GPS模块在便携式导航系统中的应用

GPS系统应用

GPS模块在便携式导航系统中的应用

作者：李志宇 资料来源：国外电子元器件 点击数：1841 更新时间：2006-2-24

1、GPS系统简介

GPS是Global Positioning System的缩写，即全球定位系统。其目的是在全球范围内对地面和空中目标进行准确定位和监测。随着全球性空间定位信息应用的日益广泛，GPS提供的全时域、全天候、高精度定位服务将给空间技术、地球物理、大地测绘、遥感技术、交通调度、军事作战以及人们的日常生活带来巨大的变化和深远的影响。

目前的民用GPS设备包括测量型和导航型。其中测量型产品的精度可达到米级甚至毫米级，但至少需要两台（套）才能达到设计精度要求，而且其内部结构复杂，单机成本一般在几万到几十万，适合专业高精度测量环境使用；导航型产品，由于其使用者对精度要求不高，一般为几十米，因此机器内部硬件相对简单，只须一台就可以完成导航工作，加之其价格相对较低，因而更有普及和推广价值。

GPS系统一般由地面控制站、导航卫星和用户接收机三大部分组成。导航卫星至少24颗，均匀分布在6个极地轨道上，轨道的夹角为60度，距地平均高度为20200公里，每12恒星时绕地球一周。

GPS信号接收机的任务主要是捕获一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，同时对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，最终实时计算出现测站的三维位置、位置、甚至三维速度和时间。

静态定位时，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机通过高精度测量GPS信号

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的 传 播 时 间 ， 并 利 用 GPS 卫 星 在 轨 的 已 知 位 置 解 算 出 接 收 机 天 线 所 在 位 置 的 三 维 坐 标 。 而 动 态 定 位 则 是 用 GPS 接 收 机 测 定 一 个 运 动 物 体 的 运 行 轨 迹 。 GPS 信 号 接 收 机 所 在 的 运 动 物 体 叫 做 载 体 ( 如 航 行 中 的 船 舰 ， 空 中 的 飞 机 ，行 走 的 车 辆 等 )。由 于 载 体 上 的 GPS 接 收 机 天 线 在 跟 踪 GPS 卫 星 的 过 程 中 将 相 对 地 球 而 运 动 ， 这 样 ， 接 收 机 用 GPS 信 号 就 可 实 时 地 测 量 运 动 载 体 的 状 态 参 数 ( 瞬 间 三 维 位 置 和 三 维 速 度 ) 。 接 收 机 硬 件 、机 内 软

件 以 及 GPS 数 据 的 后 处 理 软 件 包 构 成 了 完 整 的 GPS 用 户 设 备 。GPS 接 收 机 的 结 构 分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时 将天线单元安置在测站上，接收单元则置于测站附近的适当地方，并用电缆线将两者连接成一个整机。实 际上，也可以将天线单元和接收单元制作成一个整体，而在观测时将其安置在测站点上。 GPS 接 收 机 一 般 用 蓄 电 池 做 电 源 ， 同 时 采 用 机 内 机 外 两 种 直 流 电 源 。 设 置 机 内 电 池 的 目 的 在 于 更 换 外 电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器 供电，以防丢失数据。 2、 TU-30 GPS 模 块 简 介 TU-30 模 块 是 美 国 罗 克 韦 尔 公 司 的 GPS 产 品 ， 其 特 点 是 体 积 小 、 接 口 简 单 、 可 靠 性 好 。 模 块 的 组 织 结 构 是 一 个 用 于 接 收 GPS 信 号 的 单 片 机 小 系 统 。 GPS 信 号 接 收 部 分 由 Rockwell 自 行 设 计 开 发 的 芯 片 及 其 外 围 电 路 组 成 。 其 控 制 内 核 是 一 个 DSP 处 理 器 ， 该 处 理 器 具 有 很 强 的 数 据 运 算 处 理 能 力 ， 并 有 两 个 串 口 和 时 钟 输 出 ； 外 围 电 路 有 实 时 时 钟 ， 并 带 有 E2PROM( 保 存 重 要 参 数 ) 、 SRAM、 ROM 等 存 储 器 ， 可 对 相 关 重 要 信 息 数 据 进 行 存 储 、 交 换 ； 此 外 ， 还 留 有 DGPS 接 口 。 该 模 块 的 卫 星 采 集 启 动 方 式 分 为 4 种 模 式 ： 热 启 动 方 式 、 初 始 启 动 方 式 、 冷 启 动 方 式 、 冻 结 启 动 方 式 ； 而 导 航 模 式 则 有 3 维 模 式 、 2 维 模 式 和 DG-PS 模 式 s 种。图 1 所示是该模块的硬件结构。 TU-30 GPS 模 块 留 有 天 线 接 口 ，可 以 用 同 轴 电 缆 与 天 线 进 行 连 接 ，天 线 可 延 长 30 米 。此 外 ，它 还 留 有 20Pin 应 用 接 口 ， 可 方 便 地 与 单 片 机 、 PC 机 等 设 备 进 行 接 口 。 表 1 TU-30 GPS 的 模 块 中 的 20 针 接 口 定 义

接 口 Pin1 Pin2 Pin3 Pin5 Pin7 Pin8 Pin11

功

能

前置放大电源输入 5V 电源输入 电池电源输入 主复位输入 NMEA 协议选择 ROM 默认选择 串口 1 数据输出

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Pin12 Pin14 Pin15 Pin19 Pin20 Pin4,6,9,17 Pin10,13,16,18

串口 1 数据输入 串口 2 数据输出 串口 2 数据输入 1PPS 时间标志输出 10kHz 时钟输出 无连接 NC 接地

3

GPS 模 块 的 串 行 数 据 接 口 规 范

GPS 模 块 的 应 用 关 键 在 于 串 口 通 信 协 议 的 制 定 ， 也 就 是 模 块 的 相 关 输 入 输 出 协 议 格 式 。 它 主 要 包 括 数 据 类 型 与 信 息 格 式 ， 其 中 数 据 类 型 主 要 有 二 进 制 信 息 和 NMEA全 国

海 洋 电 子 学 会 数 据 信 息 。 这 两 类 信 息 可 以 通 过 串 口 与 GPS 接 收 机 进 行 通 信 。 这 里 重 点 介 绍 TU-30 的 二 进 制 信 息 字 格 式 与 字 结 构 。 TU-30 的 传 输 速 率 为 9000pbs, 无 奇 偶 校 验 ， 有 8 位 数 据 位 ， 1 位 停 止 位 。 其 二 进 制 信 息 字 格 式 包 括 信 息 头 、 头 校 验 、 数据、数据校验等。 TU-30 中 的 每 个 信 息 都 有 头 ， 但 不 一 定 有 数 据 ， 信 息 的 应 答 和 请 求 以 头 的 形 式 完 成 。 二 进 制 信 息 头 通 常由如下五个字组成： Word1: 1000 0001 1111 1111; Word2: 信 息 ID; Word3: 数 据 子 计 数 ； Word4: 应 答 / 无 应 答 ； Word5: 头 校 验 。 头校验计算公式为：

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一般情况下，二进制信息数据由如下4个字组成： Word6：触发； Word7：间隔； Word8：偏移量； Word9：数据校验。 头校验计算公式为：

TU-30中的每个字均为16位，有无符号整型和有符号整形之分。按字长又可分为单精度（16bit）、双精度（32bit）和三精度（48bit）。保留位输入时为0，独立定义位域标志位时可为0或1。

TU-30中的输出信息如下：

信息位置状态输出（经度、纬度、时间、高度等）；

信息ID为1000，信息长度为55个字；

ECEF 状态输出：信息ID为100，信息长度为54个字；

通道摘要信息ID为1002，信息长度为51个字；

通道测量信息ID为1007，信息长度为154个字；

…

用户设置输出：信息ID为1012，信息长度为22个字；

内建测试结果：信息ID为1100，信息长度为20个字；

测量时间标记：信息ID为1102，信息长度为253个字；

串口通信参数：信息ID为1130，信息长度为21个字；

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EEPROM 状态： 信息ID为1136，信息长度为18个字。

下面是TU-30的输入信息描述：

测量位置和速度初始化：信息ID为1200，信息长度为27个字。现以此为例来介绍各信息字的具体含义：

字1～4：信息头；

5：头校验；

6：序列号；

7：初始化控制；

8～16：GPS时间、日期；

17～18：纬度；

19～20：经度；

21～22：高度；

23～24：对地速度；

25：卫星轨道仰角；

26：爬升率；

27：数据校验。

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下面是TU-30的其它信息，其具体内容可参见相关文档。

用户数据定义：信息ID为1210，信息长度为20个字；

地图选择信息数据：信息ID为1211，信息长度为8个字；

卫星仰角屏蔽控制（0～±л／2）：信息ID为1212，信息长度为8个字；

卫星选择 ： 信息ID为1213，信息长度为10个字；

差动GPS控制：信息ID为1214，信息长度为9个字；

冷起动控制：信息ID为1216，信息长度为9个字；

定位方法校验标准：信息ID为1217，信息长度为13个字；

无线类型选择（主动／被动）：信息ID为1218，信息长度为8个字；

用户登录高度输入：信息ID为1219，信息长度为12个字；

应用平台控制（默认、静态、海洋、陆路、空中）：信息ID为1220，信息长度为8个字；

串口通信参数信息：信息ID为1221，信息长度为15个字；

导航配置信息：

信息协议控制：…

以上相关信息通常都保存到模块的EEPROM中。

4 与单片机构建的便携式导航系统

4．1 硬件结构

设计时，通常将TU-30模块的串口1与单片机的串口相连接，模块与天线的连接可以加一级前置放大器。天线可选用东芝天线，也可以专门定制。可选用LCD屏显示经纬度、时间、高度等数据。电源采用4节碱性电池，易于更换。

MCP可选用德州仪器的MSP430 flash（F13X）系列。MSP430系列为16位单片机，处理速度快，功耗低，体积小，适合在便携式仪器上使用。同时，MSP430单片机支持C语言，易于编程。

屏幕菜单采用字符型西文显示，可缩短开发时间、降低成本，很适合于民用；也可以选用大屏幕彩色

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点阵液晶，它界面友好、美观，但软件工作量大，硬件成本高。键盘可选择3个触摸键，菜单功能全部可用软件实现。因为MSP430单片机的电源为3．3V而TU-30的电源为5V，所以需要用DC－DC电源转换模块进行处理。如果采用充电电池则还需要充电电路。GPS模块与单片机的接口原理如图2所示。

4．2 软件设计

图3所示是TU-30 GPS模块的软件流程图。该软件的编写主要是设置GPS模块与MCU之间的串口通信、参数显示及人机接口。主要包括初始化、串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理、电源管理等部分。其中初始化包括MSP430中各种寄存器的配置、串口相关参数配置（波特率，模式）及外围电路（LCD、电源等设备检测）的初始化等；

串口通信包括数据发送、接收、校验，通信故障提示等；数据处理主要是对接收数据的解码、存储和数据刷新等； 故障提示包括设备故障、通信故障、电源故障等。电源管理主要是电源欠压提示和当前电源状态显示。

另外，设计时还应注意GPS模块的天线要求，具体有以下两点： （1）天线增益应为30dB，阻抗应为50Ω。

（2）无线频率信号环境方面要求，即RF输入L1的载波频率应为10MHZ，带宽中心点应为0dBW。 5 结束语

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GPS 导 航 设 备 的 应 用 着 重 于 多 卫 星 系 统 、远 距 离 监 控 以 及 多 功 能 显 示 等 方 面 。使 用 多 卫 星 系 统( 如 GN SS 综 合 导 航 定 位 系 统 ) 进 行 导 航 定 位 时 ， 卫 星 较 多 可 保 证 实 时 定 位 的 精 度 与 可 靠 性 。 此 外 ， GPS 定 位 还 受 GPS 网 的 限 制 ， 应 用 GPS 卫 星 定 位 技 术 建 立 的 控 制 网 叫 GPS 网 。 归 纳 起 来 大 致 可 分 为 两 大 类 ： 类 是 全 球 或 全 国 性 的 高 精 度 GPS 网 ， 类 GPS 网 中 相 邻 点 的 距 离 在 数 千 公 里 至 上 万 公 里 ， 一 这 其 主 要 任 务 是 作 为 全 球 高 精 度 坐 标 框 架 或 全 国 高 精 度 坐 标 框 架 ，以 为 全 球 性 地 球 动 力 学 和 空 间 科 学 方 面 的 科 学 研 究 工 作 服 务 。 另 一 类 是 区 域 性 的 GPS 网 ， 包 括 城 市 或 矿 区 GPS 网 ， GPS 工 程 网 等 ， 这 类 网 中 的 相 邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。

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