GPS模塊在便攜式導航系統中的應用

2019-11-05 02:23:35

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　　１ＧＰＳ系統簡介
　?。牵校邮牵牵欤铮猓幔?ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ的縮寫，即全球定位系統。其目的是在全球范圍內對地面和空中目標進行準確定位和監測。隨著全球性空間定位信息應用的日益廣泛，ＧＰＳ提供的全時域、全天候、高精度定位服務將給空間技術、地球物理、大地測繪、遙感技術、交通調度、軍事作戰以及人們的日常生活帶來巨大的變化和深遠的影響。
　　
　　目前的民用ＧＰＳ設備包括測量型和導航型。其中測量型產品的精度可達到米級甚至毫米級，但至少需要兩臺（套）才能達到設計精度要求，而且其內部結構復雜，單機成本一般在幾萬到幾十萬，適合專業高精度測量環境使用；導航型產品，由于其使用者對精度要求不高，一般為幾十米，因此機器內部硬件相對簡單，只須一臺就可以完成導航工作，加之其價格相對較低，因而更有普及和推廣價值。
　　
　　ＧＰＳ系統一般由地面控制站、導航衛星和用戶接收機三大部分組成。導航衛星至少２４顆，均勻分布在６個極地軌道上，軌道的夾角為６０度，距地平均高度為２０?２００公里，每１２恒星時繞地球一周。
　　　 GPS模塊在便攜式導航系統中的應用（圖一）

　?。牵校有盘柦邮諜C的任務主要是捕捉一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，同時對所接收到的ＧＰＳ信號進行變換、放大和處理，以便測量出ＧＰＳ信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出ＧＰＳ衛星所發送的導航電文，最終實時計算出現測站的三維位置、位置、甚至三維速度和時間。
　　
　　靜態定位時，ＧＰＳ接收機在捕捉和跟蹤ＧＰＳ衛星的過程中固定不變，接收機通過高精度測量ＧＰＳ信號的傳播時間，并利用ＧＰＳ衛星在軌的已知位置解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態定位則是用ＧＰＳ接收機測定一個運動物體的運行軌跡。ＧＰＳ信號接收機所在的運動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機，行走的車輛等）。由于載體上的ＧＰＳ接收機天線在跟蹤ＧＰＳ衛星的過程中將相對地球而運動，這樣，接收機用ＧＰＳ信號就可實時地測量運動載體的狀態參數（瞬間三維位置和三維速度）。
　　
　　接收機硬件、機內軟件以及ＧＰＳ數據的后處理軟件包構成了完整的ＧＰＳ用戶設備。ＧＰＳ接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說，兩個單元一般分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元則置于測站四周的適當地方，并用電纜線將兩者連接成一個整機。實際上，也可以將天線單元和接收單元制作成一個整體，而在觀測時將其安置在測站點上。
　　
　?。牵校咏邮諜C一般用蓄電池做電源，同時采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時不中斷連續觀測。在用機外電池的過程中，機內電池自動充電。關機后，機內電池為ＲＡＭ存儲器供電，以防丟失數據。
　　
　　２　ＴＵ－３０ＧＰＳ模塊簡介
　?。裕眨常澳K是美國羅克韋爾公司的ＧＰＳ產品，其特點是體積小、接口簡單、可靠性好。模塊的組織結構是一個用于接收ＧＰＳ信號的單片機小系統。ＧＰＳ信號接收部分由Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自行設計開發的芯片及其外圍電路組成。其控制內核是一個ＤＳＰ處理器，該處理器具有很強的數據運算處理能力，并有兩個串口和時鐘輸出；外圍電路有實時時鐘，并帶有Ｅ２ＰＲＯＭ（保存重要參數）、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ等存儲器，可對相關重要信息數據進行存儲、交換；此外，還留有ＤＧＰＳ接口。該模塊的衛星采集啟動方式分為４種模式：熱啟動方式、初始啟動方式、冷啟動方式、凍結啟動方式；而導航模式則有３維模式、２維模式和ＤＧ-ＰＳ模式３種。圖１所示是該模塊的硬件結構。
　　
　?。裕眨常?ＧＰＳ模塊留有天線接口，可以用同軸電纜與天線進行連接，天線可延長３０米。此外，它還留有２０Ｐｉｎ應用接口，可方便地與單片機、ＰＣ機等設備進行接口。
　　
　　表1 TU-30 GPS的模塊中的20針接口定義
　　　 GPS模塊在便攜式導航系統中的應用（圖二）

　　３?。牵校幽K的串行數據接口規范
　?。牵校幽K的應用要害在于串口通信協議的制定，也就是模塊的相關輸入輸出協議格式。它主要包括數據類型與信息格式，其中數據類型主要有二進制信息和ＮＭＥＡ?全國海洋電子學會?數據信息。這兩類信息可以通過串口與ＧＰＳ接收機進行通信。這里重點介紹ＴＵ－３０的二進制信息字格式與字結構。ＴＵ－３０的傳輸速率為９６００ｂｐｓ，無奇偶校驗，有８位數據位，１位停止位。其二進制信息字格式包括信息頭、頭校驗、數據、數據校驗等。
　　
　　ＴＵ－３０中的每個信息都有頭，但不一定有數據，信息的應答和請求以頭的形式完成。二進制信息頭通常由如下五個字組成：
　　
　?。祝铮颍洌保海保埃埃?０００１１１１１１１１１；
　　
　?。祝铮颍洌玻盒畔ⅲ桑?；
　　
　?。祝铮颍洌常簲祿佑嫈?；
　　
　　Ｗｏｒｄ４：應答／無應答；
　　
　?。祝铮颍洌担侯^校驗。
　　
　　頭校驗計算公式為：
　　　 GPS模塊在便攜式導航系統中的應用（圖三）

　　一般情況下，二進制信息數據由如下４個字組成：
　　
　?。祝铮颍洌叮河|發；
　　
　?。祝铮颍洌罚洪g隔；
　　
　?。祝铮颍洌福浩屏?；
　　
　　Ｗｏｒｄ９：數據校驗。
　　
　　頭校驗計算公式為：
　　　 GPS模塊在便攜式導航系統中的應用（圖四）

　?。裕眨常爸械拿總€字均為１６位，有無符號整型和有符號整形之分。按字長又可分為單精度（１６ｂｉｔ）、雙精度（３２ｂｉｔ）和三精度（４８ｂｉｔ）。保留位輸入時為０，獨立定義位域標志位時可為０或１。
　　
　?。裕眨常爸械妮敵鲂畔⑷缦拢?br />　　
　　信息位置狀態輸出（經度、緯度、時間、高度等）；
　　
　　信息ＩＤ為１０００，信息長度為５５個字；
　　
　?。牛茫牛?狀態輸出：信息ＩＤ為１００１，信息長度為５４個字；
　　
　　通道摘要?信息ＩＤ為１００２，信息長度為５１個字；
　　
　　通道測量?信息ＩＤ為１００７，信息長度為１５４個字；
　　…
　　用戶設置輸出：信息ＩＤ為１０１２，信息長度為２２個字；
　　
　　內建測試結果：信息ＩＤ為１１００，信息長度為２０個字；
　　
　　測量時間標記：信息ＩＤ為１１０２，信息長度為２５３個字；
　　
　　串口通信參數：信息ＩＤ為１１３０，信息長度為２１個字；
　　
　?。牛牛校遥希?狀態：信息ＩＤ為１１３６，信息長度為１８個字。
　　
　　下面是ＴＵ－３０的輸入信息描述：
　　
　　測量位置和速度初始化：信息ＩＤ為１２００，信息長度為２７個字?，F以此為例來介紹各信息字的具體含義：
　　
　　字１～４：信息頭；
　　
　?。担侯^校驗；
　　
　?。叮盒蛄刑?；
　　
　?。罚撼跏蓟刂疲?br />　　
　?。浮保叮海牵校訒r間、日期；
　　
　?。保贰保福壕暥?；
　　
　?。保埂玻埃航浂?；
　　
　　２１～２２：高度；
　　
　　２３～２４：對地速度；
　　
　?。玻担盒l星軌道仰角；
　　
　　２６：爬升率；
　　
　　２７：數據校驗。
　　　 GPS模塊在便攜式導航系統中的應用（圖五）

　　下面是ＴＵ－３０的其它信息，其具體內容可參見相關文檔。
　　
　　用戶數據定義：信息ＩＤ為１２１０，信息長度為２０個字；
　　
　　地圖選擇信息數據：信息ＩＤ為１２１１，信息長度為８個字；
　　
　　衛星仰角屏蔽控制（０～±л／２）：信息ＩＤ為１２１２，信息長度為８個字；
　　
　　衛星選擇：信息ＩＤ為１２１３，信息長度為１０個字；
　　
　　差動ＧＰＳ控制：信息ＩＤ為１２１４，信息長度為９個字；
　　
　　冷起動控制：信息ＩＤ為１２１６，信息長度為９個字；
　　
　　定位方法校驗標準：信息ＩＤ為１２１７，信息長度為１３個字；
　　
　　無線類型選擇（主動／被動）：信息ＩＤ為１２１８，信息長度為８個字；
　　
　　用戶登錄高度輸入：信息ＩＤ為１２１９，信息長度為１２個字；
　　
　　應用平臺控制（默認、靜態、海洋、陸路、空中）：信息ＩＤ為１２２０，信息長度為８個字；
　　
　　串口通信參數信息：信息ＩＤ為１２２１，信息長度為１５個字；
　　
　　導航配置信息：
　　
　　信息協議控制：…
　　
　　以上相關信息通常都保存到模塊的ＥＥＰＲＯＭ中。
　　
　　４　與單片機構建的便攜式導航系統
　?。矗?硬件結構
　　
　　設計時，通常將ＴＵ－３０模塊的串口１與單片機的串口相連接，模塊與天線的連接可以加一級前置放大器。天線可選用東芝天線，也可以專門定制。可選用ＬＣＤ屏顯示經緯度、時間、高度等數據。電源采用４節堿性電池，易于更換。
　　
　?。停茫湛蛇x用德州儀器的ＭＳＰ４３０ｆｌａｓｈ（Ｆ１３Ｘ）系列。ＭＳＰ４３０系列為１６位單片機，處理速度快，功耗低，體積小，適合在便攜式儀器上使用。同時，ＭＳＰ４３０單片機支持Ｃ語言，易于編程。
　　
　　屏幕菜單采用字符型西文顯示，可縮短開發時間、降低成本，很適合于民用；也可以選用大屏幕彩色點陣液晶，它界面友好、美觀，但軟件工作量大，硬件成本高。鍵盤可選擇３個觸摸鍵，菜單功能全部可用軟件實現。因為ＭＳＰ４３０單片機的電源為３．３Ｖ?而ＴＵ－３０的電源為５Ｖ，所以?需要用ＤＣ－ＤＣ電源轉換模塊進行處理。假如采用充電電池

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