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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(jiǎn)稱,目的是在全球范圍內(nèi)對(duì)地面或空中目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和監(jiān)測(cè)。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(jī)的接口電路。１ ＧＰＳ系統(tǒng)簡(jiǎn)介
ＧＰＳ是Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 的縮寫(xiě)，即全球定位系統(tǒng)。其目的是在全球范圍內(nèi)對(duì)地面和空中目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和監(jiān)測(cè)。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(shí)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(cè)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(lái)巨大的變化和深遠(yuǎn)的影響。
目前的民用ＧＰＳ設(shè)備包括測(cè)量型和導(dǎo)航型。其中測(cè)量型產(chǎn)品的精度可達(dá)到米級(jí)甚至毫米級(jí)，但至少需要兩臺(tái)（套）才能達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單機(jī)成本一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)，適合專業(yè)高精度測(cè)量環(huán)境使用；導(dǎo)航型產(chǎn)品，由于其使用者對(duì)精度要求不高，一般為幾十米，因此機(jī)器內(nèi)部硬件相對(duì)簡(jiǎn)單，只須一臺(tái)就可以完成導(dǎo)航工作，加之其價(jià)格相對(duì)較低，因而更有普及和推廣價(jià)值。
ＧＰＳ系統(tǒng)一般由地面控制站、導(dǎo)航衛(wèi)星和用戶接收機(jī)三大部分組成。導(dǎo)航衛(wèi)星至少２４顆，均勻分布在６個(gè)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(shí)繞地球一周。
ＧＰＳ信號(hào)接收機(jī)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(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，同時(shí)對(duì)所接收到的ＧＰＳ信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出ＧＰＳ信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出ＧＰＳ衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，最終實(shí)時(shí)計(jì)算出現(xiàn)測(cè)站的三維位置、位置、甚至三維速度和時(shí)間。
靜態(tài)定位時(shí)，ＧＰＳ接收機(jī)在捕獲和跟蹤ＧＰＳ衛(wèi)星的過(guò)程中固定不變，接收機(jī)通過(guò)高精度測(cè)量ＧＰＳ信號(hào)的傳播時(shí)間，并利用ＧＰＳ衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用ＧＰＳ接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。ＧＰＳ信號(hào)接收機(jī)所在的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。由于載體上的ＧＰＳ接收機(jī)天線在跟蹤ＧＰＳ衛(wèi)星的過(guò)程中將相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，這樣，接收機(jī)用ＧＰＳ信號(hào)就可實(shí)時(shí)地測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機(jī)硬件、機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在測(cè)站上，接收單元?jiǎng)t置于測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤剑⒂秒娎|線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。實(shí)際上，也可以將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，而在觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。
ＧＰＳ接收機(jī)一般用蓄電池做電源，同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電池的過(guò)程中，機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為ＲＡＭ存儲(chǔ)器供電，以防丟失數(shù)據(jù)。
２ ＴＵ－３０ ＧＰＳ模塊簡(jiǎn)介
ＴＵ－３０模塊是美國(guó)羅克韋爾公司的ＧＰＳ產(chǎn)品，其特點(diǎn)是體積小、接口簡(jiǎn)單、可靠性好。模塊的組織結(jié)構(gòu)是一個(gè)用于接收ＧＰＳ信號(hào)的單片機(jī)小系統(tǒng)。ＧＰＳ信號(hào)接收部分由Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的芯片及其外圍電路組成。其控制內(nèi)核是一個(gè)ＤＳＰ處理器，該處理器具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，并有兩個(gè)串口和時(shí)鐘輸出；外圍電路有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并帶有Ｅ２ＰＲＯＭ（保存重要參數(shù)）、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ等存儲(chǔ)器，可對(duì)相關(guān)重要信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、交換；此外，還留有ＤＧＰＳ接口。該模塊的衛(wèi)星采集啟動(dòng)方式分為４種模式：熱啟動(dòng)方式、初始啟動(dòng)方式、冷啟動(dòng)方式、凍結(jié)啟動(dòng)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)。
ＴＵ－３０ ＧＰＳ模塊留有天線接口，可以用同軸電纜與天線進(jìn)行連接，天線可延長(zhǎng)３０米。此外，它還留有２０Ｐｉｎ應(yīng)用接口，可方便地與單片機(jī)、ＰＣ機(jī)等設(shè)備進(jìn)行接口。
表1 TU-30 GPS的模塊中的20針接口定義
３�。牵校幽K的串行數(shù)據(jù)接口規(guī)范
ＧＰＳ模塊的應(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(jìn)制信息和ＮＭＥＡ?全國(guó)海洋電子學(xué)會(huì)?數(shù)據(jù)信息。這兩類信息可以通過(guò)串口與ＧＰＳ接收機(jī)進(jìn)行通信。這里重點(diǎn)介紹ＴＵ－３０的二進(jìn)制信息字格式與字結(jié)構(gòu)。ＴＵ－３０的傳輸速率為９６００ｂｐｓ，無(wú)奇偶校驗(yàn)，有８位數(shù)據(jù)位，１位停止位。其二進(jìn)制信息字格式包括信息頭、頭校驗(yàn)、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。
ＴＵ－３０中的每個(gè)信息都有頭，但不一定有數(shù)據(jù)，信息的應(yīng)答和請(qǐng)求以頭的形式完成。二進(jìn)制信息頭通常由如下五個(gè)字組成：
Ｗｏｒｄ１：１０００ ０００１ １１１１ １１１１；
Ｗｏｒｄ２：信息ＩＤ；
Ｗｏｒｄ３：數(shù)據(jù)子計(jì)數(shù)；
Ｗｏｒｄ４：應(yīng)答／無(wú)應(yīng)答；
Ｗｏｒｄ５：頭校驗(yàn)。
頭校驗(yàn)計(jì)算公式為：
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