基于嵌入式系统的GPS导航定位系统设计

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2012．10．20 XUEBAO
自从1978 年2 月22 日第一颗GPS 试验卫星
进入轨道以来，27 年间GPS 已经显示了它巨大的社
会、军事作用与经济、社会效益[1]。GPS 卫星发射的导
航、定位信号，作为一种时空信息资源，可在全球范
围内向无数用户提供位置、速度和时间信息。随着
GPS 向民用开放，它所蕴藏的巨大商机也被发掘出
来。GPS 不仅用于导弹、飞船的导航定位，更是广泛
用于飞机、汽车、船舶的导航定位，公安、银行、医疗、
消防，林业、环保、资源调查、物理勘探、电信等都离
不开导航定位，特别是随着卫星导航接收机的集成
微型化，出现各种融通信、计算机、GPS 于一体的个
人信息终端，使卫星导航技术从专业应用走向大众
应用，成为继通信、互联网之后的IT 第二个新的增
长点[2-4]。
随着嵌入式系统的高度发展和GPS 应用的逐
渐广泛，尤其是我国北斗导航系统的使用，现在车载
导航系统和手持导航设备的开发已经成为嵌入式系
统发展的一个热门方面。GPS 主要功能有定位、测量
及授时等，而动态(即瞬间)定位是GPS 接收机、控制
系统、软件系统及显示器等几部分。目前，车载导航
系统在美国、日本已经商品化，在我国也早已展开了
很多的研究和设计。中国是个GPS 应用大国，车载
导航监控系统的研制具有广泛的实用价值和市场前
景，但是从系统的技术水平和产品的质量和成熟程
度来说，我们还处在往上发展时期。目前，城市建设
发展速度越来越快，道路变得也越来越复杂，在这种
情况下，随着汽车的日益普及，找到一种方式，使人
们能够从容的面对错综复杂的交通网，己经迫在眉
睫。利用GPS 进行车辆定位导航是个不错的选择。
因此，研究和开发基于嵌入式系统的GPS 定位系统
具有现实意义[5-7]。
一、GPS 基本原理
GPS 的基本定位原理是：卫星不问断地发送自
身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，
经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运
动速度和时间信息。
（一）绝对定位原理
利用GPS 进行绝对定位的基本原理为：以GPS
［摘要］在分析当前的GPS 导航定位系统发展状况的基础上，提出了以ARM 微处理器S3C2410A 为
核心的硬件系统设计方法，并以Windows CE 嵌入式操作系统平台为总体构想，从硬件设计和软件设计两个
方面详细讨论了系统的设计与实现。
［关键词］GPS 导航; ARM; Windows CE 操作系统
［中图分类号］TN967．1 ［文献标识码］B
基于嵌入式系统的GPS导航定位系统设计
聂虹
（福建农林大学机电工程学院， 福建福州350002）
[文章编号] 1671－802X(2012)05－0051－04
＊［收稿日期］2012－10－08
［作者简介］聂虹（1981－），女，重庆人，助理实验师，研究方向：信号检测与控制。
No.5 2012
General No.62 Vol.11
2012 年第5 期
第11 卷(总第62 期)
安徽电子信息职业技术学院学报
JOURNALOF ANHUI VOCATIONAL COLLEGE OF ELECTRONICS ＆ INFORMATION TECHNOLOGY
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XUEBAO 2012．10．20
卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量P
为基础，并根据卫星的瞬时坐标（ XS ,YS ,ZS ），以
确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位
置。
设接收机天线的相位中心坐标为（ X,Y,Z ），则
有：
ρ=姨(Xs－X)2+(Ys－Y)2+(Zs－Z)2
卫星的瞬时坐标（ XS ,YS ,ZS ）可根据导航电
文获得，所以式中只有X 、Y 、Z 三个未知量，只要
同时接收3 颗GPS 卫星，就能解出测站点坐标（ X,
Y,Z）。可以看出，GPS 单点定位的实质就是空间距
离的后方交会，如图1 所示。
（二）相对定位原理
GPS 相对定位，亦称差分GPS 定位，是目前
GPS 定位中精度最高的一种定位方法。其基本定位
原理为：如图2 所示，用两台GPS 用户接收机分别
安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS 卫星，
以确定基线端点（测站点）在WGS-84 坐标系中的
相对位置或称基线向量[8]。
二、系统硬件及GPS 模块设计
（一）总体硬件设计方案
整体电路框图如图3 所示：
GPS 导航定位系统的设计可分为S3C2410A 处
理器和GPS 模块电路，其中GPS 模块将接收到的定
位数据通过串口传送给处理器，完成GPS 的导航定
位功能。
在本硬件平台上采用的处理器是三星公司的
S3C2410A，存储模块采用FLASH，和SDRAM 提供
系统所需的内存， 其中FLASH 采用的是
K9F1208UDM，SDRAM 采用的是三星公司的两片
K4S561632C-TC75 芯片。电源采用3.3V 和1.8V 供
电，系统处理器芯片采用1.8V 供电，存储模块采用
3.3V 供电。显示模块采用的是PD064VT5,它是一种
用非晶硅TFT 作为开关器件的有源矩阵液晶显示
器[9-10]。
（二）系统硬件电路设计
在系统的框架图中，SDRAM K9F1208UDM 和
SDRAM K4S561632C 都使用3.3V 电源供电，
FLASH 模块的WE ,ALE ,CLE ,CE ,RE ,RnB 脚分别
与S3C2410A 的FLASH 控制器相连，8 个I/O 口分
别与系统数据总线DATA[31:0]相连。SDRAM 模块
的nscs ,nsras ,nscas ,nWE ,LDQM , UDQM,SCKE ,
SCLK 脚与S3C2410 的存储控制器相连，A0-A12,
BA0,BA1 分别与系统的数据总线的ADDR [26:0]相
连。LCD 模块的HSYNC,VSYNC,DENB,CLK 及数据
位经过电平转换j 分别与LCD 控制器相连，GPS 模
块引脚与MAX232 相连后经过电平转换与系统的
串口相连。如图4 所示：
图1 GPS 绝对定位图
S1
S2
S3 S4
基线向量
A B
图2 GPS 相对定位图
图3 系统总体硬件图
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开始
初始化
串口是
否打开FALS
设置串口参
提出GPS 数据信
判断是
读取定位信
显示
输入缓冲
区是否为
结束
Y
Y
Y
图5 GPS 数据提取
三、系统软件设计
GPS 模块上电之后就会源源不断地通过串口发
送各种格式的地理信息，为了从GPS 模块上接收到
信息，需要对串口进行编程，以控制串口的行为，
GPS 串口程序分为以下几个部分：
1．串口设置对话框。
2．串口控制程序，控制串口的参数设置、打开、
接收等。
3．对GPS 传来的信息进行分析处理，从一系列
的GPS 信息中提取RMC 格式的信息，并进行分析
处理，提取经纬度信息。
4. 定位功能的实现，以数字的信息格式在用户
界面上显示地理信息。
（1）GPS 数据提取流程图如5 所示：
图4 系统硬件平台接线图
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（2）提取纬度信息，并判断南北纬
以下是纬度的提取流程图，经度的提取流程图
也是如此。
四、结论
本文主要完成了对ARM 及Windows CE 嵌入
式系统的GPS 设计，其中有基于ARM 平台的外围
硬件电路设计，GPS 模块及接口的编程，Windows
CE 操作系统的移植，以上实现的GPS 定位和嵌入
式Windows CE 操作系统的移植仅仅是基本的功
能，我们要在逐渐完成产品各项功能和现有图形用
于接口的基础上，实现产品更多应用功能的开发，使
之真正成为低成本，高性能，功能丰富的车载终端产
品。
［参考文献］
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[7] 张积红，吴强. 嵌入式Linux 研究及其在
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设计中的应用[J].遥测遥控，2003，(05)．
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[10] 邹维宝. GPS/数字地图系统研究[D].硕士论
文.西安:西北工业大学.1997．
Design of GPS Navigation System Based on
Embedded Operating System
Nie Hong
(College of Mechanical & Electronic Engineering,
Fujian Agriculture and Forestry University,
Fuzhou 350002, Fujian)
Abstract：Based on the analysis of the current
GPS navigation system, a design which uses the ARM
microprocessor S3C2410A as the core hardware and the
Windows CE as the embedded operating system is
proposed. The design and realization are presented in
detail from the two perspectives of both hardware design
and software design.
Key words：GPS navigation; ARM; Windows CE
operating system
（责任编辑：江玉祥）
开始
提取RMC 语
找出小数点位置
保存“度”的消息到
保存小数点之前的
“分”的信息
和“度”相加
保存小数点之后的“分”的信
和m_strLatituda 相加
判断南北纬
保存
提取到
语
结束
图6 纬度提取
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