GPS模塊在便攜式導航系統中的應用

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。

１ ＧＰＳ系統簡介

ＧＰＳ是Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 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。

２�。裕眨�３０ ＧＰＳ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－３０ ＧＰＳ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1 TU-30 GPS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

３�。牵校幽�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：

Ｗｏｒｄ１：１０００ ０００１ １１１１ １１１１；

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：

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