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GPS模块在便携式导航系统中的应用
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。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。
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３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
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９６００ｂｐｓ，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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