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GPS模块在便携式导航系统中的应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:GPS是全球定位系统的简称,目的是在全球范围内对地面或空中目标进行准确定位和监测。文章讨论了GPS模块TU-30的工作原理,介绍了其在便携式导航系统中的应用,给出了这种GPS模块与单片机的接口电路。
  关键词:GPS;TU-30;单片机;卫星定位;导航
  
  1GPS系统简介
  
  GPS是GlobalPositioningSystem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20200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。
  
  2TU-30GPS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3种。图1所示是该模块的硬件结构。
  
  TU-30GPS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1TU-30GPS的模块中的20针接口定义
  
  接口功能Pin1前置放大电源输入Pin25V电源输入Pin3电池电源输入Pin5主复位输入Pin7NMEA协议选择Pin8ROM默认选择Pin11串口1数据输出Pin12串口1数据输入Pin14串口2数据输出Pin15串口2数据输入Pin191PPS时间标志输出Pin2010kHz时钟输出Pin4,6,9,17无连接NCPin10,13,16,18接地
  3GPS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

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