量；卫星入轨和卫星回收的实时点位测量；载入航天器的在轨防护探测；星载GPS的遮掩天体大小和大气参数测量；对地观测卫星的七维状态参数和三维状态参数测量[2]。
由此可见，GPS技术已经延伸到各个领域的方方面面，但是要完成以上所述的各种用途，最基本的就是要具备能够接收GPS信号并且能够调制输出的设备，而这种设备最基本的功能就是能够显示当时所处地点的经纬度以及UTC标准时间。现在世面上已经有许多基于GPS接收模块所开发的产品，如GPS手持机、车载GPS导航仪等等，虽然其功能强大，但价格相对而言比较昂贵，而且对于普通应用没有必要。所以基于这种情况下，本次设计针对普通用户使用GPS的切实需要，设计并制作基于单片机的GPS定位信息显示系统。
1.2 论文主要内容
本次设计的主要任务是在GPS和单片机的理论知识基础上，选择合适的单片机提取GPS接收模块接收的数据并且由液晶显示模块显示接收的数据。
在此次设计过程中，主要熟悉所选用的GPS接收模块的性能指标，学习NMEA封包并懂得如何使用NMEA输出命令，结合单片机的相关知识能实现对GPS接收到的卫星信息进行提取，并在液晶显示器上选择性的显示需要的数据。
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第二章 GPS定位信息显示系统方案设计
2.1 GPS全球定位系统简介
全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成部分。
全球定位系统由三部分构成：
(1) 地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成。
(2) 空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上。
(3) 用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成[3]。这三部分的相互关系如图2.1所示。
图2.1 GPS全球定位系统组成
1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段。GPS系统经过16年的发射试验卫星，到开发GPS信号应用，进而发射工作卫星，终于在1994年3月建成了信号覆盖率达到了98％的GPS工作星座，它由24颗Block2卫星卫星组成。Block2卫星如图2.2所示。
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图2.2 Block2卫星图
全球定位系统有很多特点，其主要特点如下： (1) 全天候； (2) 全球覆盖；
(3) 三维定速定时高精度； (4) 快速省时高效率； (5) 应用广泛多功能。
24颗GPS卫星在离地面2万公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时接收到6颗以上GPS卫星的定位信息。只要有4颗卫星的定位信息，GPS接收机就能向用户提供三维坐标、时间及移动速度等信息参数。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收设备的距离，根据三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。美国政府宣布从2000年起，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球
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范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米。为了达到更高的定位精度，往往还采用了差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
2.2 GPS信号接收方案选择
要实现在液晶显示器上显示出接收到的GPS数据信息，首先要实现GPS信号的接收。在接收GPS信号方案上可以有两种选择。
第一种方案是选择GPS接收芯片然后再根据芯片设计标准，设计外围电路和安装天线等，选择这个方案的优点是可以掌握到GPS接收部分的电路设计技术，但是这个方案的缺点也是显而易见的，首先实现的难度较大，不容易成功，其次由于GPS接收芯片一般都是厂商直接供货，单独采购价格会很高。
第二种方案是选择成品的GPS接收模块，采用这个方案的优点是由于现阶段GPS接收模块的制造技术已经相当成熟，性能稳定并且使用非常方便，定位成功后直接就可以通过模块输出GPS相关信息。并且在经过大规模的商业化生产后价格已经能被我们所接受，这样的模块在市面上也能够容易的购买到。
从上面的分析可以知道，选择GPS接收模块就能够很好的作为本次设计接收GPS定位信息的解决方案，因此我选择第二种方案来完成本次设计。
2.3 GPS接收模块的研究
GPS接收模块是接收机的关键部分，而且型号很多，功能各异，一般组成结构主要由低噪声下变频器、并行信号通道、CPU、储存器等组成。
GPS接收模块通过它的接收天线获取卫星信号，经过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。在获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间之后，即可计算出天线位置。用户通过输入输出接口，与GPS接收模块进行信息交换，实现功能。GPS接收模块内部结构如图2.3所示。
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图2.3 GPS接收模块内部结构
2.4 总体方案的设计
本次设计要求通过单片机控制GPS器件实现定位信息显示功能。在这里使用常见的MCS-51型单片机作为处理器，利用MCS-51单片机的串行接口接收SiRF Star II GPS信号接收模块输出的数据信号，并通过软件方法筛选出其中有用的定位数据，最后通过单片机的并行接口输出至液晶显示模块显示的方案。该GPS定位信息显示系统硬件部分主要由以下几个部分组成：
(1) 接收部分：以SiRF Star II GPS接收模块为核心的GPS接收机； (2) 控制电路：由51单片机作为微处理器控制GPS信号； (3) 显示部分：12864LCD液晶显示模块；
(4) 电源电路部分:用以提供系统工作时所必须的电。
单片机系统：本次设计使用51单片机作为微处理器，控制GPS数据的读取和传输过程。利用其串行接口接收SiRF Star II GPS接收模块输出的NMEA-0183语句数据，并将接收到的数据经过筛选和处理后发送到12864液晶显示器显示。
外围电路：外围电路一部分是由GPS接收器件及其辅助电路组成，一部分是LCD液晶显示模块的电源电路和显示电路。SiRF Star II GPS接收模块主要由变频器、信号通道、存储器、中央处理器和输入输出接口构成。它接收天线获取的卫星信号，经过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量定位。
单片机控制程序：编写程序，实现单片机控制系统的初始化，控制GPS器件完成
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