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　作者：網絡　點擊：次

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1.GPS簡介

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）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，美國陸海空三軍聯合研制了新一代衛星定位系統GPS 。主要目的是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報搜集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，經過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衛星星座己布設完成。

GPS的前身是美國軍方研制的一種子午儀衛星定位系統(Transit)，1958年研制，1964年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的星網工作，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，子午儀系統使得研發部門對衛星定位取得了初步的經驗，并驗證了由衛星系統進行定位的可行性，為GPS的研制埋下了鋪墊。由于衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。

為此，美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛星組成10000km高度的全球定位網計劃，并于67年、69年和74年各發射了一顆試驗衛星，在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統，這是GPS精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛星組成3至4個星群的計劃，這些衛星中除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)為基礎傳播衛星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環境噪聲的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。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態服務，然而系統過于復雜。由于同時研制兩個系統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星導航定位聯合計劃局(JPO)領導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

最初的GPS計劃在美國聯合計劃局的領導下誕生了，該方案將24顆衛星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛星，地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。由于預算壓縮，GPS計劃不得不減少衛星發射數量，改為將18顆衛星分布在互成60度的6個軌道上，然而這一方案使得衛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衛星所使用的工作方式。 GPS導航系統是以全球24顆定位人造衛星為基礎，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航定位系統。它由三部分構成，一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監測站及通訊輔助系統組成。二是空間部分，由24顆衛星組成，分布在6個軌道平面。三是用戶裝置部分，由GPS接收機和衛星天線組成。民用的定位精度可達10米內。

2.GPS系統的組成

2.1空間部分　

GPS的空間部分是由24顆衛星組成（21顆工作衛星；3顆備用衛星），它位于距地表20200km的上空，運行周期為12h。衛星均勻分布在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 顆以上的衛星，并能在衛星中預存導航信息，GPS的衛星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導航精度會逐漸降低。

2.2地面控制系統

地面控制系統由監測站(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）。地面控制站負責收集由衛星傳回之訊息，并計算衛星星歷、相對距離，大氣校正等數據。

圖4.12.2GSP衛星系統

圖4.12.3GPS衛星

2.3用戶設備部分

用戶設備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，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緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS 數據的后處理軟件包構成完整的GPS 用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。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導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離則通過記錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間，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星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當GPS衛星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發射導航電文。GPS系統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，重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當300m；P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛星信號中解調制出來，以50b/s調制在載頻上發射的。導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；每三十秒重復一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊，其中最重要的則為星歷數據。當用戶接受到導航電文時，提取出衛星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發射電文時所處位置，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導航系統衛星部分的作用就是不斷地發射導航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛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即衛星與接收機之間的時間差作為未知數，然后用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛星的信號。 4.GPS的特點1) 全球全天候定位

GPS衛星的數目較多，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衛星，確保實現全球全天候連續的導航定位服務（除打雷閃電不宜觀測外）。

2) 定位精度高

應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50km以內可達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(用于導航)：P碼1~2m ；C/A碼5~10m。

靜態相對定位：50km之內誤差為幾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系統的不斷完善，軟件的不斷更新，20km以內相對靜態定位，僅需15-20分鐘；快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘；采取實時動態定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘。

因而使用GPS技術建立控制網，可以大大提高作業效率。

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。這一優點既可大大減少測量工作的經費和時間（一般造標費用約占總經費的30%～50%），同時也使選點工作變得非常靈活，也可省去經典測量中的傳算點、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，監視儀器的工作狀態，而其它觀測工作，如衛星的捕獲，跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。結束測量時，僅需關閉電源，收好接收機，便完成了野外數據采集任務。

如果在一個測站上需作長時間的連續觀測，還可以通過數據通訊方式，將所采集的數據傳送到數據處理中心，實現全自動化的數據采集與處理。另外，接收機體積也越來越小，相應的重量也越來越輕，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定位是在全球統一的WGS-84坐標系統中計算的，因此全球不同地點的測量成果是相互關聯的。

7) 應用廣泛

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航，甚至在低的GPS衛星可見度環境下實現穩定的定位；非常適合的應用有導航系統、資產跟蹤設備和電池供電的消費導航產品，如手機、手提電腦、個人導航設備（PND）和運動附件等。由于UP501設計緊湊、接口簡單，因此也非常適合G-鼠標領域。

4.1UP501特性

UP501具有如下特點：1. 市場領先的性能

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也能快速定位。可選內置備份電池，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非常適合高動態的應用。

2. 低成本

由于Fastrax UP501接收模塊內應用的尖端技術，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天線和內置備份電池，讓集成GPS功能到客戶系統中更加簡單。

3. 快速易用的方案

只需連接電源和串口數據就能讓Fastrax UP501工作，模塊也支持專門的控制命令實現外部對模塊工作狀態的控制。Fastrax UP501模塊內置PCB安裝法蘭和標準的2.54mm I/O 引腳間距，使得安裝到主系統中簡單可靠。

4.2UP501的應用范圍· 導航系統· 資產跟蹤設備· 手機· 手提電腦· 個人導航設備（PND）· 運動附件· G-Mouse4.3UP501的性能參數· 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(導航) -148dBm(冷啟動捕獲)· NMEA 協議（默認9600bps）· 一個串口：默認CMOS電平，可選RS232· 1PPS 輸出· 可選內置備份電池· 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