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GPS模塊在便攜式導航系統(tǒng)中的應用
摘要：GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱,目的是在全球范圍內(nèi)對地面或空中目標進行準確定位和監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)簡介
ＧＰＳ是Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 的縮寫，即全球定位系統(tǒng)。其目的是在全球范圍內(nèi)對地面和空中目標進行準確定位和監(jiān)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(shù)、地球物理、大地測繪、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巨大的變化和深遠的影響。
目前的民用ＧＰＳ設(shè)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(shè)計精度要求，而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，單機成本一般在幾萬到幾十萬，適合專業(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(nèi)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(tǒng)一般由地面控制站、導航衛(wèi)星和用戶接收機三大部分組成。導航衛(wèi)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(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)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(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出ＧＰＳ衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，最終實時計算出現(xiàn)測站的三維位置、位置、甚至三維速度和時間。
靜態(tài)定位時，ＧＰＳ接收機在捕獲和跟蹤ＧＰＳ衛(wèi)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(wèi)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(tài)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(wèi)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(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機硬件、機內(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接收機的結(jié)構(gòu)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?shù)胤剑⒂秒娎|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(nèi)機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電池的過程中，機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后，機內(nèi)電池為ＲＡＭ存儲器供電，以防丟失數(shù)據(jù)。
２�。裕眨常� ＧＰＳ模塊簡介
ＴＵ－３０模塊是美國羅克韋爾公司的ＧＰＳ產(chǎn)品，其特點是體積小、接口簡單、可靠性好。模塊的組織結(jié)構(gòu)是一個用于接收ＧＰＳ信號的單片機小系統(tǒng)。ＧＰＳ信號接收部分由Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自行設(shè)計開發(fā)的芯片及其外圍電路組成。其控制內(nèi)核是一個ＤＳＰ處理器，該處理器具有很強的數(shù)據(jù)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(shù)）、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ等存儲器，可對相關(guān)重要信息數(shù)據(jù)進行存儲、交換；此外，還留有ＤＧＰＳ接口。該模塊的衛(wèi)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(jié)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(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(shè)備進行接口。
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)類型主要有二進制信息和ＮＭＥＡ?全國海洋電子學會?數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)。ＴＵ－３０的傳輸速率為９６００ｂｐｓ，無奇偶校驗，有８位數(shù)據(jù)位，１位停止位。其二進制信息字格式包括信息頭、頭校驗、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗等。
ＴＵ－３０中的每個信息都有頭，但不一定有數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)子計數(shù)；
Ｗｏｒｄ４：應答／無應答；
Ｗｏｒｄ５：頭校驗。
頭校驗計算公式為：
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