第10章GPS模塊應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)踐第10章GPS模塊應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)GPS模塊的功能特性GPS模塊的應(yīng)用編程GPS模塊的應(yīng)用示例本章主要內(nèi)容：1.全球定位系統(tǒng)概述GPS即全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem）是美國(guó)從本世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國(guó)測(cè)繪等部門(mén)的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測(cè)繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。GPS模塊的功能特性1.全球定位系統(tǒng)概述 全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem）是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用28顆高度約2.02萬(wàn)千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。24+4顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11小時(shí)58分，如圖10-1所示分布在六個(gè)軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰ΑPS模塊的功能特性1.全球定位系統(tǒng)概述

地面監(jiān)控部分包括四個(gè)監(jiān)控站、一個(gè)上行注入站和一個(gè)主控站。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開(kāi)注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。GPS模塊的功能特性GPS模塊的功能特性2.GPS的基本定位原理

GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。GPS模塊的功能特性3.GPS信號(hào)接收機(jī)

GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。靜態(tài)定位中，GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中固定不變，接收機(jī)高精度地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。GPS模塊的功能特性3.GPS信號(hào)接收機(jī)

載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。

接收機(jī)硬件、機(jī)內(nèi)軟件以及ＧＰＳ數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成了完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在測(cè)站上，接收單元?jiǎng)t置于測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤?，并用電纜線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。實(shí)際上，也可以將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，而在觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。GPS模塊的功能特性3.GPS信號(hào)接收機(jī)

GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源，同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電池的過(guò)程中，機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為ＲＡＭ存儲(chǔ)器供電，以防丟失數(shù)據(jù)。GPS模塊的功能特性4.GPS衛(wèi)星接收模塊

⑴GPS衛(wèi)星接收模塊功能GPS衛(wèi)星接收模塊（簡(jiǎn)稱GPS模塊）是GPS接收系統(tǒng)的核心，它從天線獲得GPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整理、運(yùn)算、解碼，輸出經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)間等信息，處理器利用這些信息，來(lái)產(chǎn)生不同的應(yīng)用，如導(dǎo)航、定位、運(yùn)動(dòng)軌跡記錄等，并通過(guò)一定的總線接口和外設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。GPS模塊的功能特性4.GPS衛(wèi)星接收模塊

⑵GPS衛(wèi)星接收模塊工作原理GPS模塊的功能特性4.GPS衛(wèi)星接收模塊

⑶GPS模塊性能指標(biāo)

衡量GPS模塊性能指標(biāo)主要從衛(wèi)星軌跡、并行通道、定位時(shí)間、定位精度、DGPS功能、信號(hào)干擾及電氣、物理指標(biāo)等幾個(gè)方面GPS模塊的功能特性4.GPS衛(wèi)星接收模塊

GR-87型GPS模塊接口定義管腳名稱功能描述1VCC+3.3～5.5VDC電源輸入2TXA串口發(fā)送A3RXA串口接收A4RXB串口接收B5GND電源地6TIMEMARK/RESET（Option）1PPS時(shí)基輸出或復(fù)位輸入（低電平有效）GPS模塊的功能特性4.GPS衛(wèi)星接收模塊

⑷GPS模塊和單片機(jī)的硬件連接

GPS模塊一般通過(guò)串口和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如果串口是TTL或CMOS電平，則可直接和單片機(jī)連接，如果是RS232C電平，則需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)連接GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議(1)NMEA-0183協(xié)議簡(jiǎn)介

NMEA協(xié)議是為了在不同的GPS（全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的BTCM（海事無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（NMEA-TheNationalMarineElectronicsAssociation）制定的一套通訊協(xié)議。GPS模塊根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過(guò)串口傳送到PC機(jī)、PDA等設(shè)備。GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議(2)NMEA-0183協(xié)議串行通訊參數(shù)

NMEA-0183協(xié)議規(guī)定串行通訊參數(shù)：波特率4800，無(wú)奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位8，停止位1。此外,需要說(shuō)明的是大部分GPS模塊的輸出數(shù)據(jù)刷新速率為1秒，即在1秒時(shí)間里輸出一次GPS模塊單槍匹馬當(dāng)前配置的所有數(shù)據(jù)。GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議(3)NMEA-0183協(xié)議報(bào)文格式

NMEA-0183協(xié)議定義的語(yǔ)句非常多，但是常用的語(yǔ)句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。在具體的GPS應(yīng)用中,不需要用到NMEA的全部信息，而是根據(jù)具體的工作，從中選取所需的信息，忽略其他信息。GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

1)$GPGSV(可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)：GPSSatellitesinView) $GPGSV的基本語(yǔ)句如下： $GPGSV,1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>*CC<CR><LF> <1>：GSV語(yǔ)句的總數(shù)。 <2>：本句GSV的編號(hào)。 <3>：可見(jiàn)衛(wèi)星的總數(shù)（00~12，前面的0也將被傳輸）。 <4>：衛(wèi)星編號(hào)（01~32，前面的0也將被傳輸）。 <5>：衛(wèi)星仰角（00~90度，前面的0也將被傳輸）。 <6>：衛(wèi)星方位角（000~359度，前面的0也將被傳輸）。 <7>：信噪比（00~99dB，沒(méi)有跟蹤到衛(wèi)星時(shí)為空）。

<8>：*后面的“CC”表示校驗(yàn)和，<CR><LF>表示回車換行。GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

2)$GPGGA(GPS定位信息:GlobalPositioningSystemFixData)$GPGGA的基本語(yǔ)句如下：$GPGGA,<1>,(2),<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*CC<CR>(LF)<1>UTC時(shí)間hh:mm:sss（時(shí):分:秒）格式<2>緯度ddmm.mmmm（度分格式）<3>緯度半球:N（北緯）或S（南緯）<4>經(jīng)度dddmm.mmmm（度分格式）<5>經(jīng)度半球:E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）<6>GPS狀態(tài)：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算<7>正在使用的用于定位的衛(wèi)星數(shù)量（00~12）GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

<8>HDOP水平精度因子（0.5~50.0） <9>海拔高度（-9999.9~99999.9） <10>地球橢球面相對(duì)大地水準(zhǔn)面的高度 <11>差分時(shí)間（從最近一次接收到差分信號(hào)開(kāi)始的秒數(shù)，如果不是差分定位將為空）

<12>差分站ID號(hào)0000~1023（前面的0也將被傳輸，如果不是差分定位將為空）GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

3)$GPGSA(當(dāng)前衛(wèi)星信息) $GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>*CC<CR><LF> <1>模式，M=手動(dòng)，A=自動(dòng) <2>定位類型，1=沒(méi)有定位，2=2D定位，3=3D定位 <3>正在用于定位的衛(wèi)星號(hào)（01~32） <4>PDOP位置精度因子（0.0~50.0） <5>HDOP水平精度因子（0.0~50.0）

<6>VDOP垂直精度因子（0.0~50.0）GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

4)$GPRMC(推薦定位信息:RecommendedMinimumSpecificGPS/TRANSITData) $GPRMC語(yǔ)法如下： $GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*CC<CR><LF> <1>UTC時(shí)間，hhmmss（時(shí)分秒） <2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位 <3>緯度ddmm.mmmm（度分） <4>緯度半球：N（北半球）或S（南半球） <5>經(jīng)度dddmm.mmmm（度分）GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

<6>經(jīng)度半球：E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)） <7>地面速率（000.0~999.9節(jié)） <8>地面航向（000.0~359.9度，以北方為參考基準(zhǔn)） <9>UTC日期，ddmmyy（日月年） <10>磁偏角（000.0~180.0度，GB10，GM10以空值代替） <11>磁偏角方向：E（東）或W（西）（GB10，GM10以空值代替） <12>模式指示（A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無(wú)效，GB10，GM10為空值）GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

5)$GPVTG(地面速度信息:TrackMadeGoodandGroundSpeed) $GPVTG的基本語(yǔ)法如下： $GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*cc<CR><LF> <1>以北方為參考基準(zhǔn)的地面航向（000~359度，前面的0也將被傳輸） <2>以北方為參考基準(zhǔn)的地面航向（000~359度，GB10，GM10為空） <3>地面速率（000.0~999.9節(jié)） <4>地面速率（0000.0~9999.9公里/小時(shí)）

<5>模式指示（A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無(wú)效）GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

6)$GPGLL(定位地理信息:GeographicPosition) $GPGLL的基本語(yǔ)法如下： $GPGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>*CC<CR><LF> <1>緯度ddmm.mmmm（度分格式） <2>緯度半球:N（北半球）或S（南半球） <3>經(jīng)度dddmm.mmmm（度分）

<4>經(jīng)度半球:E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)） <5>UTC時(shí)間:hhmmss（時(shí)分秒） <6>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位

<7>模式指示（A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無(wú)效）GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

7)$GPZDA(當(dāng)前時(shí)間信息) $GPZDA的基本語(yǔ)法如下： $GPZDA,<1>,<2>,<3>,<4>*CC<CR><LF> <1>UTC時(shí)間:hhmmss(時(shí)分秒) <2>日 <3>月 <4>年GPS模塊的應(yīng)用編程1.GPS模塊數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

(4)NMEA協(xié)議的校驗(yàn) 從前