基于DSP的DGPS導航定位系統的設計與實(shí)現

全球定位系統GPS(Global Positioning System)是一種無(wú)線(xiàn)電導航系統，它不僅具有全球性、全天候和連續的精密三維定位能力，而且還能實(shí)時(shí)對運載體的速度、姿態(tài)進(jìn)行測定以及精密授時(shí)。目前，幾乎所有需要導航、定位的用戶(hù)，都被GPS的高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活和優(yōu)質(zhì)價(jià)廉所吸引。

目前，GPS系統提供的定位精度小于10米，為了得到更高的定位精度，通常采用差分GPS(即DGPS)技術(shù)。DGPS相對于GPS能為用戶(hù)的導航定位精度帶來(lái)數量級的提高，在飛機精密進(jìn)場(chǎng)著(zhù)陸、無(wú)人機、彈道軌跡測量、車(chē)輛定位導航等航空、航天、航海及車(chē)載領(lǐng)域得到應用。

DSP是一種用于處理數字信號的微處理器，隨著(zhù)半導體制造工藝的發(fā)展和計算機體系結構等方面的改進(jìn)，DSP芯片的功能也越來(lái)越強大。由于DSP在運算速度上的優(yōu)勢及其可編程和易于實(shí)現自適應處理的特點(diǎn)，使其在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中占有一席之地。

本文介紹利用DSP高速處理、可編程性能及其在軟硬件上的設計實(shí)現的一種有別于一般DGPS導航系統的系統。

1 DGPS工作原理及其系統分析

1．1 DGPS工作原理

DGPS選擇一個(gè)位置精確的已知點(diǎn)作為GPS接收機基準站，其余GPS接收機(移動(dòng)站)分別設置在需要測定其位置的載體上。根據基準點(diǎn)的已知精確坐標，可以求出定位結果的坐標改正數或距離觀(guān)測值的改正數。通過(guò)基準站和移動(dòng)站之間的數據鏈，將這些改正數實(shí)時(shí)傳 送給移動(dòng)站，使移動(dòng)站的GPS接收機的定位結果或偽距觀(guān)測量得到改正。其目的是消除公共誤差項，有效地減弱相關(guān)誤差的影響，以獲得精確的定位結果，從而提高定位精度。

1．2系統分析

一般的DGPS導航系統，其基站由GPS接收機、實(shí)時(shí)控制計算機和無(wú)線(xiàn)發(fā)射機組成；移動(dòng)站由GPS接收機、實(shí)時(shí)控制計算機(一般為PC機或工控機)和無(wú)線(xiàn)接收機組成。這種DGPS系統由于受單工通信的限制，移動(dòng)站不能將其精確定位數據回傳給基站．導致基站不能實(shí)時(shí)觀(guān)測移動(dòng)站的運行狀態(tài)。

要實(shí)現移動(dòng)站數據的回傳，則必須在基站和移動(dòng)站之間建立兩條通信數據鏈路，即差分修正信息的通信鏈路和差分GPS定位信息的通信鏈路。若基站和移動(dòng)站分別采用無(wú)線(xiàn)發(fā)射機和無(wú)線(xiàn)接收機同時(shí)工作，由于兩個(gè)頻率的收發(fā)設備同時(shí)工作，則會(huì )產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)數據鏈路的干擾。采用雙工電臺則能避免這種干擾的產(chǎn)生。

若實(shí)時(shí)控制計算機采用PC機或工控機，則計算機必須具備3個(gè)串口才能完成與GPS接收機2個(gè)串口(用于差分信息及定位信息的通信)和雙工電臺1個(gè)串口之間的數據通信，以實(shí)現DGPS定位和數據的回傳。但是一般的PC機和工控機很難具備3個(gè)串口。

基于以上分析，本DGPS導航定位系統采用自主研制的DSP系統作為實(shí)時(shí)控制計算機，以雙工電臺作為無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)設備來(lái)組建和實(shí)現。

2系統組成及其功能

2．1系統組成

系統由基站設備和移動(dòng)站設備兩部分構成?；竞鸵苿?dòng)站各自都由GPS接收機、DSP系統和半雙工電臺組成。

基站GPS接收機采用了NCT2000 D。NCT2000 D是美國NavCom公司采用最先進(jìn)的獨有專(zhuān)利技術(shù)研制的，接收機能持續地建立差分GPS實(shí)時(shí)修正的標準并能兼容WAAS／EGNOS的雙頻GPS。移動(dòng)站GPS接收機采用NovAtel公司的SUPERSTARII，它特別為低成本、高可靠定位的應用而設計。SUPERSTARⅡ可在苛刻的條件(如樹(shù)葉遮擋、城市高樓林立)下提供高可靠性和優(yōu)異性能。它易于集成．并可通過(guò)軟件升級為WAAS。

在基站和移動(dòng)站中，以TMS320C6713為核心的DSP系統和半雙工數據傳輸電臺WDS4710分別用于實(shí)現實(shí)時(shí)通信控制和無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能，從而完成GPS差分修正信息(符合RTCM SC―104標準)和GPS定位數據(符合NMEA ―83標準)的實(shí)時(shí)、準確傳輸。

系統組成及其數據鏈路如圖1所示。

圖1 差分GPS系統數據鏈路圖

2 .2功能

系統利用DSP系統的三個(gè)串口與電臺及GPS接收機進(jìn)行數據通信，實(shí)現移動(dòng)站DGPS的差分定位和移動(dòng)站的精確定位數據的實(shí)時(shí)回傳。

當將DSP系統用在基站時(shí)， 串口2接收GPS接收機的RTCM差分信息，通過(guò)串口1向電臺發(fā)送：串口1接收電臺接收到移動(dòng)站差分定位后的NMEA信息，再通過(guò)串口3發(fā)送到基站設備，以供基站對移動(dòng)站的實(shí)時(shí)遙測或保存數據進(jìn)行事后處理。

當將DSP系統用在移動(dòng)站時(shí)，串口1接收電臺接收到基站發(fā)送的RTCM修正數據， 再通過(guò)串口3發(fā)送給GPS接收機；GPS接收機在差分修正后，將NMEA信息發(fā)送給串口2，串口1將串口2接收到的數據發(fā)送給電臺，電臺將這些數據發(fā)送。

3 DSP應用系統設計

3．1硬件設計

本系統的DSP芯片采用TI公司的浮點(diǎn)處理器TMS310C6713，其主頻可達200MHz。晶振電路(50MHz)為C6713提供外部時(shí)鐘源，電源電路分別提供C6713的CPU核心和外圍接口所需的1 .2V及3 .3V直流電源。復位電路用于對系統的復位。系統的外圍設備(UART、 FLASH、SDRAM)擴展在C6713的EMIF空間，通過(guò)CPLD譯碼選通。

根據本導航系統對多串口的需求，采用TLl6C550和TLl6C552芯片為DSP系統擴展了：個(gè)串口，用于實(shí)現DSP與GPS接收機、電臺及PC機的通信；Flash用于系統的自啟動(dòng)設計；SDRAM擴展了DSP系統的外部存儲器空間；電平轉換電路將UART的TTL電平轉換為標準的RS232電平。DSP應用系統結構如圖2所示。

圖2 DSP應用系統硬件結構框圖

3．2軟件設計

DSP軟件采用TI公司的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調試。系統軟件源程序有C浯言和匯編浯言。

C浯言程序完成DSP系統初始化及其三個(gè)串口的數據收發(fā)。通過(guò)初始化程序，系統主頻設置為100MHz，串口通信協(xié)議數據傳輸速率設置為9 600bps，1位開(kāi)始位，8位數據位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗位。串口收發(fā)采用查詢(xún)方式，C浯言源程序流程如圖3所示。

圖3 通信軟件C語(yǔ)言程序流程圖

匯編浯言程序完成DSP系統的自啟動(dòng)功能，即將燒寫(xiě)在Flash中的程序搬移到片內RAM。

4實(shí)驗結果分析與說(shuō)明

GPS數據格式采用NMEA―0183通信標準格式。NMEA 0183通信標準的輸出數據采用ASCII碼，包含了經(jīng)度、緯度、高度、速度、日期、時(shí)司、航向及衛星狀況等信息。GGA信息是GPS接收機輸出信息的一種，它包含了導航用戶(hù)所關(guān)心的時(shí)間、經(jīng)緯度和高度信息。同時(shí)用戶(hù)也可以從GGA信息中了解GPS接收機的定位情況(即未定位、單點(diǎn)定位和差分定位)。

GGA的數據格式為：

＄GPGGA，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，M，10>，M，11>，12>，*hh

當GGA數據格式中6>的內容為“0”時(shí)表示未定位，“1”表示單點(diǎn)定位，“2”表示DGPS定位。通過(guò)觀(guān)察移動(dòng)站GPS接收機發(fā)送的GGA數據的信息6>，可以了解移動(dòng)站接收機是否進(jìn)行了DGPS定位。

當基站和移動(dòng)站的GPS接收機及電臺傳輸速率設置為9 600bps、電臺頻率設置為460．1MHz后，將其按照圖1所示的數據鏈路進(jìn)行系統連接，在匹配的GPS天線(xiàn)、電臺天線(xiàn)及直流穩壓電源的支持下，系統可以實(shí)現所設計的功能。

以下是實(shí)驗過(guò)程中基站接收到的移動(dòng)站回傳的GGA數據。

差分定位前：

＄GPGGA，033838，3958．8302，N，11620．6189，E，1，04，3．1，97．3，M，―8．3，M，17，0000*64

差分定位后：

＄GPGGA，033907，3958．8324，N，11620．6044，E，2，04，2.5，97.3，M，―8．3，M，7，0000*58

通過(guò)實(shí)驗驗證，本系統通信鏈路通暢，在實(shí)現DGPS導航定位的同時(shí)能將DGPS定位結果回傳給基站，使基站能夠實(shí)時(shí)監測移動(dòng)站的運行軌跡．并能保存其定位數據以進(jìn)行事后處理。系統能夠完成預期的功能，現已通過(guò)GPS教學(xué)實(shí)驗系統驗收。此外，將DGPS系統應用于工程領(lǐng)域時(shí)，由于無(wú)線(xiàn)通信和GPS導航定位系統易受外界因素的影響，所以必須考慮無(wú)線(xiàn)數據鏈路通信的工作距離、抗干擾性、電臺傳輸功率、電臺天線(xiàn)增益和電臺接收信號靈敏度及移動(dòng)站GPS接收機受外界因素影響等多方面問(wèn)題．以確保系統數據鏈路的暢通．提高系統的穩定性和可靠性。

參考文獻

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