GPS模塊在便攜式導航系統中的應用

摘要：GPS是全球定位系統的簡(jiǎn)稱(chēng),目的是在全球范圍內對地面或空中目標進(jìn)行準確定位和監測。文章討論了GPS模塊TU-30的工作原理，介紹了其在便攜式導航系統中的應用，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；衛星定位；導航

１ ＧＰＳ系統簡(jiǎn)介

ＧＰＳ是Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 的縮寫(xiě)，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(jìn)行準確定位和監測。隨著(zhù)全球性空間定位信息應用的日益廣泛，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、大地測繪、遙感技術(shù)、交通調度、軍事作戰以及人們的日常生活帶來(lái)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(chǎn)品的精度可達到米級甚至毫米級，但至少需要兩臺（套）才能達到設計精度要求，而且其內部結構復雜，單機成本一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)，適合專(zhuān)業(yè)高精度測量環(huán)境使用；導航型產(chǎn)品，由于其使用者對精度要求不高，一般為幾十米，因此機器內部硬件相對簡(jiǎn)單，只須一臺就可以完成導航工作，加之其價(jià)格相對較低，因而更有普及和推廣價(jià)值。

ＧＰＳ系統一般由地面控制站、導航衛星和用戶(hù)接收機三大部分組成。導航衛星至少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信號接收機的任務(wù)主要是捕獲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(shí)對所接收到的ＧＰＳ信號進(jìn)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(xiàn)的傳播時(shí)間，解譯出ＧＰＳ衛星所發(fā)送的導航電文，最終實(shí)時(shí)計算出現測站的三維位置、位置、甚至三維速度和時(shí)間。

靜態(tài)定位時(shí)，ＧＰＳ接收機在捕獲和跟蹤ＧＰＳ衛星的過(guò)程中固定不變，接收機通過(guò)高精度測量ＧＰＳ信號的傳播時(shí)間，并利用ＧＰＳ衛星在軌的已知位置解算出接收機天線(xiàn)所在位置的三維坐標。而動(dòng)態(tài)定位則是用ＧＰＳ接收機測定一個(gè)運動(dòng)物體的運行軌跡。ＧＰＳ信號接收機所在的運動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機，行走的車(chē)輛等）。由于載體上的ＧＰＳ接收機天線(xiàn)在跟蹤ＧＰＳ衛星的過(guò)程中將相對地球而運動(dòng)，這樣，接收機用ＧＰＳ信號就可實(shí)時(shí)地測量運動(dòng)載體的狀態(tài)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(hù)設備。ＧＰＳ接收機的結構分為天線(xiàn)單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來(lái)說(shuō)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨立的部件，觀(guān)測時(shí)將天線(xiàn)單元安置在測站上，接收單元則置于測站附近的適當地方，并用電纜線(xiàn)將兩者連接成一個(gè)整機。實(shí)際上，也可以將天線(xiàn)單元和接收單元制作成一個(gè)整體，而在觀(guān)測時(shí)將其安置在測站點(diǎn)上。

ＧＰＳ接收機一般用蓄電池做電源，同時(shí)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(shí)不中斷連續觀(guān)測。在用機外電池的過(guò)程中，機內電池自動(dòng)充電。關(guān)機后，機內電池為ＲＡＭ存儲器供電，以防丟失數據。

２?。裕眨常?ＧＰＳ模塊簡(jiǎn)介

ＴＵ－３０模塊是美國羅克韋爾公司的ＧＰＳ產(chǎn)品，其特點(diǎn)是體積小、接口簡(jiǎn)單、可靠性好。模塊的組織結構是一個(gè)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(kāi)發(fā)的芯片及其外圍電路組成。其控制內核是一個(gè)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(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）、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ等存儲器，可對相關(guān)重要信息數據進(jìn)行存儲、交換；此外，還留有ＤＧＰＳ接口。該模塊的衛星采集啟動(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、凍結啟動(dòng)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。

ＴＵ－３０ ＧＰＳ模塊留有天線(xiàn)接口，可以用同軸電纜與天線(xiàn)進(jìn)行連接，天線(xiàn)可延長(cháng)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(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的串行數據接口規范

ＧＰＳ模塊的應用關(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。它主要包括數據類(lèi)型與信息格式，其中數據類(lèi)型主要有二進(jìn)制信息和ＮＭＥＡ?全國海洋電子學(xué)會(huì )?數據信息。這兩類(lèi)信息可以通過(guò)串口與ＧＰＳ接收機進(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構。ＴＵ－３０的傳輸速率為９６００ｂｐｓ，無(wú)奇偶校驗，有８位數據位，１位停止位。其二進(jìn)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(gè)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(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：數據子計數；

Ｗｏｒｄ４：應答／無(wú)應答；

Ｗｏｒｄ５：頭校驗。

頭校驗計算公式為：

一般情況下，二進(jìn)制信息數據由如下４個(gè)字組成：

Ｗｏｒｄ６：觸發(fā)；

Ｗｏｒｄ７：間隔；

Ｗｏｒｄ８：偏移量；

Ｗｏｒｄ９：數據校驗。

頭校驗計算公式為：

ＴＵ－３０中的每個(gè)字均為１６位，有無(wú)符號整型和有符號整形之分。按字長(cháng)又可分為單精度（１６ｂｉｔ）、雙精度（３２ｂｉｔ）和三精度（４８ｂｉｔ）。保留位輸入時(shí)為０，獨立定義位域標志位時(shí)可為０或１。

ＴＵ－３０中的輸出信息如下：

信息位置狀態(tài)輸出（經(jīng)度、緯度、時(shí)間、高度等）；

信息ＩＤ為１０００，信息長(cháng)度為５５個(gè)字；

ＥＣＥＦ 狀態(tài)輸出：信息ＩＤ為１００１，信息長(cháng)度為５４個(gè)字；

通道摘要?信息ＩＤ為１００２，信息長(cháng)度為５１個(gè)字；

通道測量?信息ＩＤ為１００７，信息長(cháng)度為１５４個(gè)字；

…

用戶(hù)設置輸出：信息ＩＤ為１０１２，信息長(cháng)度為２２個(gè)字；

內建測試結果：信息ＩＤ為１１００，信息長(cháng)度為２０個(gè)字；

測量時(shí)間標記：信息ＩＤ為１１０２，信息長(cháng)度為２５３個(gè)字；

串口通信參數：信息ＩＤ為１１３０，信息長(cháng)度為２１個(gè)字；

ＥＥＰＲＯＭ 狀態(tài)： 信息ＩＤ為１１３６，信息長(cháng)度為１８個(gè)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(cháng)度為２７個(gè)字?，F以此為例來(lái)介紹各信息字的具體含義：

字１～４：信息頭；

５：頭校驗；

６：序列號；

７：初始化控制；

８～１６：ＧＰＳ時(shí)間、日期；

１７～１８：緯度；

１９～２０：經(jīng)度；

２１～２２：高度；

２３～２４：對地速度；

２５：衛星軌道仰角；

２６：爬升率；

２７：數據校驗。

下面是ＴＵ－３０的其它信息，其具體內容可參見(jiàn)相關(guān)文檔。

用戶(hù)數據定義：信息ＩＤ為１２１０，信息長(cháng)度為２０個(gè)字；

地圖選擇信息數據：信息ＩＤ為１２１１，信息長(cháng)度為８個(gè)字；

衛星仰角屏蔽控制（０～л／２）：信息ＩＤ為１２１２，信息長(cháng)度為８個(gè)字；

衛星選擇 ： 信息ＩＤ為１２１３，信息長(cháng)度為１０個(gè)字；

差動(dòng)ＧＰＳ控制：信息ＩＤ為１２１４，信息長(cháng)度為９個(gè)字；

冷起動(dòng)控制：信息ＩＤ為１２１６，信息長(cháng)度為９個(gè)字；

定位方法校驗標準：信息ＩＤ為１２１７，信息長(cháng)度為１３個(gè)字；

無(wú)線(xiàn)類(lèi)型選擇（主動(dòng)／被動(dòng)）：信息ＩＤ為１２１８，信息長(cháng)度為８個(gè)字；

用戶(hù)登錄高度輸入：信息ＩＤ為１２１９，信息長(cháng)度為１２個(gè)字；

應用平臺控制（默認、靜態(tài)、海洋、陸路、空中）：信息ＩＤ為１２２０，信息長(cháng)度為８個(gè)字；

串口通信參數信息：信息ＩＤ為１２２１，信息長(cháng)度為１５個(gè)字；

導航配置信息：

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　與單片機構建的便攜式導航系統

４．１ 硬件結構

設計時(shí)，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(xiàn)的連接可以加一級前置放大器。天線(xiàn)可選用東芝天線(xiàn)，也可以專(zhuān)門(mén)定制?？蛇x用ＬＣＤ屏顯示經(jīng)緯度、時(shí)間、高度等數據。電源采用４節堿性電池，易于更換。

ＭＣＵ可選用德州儀器的ＭＳＰ４３０ ｆｌａｓｈ（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(shí)，ＭＳＰ４３０單片機支持Ｃ語(yǔ)言，易于編程。

屏幕菜單采用字符型西文顯示，可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低成本，很適合于民用；也可以選用大屏幕彩色點(diǎn)陣液晶，它界面友好、美觀(guān)，但軟件工作量大，硬件成本高。鍵盤(pán)可選擇３個(gè)觸摸鍵，菜單功能全部可用軟件實(shí)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(jìn)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。

４．２ 軟件設計

圖３所示是ＴＵ－３０ ＧＰＳ模塊的軟件流程圖。該軟件的編寫(xiě)主要是設置ＧＰＳ模塊與ＭＣＵ之間的串口通信、參數顯示及人機接口。主要包括初始化、串口通信、數據處理、故障提示、顯示、鍵盤(pán)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)參數配置（波特率，模式）及外圍電路（ＬＣＤ、電源等設備檢測）的初始化等；

串口通信包括數據發(fā)送、接收、校驗，通信故障提示等；數據處理主要是對接收數據的解碼、存儲和數據刷新等； 故障提示包括設備故障、通信故障、電源故障等。電源管理主要是電源欠壓提示和當前電源狀態(tài)顯示。

另外，設計時(shí)還應注意ＧＰＳ模塊的天線(xiàn)要求，具體有以下兩點(diǎn)：

（１）天線(xiàn)增益應為３０ｄＢ，阻抗應為５０Ω。

（２）無(wú)線(xiàn)頻率信號環(huán)境方面要求，即ＲＦ輸入Ｌ１的載波頻率應為１０ＭＨｚ，帶寬中心點(diǎn)應為０ｄＢＷ。５　結束語(yǔ)

ＧＰＳ導航設備的應用著(zhù)重于多衛星系統、遠距離監控以及多功能顯示等方面。使用多衛星系統（如ＧＮＳＳ綜合導航定位系統）進(jìn)行導航定位時(shí)，衛星較多可保證實(shí)時(shí)定位的精度與可靠性。

此外，ＧＰＳ定位還受ＧＰＳ網(wǎng)的限制，應用ＧＰＳ衛星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫ＧＰＳ網(wǎng)。歸納起來(lái)大致可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是全球或全國性的高精度ＧＰＳ網(wǎng)，這類(lèi)ＧＰＳ網(wǎng)中相鄰點(diǎn)的距離在數千公里至上萬(wàn)公里， 其主要任務(wù)是作為全球高精度坐標框架或全國高精度坐標框架，以為全球性地球動(dòng)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(lèi)是區域性的 ＧＰＳ網(wǎng)，包括城市或礦區ＧＰＳ網(wǎng)，ＧＰＳ工程網(wǎng)等，這類(lèi)網(wǎng)中的相鄰點(diǎn)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)濟建設服務(wù)。