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GPS模塊在便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱,目的是在全球范圍內(nèi)對地面或空中目標(biāo)進行準(zhǔn)確定位和監(jiān)測。文章討論了GPS模塊TU-30的工作原理，介紹了其在便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了這種GPS模塊與單片機的接口電路。關(guān)鍵詞：GPS；TU-30；單片機；衛(wèi)星定位；導(dǎo)航
�。保牵校酉到y(tǒng)簡介
ＧＰＳ是ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ的縮寫，即全球定位系統(tǒng)。其目的是在全球范圍內(nèi)對地面和空中目標(biāo)進行準(zhǔn)確定位和監(jiān)測。隨著全球性空間定位信息應(yīng)用的日益廣泛，ＧＰＳ提供的全時域、全天候、高精度定位服務(wù)將給空間技術(shù)、地球物理、大地測繪、遙感技術(shù)、交通調(diào)度、軍事作戰(zhàn)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(shè)備包括測量型和導(dǎo)航型。其中測量型產(chǎn)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(shè)計精度要求，而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單機成本一般在幾萬到幾十萬，適合專業(yè)高精度測量環(huán)境使用；導(dǎo)航型產(chǎn)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(nèi)部硬件相對簡單，只須一臺就可以完成導(dǎo)航工作，加之其價格相對較低，因而更有普及和推廣價值。
�。牵校酉到y(tǒng)一般由地面控制站、導(dǎo)航衛(wèi)星和用戶接收機三大部分組成。導(dǎo)航衛(wèi)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。
�。牵校有盘柦邮諜C的任務(wù)主要是捕獲一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)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(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出ＧＰＳ衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，最終實時計算出現(xiàn)測站的三維位置、位置、甚至三維速度和時間。
靜態(tài)定位時，ＧＰＳ接收機在捕獲和跟蹤ＧＰＳ衛(wèi)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(wèi)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(biāo)。而動態(tài)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(wèi)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(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機硬件、機內(nèi)軟件以及ＧＰＳ數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成了完整的ＧＰＳ用戶設(shè)備。ＧＰＳ接收機的結(jié)構(gòu)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附近的適當(dāng)?shù)胤剑⒂秒娎|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(nèi)機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電池的過程中，機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后，機內(nèi)電池為ＲＡＭ存儲器供電，以防丟失數(shù)據(jù)。
�。玻裕眨常埃牵校幽K簡介
ＴＵ－３０模塊是美國羅克韋爾公司的ＧＰＳ產(chǎn)品，其特點是體積小、接口簡單、可靠性好。模塊的組織結(jié)構(gòu)是一個用于接收ＧＰＳ信號的單片機小系統(tǒng)。ＧＰＳ信號接收部分由Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自行設(shè)計開發(fā)的芯片及其外圍電路組成。其控制內(nèi)核是一個ＤＳＰ處理器，該處理器具有很強的數(shù)據(jù)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(shù)）、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ等存儲器，可對相關(guān)重要信息數(shù)據(jù)進行存儲、交換；此外，還留有ＤＧＰＳ接口。該模塊的衛(wèi)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(jié)啟動方式；而導(dǎo)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(jié)構(gòu)。
�。裕眨常埃牵校幽K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(yīng)用接口，可方便地與單片機、ＰＣ機等設(shè)備進行接口。
表1TU-30GPS的模塊中的20針接口定義
接口功能Pin1前置放大電源輸入Pin25V電源輸入Pin3電池電源輸入Pin5主復(fù)位輸入Pin7NMEA協(xié)議選擇Pin8ROM默認選擇Pin11串口1數(shù)據(jù)輸出Pin12串口1數(shù)據(jù)輸入Pin14串口2數(shù)據(jù)輸出Pin15串口2數(shù)據(jù)輸入Pin191PPS時間標(biāo)志輸出Pin2010kHz時鐘輸出Pin4,6,9,17無連接NCPin10,13,16,18接地
３ＧＰＳ模塊的串行數(shù)據(jù)接口規(guī)范
�。牵校幽K的應(yīng)用關(guān)鍵在于串口通信協(xié)議的制定，也就是模塊的相關(guān)輸入輸出協(xié)議格式。它主要包括數(shù)據(jù)類型與信息格式，其中數(shù)據(jù)類型主要有二進制信息和ＮＭＥＡ?全國海洋電子學(xué)會?數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)。ＴＵ－３０的傳輸速率為９６００ｂｐｓ，無奇偶校驗，有８位數(shù)據(jù)位，１位停止位。其二進制信息字格式包括信息頭、頭校驗、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗等。
�。裕眨常爸械拿總�信息都有頭，但不一定有數(shù)據(jù)，信息的應(yīng)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：
Ｗｏｒｄ１：１００００００１１１１１１１１１；
Ｗｏｒｄ２：信息ＩＤ；
�。祝铮颍洌常簲�(shù)據(jù)子計數(shù)；
Ｗｏｒｄ４：應(yīng)答／無應(yīng)答；
�。祝铮颍洌担侯^校驗。
頭校驗計算公式為：
一般情況下，二進制信息數(shù)據(jù)由如下４個字組成：
�。祝铮颍洌叮河|發(fā)；
�。祝铮颍洌罚洪g隔；
�。祝铮颍洌福浩屏浚�
�。祝铮颍洌梗簲�(shù)據(jù)校驗。
頭校驗計算公式為：
ＴＵ－３０中的每個字均為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(biāo)志位時可為０或１。
�。裕眨常爸械妮敵鲂畔⑷缦拢�
信息位置狀態(tài)輸出（經(jīng)度、緯度、時間、高度等）；
信息ＩＤ為１０００，信息長度為５５個字；
�。牛茫牛茽顟B(tài)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(shè)置輸出：信息ＩＤ為１０１２，信息長度為２２個字；
內(nèi)建測試結(jié)果：信息ＩＤ為１１００，信息長度為２０個字；
測量時間標(biāo)記：信息ＩＤ為１１０２，信息長度為２５３個字；
串口通信參數(shù)：信息ＩＤ為１１３０，信息長度為２１個字；
�。牛牛校遥希蜖顟B(tài)：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。現(xiàn)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�；
７：初始化控制；
�。浮保叮海牵校訒r間、日期；
１７～１８：緯度；
�。保埂玻埃航�(jīng)度；
�。玻薄玻玻焊叨龋�
�。玻场玻矗簩Φ厮俣龋�
�。玻担盒l(wèi)星軌道仰角；
�。玻叮号郎剩�
�。玻罚簲�(shù)據(jù)校驗。
下面是ＴＵ－３０的其它信息，其具體內(nèi)容可參見相關(guān)文檔。
用戶數(shù)據(jù)定義：信息ＩＤ為１２１０，信息長度為２０個字；
地圖選擇信息數(shù)據(jù)：信息ＩＤ為１２１１，信息長度為８個字；
衛(wèi)星仰角屏蔽控制（０～±л／２）：信息ＩＤ為１２１２，信息長度為８個字；
衛(wèi)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(biāo)準(zhǔn)：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(yīng)用平臺控制（默認、靜態(tài)、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(shù)信息：信息ＩＤ為１２２１，信息長度為１５個字；
導(dǎo)航配置信息：
信息協(xié)議控制：…
以上相關(guān)信息通常都保存到模塊的ＥＥＰＲＯＭ中。
４與單片機構(gòu)建的便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)
�。矗庇布Y(jié)構(gòu)
設(shè)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�？蛇x用ＬＣＤ屏顯示經(jīng)緯度、時間、高度等數(shù)據(jù)。電源采用４節(jié)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(fā)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(xiàn)。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(zhuǎn)換模塊進行處理。如果采用充電電池?則還需要充電電路。ＧＰＳ模塊與單片機的接口原理如圖２所示。
�。矗曹浖O(shè)計
圖３所示是ＴＵ－３０ＧＰＳ模塊的軟件流程圖。該軟件的編寫主要是設(shè)置ＧＰＳ模塊與ＭＣＵ之間的串口通信、參數(shù)顯示及人機接口。主要包括初始化、串口通信、數(shù)據(jù)處理、故障提示、顯示、鍵盤處理、電源管理等部分。其中初始化包括ＭＳＰ４３０中各種寄存器的配置、串口相關(guān)參數(shù)配置（波特率，模式）及外圍電路（ＬＣＤ、電源等設(shè)備檢測）的初始化等；
串口通信包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗，通信故障提示等；數(shù)據(jù)處理主要是對接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲和數(shù)據(jù)刷新等；故障提示包括設(shè)備故障、通信故障、電源故障等。電源管理主要是電源欠壓提示和當(dāng)前電源狀態(tài)顯示。
另外，設(shè)計時還應(yīng)注意ＧＰＳ模塊的天線要求，具體有以下兩點：
�。ǎ保┨炀�增益應(yīng)為３０ｄＢ，阻抗應(yīng)為５０Ω。
�。ǎ玻o線頻率信號環(huán)境方面要求，即ＲＦ輸入Ｌ１的載波頻率應(yīng)為１０ＭＨｚ，帶寬中心點應(yīng)為０ｄＢＷ。５結(jié)束語
ＧＰＳ導(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)用著重于多衛(wèi)星系統(tǒng)、遠距離監(jiān)控以及多功能顯示等方面。使用多衛(wèi)星系統(tǒng)（如ＧＮＳＳ綜合導(dǎo)航定位系統(tǒng)）進行導(dǎo)航定位時，衛(wèi)星較多可保證實時定位的精度與可靠性。
此外，ＧＰＳ定位還受ＧＰＳ網(wǎng)的限制，應(yīng)用ＧＰＳ衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫ＧＰＳ網(wǎng)。歸納起來大致可分為兩大類：一類是全球或全國性的高精度ＧＰＳ網(wǎng)，這類ＧＰＳ網(wǎng)中相鄰點的距離在數(shù)千公里至上萬公里，其主要任務(wù)是作為全球高精度坐標(biāo)框架或全國高精度坐標(biāo)框架，以為全球性地球動力學(xué)和空間科學(xué)方面的科學(xué)研究工作服務(wù)。另一類是區(qū)域性的ＧＰＳ網(wǎng)，包括城市或礦區(qū)ＧＰＳ網(wǎng)，ＧＰＳ工程網(wǎng)等，這類網(wǎng)中的相鄰點間的距離為幾公里至幾十公里，其主要任務(wù)是直接為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。
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