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第一章 绪论
第一节 GPS的概念及发展概况
GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的英文缩写，它可以用来实现连续的实时三维导航。所谓导航（navigation），在这里的定义是实时的测定运动载体在途行进时的位置和速度，引导运动载体沿一定的航线经济而安全的到达目的地[1]。
完成高精度的导航定位，需要导航装置作为辅助手段。其中有一类导航装置，发射无线电信号，使用户能够通过终端设备接受多个该类导航装置的无线电信号计算出其位置，我们称这类导航装置为无线电导航装置。
无线电导航装置通常可分为路基和星基两大类。路基无线电导航基于较少的无线电标台站，不但精度和范围有限，而且易受无线电干扰。50年代末，前苏联发射了第一颗人造卫星，美国科学家通过跟踪研究，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星导航定位系统TRANSIT的建立，开创了陆海空卫星无线电导航的新时代，这是第一代星基无线电导航装置。但由于多普勒卫星轨道高度低，系统含星座较少，所以存在这轨道精度难以提高，定位时间间隔过长等明显缺点。正是这些缺陷，促使了美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）的快速发展。
美国的全球卫星定位系统（GPS）计划自1973年起步，1978年发射首颗导航卫星，1994年完成24颗中等高度圆轨道（MEO）卫星组网，历时16年，耗资120亿美元。至今，已先后发展了3代卫星。
整个GPS系统由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。空间星座部分主要由24颗GPS卫星（21颗卫星加3颗轨道备用卫星）组成，卫星高度20200km，轨道周期11小时58分，有6个轨道面，每个轨道至少4颗卫星，轨道倾角55°。这样的设计保证了地球上及近地空间在任何时间都至少可见4颗卫星满足最基本的定位要求。地面监控部分包括卫星监控站、主控台和信息注入站。监控站是在主控站的直接控制下的数据自动采集中心，对GPS卫星进行连续监测；主控站设在美国本土的科罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空
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军基地，协调和管理地面监控系统，同时计算各卫星的星历、时钟误差和大气修正参数并送到注入站，控制卫星，使卫星正常运转；注入站的主要工作是将卫星轨道、时钟纠正信息，控制命令上行注入卫星。用户设备部分就是用户进行导航定位的终端设备，由接收机硬件、数据处理软件及微处理器构成[2]。
GPS卫星采用码分多址（CDMA）技术在两个频率上广播测距码和导航。这两个载波频率分别是L波段的L1（1575.42MHz）和L2（1227.60MHz）。测距码有C/A码和P码，分别用于民用的标准定位服务（SPS）和军用的精密定位服务（PPS），两者在定位精度上有着较大差异。导航数据主要是卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层现时修正等广播星历，它向用户提供了定位一直参考点（信号发射卫星）的起算坐标和系统参考时间及相关传播误差修正[3]。
“GPS的应用，仅受人们的想象力制约。”GPS问世以来，已充分显示了其在导航定位领域的霸主地位。许多领域也由于GPS的出现而产生革命性变化。目前，几乎全世界所有需要导航定位的用户，都被GPS的高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉的特点所吸引。
按其作用，GPS的应用可分为以下三类：
1. 导航，主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。例如：船舶远洋导航和进港引水；飞机航路引导和进场降落；汽车自主导航；地面车辆跟踪和城市智能交通管理；紧急救生；个人旅游及野外探险；个人通讯终端。
2. 授时校频。例如：电力，邮电，通讯等的时间同步；准确时间频率的授入。
3. 高精度测量。例如：各种等级的大地测量，控制测量；道路和各种线路放样；水下地形测量；地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测；GIS应用；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精细农业。
第二节 软件无线电技术的发展概况
在1992年5月美国电信系统会议上，Jeo Mitola首次提出了软件无线电（Software Defined Radio）的概念。软件无线电（SDR）是指在一个开放的，标准化的、模块化的通用硬件平台上，通过软件加载实现各种无线电通信功能(如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式和通信协议等)。其核心是：使
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宽带A/D、D/A转换器并尽可能地靠近天线；无线电功能尽可能地通过软件来实现。理想的软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D和D/A转换器、通用或专用数字信号处理器以及各种软件组成。
射频天线模块RF模块A/D D/A高速(DSP)处理器软件实现各种功能模拟接口A/D D/A数字接口
由于计算机技术，特别是微处理机在高速数字信号处理技术和通信中的应用，无线通信系统从模拟向数字转化；最近快速发展的宽带模数转换和信号处理技术、日益提高了的硬件工艺水平、日臻成熟的可编程器件和EDA 工具，使软件无线电的概念转化为实际应用成为可能。无论是从军用还是商用或是民用的要求考虑，软件无线电都是通信系统用户需求的必然产物。军用无线电系统为了实现海、陆、空、天一体化的立体战争环境，要求在不同频段、不同通信制式和不同的管理体制下均可以互联通信；商业和民用客户要求通信系统能支持多媒体服务,包括移动通信、高速传真和高速的数据传输等。为了满足这些服务需求，物理层需要有高度灵活性和适应性，必须是兼容多标准操作和功能。传统数字通信系统对多标准通信解决方法并不灵活，当介质和信道特性改变时，硬件就必须完全更新。尤其是在当今无线电标准和接口种类层出不穷的时期，为了节约成本，从经济角度考虑，传统的无线电通信系统必将被每层可软件重构的软件无线电设备所取代。软件无线电的出现，使无线电技术由以硬件为主的时代走向以软件为主的时代，事实上它是继模拟通信技术、数字通信技术之后的第三代无线通信技术。
软件无线电具有以下一些特点：
1. 软件无线电具有完全的可编程性，可通过软件编程来实现无线电台的功能，包括对无线波段、信道调制、接入方式、数据速率的编程等，因此通过程序进行控制和操作，这是软件无线电最突出的特点之一。但是软件无线电不是不要硬件，而是把硬件作为一个基本平台来架构。
2. 软件无线电的另一个重要特点是A/D、D/A变换与天线十分靠近，因而能比较迅速地将接收到的射频模拟信号转换为数字信号，比较晚地将要发送的数
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图1.2 理想软件无线电模型中国科学技术大学毕业论文
字信号变换为射频模拟信号，这就充分地利用了数字信号处理 （DSP）器件的功能和软件的资源。
3. 软件无线电遵循开放平台的设计思想，采用了模块化的结构，因而能够方便的进行硬件模块的更换和软件的升级，并能通过运行不同的算法，实时的配置自己的信号波形，提供各种各样的通信业务。其新业务仅需在电台中加载新的软件模块即可实现，从而降低了通信设备的硬件成本。
第三节 本文的主要研究内容及意义
一、课题背景
LBS（Location Based Services，基于位置服务）是定位技术的应用开发，它的工作原理是：用户终端设备（一般为手机、PDA、手提电脑等移动终端）采用卫星定位或其它方式获取用户位置等信息，并实时地将这些信息通过移动通信方式传至服务器，服务器根据用户的请求做出响应，并将响应回馈到用户终端。
位置信息在大众生活中占据着越来越重要的地位，尤其是从服务于人的信息应用发展到借助传感器的分布式网络，再到以机器自动装置为主的网络集群，位置信息无处不在。近年来，随着电子、计算机、信息等技术的飞速发展和交叉研究，位置信息服务不再局限于运营商的一项增值业务。它已经将电子地图、车载导航、无线导航、交通信息四个领域形成了产业模式。可以预测，位置服务已经由业务的概念逐步外延到产业发展层面上。LBS的发展已经进入了黄金时期。面向数字化城市的基于位置服务的系统实现了定位、通信和GIS技术的集成以及生活指南信息的获取，为人们的生活带来了很多便利，在未来数字化工作和生活中也将发挥重要作用[4]。
本文的研究工作受上海市国际合作基金项目“基于位置的移动信息服务关键技术研究与应用示范”的资助，项目是针对GPS定位信息在区域范围内的分布和基于地面卫星增强系统三维高精度定位系统的性能评估与验证。本文的研究正是接收系统中数据帧应用软件设计与研究，同时基于软件无线电的GPS接收机开发是本文研究的系统基础。
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二、主要研究内容
在本文中，主要阐述软件无线电（SDR）概念，NMEA-0183协议，以及基于软件无线电思想设计的GPS软件接收机的体系结构。并以PC机为平台， Visual C++的MFC框架为基础，设计了GPS应用分析软件。通过串口连接，从接收机中读取基于NMEA-0183协议的数据帧，实现了数据帧显示，导航信息显示，接收机多通道卫星信号信噪比（SNR）分析，天空卫星视图显示，定位精度因子（GDOP）分析，用户位置跟踪，数据保存回放等主要功能，并使用GARMIN 15L GPS接收机模块和Fastrax itrax 300接收机模块对软件的性能进行了验证和分析。
各章分述如下：
第一章简要介绍了GPS系统和软件无线电的基本概念。
第二章中针对软件无线电的特点，描述了GPS软件接收机的构架，以及中频数字处理中的两步核心流程的算法。
第三章介绍了NMEA-0183协议和使用Windows API 的串口通信机制，给出了通过读取NMEA码可以实现的接收机功能描述。
第四章描述了基于NMEA-0183协议的GPS接收机软件的实现过程，并对其功能加以验证，综合分析影响定位精度和位置移动轨迹的因素。
第五章为总结以及本文所描述的GPS应用软件的发展前景。
三、课题意义
降低定位精度因子，是在伪距测量误差一定的情况下优化GPS定位精度的有效途径。相对位置移动轨迹跟踪测量是GPS对在测绘学上重要应用。通过编写GPS应用分析软件，研究如何影响定位精度因子的因素和引发跟踪轨迹误差的来源对提高GPS定位精度，实现精确测绘有着重要的意义。而高质量的定位和跟踪轨迹能够使区域位置服务更为精确、高效。
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