基于STM32的无人船GPS定位系统设计与实时显示开题报告
2022-01-11 06:01
全文总字数：5500字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
一、选题目的：
近年来，GPS定位技术发展日新月异，无论是对于国家在世界全球的发展，还是对于人民日常生活都具有高度的战略意义。利用GPS定位技术，在一个国家或地区布设密度不同的长年运行的GPS卫星永久跟踪站，通过数据通讯网络把这些跟踪站的精确坐标和GPS跟踪数据反馈给用户，用户只需要一台类型不同的GPS卫星接收机，通过不同的软件和作业延时，就可以达到十米级、米级、分米级甚至厘米级、毫米级等不同级别的实时、快速或事后定位，GPS定位技术的发展对其高精度和高效率进一步提出了高要求。
但是，GPS定位仍存在一定的局限性，需要长期的研究进行改进升级。显而易见的是定位精度在城市受建筑影响较大，为满足GPS定位系统对于实时性和精确度越来越高的要求，一方面结合基站、WIFI、GPRS等技术提高定位的精确度，扩大其应用范围，另一方面，选择合适的控制器以实现对其控制，目前研究大多基于51单片机和ARM微处理器两种。由于ARM处理器的发展使其功能更强大，可以实现更高要求，本课题选用STM32即采用ARM Cortex -M3内核，主要采用无人船来实现定位与位置实时显示来展现研究成果。
二、研究意义：
目前，GPS定位系统已经越来越广泛的应用到资源勘测、航空与卫星遥感、交通信心系统、运动目标测速和城市控制网改善等科学技术和经济建设领域。由于GPS卫星24小时连续工作，这些卫星跟踪站通过利用现代自动控制技术可以实现无人值守的连续运行，通过有线无线数字通信网络，使系统的数据实现局部或全球范围内的共享。除此之外，GPS定位系统兴起的原因在于其具有全天候、全自动、实时的定位导航功能，还具有进行天气预报、灾害监测、电网及通信网络的时间同步等多种功能。
基于STM32的GPS定位系统的开发涉及众多领域的实际发展，具有重要的研究意义，无论是生活应用还是科技研究，都有着很好地经济效益和社会效益。对于无人船而言，无人船完成自动跟踪路径、自动避障、自动目标识别以及路径规划等任务，无人船的精确、实时定位是前提条件，GPS定位是无人船发展的关键技术之一。因此，对于GPS定位系统的研究具有重要的现实意义。
国内外研究现状
| 由于GPS主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备三个部分构成，因此近年来国内外关于GPS的发展主要围绕空间星座部分和用户设备展开。 （一）空间星座部分（卫星定位导航系统） 针对全球定位系统的需求，目前而言，全球较成熟的卫星定位导航系统有美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和中国北斗卫星导航系统。 我国的GPS定位系统一直使用美国发射的24颗GPS卫星，直到2009年开始，我国自行研制了北斗卫星卫星导航系统，由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒，利用北斗系统传递时间频率，其稳定度、准确度与GPS(全球定位系统)相当。由于定位卫星轨道分布不同，其在高遮挡区的信号质量更高，首次定位时间更快，其短报文通信功能呢，特别适合与铁路运输部门对列车的大范围运行控制管理与调度。但单一的北斗卫星系统容易出现可见星数量不足的问题降低其定位能力。因此，北斗卫星需要与其他卫星定位系统融合增加可靠性，在2017年11月底，中美两国共同签署了《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》，其中表示“北斗导航和GPS导航在国际电信联盟(ITU)框架下实现射频兼容，实现民用信号互操作”，即中国北斗与美国GPS已达成该合作关系。 美国作为最早发射GPS卫星的国家，近年来一直致力于确保GPS系统在轨卫星数目的充足以及对老旧卫星的及时更替工作研究。截止2012年12月，GPS星座在轨运行的卫星共计31颗，其中包括9颗GPS IIA、12颗GPS IIR、 7颗GPS IIR-M 以及3颗GPS IIF。预计到2030年美国国防部还将发射40到50颗卫星，其中原计划2014年发射的GPS III卫星延迟发射，目前第三代GPS卫星正在积极研发中，据悉第一个型号GPS block IIIA将在2018年发射。 与此同时，日本也在积极研发准天顶区域导航卫星系统，预计在2023年左右建成。2017年10月10日发射出一颗准天顶卫星“引路”4号，作为日本第四颗导航卫星成功升空意味着，日本打造的区域卫星导航系统已基本完成，可以为其提供更具精准性的导航服务，将使得导航精度从数米精确到一米以内。并且，该信号相对稳定，在城市高楼大厦间和偏远山区都可以提供高精度的定位服务。 （二）、用户设备（接收机） 国内对于软件接收机的研究相对较晚，八十年代末至九十年代初期开始自行研制测地型的GPS接收机，但受大规模集成电路制作工艺的限制，在国内难以推广，发展缓慢。迅速发展在九十年代末以来，1998年北航的张其善教授课题组首次研制出了可在PC平台上运行的单频GPS软件接收机样机；2004年美国留学归来的GPS高级软件工程师鲁郁博士采用高级语言编写了一套完整的GPS软件接收机程序；2010年上海交大的赵晋研究了基于“硬件模拟前端 FPGA PC”架构的北斗二代卫星导航接收机；2014年ZHANG等在PC机上设计了一款开源的双频软件接收机可接受GPS卫星双频信号；近几年关于软件接收机的研究也多基于国内发展势头迅猛的北斗导航系统。 截然不同的是，国外对于接收机的研究起步较早，尤其是软件接收机。1995年Clifford Kelley博士就设计了第1款真正意义上的GPS软件接收机；2000年第1本基于软件无线电思想的GPS软件接收机著作就由美国TSUIJ出版社出版，为初学者系统介绍了软件接收机的硬件设计和基带信号处理算法。随着时间的推移，国外各国间采取开展合作研究的模式，软件接收机发展更加迅速，比如美国Stanford大学与瑞典Luleake科技大学合作实现了基于高级语言的四通道实时软件接收机。2009年丹麦Aallbong大学GPS研究中心研制出了只需在PC或DSP上运行软件就可实现定位的单纯的软件接收机。因此，目前发展的趋势是基于PC机的研究来实现软件接收机的功能，通过一些优化的算法来合理运用硬件资源，使软件接收机走向实用化道路。 |
2. 研究的基本内容
（一） 硬件
硬件设计路线图如下所示：
3. 实施方案、进度安排及预期效果
（一）实施方案
1.查阅资料了解课题背景及国内外研究现状，提出个人见解和猜想，明确项目实施意义；
2.对比选择所需元器件和设备，熟悉相关的基本参数和应用注意事项；
3.根据项目目标和选取的元器件，分析控制要求，明确GPS系统需要实现哪些功能，搭建系统原理构成框图；
图3系统功能框图
4.通过Aultium Designer软件画PCB原理图，分别完成各模块部分，组合形成硬件部分；
5.学习STM32对GPS的控制程序，进行调试，形成软件部分；
6.总结项目实施过程中的问题，完成毕业论文。
（二）进度安排
1.完成开题报告（12.13至12.21）
(1)处理器的选择；
通过STM32F103ZET6、51单片机、西门子PLC的对比最终选择STM32F103ZET6。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核,采用哈弗结构，32bit，数据处理功能强，程序都是模块化的，接口相对更简单，工作速度快。51单片机是Intel内核，采用冯诺依曼结构，8bit，控制方便，自身功能较少,需要外围元件多,要求对电子熟悉。二者相比，STM32具有以下显著优点：
① 代码效率高（32位包含信息量大，多数指令一个字节搞定）；
② 执行速度快（72MHz系统时钟）；
③ 功能强大（外设丰富、管脚多、管脚功能可重映射）；
④ 编程方面寄存器多，位数多，可实现功能强大。
西门子PLC是西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器，其应用多在冶金、化工、印刷生产线等领域，产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。 最新西门子S7系列PLC具有体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能强，可靠性高的特点。S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200)，小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等。按控制规模可分为小型、中型、大型，小中型处理速度均在0.8ms~1.2ms，存储器为2K，控制系统相对单一，大型机的控制点一般大于2048点，不仅能完成较复杂的算术运西门子PLCS7-400系列算，还能进行复杂的矩阵运算。但是，由于本次研究需要显示GPS定位模块的位置，既要保证其稳定性和实时性，又需要具有丰富的外设接口以实现数据通信，对于控制器的要求较高，因此选用STM32 F103ZET6作为处理器。
其中，STM32系列分为F103“增强型”和F101“基本型”系列，所以选用STM32F103系列作为本次研究课题的控制器。F103系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品;基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的较好选择。内置32K到128K的闪存，时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
以下是选取的型号为STM32 F103ZET6处理器的具体参数：
| 型号 | STM32F103ZET6 |
| 主频（MHz） | 72 |
| FLASH | 512KB |
| RAM | 64KB |
| 内核 | ARM Cortex -M3 |
| EEPROM（B） | 0 |
| 封装 | ECOPACK/LQFP |
| 通用I/O | 112 |
| 工作电压（V） | 2.0~3.6 |
| 定时器 | 16位定时器8个 电机控制定时器2个 |
| 12位ADC转换单元 | 3 |
| 12位ADC通道 | 21 |
| 16位ADC转换单元 | 0 |
| 16位ADC通道 | 0 |
| 12位DAC通道 | 2 |
| 比较器 | 0 |
| 放大器 | 0 |
| SPI | 3 |
| 温度（℃） | -40~ 105 |
4. 参考文献
[1]于铁军，基于arm的gps定位系统设计与实现[d].太原:中北大学2014.
[2]马维华.嵌入式系统原理及应用[m].北京：北京邮电大学出版社，2010:217-230
[3]吴玲，陈传德，孙永荣等. 车载gps/北斗/dr 组合导航系统研究[j].电光与控制，2011，18(3):48-51
