傳感器系列之——高手帶你玩GPS定位傳感器

時間：2016-08-02　來源：中國集群通信網(wǎng)　作者：網(wǎng)絡(luò)　點擊：次

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1.GPS簡介

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。GPS起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用。20世紀70年代，美國陸海空三軍聯(lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS 。主要目的是為陸海空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報搜集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。

GPS的前身是美國軍方研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit)，1958年研制，1964年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為GPS的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

為此，美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是GPS精確定位的基礎(chǔ)。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道，該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS得以取得成功的一個重要基礎(chǔ)。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設(shè)計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計劃局(JPO)領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

最初的GPS計劃在美國聯(lián)合計劃局的領(lǐng)導(dǎo)下誕生了，該方案將24顆衛(wèi)星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛(wèi)星，地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛(wèi)星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。由于預(yù)算壓縮，GPS計劃不得不減少衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量，改為將18顆衛(wèi)星分布在互成60度的6個軌道上，然而這一方案使得衛(wèi)星可靠性得不到保障。1988年又進行了最后一次修改：21顆工作星和3顆備用星工作在互成60度的6條軌道上。這也是GPS衛(wèi)星所使用的工作方式。 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它由三部分構(gòu)成，一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監(jiān)測站及通訊輔助系統(tǒng)組成。二是空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個軌道平面。三是用戶裝置部分，由GPS接收機和衛(wèi)星天線組成。民用的定位精度可達10米內(nèi)。

2.GPS系統(tǒng)的組成

2.1空間部分　

GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成（21顆工作衛(wèi)星；3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空，運行周期為12h。衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上（每個軌道面4顆），軌道傾角為55°。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導(dǎo)航精度會逐漸降低。

2.2地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天線（Ground Antenna）所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（Colorado. Springfield）。地面控制站負責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計算衛(wèi)星星歷、相對距離，大氣校正等數(shù)據(jù)。

圖4.12.2GSP衛(wèi)星系統(tǒng)

圖4.12.3GPS衛(wèi)星

2.3用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的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部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。其次則為使用者接收器，現(xiàn)有單頻與雙頻兩種，但由于價格因素，一般使用者所購買的多為單頻接收器。

圖4.12.4 GSP客戶終端

3.GPS工作原理

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz，重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當用戶接受到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。

圖4.12.5 大地坐標及計算方法

可見GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。 4.GPS的特點1) 全球全天候定位

GPS衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布均勻，保證了地球上任何地方任何時間至少可以同時觀測到4顆GPS衛(wèi)星，確保實現(xiàn)全球全天候連續(xù)的導(dǎo)航定位服務(wù)（除打雷閃電不宜觀測外）。

2) 定位精度高

應(yīng)用實踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達10-6m，100-500km可達10-7m，1000km可達10-9m。在300-1500m工程精密定位中，1小時以上觀測時解其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定的邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。

實時單點定位(用于導(dǎo)航)：P碼1~2m ；C/A碼5~10m。

靜態(tài)相對定位：50km之內(nèi)誤差為幾mm+(1~2ppm*D)；50km以上可達0.1~0.01ppm。

實時偽距差分(RTD)：精度達分米級。

實時相位差分(RTK)：精度達1~2cm。3) 觀測時間短

隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1-2分鐘；采取實時動態(tài)定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘。

因而使用GPS技術(shù)建立控制網(wǎng)，可以大大提高作業(yè)效率。

4) 測站間無需通視

GPS測量只要求測站上空開闊，不要求測站之間互相通視，因而不再需要建造覘標。這一優(yōu)點既可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間（一般造標費用約占總經(jīng)費的30%～50%），同時也使選點工作變得非常靈活，也可省去經(jīng)典測量中的傳算點、過渡點的測量工作。

5) 儀器操作簡便

隨著GPS接收機的不斷改進，GPS測量的自動化程度越來越高，有的已趨于“傻瓜化”。在觀測中測量員只需安置儀器，連接電纜線，量取天線高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其它觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。結(jié)束測量時，僅需關(guān)閉電源，收好接收機，便完成了野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

如果在一個測站上需作長時間的連續(xù)觀測，還可以通過數(shù)據(jù)通訊方式，將所采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)全自動化的數(shù)據(jù)采集與處理。另外，接收機體積也越來越小，相應(yīng)的重量也越來越輕，極大地減輕了測量工作者的勞動強度。

6) 可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標

GPS測量可同時精確測定測站平面位置和大地高程。GPS水準可滿足四等水準測量的精度，另外，GPS定位是在全球統(tǒng)一的WGS-84坐標系統(tǒng)中計算的，因此全球不同地點的測量成果是相互關(guān)聯(lián)的。

7) 應(yīng)用廣泛

4.Fastrax uP501

Fastrax UP501 GPS接收模塊集成了GPS天線，能在惡劣條件下進行高性能的導(dǎo)航，甚至在低的GPS衛(wèi)星可見度環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的定位；非常適合的應(yīng)用有導(dǎo)航系統(tǒng)、資產(chǎn)跟蹤設(shè)備和電池供電的消費導(dǎo)航產(chǎn)品，如手機、手提電腦、個人導(dǎo)航設(shè)備（PND）和運動附件等。由于UP501設(shè)計緊湊、接口簡單，因此也非常適合G-鼠標領(lǐng)域。

4.1UP501特性

UP501具有如下特點：1. 市場領(lǐng)先的性能

極佳的捕獲靈敏度，在無需外置天線的情況下，在惡劣的城市狹縫或高樓林立的地區(qū)也能快速定位。可選內(nèi)置備份電池，讓模塊在完全斷電后重啟也能有快速的TTFF（首次定位時間），這樣可以實現(xiàn)客戶定制和極有效的電源管理，而TTFF不會受到影響。

客戶可以將UP501定位率配置為10Hz，使UP501非常適合高動態(tài)的應(yīng)用。

2. 低成本

由于Fastrax UP501接收模塊內(nèi)應(yīng)用的尖端技術(shù)，模塊的空間和成本都得以降低，也不需其他外圍元件，集成的GPS天線和內(nèi)置備份電池，讓集成GPS功能到客戶系統(tǒng)中更加簡單。

3. 快速易用的方案

只需連接電源和串口數(shù)據(jù)就能讓Fastrax UP501工作，模塊也支持專門的控制命令實現(xiàn)外部對模塊工作狀態(tài)的控制。Fastrax UP501模塊內(nèi)置PCB安裝法蘭和標準的2.54mm I/O 引腳間距，使得安裝到主系統(tǒng)中簡單可靠。

4.2UP501的應(yīng)用范圍· 導(dǎo)航系統(tǒng)· 資產(chǎn)跟蹤設(shè)備· 手機· 手提電腦· 個人導(dǎo)航設(shè)備（PND）· 運動附件· G-Mouse4.3UP501的性能參數(shù)· MediaTek MT3329， 66通道接收芯片· 小尺寸：22mmx22mmx8mm· 集成patch天線：18.4x18.4x4.2mm· 低功耗：75mW@3.0V· 高靈敏度： -165dBm(導(dǎo)航) -148dBm(冷啟動捕獲)· NMEA 協(xié)議（默認9600bps）· 一個串口：默認CMOS電平，可選RS232· 1PPS 輸出· 可選內(nèi)置備份電池· 支持WAAS/EGNOS· 14天擴展星歷AGPS· 最高可配置定位率10Hz4.4 UP501的電路原理

圖4.12.6 接線電路圖

圖4.12.7 電路電路

圖4.12.8 振蕩器

圖4.12.9 IC芯片電路

圖4.12.10 復(fù)位電路

圖4.12.11 實時時鐘

圖4.12.12 接口電路

圖4.12.13實驗?zāi)K接口電路

5.工作流程及主要函數(shù)

5.1工作流程

圖4.12.14 工作流程圖

5.2主要程序

6、實驗內(nèi)容

1.實驗器材連線

實驗原理

GPS定位實驗環(huán)境由PC機（安裝有Windows XP操作系統(tǒng)、ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378實驗節(jié)點板、直GPS定位實驗?zāi)K和LCD顯示實驗?zāi)K組成，如圖4.12.1所示。