毕业设计（论文）基于北斗卫星的船舶定位信息转换接口的毕业设计.doc

基于北斗卫星的船舶定位信息转换接口的设计专业班级：姓 名： 指导教师： 信息学院摘要 中国为了建立独立自主的卫星导航系统,于2000年成功发射了北斗导航定位系统的两颗卫星,标志着中国卫星导航技术取得突破性进展。中国已成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗一号采用双星有源导航定位体制,可以全天候、全天时提供区域卫星导航信息。北斗一号卫星导航定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速导航定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星导航定位系统。本文分析了北斗卫星导航定位系统的工作原理和工作方法，论证了将其应用于船载导航设备的可行性。结合北斗卫星定位特点，独立设计了船舶定位信息转换接口，系统中对主要是通过北斗卫星来定位，通过船舶定位信息转换接口实现北斗卫星和现有船载导航设备的对接。并且通过相关的数据仿真，实现了北斗数据的发送测试和GPS数据的接收测试。此船舶定位信息转换接口将推进北斗导航系统的推广使用，使北斗卫星系统在船用导航上发挥更大的作用，进一步促进新航行系统的发展。关键词：北斗卫星，GPS，串口通信，接口转换，船舶定位导航Abstract目 录摘要iAbstractii第1章 绪论11.1 卫星导航定位系统的发展与应用11.2 北斗卫星的发展及应用11.3 研究背景与主要内容31.3.1研究背景31.3.2研究目的41.3.3研究意义4第2章 系统设计的相关理论52.1 北斗卫星导航系统基本理论52.2.1 北斗卫星导航系统系统组成52.2.2 北斗卫星工作原理52.2.3北斗特点62.2 GPS系统基本理论82.3.1 GPS系统工作原理82.3.2 应用GPS系统的船用设备92.3.3北斗系统与GPS系统的比较102.3 北斗卫星与GPS系统的通信协议112.3.1 北斗卫星通信协议112.3.2 GPS通信协议142.4 串口通信协议172.4.1 RS-232串口172.4.2 RS- 485串口18第3章 船舶定位信息转换接口的设计与实现193.1 方案设计193.1.1 系统结构设计193.1.2 器件选择193.2 基于单片机的硬件设计223.2.1 接口电路模块的设计233.2.2 单片机控制模块设计253.3 系统控制软件设计263.3.1 系统控制主程序设计263.3.2 北斗定位信息接收子程序设计263.3.3 定位数据转换子程序设计283.3.4 GPS定位信息发送子程序设计29第4章 船舶定位信息转换接口测试与结果分析30 HYPERLINK l _Toc20626 4.1系统测试平台的搭建304.1.1 测试系统的构成304.1.2 系统功能测试方法304.2系统测试及结果分析304.2.1 北斗定位信息发送测试304.2.2 GPS定位信息接收测试31第5章 总结315.1 设计成果与学习收获315.2 存在问题与改进思路32致谢33参考文献34附录35第1章 绪论1.1 卫星导航定位系统的发展与应用卫星导航定位技术目前已成为人类活动中普遍采用的导航定位技术,并迅速发展成为一个新兴的产业卫星导航定位产业。美国和俄罗斯相继建成GPS(全球定位系统)和GLONASS(全球导航卫星系统),欧盟目前正在进行Galileo(伽利略)系统建设。中国为了建立独立自主的卫星导航系统,于2000年成功发射了北斗导航定位系统的两颗卫星,标志着中国卫星导航技术取得突破性进展。中国已成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。与GPS不同,北斗卫星导航系统是主动式双向测距二维导航。北斗系统由两颗地球静止卫星、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。首先由中心控制系统向两颗卫星同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号,然后根据申请服务的内容进行相应的数据处理。虽然现在很多国家建立起了基于卫星的导航定位系统，但是其中很多系统是基于GPS全球定位系统的基础上建立起来的，众所周知，GPS系统相对于其他国家应用来说有着严格的局限性，现在国际关系错综复杂，一旦美国限制甚至撤消他国对于其GPS系统的使用权，其后果将十分严重。 随着中国北斗导航卫星进入密集发射组网阶段，全球四大定位系统的格局逐步清晰：美国GPS资历最老，欧盟的伽利略系统，俄罗斯的格洛纳斯系统以及中国的北斗卫星系统。 1.2 北斗卫星的发展及应用北斗导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，第一代是采用双星定位原理，解决了我国导航系统从无都有的问题，目前我国已在发展北斗二代系统，从原理、定位精度、定位区域上逐渐与国际上的其它导航系统接轨。北斗导航系统有很大的社会价值和经济效益，其民用发展更是给社会带来日新月异的变化。据悉，北斗卫星导航定位系统运行5年来，已累计提供定位服务2.5亿次、通信服务1.2亿次、授时服务2500万次，系统可靠性达99.98；已成功应用于水利水电、海洋渔业、交通运输、气象测报等领域。在汶川抗震救灾中，北斗卫星导航定位系统全力保障了救灾部队，发挥了独特优势。2011年4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第8颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。与美国GPS系统单向传递信息相比，北斗系统优势在于具有短信息双向通讯功能，中心站可以马上联系到所有的终端。这对车辆监管、调度以及船舶救险至关重要，更加适合物流企业、铁路、船舶、长途车辆使用。 北斗一号采用双星有源导航定位体制, 只能提供低动态和静态导航定位服务, 可以全天候、全天时提供区域卫星导航信息。服务范围包括中国大陆、台湾、南沙及其它岛屿、中国海、日本海、太平洋部分海域及我国部分周边地区。北斗一号卫星导航定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速导航定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星导航定位系统。系统的主要功能体现在三个方面:1）定位：快速确定用户所在地的地理位置, 向用户及主管部门提供导航信息。2）通讯：用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信; 北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力, 用户可以一次传送多达120个汉字的短报文信息。3）授时：中心控制系统定时播发授时信息, 为定时用户提供时延修正值。可向用户提供20ns 100ns时间同步精度。其中单向授时精度为100ns, 双向授时精度为20ns。 第一代卫星导航系统在我国卫星导航系统建设中是一个起步阶段，可以说是用很少的资金投入，打破了国外卫星导航领域的垄断，填补了我国卫星导航领域的空白。但是由于本身原理上的限制，只能是一个区域卫星导航定位系统，无法发展成像GPS那样的全球卫星系统。所以在第一代导航系统建设的同时，我国也同时进行了第二代卫星导航系统的建设论证。2004年9月，第二代导航系统-北斗卫星导航系统建设被批准实施。到目前为止，北斗二代已经发射了7颗北斗导航卫星。2011年将发射4颗，2012年发射5颗。第三颗倾斜同步轨道(IGSO)卫星发射后，北斗系统就已经具有区域导航定位能力。当2012年完成所有区域系统卫星发射后，我们的区域导航将更加稳固，可靠性稳健性将更强。卫星更多，自然可提供更快更准的服务。在2015年前，完成全球系统建设的在轨飞行技术试验工作，全面解决二期工程的关键技术。 中国工程院院士、原载人航天工程载人飞船系统总设计师戚发轫透露，按照我国航天工程建设规划，到2012年，北斗卫星导航系统将以10颗以上的组网卫星为亚太地区提供导航、授时和短报文通信服务。到2020年，建成由30多颗组网卫星组成的覆盖全球的北斗卫星导航系统。 1.3 研究背景与主要内容1.3.1研究背景 我国自主的“北斗一号卫星定位导航系统”建成，标志着我国成为世界上第三个拥有自主知识产权卫星定位导航系统的国家。卫星定位导航系统是国家信息基础设施之一，也是国家科技水平和经济实力的象征。北斗系统的建成，对于我们这样的社会主义国家，意义十分重大。它打破了美国等发达国家垄断卫星定位导航技术的局面，大大推进了我国信息基础设施建设，提高了我国的经济社会和军事信息化的水平。我们期望政府高度重视北斗系统的生存发展，采取有力的措施推进北斗应用，使北斗系统为我国的国防和国民经济建设服务，改变国外的卫星定位导航系统独占我国卫星定位导航应用市场的局面。北斗系统的知识产权完全为我国所有，系统运行维护全部不受国际环境变化的影响；具有很好的加密功能，可以有效保障用户关键业务数据在处理、存储、传输过程中的安全性。北斗系统同时具备定位、通信和授时功能，无需其他通信系统的支持，这是目前已广泛应用的国外各卫星定位导航系统所不具备的特点。北斗系统的应用范围十分广泛，和GPS的应用范围基本相同，GPS有的功能，北斗系统都有。在技术上，北斗系统具有短数据通信功能，有特定优势。只要北斗系统的用户终端设备质优价廉，其应用市场前景将十分广阔。北斗系统作为中国民族卫星导航产业的骄傲，吸引了国内外众多关注的目光。目前，北斗系统的应用经过大胆尝试和探索，已取得一定进展。但是，北斗系统作为一种新技术和新产品，有明显的技术优势，也有不足，广泛应用和改善提高仍需要一定的时间。在推广应用中收到了一定因素的制约。北斗系统目前的技术体制决定了其用户终端需能收能发，这使得用户终端的价格偏高，缺乏竞争力。北斗系统采用集中处理的有源定位体制，在技术应用上有通信功能，优势明显，这是无可怀疑的。按目前国内的应用实际，适用于高端市场，尤其是信息安全要求高和重要部门的调度监控应用。但这种体制也使用户终端制造成本增加，目前市场价格居高，多数用户难于接受。同样应用功能的用户终端产品，北斗终端要比“GPS终端短信”价格高出许多倍，难与GPS竞争。这是市场上用户的普遍认识，也是推广北斗系统应用中遇到的主要问题之一。在北斗系统的建设进程中，用户终端设备的研制严重滞后，跟不上应用需求。这主要是由于国内关键器件部件生产基础差，又没有与系统建设同步组织好力量攻关，研制单位各自为战造成的，在市场经济环境下，这是一种难于避免的过程。北斗系统终端研制难度大，这种竞争方式耗时较长，以致在北斗系统建成试运行时，民用终端设备尚不成熟。1.3.2研究目的l)使北斗卫星数据通过单片机控制，智能转换成GPS船载设备支持的数据，提高工作效率和定位精度。2)完成基于北斗卫星导航基础上的船舶定位信息转换接口的设计，是北斗卫星推广到现有GPS导航定位船载设备使用。1.3.3研究意义l)首次提出将北斗卫星导航定位系统应用于现有船载导航设备，由于现有的类似船载设备系统基本上都是基于GPS的，GPS的特点决定了在其中必须建立或结合像GSM等辅助通信网络才能完成最终的通信。而本论文中所构建的系统无须更多地面通信网络支持，是一种真正意义上的卫星监控，能够适应于各种复杂的地形。2)本方案所依据的北斗卫星导航定位系统是我国自主独立研制开发且不受他国军方控制，在任何时候不会受到错综复杂的国际关系的影响，在军事及安全上的具有重要的意义。3)目前国内沿海及内河运用卫星定位来进行导航定位的还很少，有限的几个系统基本上都是基于GPS基础上的，本论文探讨的基于北斗卫星导航定位系统基础上的航标监控系统在国内目前还没有相关的报道，本方案的提出对于国内航运系统进行定位导航和通讯将起到积极的借鉴和启示作用。第2章 系统设计的相关理论2.1 北斗卫星导航系统基本理论2.2.1 北斗卫星导航系统系统组成1）空间部分。系统空间部分由静止在赤道上空的两颗工作卫星和一颗备份卫星组成。两颗工作卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射，位于赤经80。和140.，备份卫星于2003年5月25日发射，位于赤经110.5。卫星并不发射导航电文，也不配备高精度的原子钟，只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。2)地面中心控制系统。它是北斗导航系统的中枢，包括主控站、计算中心、测轨站、测高站以及校准站等。主要用于对卫星定位、测轨，调整卫星运行轨道、姿态，控制卫星的工作，测量和收集校正导航定位参量，以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。3)用户终端。用户终端为仅带有定向天线的收发器，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求，不含定位解算处理器，设备相对比较简单。终端可分为定位通信型(基本型用户机)、通信型、授时型和管理型(指挥型)用户机。2.2.2 北斗卫星工作原理 图2.1 北斗卫星定位系统组成结构图Fig.2.1 Structure Chart of Beidou satellite positioning system 系统定位是基于三球相交原理。当用户需要进行定位服务时，提出申请服务项目并发送信号，经两颗卫星转发至地面中心，地面中心接到此信号，解调出用户发送的信息，测量出用户至两颗卫星的距离，以两颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成两个球面，用户机必然位于这两个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，它提供的是一个以地心为球心，以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面，已知目标在赤道平面北侧，求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置，用户的位置信息经两颗卫星之一转发给申请用户;另外，也可以由中心站主动进行指定用户的定位，定位后不将位信息发送给用户，而由中心站保存，这样调度指挥和相关单位就可获得用户所在位置。对于通信申请，将通信内容以同样的方式发给收信用户。 系统还可以进行精密授时，地面中心站将发送标准时间和卫星的位置信息。用户进行单向授时时，接收此信号与本地时钟进行比对，计算出差值，然后调整本地时钟与标准时间对齐，单向授时精度为roons;进行双向授时时，就将对比结果经卫星转发回地面中心，由地面中心精确计算出本地时钟和标准时间的差值再经两颗卫星之一转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐，双向授时精度为20ns。2.2.3北斗特点北斗卫星与GPS、GLONASS相比具有以下特点:(l)完全独立自主，不受他国的控制和限制，可靠性、可用性、安全性较有保证。美国的GPS目前取消了SA限制，但仍可随时掺入干扰信号降低定位精度，甚至对其他国家用户关闭使用权;俄国的GLONASS本应由24颗卫星组成，但因经济困难无力补网，目前只有6颗星在轨，不能独立组网。(2)符合中国国情，投资少，周期短、高仰角覆盖。美国的GPS耗资120亿美元，历时16年，虽能全球覆盖但由于轨道低而使用户的遮蔽角大，在山区使用就受到限制;俄罗斯的GLONASS耗资30多亿美元，历时20多年，总体性能与GPS相当，但未达到GPs的精度，至今星座因残缺不全而不能独立使用，“北斗一号”总投资10亿人民币，从国家批准到建成总共不到10年时间，由于卫星位于我国上空的静止轨道，地面用户基本都处于高仰角工作状态，特别适合我国高山地区的使用。(3)基本功能可与GPS媲美，但都独具双向移动数据通信的功能。GPs用户可以知道自己的位置，但要让上司或新友知道还需配备himarsat卫星终端或GSM手机等通信工具;“北斗一号”用户无需另配通信设施，用户位置就可自动报给司或亲友，且通过双向通信每次可传送多达105个汉字的短信，这对于某些用来说是必要的和至关重要的。特别适合集团性用户在大范围内的数据采集和监管。图2.2 北斗卫星定位系统的优点Fig.2.2 advantages of Beidou satellite positioning system北斗系统本身的技术特点使得船只监控方面具备特定优势:1）快速定位:北斗系统提供的定位功能是以主从请求响应模式进行的，即用户首先使用北斗用户机发出定位请求，北斗卫星地面控制中心在接收到用户请求后用户机位置进行计算，然后再通过卫星转发到用户机。尽管系统的定位服务流复杂，但系统的响应时间非常快，从用户机发出请求到其接收到定位结果通常一秒之内。这一技术特点，使得系统非常适合某些行业用户对移动目标进行实时监控的需要。2）双向短信通信:北斗系统的快速短信通信功能与其快速定位功能基本相似，采用主从请求响应模式，用户首先使用用户机发起通信请求(含通信电文内容)，面控制中心在完成必要的鉴权后对通信报文进行转发处理。系统响应时间非常短，通常用户机以点对点方式完成电文通信仅需要一秒左右的时间。此外，北斗统提供的通信功能是双向的，用户机既可以发送短信也可以接收短信。双向短通信功能非常适合行业用户对短数据业务的应用。3）多用户并发处理:北斗系统采用码分多址的调制工作方式，系统支持在同一间段内多个用户并发服务申请，即多个用户可以在同一时刻发起服务申请并获系统响应。这一系统特点非常适合某些特殊行业用户对数据集中并发的要求，如对水情或气象自动数据采集控制系统，其设定的定时报通常是在整点时刻集统一发送信息，届时将有多个用户同时发送数据。4)集中信息处理:北斗系统的服务模式为主从请求响应模式，这使得无论是用的定位申请还是通信服务申请都会首先汇集到北斗卫星地面控制中心，由系统制中心进行集中信息处理，这意味着前端用户的位置信息以及通信电文全都汇到系统控制中心。利用该特点，用户监控中心只需要建立与系统控制中心之间的通信链路，就可以直接获取前端用户的所有信息，而不需要经过卫星转发接收，不仅节约了系统卫星资源，也缩短了信息转发的延时。5)全天候工作:北斗系统的前端用户机采用L、S波段作为其发射和接收工作波段，而北斗卫星地面控制中心采用C波段作为其发射和接收工作波段，整个系统的工作完全不会遭受那些工作在Ku波段卫星系统经历的因雨雪天气所带来的雨衰影响，确保系统全天候工作。雨衰特性对某些卫星通信系统的影响，在诸如水利水电部门的卫星水情自动测报系统中是不可忍受的，在强降雨情况下，对水文数据的搜集处理往往是最关键的。2.2 GPS系统基本理论2.3.1 GPS系统工作原理 GPS是20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。GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分GPS星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。GPS系统一共由24颗 卫星组成，它采用时间测距定位原理，可对地面车辆、海上船只、飞机、导弹、卫星和飞船等各种移动用户进行全天侯的、实时的高精度三维定位测速和精确授时。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。 卫星不间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。上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=cti (i=1、2、3、4)。di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。 c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。2.3.2 应用GPS系统的船用设备Ecdis电子海图显示与信息系统、Ais自动识别系统、gps卫星导航仪、雷达、自动舵、航行记录仪、GMDSS全球海上遇险与安全系统 2.3.3北斗系统与GPS系统的比较1） 定位原理北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，由地面中心站解算出位置后再通过卫星转发给用户，用户接收并显示接收到的信息。GPS是被动式单向测距三维导航，只需要接收4个卫星的位置信息，由用户设备独立解算自己三维定位数据。2） 星体角距北斗导航系统是在赤道面上设置两颗地球同步卫星，卫星的赤道角距为6犷。GPs系统共有24颗卫星，分布在六个轨道面上，轨道倾角55度，轨道面赤道角距为600，其高度约为2000km，属于中轨道卫星，绕地球一周约11h58min。3） 卫星数量和轨道特性北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60, GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星, 轨道赤道倾角55, 轨道面赤道角距60, 导航卫星为准同步轨道, 绕地球一周11小时58分。4）􀀁 覆盖范围北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70- 140, 北纬5- 55, GPS 是覆盖全球的全天候导航系统, 能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6- 9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。5）􀀁 定位精度北斗导航系统三维定位精度约几十米, 授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m 提高到6m, C /A 码目前己由25- 100m 提高到12m, 授时精度日前约20ns。6）􀀁 用户容量北斗导航系统由于是主动双向测距的询问应答系统, 用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号, 还要求用户设备向同步卫星发射应答信号, 这样, 系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此, 北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统, 用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位, 因此GPS的用户设备容量是无限的。7）􀀁 生存能力和所有导航定位卫星系统一样, 北斗一号基于中心控制系统和卫星的工作, 但是 北斗一号对中心控制系统的依赖性明显要大很多, 因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性, GPS正在发展星际横向数据链技术, 万一主控站被毁后, GPS卫星可以独立运行; 而北斗一号系统从原理上排除了这种可能性, 一旦中心控制系统受损, 系统就不能继续工作了。8）􀀁 实时性北斗一号用户的定位申请要送回中心控制系统, 中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户, 其间要经过地球静止卫星走一个来回, 再加上卫星转发, 中心控制系统的处理, 时间延迟就更长了, 因此对于高速运动体, 就加大了定位的误差。此外, 北斗一号卫星导航系统也有一些自身的特点, 其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。因此, 北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途, 可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。缺点是不能覆盖两极地区, 赤道附近定位精度差, 只能二维主动式定位, 且需提供用户高程数据, 不能满足高动态和保密的军事用户要求, 用户数量受一定限制。2.3 北斗卫星与GPS系统的通信协议2.3.1 北斗卫星通信协议北斗卫星是我国自主研发的卫星定位导航系统，在我国开始使用不久，其通信协议处于保密阶段。但北斗二代在研发过程中注重了与GPS通信协议的兼容性。参照国际标准IEC61162，给出了北斗语句格式的建议。国际标准IEC61162中说明的NMEA0183语句的一般格式及其各种符号代表的内容： $GPXXX，<l>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>.*hh<CR><LF> “$”：语句起始标志，串头； “GP”：定位系统的标志，系统ID号； “XXX”：信息内容，例如“GGA"为定位信息，“GSV"为当前卫星信息等等； “<1>”：数据字段，英文字母或者是数字，按约定方式表达； “，”：为域分隔符； “*”：为校验和识别符，其后面的两位数为校验和； “<CR>”：回车控制符； “<LF>”：换行控制符。“hh”：$与术之间的所有字符代码的校验和。我国北斗卫星要想能在世界上站稳脚，有远大的发展前途，就必须遵循一套能被世界所认同的标准，一个统一的数据传输协议。将来能用来规范各厂商，防止各厂商之间各自为政、互不兼容的混乱局面，同时也方便了信息共享，为开发终端应用的软件开发商提供方便。如果导航接收机采用了不同的传输协议，各厂商使用各自的不同的方法来连接传输定位信息，虽然他们之间可以进行数据交换，但是没有直接的兼容性。这就使得各导航接收机终端的开发商必须了解各种不同的传输协议，从而耗费了大量人力物力和财力，也不便于将来的规范发展。鉴于IEC61162协议规范，一条完整的卫星语句是始于“$"，终于“CRLf(回车换行)"。中国北斗卫星导航系统中文音译名称BeiDou，所以建议我国北斗系统ID号为BD即各代表语句以BD开头。后面代表信息内容的标志与IEC61162标准中NMEA协议格式统一起来，那样能方便解析。 其具体格式为： $BDGGA，<1>，<2>，<3>，“>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>.*hh<CR><LF>。在定位系统中我们所用到的某些重要的北斗协议语句含义列表如下所示： (1)$BDGGA北斗定位信息：包含时间、纬度、经度、定位状态、正在使用的卫星数量、HDOP水平精度因子、海拔高度、差分时间、差分站ID号。$BDGGA<I>，Q>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，9>，M，<10>，M，<1l>，<12>*hh<CR><LF> $BDGGA 语句ID，表明该语句为GGA语句，是北斗定位信息<l> UTC时间，hhmmssSSS，时分秒格式<2> 纬度ddmm。mmmm，度分格式(前导位数不足则补O) <3> 纬度N(北纬)或S(南纬) <4> 经度dddmmmmmm，度分格式(前导位数不足则补O) <5> 经度E(东经)或W(西经) <6> 定位状态，O=未定位，l=无效PPS，6-正在估算<7> 正在使用的卫星数量(0012)(前导位数不足则补0) <8> HDOP水平精度因子(O5999) <9> 海拔高度(-99999999999) <10>地球椭球面相对大地水准面的高度<11> 差分时间(从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位为空) <12> 差分站ID号00001023(前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空) <13> 校验值(2)SBDVTG地面速度信息： $BDVTG,<1>，T'<2>，M，<3>，N，<4>，<3>，<5>，*hh<CR><LF> <1> 以真北为参考基准的地面航向(000-359度，前面的0也将被传输) <2>以磁北为参考基准的地面航向(000-,359度，前面的0也将被传输) <3> 地面速率(0000-9999节，前面的0也将被传输) <4> 地面速率(0000-18518公里川、时，前面的0也将被传输) (3)$BDGSA当前卫星信息：PDOP综合位置精度因子、HDOP水平精度因子、VDOP 垂直精度因子。$BDGSA，<l>，<2>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<4>，<5>，<6>,*hh,<CR><LF> $BDGSA 语句ID，表明该语句为GSA当前卫星信息<l> 模式，M=手动，A=自动<2> 定位类型，l=没有定位，2=2D定位，3=3D定位<3> PRN码(伪随机噪声码)，正在用于解算位置的卫星号(0132，前面的0也将被传输)。第n信道正在使用的卫星PRN码编号(00) <4> PDOP综合位置精度因子(05999) <5> HDOP水平精度因子(05999) <6> VDOP垂直精度因子(05999) (4)$BDGLL地理位置信息：含经度、纬度的地理位置信息$BDGLL，<l>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>,*hh<CR><LF> $BDGLL 语句ID，表明该语句为GLL的经、纬度的地理位置信息<l> 纬度。度度秒秒秒秒秒秒(ddmmmmmm)。<2> 南月匕纬。N：北纬S：南纬。<3> 经度。度度秒秒秒秒秒秒(ddmmmmmm)。<4> 东西经。E：东经W：西经。<5> 标准定位时间UTC。时时分分秒秒秒秒(Hhmmsssss)。<6> 状态。A：信息可用，V：信息不可用。(5)$BDIMC北斗推荐定位信息：时间、纬度、经度等推荐定位信息$BDRMC，<l>，<，q>，“>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<l l>，*hh<CR>,<LF> <l> UTC时间。hhnlmssSSS，时分秒格式。<2> 状态。A=信息可用，V=信息不可用。<3> 纬度。ddmmmmmm，度分格式(前导位数不足则补0)。<4> 纬度。N(北纬)或S(南纬)。<5> 经度。dddmmmmmm，度分格式(前导位数不足则补O)。<6> 经度。E(东经)或W(西经)。<7> 对地速度。节，Knots。<8>对地方向。单位：度。<9>UTC日期。日日月月年年，DDMMYY格式。<10>磁偏角。(000180)度，前导数不足则补0。<11> 磁偏角方向。E：东；W：话(6)SBDGSV可见卫星信息：当前可见卫星总数、PRN码、卫星仰角、信噪比SBDGSV<1>，Q>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<4>，<5>，<6>，*hh<CR><LF> <l> GSV语句的总数<2>本句GSV的编号<3> 当前可见卫星总数(0012，前面的0也将被传输)(前导位数不足则补0) <4>PRN码(伪随机噪声码)(0132)(前导位数不足则补0) <5> 卫星仰角(00-90)度(前导位数不足则补0) <6> 卫星方位角(000359)度(前导位数不足则补0) <7> 信噪比(00-99)dB，没有跟踪到卫星时为空，前面的0也将被传输2.3.2 GPS通信协议NMEA协议是为了在不同的GPS（全球定位系统）导航设备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（NMEA-The National Marine Electronics Associa-tion）制定的一套通讯协议。GPS接收机根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。不过，也有少数厂商的设备使用自行约定的协议比如GARMIN的GPS设备（部分GARMIN设备也可以输出兼容NMEA-0183协议的数据）。软件方面，我们熟知的Google Earth目前也不支持NMEA-0183协议，但Google Earth已经声明会尽快实现对NMEA-0183协议的兼容。NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。下面给出这些常用NMEA-0183语句的字段定义解释。1）$GPGGA例：$GPGGA,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,0000*1F字段0：$GPGGA，语句ID，表明该语句为Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息字段1：UTC 时间，hhmmss.sss，时分秒格式 字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0） 字段3：纬度N（北纬）或S（南纬） 字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）字段5：经度E（东经）或W（西经） 字段6：GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，3=无效PPS，6=正在估算 字段7：正在使用的卫星数量（00 - 12）（前导位数不足则补0） 字段8：HDOP水平精度因子（0.5 - 99.9） 字段9：海拔高度（-9999.9 - 99999.9） 字段10：地球椭球面相对大地水准面的高度 字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空） 字段12：差分站ID号0000 - 1023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空） 字段13：校验值2）$GPGSA例：$GPGSA,A,3,01,20,19,13,