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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稱,目的是在全球范圍內對地面或空中目標進行準確定位和監測。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。關鍵詞：GPS；TU-30；單片機；衛星定位；導航
１ＧＰＳ系統簡介
ＧＰＳ是ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ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信號接收機的任務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接收機在捕獲和跟蹤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附近的適當地方，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。
ＧＰＳ接收機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。
２ＴＵ－３０ＧＰＳ模塊簡介
ＴＵ－３０模塊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。
ＴＵ－３０ＧＰＳ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主復位輸入Pin7NMEA協議選擇Pin8ROM默認選擇Pin11串口1數據輸出Pin12串口1數據輸入Pin14串口2數據輸出Pin15串口2數據輸入Pin191PPS時間標志輸出Pin2010kHz時鐘輸出Pin4,6,9,17無連接NCPin10,13,16,18接地
３ＧＰＳ模塊的串行數據接口規范
ＧＰＳ模塊的應用關鍵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：
Ｗｏｒｄ１：１００００００１１１１１１１１１；
Ｗｏｒｄ２：信息ＩＤ；
Ｗｏｒｄ３：數據子計數；
Ｗｏｒｄ４：應答／無應答；
Ｗｏｒｄ５：頭校驗。
頭校驗計算公式為：
一般情況下，二進制信息數據由如下４個字組成：
Ｗｏｒｄ６：觸發；
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。
ＴＵ－３０中的輸出信息如下：
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；
ＥＣＥＦ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；
ＥＥＰＲＯＭ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。現以此為例來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時間、日期；
１７～１８：緯度；
１９～２０：經度；
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
４．１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。
ＭＣＵ可選用德州儀器的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。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－３０ＧＰＳ模塊的軟件流程圖。該軟件的編寫主要是設置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顯示。
另外，設計時還應注意ＧＰＳ模塊的天線要求，具體有以下兩點：
（１）天線增益應為３０ｄＢ，阻抗應為５０Ω。
（２）無線頻率信號環境方面要求，即ＲＦ輸入Ｌ１的載波頻率應為１０ＭＨｚ，帶寬中心點應為０ｄＢＷ。５結束語
ＧＰＳ導航設備的應用著重于多衛星系統、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）進行導航定位時，衛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網的限制，應用ＧＰＳ衛星定位技術建立的控制網叫ＧＰＳ網。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，這類ＧＰＳ網中相鄰點的距離在數千公里至上萬公里，其主要任務是作為全球高精度坐標框架或全國高精度坐標框架，以為全球性地球動力學和空間科學方面的科學研究工作服務。另一類是區域性的ＧＰＳ網，包括城市或礦區ＧＰＳ網，ＧＰＳ工程網等，這類網中的相鄰點間的距離為幾公里至幾十公里，其主要任務是直接為國民經濟建設服務。
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