主控站，实现对卫星的跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。

用户段包含北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统采用卫星无线电测定〔Radio Determination Satellite Service,RDSS〕与卫星无线电导航〔RNSS〕集成体制。既能像GPS一样，为用户提供卫星无线电定位服务，又具有位置报告及短报文通信功能。

2.1.2 北斗定位系统的定位原理

目前，国际上三大定位系统GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星导航系统的定位原理都是相同的，均是采用三球交会的几何原理来实现定位。用户接收机在同一时刻接收两颗及以上卫星信息，计算出接收机至两颗卫星的距离，解算出卫星的空间坐标，再利用距离交会法解算出用户接收机的位置。具体流程如下：

1.用户测量出接收机到三颗卫星的距离；

2.卫星的位置精确已知，通过电文播发给用户； 3.以卫星为球心，距离为半径画球面；

4.三个球面交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。如图2-1所示。

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图2-1 三球交会定位原理图

由于第二代北斗导航卫星系统已不再要求用户发送上行信号，因为不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息，而是直接接受卫星单方面测距信息自行定位，所以需要4颗以上的卫星测距才可精确定位。这样就面临一个问题，就是需要大量卫星实行全覆盖，所以我国的北斗卫星目前为止只能进行亚太地区的卫星导航通信，还没有全球覆盖[6]。如图2-2所示。

图2-2 北斗定位原理图

2.2 UM220-ⅢN模块

2.2.1 UM220-ⅢN芯片介绍

如图2-3为和芯星通针对车辆导航、便携设备、电信/电力授时、气球探空等应用生产的具有自主知识产权的国产北斗/GPS双系统模块。

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UM220-ⅢN芯片采用的是ARM9内核，较高的跟踪灵敏度，定位精度2.5m，速度精度0.2m/s，授时精度优于20ns。该模块具有功耗低、体积小、可靠性高等特点。

图2-3 UM220-ⅢN模块外观

相较于单一的GPS模块，UM220-ⅢN可以随意切换接受信息模式。可接收单一的GPS或北斗定位信息，也可同时接收北斗和GPS双信号。这样大大加强了定位信息的准确性[7]。

2.2.2 UM220-ⅢN引脚功能描述

如图2-4、表2-1为UM220-ⅢN的引脚图和引脚功能介绍。UM220-ⅢN引脚为两排对称排列共24个引脚：

图2-4 UM220-ⅢN引脚图

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序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 名称 nRESET AADET_N TIMEPULSE EXTINT0 GPIO2 TXD2 RXD2 RSV VCC_RF2 GND RF_IN GND GND SPLSDO SPLSDI SPLSCK SPLCS1 SDA23 SCL24 TXD1 RXD1 V_BCKP VCC GND 表2-1 UM220-ⅢN管脚说明 I/O 电平标准 描述 I LVTTL 外部低电压重置 有源天线检测 I LVTTL 1:非有源天线 0:有源天线 O LVTTL 时间脉冲 I LVTTL 外部中断引脚 天线短路检测 I LVTTL 1:天线对地短路 0:天线对地正常 O LVTTL 串口2发送数据 I LVTTL 串口2接收数据 保留管脚，悬空处理 O ±10% 输出电压信号〔不用则悬空〕 I 接地 I GNSS输入信号(BD2 B1+GPS L1) I 接地 I 接地 O LVTTL SPI数据输出引脚〔不用则悬空〕 I LVTTL SPI数据输入引脚〔不用则悬空〕 O LVTTL SPI时钟引脚〔不用则悬空〕 O LVTTL SPI芯片选择1〔不用则悬空〕 I/O LVTTL DDC数据〔不用则悬空〕 I/O LVTTL DDC时钟〔不用则悬空〕 O LVTTL 串口1发送数据，固件升级 I LVTTL 串口1接收数据，固件升级 I RTC和SRAM备份电压 - ±10% 供电电源 - 接地 2.2.3 UM220-ⅢN输出语句格式

北斗数据遵循NMEA-0183协议，该数据标准是由美国国家海事电子

协会〔National Marine Electronics Association,NMEA〕于1983年制定的。同一标准形式NMEA-0183输出使用ASCII码，其串行通讯的参数为：波特率4800bps，数据位8bit，开始位1bit，停止位1bit，无奇偶校验位。

数据传输以“语句”形式进行，每句话都以“$”开头，接着是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”，最后就是以逗号分割的数据体，最末尾为校验和。在UM220-ⅢN模块中，“识别符”有三种。其中，GP为GPS系统单独定位；BD为北斗系统单独定位；GN为GPS与北斗系统混合定位。

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NMEA-0183的数据信息有十几种。其中，GGA为输出GPS定位信息；GLL为输出大地坐标信息；ZDA为输出UTC时间信息；GSV为输出可见的卫星信息；GST为输出定位标准差信息；GSA为输出卫星DOP值信息；ALM为输出卫星星历信息；RMC为输出GPS推荐的最短数据信息等。鉴于本文配置信息为RMC形式，所以只介绍RMC语句格式。

对于一般的GPS定位应用，RMC语句完全可以满足要求。格式如下[8]。

$GNRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>

编号 <1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11> 含义 定位时间 状态有效位 纬度 南北半球 经度 东西半球 地面速度 速度方向 日期 磁偏角 磁偏角方向 表2-2 RMC语句格式说明 取值 格式 A/V N/S E/W 010100～311299 E/W dddmm.mmmm 备注 UTC时间 A：有效V：无效 dd：度 mm.mmmm：分 N：北纬 S南纬 ddd：度 mm.mmmm：分 E：东经 W：西经 单位：节 日，月，年 单位：度 固定为E A：单点定位 N：未定位 校验和：本语句从‘$’到‘*’之间所有字符进行异或得到的16进制数 <12> 模式指示及校验和 A/ N 2.3 本章小结

本章主要包括两部分内容。首先，介绍了北斗系统的组成与原理；在充分了解北斗定位原理后，讲解了UM220-ⅢN模块的基本信息。包括UM220-ⅢN模块的电气特性和引脚介绍。最后讲解了UM220-ⅢN输出语句格式和各数据位的含义。

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第3章 总体方案设计

北斗接受模块通过天线接收卫星信号，实现对天线视野内卫星的跟踪、锁定和测量。在获得卫星的位置信息和测量出卫星信号的传播时间后，就可计算出天线所在位置，即实现定位。用户通过输入输出接口，获取定位信息语句，通过单片机进行信息处理。最后通过显示屏和语音播报模块进行人机交互。

本设计要求通过单片机控制北斗导航器件实现定位信息显示和播报功能。北斗模块使用的是以和芯星通UM220-ⅢN模块为核心的BD+GPS接收机。利用STC89C52 单片机串口接收北斗和GPS混合信号〔GNRMC〕。并通过软件实现显示和播报定位数据。显示屏采用LCD12864，语音播放模块使用YS-M3模块。如图3-1所示为整体方案框图，通过天线接收的数据信号经过芯片UM220-ⅢN模块处理，通过串口将定位信息传到单片机，最后通过单片机信息处理在LCD12864显示并在语音模块播放[9][10]。

BD+GPS信号BD+GPS接收模块电源STC89C52单片机LCD12864YS-M3语音播报模块图3-1 北斗导航硬件设计框图

3.1 单片机最小系统

本设计中使用的是STC89C52单片机，单片机具有的特点有稳定性好、成本经济、使用简单、可控性好等。单片机电路加上复位和晶振两个部分就形成了其最小系统。最小系统是构成开发板的基本单元。以此为基础，用户加上北斗模块、语音播放模块和显示模块。单片机最小系统电路图如图3-2所示。其中包含晶振电路和复位电路。晶振电路采用11.0592MHz的无源晶振，所以并联两个30pF电容作为起振电路[11]。

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图3-2 单片机最小系统电路

3.2 北斗定位模块电路

本设计选用的是和芯星通公司的UM220-ⅢN双系统高性能北斗定位模块。基于该公司的双系统多频率高性能SOC芯片，能够同时支持BD2B1、GPSL1两个频点。UM220-ⅢN体积小，采用SMT焊盘，适合低成本、低功耗的北斗模块。UM220-ⅢN通过UART接口与开发板进行通信。本设计中使用的北斗开发板为江苏艾琳科技生产的北斗开发板。该开发板可将TTL电平通过MAX232转换成232电平，与电脑进行数据交互。并引出了两组串口，两组串口都可以输出NMEA扩展语句，串口1还可对芯片内部升级[7]。实物如图3-3所示。

图3-3 北斗开发板实物图

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本北斗卫星模块串口有磁珠和瞬态抑制二极管〔Transient Voltage Suppressor, TVS〕µF电容起到滤波作用，减少电源电压的波动，保护电路。 图3-4 北斗模块电源电路

如图3-5为北斗模块芯片电路。由北斗模块UM220-ⅢN和其附加电子器件组成。其中北斗模块外接4组插针，在芯片与电源间串联电感的作用是起差模滤波作用，防止电流突变对芯片造成损坏；并联电感的作用是提高芯片运行的稳定性，防止产生噪声。发光二极管为指示灯，每有信号传输一次则闪烁一次。TXD1与单片机的P3.0〔RXD〕相连，进行串行通信。

图3-5 北斗模块芯片电路

如图3-6为北斗模块串口电路图，芯片UM220-ⅢN的串口信息通过MAX232转化为232电平信号，通过9针的串口与电脑PC端相连。可以进行模块数据定义和系统升级。

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3.3 液晶显示单元电路

北斗模块关键指标如表3-1所示[12~14]。

引脚序号 图3-6 北斗模块串口电路

图3-7 LCD12864

表3-1 北斗模块关键指标 3.3V~5V 电源电压 冷启动时间 32秒 热启动时间 1秒 温启动时间 <1秒 接口 TTL全双工接口 9600bps 波特率 工作环境 40℃~85℃ LCD12864可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字、128个字符及

64×256点阵显示RAM。如图3-7和表3-2为管脚说明。

LCD液晶显示器数据由单片机P0口进行控制，P2口进行指令控制操作。LCD12864主要技术参数和显示特性如：电源：VDD3.3V~5V〔内置升压电路，无需负压〕；显示内容：128列×64行；接口：8位并行或串行；多种软件功能：光标显示、画面移动、自定义字符、背景光等[15]。

表3-2 LCD12864管脚说明 管脚名称 说明 学习文档 仅供参考

1 2 3 4 5 6 7-14 15 16 17 18 19 20 GND VDD V0 RS R/W E DB0-DB7 PSB NC REST Vout BLA BLK 电源地 电源输入〔+5V〕 液晶显示比照度调节 数据输入 读写选择〔1读；0写〕 读写使能 数据总线 并/串口选择〔1并；0串〕 悬空 液晶模组复位 悬空 背光源正端 背光源负端 3.4 语音模块电路

3.4.1 语音模块工作原理

YS-M3语音播放模块主要包括一个单片机芯片、一个MP3硬解码芯片、TF卡槽以及其他电阻电容组成。

语音模块工作原理：首先将MP3歌曲文本从存储卡取出并读取存储器上的信号，其次，解码芯片对信号处理。然后通过D/A转换器将解出来的数字量转换成模拟量。最后再把转换后的模拟信号放大，通过低通滤波器传输到耳机或音响等播放装置。

因此，语音播放模块最重要的两个芯片就是单片机芯片和解码芯片。单片机芯片运行MP3歌曲的整个控制程序，控制各个部件的工作：从存储设备读取数据送到解码器解码；与主机连接时完成与主机的数据交换；接受控制按键的操作等。由于本模块采用的是STC15W204S单片机，自带有D/A转换功能，所以不需要单独添加D/A转换芯片。解码芯片是不可或缺的一个硬件模块。它可直接完成各种格式MP3音频的解码操作，并输出数字音频信号。解码芯片的好坏决定了复原音频信号的质量[16]。

3.4.2 语音模块工作模式

YS-M3语音播放模块由5V直流电源供电，具有9个触发端口，支持两种播放模式：单键触发模式和编码触发模式。低电平触发。如图3-8所示。引脚功能如表3-3所示。

单键触发模式：模块具备9个直接触发端口，即A1-A9。每个端口对应一首MP3歌曲。当给A1-A9某一个端口低电平时，该模块就会播放该端口对应的歌曲。

编码触发模式：该模块应用编码触发方式可以播放31首MP3。应用

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该模式时，将A10和GND连接，用A1-A5为编码端口进行编码。该状态可配合单片机的I/O口来控制发声。在本次设计中，采用单片机的P1口的低5位进行歌曲的编码选择。

图3-8 YS-M3模块实物图

表3-3 YS-M3引脚功能 引脚序号 引脚名称 说明 1 Vcc 5V 2 GND 接地 3 GND 接地 4-12 A1-A9 编码端口 13 A10 与GND相连进入编码模式 14 CN1 播放第二首，播放过程不可打断 15 BY 播放时输出高电平，不播放这默认低电平 3.5 本章小结

本章主要讲述了硬件总体设计方案，介绍了单片机最小系统的组成，

并且讲述了北斗模块内部结构和原理。简述了LCD12864显示原理和语音模块工作原理和工作模式。

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第4章 定位系统软件设计

4.1 开发环境及软件方案设计

4.1.1 µVision4

µVision集成开发软件是Keil公司产品，它集编辑、编译〔或汇编〕、仿真调试等功能于一体，具有当代典型嵌入式处理器开发的典型界面。本次使用的是µVision4版本。它支持数百种嵌入式处理器〔包括80C51系列、非80C51系列的多种单片机以及ARM处理器等芯片〕开发。

µVision4开发过程大概包括：建立工程；配置工程；编写程序；编译程序；仿真调试。

4.1.2 软件设计流程

本设计程序设计分为五大主要模块：LCD液晶显示模块、导航数据接收模块、单片机中断初始化、语音播放模块、时序模块。程序流程图如图4-1所示。当运行程序时，首先进行LCD显示屏和中断初始化，然后显示屏上显示“BPS 北斗定位”的开机画面，接着判断是否已经定位，如果没有定位则显示“Receiving”并循环判断；如果已经定位则需判断定位信息是否正确，假设不正确则显示“no data”；假设正确则处理定位信息并存储在对应的存储区中，然后在显示屏上显示经纬度、日期、时间、速度信息。当按下播报按钮时，则关闭中断，播报当前经纬度信息，最后打开中断，循环运行程序。

本设计接收信号为GNRMC信号，当模块接收此信号时，将数据接收时间、接收日期、天线所在位置经纬度信息、天线速度信息显示在LCD液晶显示屏上。当按下播放按键时，将播放当前经纬度位置信息[16][17]。

4.2 定位信息接收与处理

北斗导航模块数据通过串口中断传输至缓冲区，同时将数据发送给上位机，单片机通过处理串口数据获得经纬度等定位信息[18]。

4.2.1 数据接收

北斗模块启动后开始接收导航数据，接收到的各种信息〔如：经纬度、UTC时间、移动速度等〕数据包含在各个语句〔$GNGGA、$GNRMC等〕中，接收到的定位信息传送至单片机的缓冲区。在串口助手中，我们可以看到北斗模块从串口发给单片机的导航信息如图4-2。方

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便我们根据各个语句的特点进行处理信息程序的编写。 开始LCD显示屏、单片机中断初始化显示开机画面判断是否定位是否显示Receiving判断是否有数据否显示no data是处理经纬度、时间、速度、日期信息，存入相应存储区显示信息判断是否按下语音按键是播报经纬度否图4-1 程序流程图

4.2.2 数据处理

本设计根据需要，解析显示的是$GNRMC这一传输语句信息。在第五章北斗模块调试中，将介绍如何设置UM220-ⅢN，使其只输出$GNRMC语句，这里不多累述。

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图4-2 接收数据

根据图4-3所示，为串口中断过程。在中断过程中，首先中断主程序，进入中断服务子程序；然后判断是否为“GNRMC”语句；接着处理数据，在处理数据过程中，我们可以根据“，”作为别离数据标志，将相应数据存储在不同数组中，方便显示。我们从$GNRMC语句中提取经纬度、日期、时间、速度。最后，跳出中断程序。

中断服务程序判断GNRMC接收数据并存储中断结束图4-3 中断处理过过程

在对时间进行处理时，由于北斗模块输出时间为UTC时间，与北京时间相差8小时。所以在接收时间后，还要将UTC时间转换为北京时

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间。程序如下：

void trans_time(void) {

unsigned char temp,hour_shi,hour_ge;//定义小时，小时的十位和个位 temp=(time[0]-'0')*10+(time[1]-'0'); //计算小时

if(temp<=16) //假设小时小于等于16点加8小时 { temp=temp+8; hour_shi=temp/10; hour_ge=temp%10; time[0]=hour_shi+'0'; time[1]=hour_ge+'0'; }

else //假设小时大于16点，则加8小时减24小时 { temp=temp+8-24; time[0]='0'; time[1]=temp%10+'0'; } }

4.3 模块软件设计

4.3.1 语音播报模块

YS-M3语音模块编码触发方式控制时需要单片机编码控制。本设计中使用P1口来控制播放歌曲。将经纬度信息拆分开分别进行播报，歌曲存放在存储卡内，将“0~9”、“东经”、“北纬”、“年”、“月”、“日”等语音按顺序存入内存卡如表4-1所示，当出现数字或标点时，检索相应音频文件播报，连续播报出来就成了经纬度。当按下播报按键时，先关闭中断，读出经纬度，后打开中断[19]。流程如图4-3所示。

音频序号 001~009 010 011 012 013 014 015 016 表4-1 音频存储表 音频名称 1~9 0 东经 北纬 度 分 秒 点 学习文档 仅供参考

开始播报关中断播报“东经”循环播报经度前三位4.3.2 液晶显示模块1.初始化函数 lcd_init() { lcd_wcmd(0x30); delay (1);

lcd_wcmd(0x0c); delay (1);

播报“度”循环播报经度后五位播报“分”播报“北纬”循环播报纬度前两位播报“度”循环播报纬度后五位播报“分”开中断结束播报4-3 播报流程图

//基本指令操作 //关光标整体显示学习文档 仅供参考

图

lcd_wcmd(0x06); //光标右移，画面不动，AC加1 delay (1);

lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的显示内容 delay(1); }

2.写指令函数

void lcd_wcmd(unsigned char cmd) { while(lcd_bz()); rs = 0; rw = 0; en = 0;

P0 = cmd; //通过单片机P0口将指令发送至LCD显示屏 delay(3); en = 1; delay(3); en = 0; }

3.写数据函数

void lcd_wdat(unsigned char dat) { while(lcd_bz()); rs = 1; rw = 0; en = 0;

P0 = dat; //通过单片机的P0口将数据发送至LCD显示屏 delay(3); en = 1; delay(3); en = 0; }

例如：要显示“GPS 北斗定位”，这程序代码如下所示： unsigned char code kaijihuamian[]={\"GPS 北斗定位\unsigned char i;

lcd_wcmd(0x01); //清除LCD显示内容 i=0;

lcd_pos(1,1); //设置显示位置 while(kaijihuamian[i] != '\\0') //显示字符 { lcd_wdat(kaijihuamian[i]); i++;

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}

4.3.3 中断函数

当UM220-ⅢN模块发送数据至单片机时，单片机要进入中断程序，需要先运行打开中断的相关语句，设置定时器方式等参数，即为中断初始化[20]，程序如下：

void init_all(void) {

SCON = 0x50; //REN=1允许串行接受状态，串口工作模式1 TMOD|= 0x20; //定时器工作方式2

PCON|= 0x80; TH1 = 0xFa; //baud*2 波特率9600 数据位8 停止位1 校验位无 TL1 = 0xF3;

TR1 = 1; ES = 1; //开串口中断 EA = 1; // 开总中断 lcd_init() ; }

4.4 本章小结

本章首先介绍了编程软件，然后详细讲述了软件设计整体思路，分别阐述了北斗模块、显示模块、语音模块和中断初始化的控制流程，包括程序编写和流程图讲述。

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第5章 系统调试与分析

5.1 系统调试

完成系统的硬件设计、硬件制作和软件编程后，要使系统能够按照设计目的正常运行，必须进行硬件和软件调试。

5.1.1 北斗模块调试

在北斗模块接收板的调试中，存在的许多问题都是软硬件相结合的。所以北斗模块调试分为脱机调试和联机调试。

1.脱机调试

脱机调试任务是检查硬件电路板所有器件和引脚。

第一步：用数字万用表进行逐一对点的检查，检查导线间是否有短路与开路的故障及电阻是否正确。

第二步：检查电源。确定电压值是否准确，检查开关是否正常。 第三步：加电后，检测芯片与芯片间对应引脚是否导通和截止。 2.联机调试

通过脱机调试，我们可以消除一些明显的硬件问题，保障硬件系统的安全性和可靠性。但如果想要改变模块的内部特性，需要进行通过软件处理的联机调试。

北斗模块在与单片机共同工作之前，需要在电脑软件上进行输出数据的设置。这个软件是和芯星通出产的专业测试软件Unicore Software。功能强大完善，可以测试包括GPS、北斗在内的多种定位系统模块的功能，如星数、接收质量及经纬度等参数。

测试北斗模块的过程如下：

(1) 首先，用万用表测试硬件电路信号是否流畅。

(2) 连接天线并将天线置于空旷地带，切与地面成一定角度。尽量不要有建筑物、树荫等的遮挡。防止有电压干扰，磁场辐射的地方。

(3) 使用串口线将北斗模块与电脑相连，查询串口号。给北斗模块供电。

(4) 打开测试软件，设定串口号和波特率〔9600bps〕。

注意：北斗模块电源线不能接反，否则将对模块造成永久损坏。

当北斗模块正常接收定位信息时，工作指示灯会不停闪烁。初始时，循环接收所有五种定位信息语句〔GNGGA、GNGLL、GNGSA、GNGSV、GNRMC〕。所以可获得所有卫星定位信息。调试界面如图5-1。

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a〕星座图 b) 轨迹图

c) 北斗跟踪状态 d) GPS跟踪状态

图5-1 北斗调试界面

在Unicore Software软件中，可以调整北斗模块接收信息种类。如只接收北斗卫星信息或GPS信息，也可两种信息都接收。还可通过语句配置接收语句类型，且可保存，以至于掉电不取消。这样可以简化程序，只接收有效信息。五中语句消息的类别和ID如表5-1，配置界面如图5-2。如果想要将某种语句屏蔽掉则输入“$CFGMSG，类别，ID，0”。如果想要输出某种语句需要输入“$CFGMSG，类别，ID，1”。

消息名 GGA GLL GSA GSV RMC 表5-1 消息类别和ID ID 类别 最高输出频度 0 0 5Hz 0 1 5Hz 0 2 5Hz 0 3 5Hz 0 4 5Hz 学习文档 仅供参考

图5-2 信息配置界面

该编辑界面中，按键分别为：①冷启动；②温启动；③热启动；④北斗；⑤GPS；⑥北斗+GPS；⑦定位芯片信息；⑧保存。当配置完成后需要保存，这样在掉电重启后才能保存设置。

5.1.2 软件调试

软件调试的目的旨在利用开发工具进行调试，纠正程序的问题，同时也可能发现硬件的故障。软件调试是以模块进行的，首先调试各子程序否能否具有预期的作用，最后调试整个程序，尤其测试各个模块间能否正确传递参数。

1.检查LCD12864液晶显示模块程序，观察在液晶屏上是否能够正确显示相应字符。

2.检查单片机中断初始化模块，利用串口助手进行发送外部中断，测试单片机初始化的参数设置是否正确，单片机能否进入中断程序接收数据。

UM220-ⅢN模块程序，通过观察LCD12864液晶显示屏观察UM220-ⅢN接收数据是否正确，接收处理定位信息是否准确。

4.检查语音播放模块程序，通过音响播放经纬度信息，与LCD12864显示屏显示的经纬度比照确定播放是否正确。

5.2 结果分析

经过硬件和软件调试，最后实现了北斗定位接收机的功能，包括经纬度、日期、时间和速度的显示，以及经纬度的播报。如图5-3为北斗定位导航接收机。图5-4为开机画面；图5-5为未接受信号画面；图5-6为数

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据无效画面；图5-7为定位画面，分别显示经度、纬度、时间、日期和速度。

图5-3 北斗定位接收机

图5-4 开机画面

图5-5 未接收信号画面

图5-6 数据无效画面

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图5-7 定位信息画面

在试验地点获得相应的经纬度，通过“Google Earth”进行验证定位的精准度，实验地点为哈尔滨理工大学荣成学院2号实验楼，地图显示经纬度如图5-4分别为：东经122º30'\"；北纬37º10'\"。北斗卫星接收机显示的经纬度如图5-7所示，分别为：东经122º'；北纬37º'，将其换算为“度、分、秒”格式为：东经122º30'\"；北纬37º10'\"，与“Google Earth”上给出的经纬度差距在1分内。由此可见，本设计方案能够实现较准确的北斗定位功能。

图5-4 Google Earth卫星电子图

5.3 本章小结

本章首先讲述了北斗模块的脱机调试和联机调试，通过软件对北斗模块进行相应配置；然后介绍了软件调试过程，完成程序开发；最后，进行了设计验证。

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结论

本设计在对北斗卫星定位技术、单片机控制、语音播报和显示模块进行深入研究的基础上，构建了北斗定位系统的整体框架。该系统完成了在北斗和GPS模式下的定位，并将定位信息通过液晶显示屏显示出来且播报了准确的经纬度信息。

本设计采用和芯星通公司的UM220-ⅢN北斗模块为接收板的核心部分，并以STC89C52单片机为处理核心。本设计所完成的主要工作有：

1.北斗/GPS接收机先关技术的研究和总结，了解了北斗卫星的定位导航的概念和原理，了解了全球定位导航系统的发展现状和我国北斗导航说面临的挑战。

2.在经过比较论证后，选择利用51单片机为导航接收机的核心处理芯片。并完成了接收模块、控制模块、显示模块、播报模块的结合。实现了对导航数据的接收，单片机与北斗模块的串行通信以及LCD12864的显示和语音模块的播报。实现了导航数据的接收和定位显示播报工作。

3.完成了接收机的程序编译工作。整个程序采用层次化和模块化的设计思想，层次分明，易于理解。

4.阐述了硬件和软件调试过程，进行了实际比对，与实际地点基本吻合。到达了北斗接收机系统的基本定位功能。

全球定位导航系统在未来必定将会成为大国间竞争核心，在给人们带来便利的同时也保卫着国家的安全。本次毕业设计中，只实现了北斗定位系统的核心功能，还有许多延展方向值得我们去开发和完善，例如加入触摸屏来进行人机交互；加入语音识别系统来完善接收机的工作方式等等。

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致谢

我要衷心感谢我的指导老师侯甲童老师，本次毕业设计在侯甲童老师的悉心指导下圆满完成，从毕业设计的选题到最后论文的成稿，侯甲童老师都给予了我精心的指导和极大的帮助。老师治学严谨、知识渊博。感谢侯甲童老师在毕业设计期间为我们提供良好的实验环境，他热情的科研态度、敏锐的思维方式以及对学生认真的态度成为了我顺利完成毕业设计的坚实基础，并对我今后的学习生活产生了深远影响。

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究成果，如果没有前人的努力付出，也不会给我这么多启发和帮助，使我这么顺利的完成毕业设计。

感谢我的母校哈尔滨理工大学荣成学院，是母校在大学四年时间使我成为了合格的大学毕业生，感谢母校给了我四年美好的回忆，我会永远记住我的母校。

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参考文献

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附录A

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附录B

#include #include #include sbit aj=P3^2;

unsigned char code zi[]=

{0x15,0x1e,0x1d,0x1c,0x1b,0x1a,0x19,0x18,0x17,0x16,0x14,0x13,0x12,0x11,0x10,0x0f,0x0e,0x0d}; //音频

unsigned char flag_data; //数据标志位 unsigned char flag_rec=0; unsigned char num_rec=0;

unsigned char code kaijihuamian[]={\"GPS 北斗定位\unsigned char code receiving[]={\"Receiving!\unsigned char code nodata[]={\"No GPS data!\unsigned char code danwei[]={\"m/s\//北斗数据存储数组

unsigned char JD[10]; //经度 unsigned char JD_a; //经度方向 unsigned char WD[9]; //纬度 unsigned char WD_a; //纬度方向 unsigned char date[7]; //日期 unsigned char time[7]; //时间 unsigned char speed[5]; //速度 unsigned char angle[6]; //方位角 unsigned char lock; //定位状态

//串口中断需要的变量 unsigned char seg_count; //逗号计数器 unsigned char byte_count; //位数计数器 unsigned char cmd_number; //命令类型

unsigned char mode; //0：结束模式，1：命令模式，2：数据模式 unsigned char buf_full; //1：整句接收完成，相应数据有效，0：缓存数据无效

unsigned char cmd[5]; //命令类型存储数组

sbit psb = P2^3; sbit rs = P2^2;

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sbit rw = P2^1; sbit en = P2^0; void main (void) {

unsigned char i; init_all();

lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的显示内容 delayms(10); i=0;

lcd_pos(1,1); //设置显示位置 while(kaijihuamian[i] != '\\0') { lcd_wdat(kaijihuamian[i]); // 显示字符时间 i++; }

delayms(200); delayms(200); delayms(200); delayms(200); delayms(200); delayms(200); delayms(200);

lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的显示内容 while(1) {

if(aj==0) {

delay(10); if(aj==0) {

EA=0; //关中断 P1=zi[10]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); for(x=0;x<3;x++) { y=JD[x]-'0'; P1=zi[y];

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delay(100); P1=0xff; delay(1200); } P1=zi[12]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); for(x=3;x<8;x++) { y=JD[x]; if(y=='.') { P1=zi[15]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); } else { y=JD[x]-'0'; P1=zi[y]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); } } P1=zi[13]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); P1=zi[11]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); for(x=0;x<2;x++) { y=WD[x]-'0'; P1=zi[y];

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delay(100); P1=0xff; delay(1200); }

P1=zi[12]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); for(x=2;x<7;x++) { y=WD[x]; if(y=='.') { P1=zi[15]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); } else { y=WD[x]-'0'; P1=zi[y]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); } }

P1=zi[13]; delay(100); P1=0xff; delay(1200); EA=1; //开中断

} } if(flag_rec==1) //gps data appear { flag_rec=0; //清数据有效标志位 trans_time(); //UTC--BJ TIME

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if (lock==1) //如果已经定位 { lcd_pos(0,0); //设置显示位置 while(JD[i] != '\\0') { lcd_wdat(JD[i]); //显示字符经度 i++; } i=0; lcd_pos(0,4); //经度方位 lcd_wdat(JD_a); lcd_pos(1,0); // 设置显示位置 while(WD[i] != '\\0') { lcd_wdat(WD[i]); //显示字符纬度 i++; } i=0; lcd_pos(1,4); //纬度方位 lcd_wdat(WD_a); lcd_pos(2,0); //显示字符时间 while(time[i] != '\\0') { lcd_wdat(time[i]); i++; } i=0 ; //显示年月日 while(date[i]!='\\0') { lcd_pos(3,2); for(i=0;i<2;i++) { lcd_wdat(date[i]); } lcd_pos(3,1); for(i=2;i<4;i++) { lcd_wdat(date[i]); } lcd_pos(3,0); for(i=4;i<6;i++) {

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lcd_wdat(date[i]); } } i=0;

lcd_pos(3,4); //显示速度 while(speed[i]!='\\0') { lcd_wdat(speed[i]); i++; } i=0; lcd_pos(3,6); //显示单位 while(danwei[i]!='\\0') { lcd_wdat(danwei[i]); i++; } i=0; } else if(lock==0) //未定位 { lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的Ç delayms(10); i=0; lcd_pos(1,1); //设置显示位置 while(receiving[i] != '\\0') { lcd_wdat(receiving[i]); // 显示字符时间 i++; } delayms(100); delayms(100); delayms(100); delayms(100); delayms(100); lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的显示内容 delayms(10); } } if(flag_data==0) //如果没有数据 { lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的显示内容

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}

}

delayms(10); i=0 ; lcd_pos(1,1); // 设置显示位置

while(nodata[i] != '\\0') { lcd_wdat(nodata[i]); // 显示字符时间

i++; } delayms(100); delayms(100); delayms(100); delayms(100); delayms(100); delayms(100); delayms(100); delayms(100); lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的显示内容delayms(10); } 学习文档 仅供参考

附录C

Measurement Signal Quality Assessment on All Available and New Signals of Multi-GNSS(GPS, GLONASS, Galileo, BDS,and QZSS) with Real

Data

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) Carrier Phase (CP)-based high-precision positioning techniques have been widely used in geodesy, attitude determination, engineering survey and agricultural applications. With the modernisation of GNSS, multi-constellation and multi-frequency data processing is one of the foci of current GNSS research. The GNSS development authorities have better designs for the new signals, which are aimed for fast acquisition for civil users, less susceptible to interference and multipath, and having lower measurement noise. However, how good are the new signals in practice? The aim of this paper is to provide an early assessment of the newly available signals as well as assessment of the other currently available signals. The signal quality of the multi-GNSS (GPS,GLONASS, Galileo, BDS and QZSS) is assessed by looking at their zero-baseline Double Difference (DD) CP residuals. The impacts of multi-GNSS multi-frequency signals on single-epoch positioning are investigated in terms of accuracy, precision and fixed solution availability with known short baselines.

Keywords Multi-GNSS； New signals； High-precision positioning

INTRODUCTION. Currently, the US Global Positioning System (GPS) and the Russian Global Navigation Satellite System (GLONASS) are the only two fully operational satellite positioning systems with global coverage. GPS

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uses Code Division Multiple Access (CDMA) techniques to differentiate the satellites. All the blocks of GPS satellites (i.e., Blocks IIA, IIR, IIR-M, and IIF) transmit at least two types of ranging codes: the Coarse/Acquisition (C/A) codes and the Precise (P) code. The C/A code is open to civilian users, and the P code is only available to military and authorised users through encryption into the Y-code. However, the P(Y) codes can still be tracked using special tracking techniques such as cross-correlation or Z-tracking (Ashjaee and Lorenz, 1992; Seeber, 2003. P.240–243). GLONASS mainly uses Frequency Division Multiple Access (FDMA) techniques to distinguish the satellites. Similar to GPS, GLONASS also has standard accuracy signals L1OF and L2OF open to the public and high accuracy signals L1SF and L2SF reserved for military (Russian Institute of Space Device Engineering, 2008).

With the modernisation of GNSS, multi-constellation and multi-frequency data processing are the foci of current GNSS research. GPS Block IIR-M satellites transmit the new L2C signal, which can enhance the use of L2 in high-precision applications.Moreover, a new civil signal L5 on a third carrier frequency band is being transmitted on the Block IIF satellites. The L5 signal is expected to improve the precision and robustness of the system, supporting ‘Safety of Life’ applications. Another new civil signal, L1C, will be available on the next-generation Block III satellites. GLONASS has started to use CDMA signals on the new GLONASS-K satellites to increase compatibility and interoperability with GPS and other GNSS systems. The European GNSS, Galileo, completed its experimental phase in 2008 and the In-Orbit Validation (IOV) phase in 2012. Galileo currently has four operational satellites in orbit and early services with reduced performance have been available since 2014.To date China has launched 17 satellites for the Bei Dou Navigation Satellite System(BDS), which includes six Geosynchronous Earth Orbit (GEO) satellites, six Medium Earth Orbit (MEO) satellites, and five Inclined Geosynchronous Satellite Orbit (IGSO) satellites. BDS B1I and B2I signals are now available to

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the public,and the B2I signal will be gradually replaced by a better signal in the future (China Satellite Navigation Office, 2013). Japan launched one Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) satellite ‘MICHIBIKI’ in 2010. It transmits almost the same signals as the GPS Block III satellites.

The number of visible satellites and new signals are increasing. They provide users with more observations, and hence increase redundancy in parameter estimation.When so many satellites and signals are available, surveyors and other high-precision GNSS users may not have a clear idea about what GNSS constellations or their combinations can be optimally used, what the corresponding achievable accuracy and precision would be, and if more systems/signals can always bring about improved results.Therefore, it is important to investigate the performance of multi-GNSS (GPS,GLONASS, Galileo, QZSS, and regional and global BDS) on a wider range of new signals (assessment on GPS L2C and L5 is not found in the literature) for positioning,especially in the signal domain.

The DD CP residuals of some selected satellites of multi-GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BDS, and QZSS) for all available real signals from data collected are shown in Figures 1 to 4. The criterion of selection is to choose satellites with as many observations as possible. In Figure 1, the top five plots show the DD CP residuals of satellite PRN30 with all GPS signals and their frequency histograms. The last plot shows the elevation angles of satellite PRN30 and its reference satellites (there are some overlapping lines but easy to recognise). In Figures 1 and 5 there are more than one reference satellite during some epochs. This is because for L2C and L5 signals transmitted by GPS satellite Blocks IIR-M (L2C), IIF (L2C and L5), and the QZSS satellite, the reference satellites are selected from the same blocks to compute residuals. Though the new L2C and L5 signals are currently available, they are still in a pre-operational state (National Coordination Office for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing, 2014), and signal interruption occurred during the tests

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(for example in Figure 1, there is no L2C from satellite PRN30 after epoch about 288,000).

From Figures 1 to 5, it can be seen that all the DD CP residuals follow statistical normal distributions. Also, the standard deviations of the residuals increase with the decrease in satellite elevation angle, especially for GPS P(Y) signals. As stated in Section 2, the reference satellite in DD is the highest elevation satellite at each epoch, so there are no DDs for one satellite if the highest elevation satellite is itself. This situation can be seen in Figure 1 for L5 residual after about epoch 312,500, and the gaps in Figures 2, 4, and 5.

The standard deviations of residuals in all signals, modulations and the number of available satellites, are summarised in Table 2. Comparing the

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residuals in Column 5 (14 June 2014 / Javad Triumph-VS / S.D. of DD CP residuals) with the residuals in Column 7 (23 July 2014 / Javad Triumph-VS / S.D. of DD CP residuals), it can be seen for a receiver (Javad Triumph or Septentrio NV), the standard deviations of DD CP residuals between the two days (for each signal) are close, especially when there are enough satellites available for analysis. The Javad and Septentrio receivers generate CP measurements from different signal components when tracking some new signals (L2C and L5). The Septentrio NV receiver uses L2C(L) and L5(Q) while the Javad triumph receiver uses L2C(M + L) and L5(I + Q). Their tracking methods are not configurable by users, so it is not possible to compare the residuals of these new signals. The BDS residuals of the Septentrio datasets are always less than 1 mm if the signal transmitting satellites are from the same type of orbit such as GEO and IGSO, but the residuals are greater than 2 mm if two satellites in DD are from different types of orbits, while the residuals of Javad datasets are always above 2 mm for B1 and below 1 mm for B2. The results also show the noise of phase tracking of B1 signals in the Javad receiver is significantly higher than those of B2, while there is no big difference between B1 and B2 in the Septentrio receiver.

In summary, the DD CP residuals are between 0·5 mm and 1 mm for GPS and QZSS L1 C/A, L2C, and L5 signals, GLONASS L1 and L2 signals, and Galileo E1 signal. The DD CP residuals for GPS L1 P(Y) and L2 P(Y) signals, Galileo E5a and E5b are in the range between 1 mm and 2 mm. The BDS B1I residuals are over 2 mm when DD is formed with two satellites in two orbit types, and the B2I residuals are less than 1 mm when DD is formed with two satellites in the same orbit type.

The fixed solution availability is the number of available epochs with fixed positioning solutions as a percentage of the total number of epochs. All the integer carrier phase ambiguities of observing satellites must be resolved correctly in fixed positioning solutions. The GNSS availabilities for Test 2 are

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summarised in Table 3. As shown in the table, GPS has very good fixed solution availabilities (over 99%) with at least four satellites available during the 24-hour observation period in Datasets C and D. GLONASS has a similarly high fixed solution availability of 98·58% in Dataset C but a low fixed solution availability of 84·31% in Dataset D with relatively fewer available satellites. The fixed solution availability for Galileo is currently low since there are currently only four satellites in orbit. No BDS result is presented in Dataset C because the receivers (Javad Sigma) used on that day cannot receive BDS signals, but a high fixed solution availability of 99·99% for BDS can be observed in Dataset D with at least six available satellites.

The precision and accuracy are associated with the DOP values in the datasets. In Dataset C, GPS has the best precision at the millimeter level and the best accuracy at the centimetre level. Galileo, with a maximum of four satellites during the tests, can still achieve centimetre level accuracy and precision in plane coordinates, but it has the worst accuracy in height. For GLONASS, in spite of its low Horizontal DOP (HDOP), it has the worst precision in height. In Dataset D, the precisions and accuracies of GPS and GLONASS are relatively worse than those in Dataset C due to higher DOP value. Although BDS has higher DOPs than GPS, the precision and accuracy of BDS and GPS are close. This is because BDS has more observed satellites than GPS. It shows GLONASS solutions have larger errors in Easting than Northing in the two days, but Galileo has larger error in Northing in the given dataset. GPS has an even spread of horizontal errors in Dataset C, but larger Northing errors in Dataset D.

The fixed solutions’ availabilities are almost 100% except for Galileo, which is not at its Full Operational Capability. In the 7 km baseline test, both the positioning precision and accuracy reduce to the centimetre level. These results may provide surveyors with an idea of the achievable performance of the GNSS combinations in RTK surveying. A trade-off between fixed solution availability and accuracy has been observed in the datasets: using dual-constellations, such

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as GPS + GLONASS, GPS + BDS, GLONASS + BDS, and all available constellations(GPS + GLONASS + BDS + QZSS) can usually improve the precision and accuracy to about 2 cm in both plane and height components. However, using all available GNSS constellations can dramatically decrease the fixed solution availability, and using dual-constellations (e.g. GPS + QZSS in the 10 m baseline test and GLONASS + BDS in the 7 km baseline test) may slightly deteriorate precision and accuracy in some datasets. The reason is likely to be increased GNSS constellations and satellite numbers can introduce more multipath errors and lead to failed or wrong AR at some epochs.

Based on the results of this research, there are two directions of future work. Firstly, the results from the zero-baseline test are helpful in developing a stochastic model for multi-GNSS data processing. Proper weight can be assigned for carrier phase measurements according to the corresponding signal quality and satellite elevation angle. The second direction, from the observed trade-off between fixed solution availability and accuracy in Test 3, is to develop a better algorithm for satellite and signal selection to improve accuracy without compromising fix solution availability when using two or more GNSS constellations.

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根据所有可用的和新的Multi-GNSS〔GPS、GLONASS、Galileo、BDS和QZSS〕信号进

行的导航信号的质量评估

全球导航卫星系统〔GNSS〕载波相位〔CP〕的高精度定位技术已经广泛应用于大地测量、观测定位、工程测量和农业应用等。随着GNSS的现代化，多星座和多频数据处理是当前GNSS研究的焦点之一。GNSS研发人员正在设计更好的新信号，这种做法旨在为用户获得更快的信号，减少干扰，提供多种路径，降低测量噪声。然而，在实际中新的信号有多好？本文的目的是提供一个早期评估可用的新信号也是评估当前可用的其他信号。多模式导航卫星系统〔GPS、GLONASS、伽利略、BDS和QZSS〕的信号特性评估通过观察零基线双倍差异〔DD〕CP残差。在单点定位方面，调查了多系统、多频信号在准确度、精确度的影响并且吸收了一致的短基线可用方案。

关键词 多模式导航卫星系统；新信号；高精度配置

介绍：目前，美国全球定位系统〔GPS〕和俄罗斯全球导航卫星系统〔GLONASS〕是唯一两个全面运作和覆盖全球卫星定位系统。GPS使用码分多址复用〔CDMA〕技术来区分卫星。GPS卫星的所有块〔即。块活动花絮，IIR、IIR-M IIF〕传输至少两种类型的代码：粗糙的/收集的〔C / A〕代码和精确的〔P〕的代码。C / A码对平民开放用户，和P代码只用于军事和通过加密Y-code授权的用户。然而，P〔Y〕码仍然可以追踪使用特殊的跟踪技术，如互联网或Z跟踪技术〔阿什和洛伦兹，1992；Seeber，2003。240-243〕。GLONASS主要使用频分多址〔FDMA〕技术区分卫星。类似于GPS，GLONASS也有向公众开放的标准精准信号L1OF、L2OF和留给军事〔俄罗斯空间设备工程研究所，2008年〕的高精度信号L1SF、L2SF。

随着定位系统的现代化，多星座和多频数据处理是当前定位系统研究的焦点。GPS块IIR-M卫星传输新L2C信号，从而提高L2在高精度应用程序的使用。此外，一个新的民事L5信号在第三个载波频带传输块IIF卫星启用。L5信号将提高系统的精度和鲁棒性，支持“生命安全”应用程序。L1C，另一个新的民用信号将在下一代Block III卫星应用。GLONASS已经开始在新的GLONASS-K卫星上使用CDMA信号增加与全球定位系统〔GPS〕和其他GNSS系统兼容性和互操作性。欧洲GNSS伽利略系统完成了2008年的实验阶段和2012年阶段的在轨验证〔IOV〕。

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目前，伽利略有四个操作轨道卫星并且自2014年以来随着性能的讲的早期服务已经有所空缺。迄今为止中国已经发射了17颗卫星的北斗导航卫星系统〔BDS〕，其中包括6颗地球同步轨道〔GEO〕卫星，6颗中地球轨道〔MEO〕卫星，和5颗倾斜地球同步卫星轨道(IGSO〕卫星。BDS B1I和B2I信号现在向公众开放，并且在未来B2I信号被逐步取代为一个更好的信号〔中国卫星导航的办公室，2013〕。在2010年，日本推出一个Quasi-Zenith卫星系统〔QZSS〕卫星“MICHIBIKI”。它使用则与GPS Block III卫星几乎相同的传送信号。

可见卫星的数量和新型信号正在增加。他们为用户提供更多的观测信号，并因此在参数估计增加冗余。当许多卫星和信号是可用的，测量师和其他高精度GNSS用户可能不清楚什么导航系统星座或其组合可以优化使用，相应的可实现的准确度和精密度是什么，并且越来越多地的系统/信号是否总能带来改善的结果。因此，对于一个广泛的新的定位信号，研究多种导航系统〔GPS、GLONASS、伽利略、QZSS和区域和全球北斗系统〕的定位，特别是在信号域是重要的。

一些选定的DD CP残差的卫星多种导航系统〔GPS、GLONASS、伽利略、BDS和QZSS〕收集所有可用的真实信号的数据图1至图4所示。选择的标准是选择与尽可能多的观测卫星。在图1中，前五块通过GPS信号和频率直方图显示卫星的DD CP残差PRN30。最后情节展示了卫星的高度角PRN30及其参考卫星〔有一些重叠但容易认清〕。在图1和图5中有一个以上的参考卫星在一些系统。这是因为L2C和L5信号通过GPS卫星传播块IIR-M〔L2C〕、IIF〔L2C和L5〕，和QZSS卫星，从同一块选择参考卫星来计算残差。虽然新L2C和L5信号目前可用，他们仍然在前操作状态〔国家天基协调办公室的定位、导航和定时，2014〕，在测试中信号中断发生〔例如在图1中，没有L2C后，从卫星PRN30约288000〕。

从图1到图5，可以看出，所有的DD CP残差统计遵循正态分布。同时，残差的标准差在卫星仰角增加与减少，尤其是对GPS P〔Y〕的信号。第2节中提到的，参考卫星DD是海拔最高的卫星在每个系统中，所以如果对于一个系统最高的一个卫星是本身，则没有DD卫。这种情况在图1中可以看到L5剩余约312500后，差距在图2，4，5。

在所有信号，调节和可用卫星的数量中，残差的标准差，列于表2。比较列5中的残差和残差列7，可以看到接收机〔Javad胜利或Septentrio NV〕，DD CP之间的残差的标准差〔每个信号〕是最近两天的，特别是当有足够的可用卫星进行分析。Javad和Septentrio接收器产生CP测量时从不同的信号组件跟踪一些新的信号〔L2C和L5〕。Septentrio NV接收机使用L2C〔L〕和L5〔Q〕当Javad成功接收L2C〔M + L〕和L5〔I + Q〕。他们的跟踪方法不是由用户配置的，所以不可能比较这些新的的残差信号。如果信号传输等相同类型的轨道卫星地理和IGSO， Septentrio BDS

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残差的数据总是小于1毫米，但如果两颗卫星在DD来自不同类型的轨道，残差大于2毫米。而对于B1，Javad的残差数据集总是2毫米以上，对于B2小于1毫米。结果还说明Javad B1信号的接收机噪声相位跟踪显著高于B2，虽然B1和B2 Septentrio接收器没有大区别。

总之，DD CP的残差是 0·5毫米之间，对于GPS和QZSS L1 C / A，L2C，和L5信号，GLONASS L1和L2的信号，和伽利略E1信号是 1毫米。对于GPS L1 P〔Y〕和L2 P〔Y〕信号，伽利略E5a和E5b，DD CP残差范围在1毫米和2毫米之间。当DD形成有两个卫星在两个轨道类型，BDS B1I残差超过2毫米，并且当DD形成相同的两颗卫星轨道类型，B2I残差小于1毫米。

固定解决方案的可用性是可用的系统与固定定位解决方案的数量占总系统数的百分比。必须正确解决所有的整数载波相位模糊观测卫星固定定位解决方案。GNSS可用性测试2列于表3。如表所示，全球定位系统〔GPS〕有很好的可用性固定解决方案〔超过99%〕和至少四颗卫星24小时观察期间在数据集C和D。格洛纳斯有一个类似的高固定解决方案的

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可用性数据集C 98·58%，但较低的固定解决方案的可用性数据集D 84·31%的可用卫星相对较少。伽利略的固定解决方案的可用性是目前低，因为目前只有四个卫星在轨道上。没有BDS结果提出了数据集C，因为接收器〔Javadσ〕那天不能接收BDS信号，但99·99%的高固定解决方案可用性BDS中可以观察到数据集D至少有六个可用卫星。

精密度和准确度都与DOP数据集相关。在数据集C，GPS最好的精度在毫米级和最好的准确性在厘米级。在平面坐标，伽利略，最多四个卫星测试期间，仍然可以到达厘米级准确度和精度，但在高度方面准确性最糟糕。格洛纳斯，尽管它的低水平DOP〔HDOP〕，它有最糟糕的高程精度。在数据集D，由于更高的计划价值的数据集，相比照C GPS和GLONASS的具有准确度和精度。尽管BDS的DOP高于GPS，BDS和GPS的精密度和准确度接近。这是因为BDS比GPS有更多的观测卫星。它显示了在东方GLONASS的解决方案有较大的错误比北方在两天内，但伽利略在北方在给定的数据集有大错误。GPS甚至有水平传播错误数据集C，但更大的北航错误数据集D。

固定解决方案的可用性出了伽利略几乎100%，这不是完整的实用能力。7公里的基准测试，定位精度和准确性降低到厘米级。这些结果可能为验船师提供一个GNSS组合的性能的想法去实现RTK作业。权衡固定解决方案的可用性和准确性之间已经观察到的数据集:使用双重星座，如GPS + GLONASS、GPS + BDS，GLONASS + BDS，所有可用的星座〔GPS + GLONASS + BDS + QZSS〕通常可以提高精度和准确性两平面和高度约2厘米的组件。然而，使用所有可用的GNSS星座可以大大减少固定解决方案的可用性，并利用双重星座〔如GPS + QZSS在10米基线测试和GLONASS + 7公里的BDS基线测试〕在某些数据可能略有恶化精密度和准确度。原因可能是增加了GNSS星座和卫星数字可以引入更多的多路径错误，导致失败或错误的基于“增大化现实”技术的系统。

基于本研究的结果，未来有两个方向的工作。首先，从零基线测试结果有助于发展多种定位系统数据处理的随机模型。根据相应的信号质量和卫星仰角为载波相位测量适当的权重。第二个方向，从观察之间的权衡固定在测试3解决方案的可用性和准确性，是开发一个更好的算法用于卫星和信号选择解决方案可用性的前提下尽可能地提高精度在使用两个或两个以上的GNSS星座。

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