【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 文簡(jiǎn)稱為“球位系”。GPS是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國(guó)的子午儀系統(tǒng)（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星 數(shù)謀瓤較?。?6顆），運(yùn)行高度較低（平均1000KM），從地面站觀測(cè)到衛(wèi)星的時(shí)間隔比較長(zhǎng)（），因 而它無(wú)法提供連續(xù)的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，而且精度較低。為滿足軍事部門和民用部門對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求1973年美國(guó)國(guó)防部制定了GPS計(jì)劃。GPS實(shí)施計(jì)劃共分三個(gè)階段： 　　第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。 　　第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 　　第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。 GPS的構(gòu)成GPS利用衛(wèi)星發(fā)射無(wú)線信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位，具有全球、全天候、高精度、快速時(shí)的三維導(dǎo)航、定位、測(cè)速和授時(shí)功能。目前，它廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)、資源勘測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，從而給測(cè)繪學(xué)科帶來(lái)了一場(chǎng)社會(huì)變革。GPS主要由GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控部分、用戶接收處理部分組成。 GPS空間部分由24顆GPS工作衛(wèi)星組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在 6個(gè)傾角為55度的軌道上繞地球運(yùn)行，衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為12恒星時(shí)。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)射用于導(dǎo)航定位的信號(hào)。GPS用戶正是利用這些信號(hào)進(jìn)行工作的。 GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的若干個(gè)跟蹤站組成的監(jiān)控系統(tǒng)所組成，根據(jù)其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站有一個(gè)，位于美國(guó)科羅拉多的法爾孔空軍基地，它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站觀測(cè)的GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入衛(wèi)星中；同時(shí)它還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)障礙時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作；另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)控站由5個(gè)，監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)；注入站有3個(gè)，它們分別位于阿松森群島、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭，注入站的作用是將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)等注入衛(wèi)星中。 GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備（如計(jì)算機(jī)氣象儀器等）。它的作用是接收GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)，并利用這些信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位工作。GPS 信號(hào)接收機(jī)的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(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)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(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)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，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)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(jià)格因素,一般使用者所購(gòu)買的多為單頻接收器以上三個(gè)部分共同組成一個(gè)完整的全球定位系統(tǒng)。 GPS的特點(diǎn)全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛等。定位精度高應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS 相對(duì)定位精度在50KM 以內(nèi)可達(dá)106，100500KM可達(dá)107，1000KM 可達(dá)109。在3001500M 工程精密定位中，1 小時(shí)以上觀測(cè)的解其平面位置誤差小于1mm，與ME5000 電磁波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較。觀測(cè)時(shí)間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需1520 分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需12分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)只需幾秒鐘。測(cè)站間無(wú)須通視GPS測(cè)量不要求測(cè)站之間互相通視，只需測(cè)站上空開(kāi)闊即可，因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無(wú)需點(diǎn)間通視，點(diǎn)位位置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點(diǎn)工作甚為靈活，也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)的測(cè)量工作?？商峁┤S坐標(biāo)經(jīng)典大地測(cè)量將平面與高程采用不同方法分別施測(cè)。GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。操作簡(jiǎn)便隨著GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，有的已達(dá)“傻瓜化”的程度；接收機(jī)的體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，極大地減輕測(cè)量工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度。使野外工作變得輕松愉快。全天候作業(yè)目前GPS觀測(cè)可在一天24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。 GPS系統(tǒng)的應(yīng)用前景功能多、應(yīng)用廣GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航、授時(shí)，還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。，測(cè)時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。當(dāng)初設(shè)計(jì)GPS 系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航，收集情報(bào)等軍事目的。但是，后來(lái)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的，而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來(lái)的導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位，米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位，亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測(cè)量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量。因此，GPS 系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)專家預(yù)測(cè)，今后幾年內(nèi)GPS在通信、大氣探測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中也將得到廣泛應(yīng)用，GPS將進(jìn)入各行各業(yè)。還有專家預(yù)測(cè)，不久的將來(lái)人們將生產(chǎn)出電子手表式的GPS接收機(jī)且價(jià)格將降至普通人都能接受的水平。到那時(shí)人們不僅能方便地獲得時(shí)間信息，而且能方便地獲得三維位置和三維速度信息，從而深刻地改變?nèi)藗兊纳罘绞?。全球定位系統(tǒng)將作為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就之一而載入史冊(cè)。 RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線本次設(shè)計(jì)中，GPS接收機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的串口通信由RS232完成。串行端口的本質(zhì)功能是作為芯片和串行設(shè)備之間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從芯片經(jīng)過(guò)串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位將被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。RS232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA公布的串行通信標(biāo)準(zhǔn)。RS232標(biāo)準(zhǔn)最初是為了促進(jìn)數(shù)據(jù)通信在公用電話網(wǎng)上的應(yīng)用，它通常要采用調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。20世紀(jì)60年代中期，此標(biāo)準(zhǔn)被引入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，目前廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的串行異步通信接口中，除了真正的遠(yuǎn)程通信外，不再通過(guò)電話網(wǎng)和調(diào)制解調(diào)器。RS232C標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）與數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）之間進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛畔?，?guī)定了接口的電氣信號(hào)和接插件的機(jī)械要求。RS232C對(duì)信號(hào)開(kāi)關(guān)電平的規(guī)定如下. 驅(qū)動(dòng)器的輸出電平為： 邏輯“0”：+5V+15V 邏輯“1”：5V15V 接收器的輸入檢測(cè)電平為： 邏輯“0”：+3V 邏輯“1”：3V RS232C采用負(fù)邏輯，噪聲容限可達(dá)到2V。 RS232C接口定義了20條信號(hào)線。這些信號(hào)線并不是在所有的通信過(guò)程中都要用到，可以根據(jù)通信聯(lián)絡(luò)的繁雜程度選用其中的某些信號(hào)線。 1)數(shù)據(jù)信號(hào)線 發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD：用于發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，TXD線上的信號(hào)為“1”。 接收數(shù)據(jù)線RXD：用于接收數(shù)據(jù)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)接收或接收數(shù)據(jù)間隔期間時(shí)，RXD線上的信號(hào)也為“1”。 2）控制與狀態(tài)信號(hào)線 請(qǐng)求發(fā)送RTS與允許發(fā)送CTS信號(hào)線用于半雙工通信方式，半雙工方式下發(fā)送和接收只能分時(shí)進(jìn)行。當(dāng)DTE有數(shù)據(jù)待發(fā)送時(shí)，先發(fā)RTS信號(hào)通知調(diào)制解調(diào)器。此時(shí)若調(diào)制解調(diào)器處于發(fā)送方式，回送允許發(fā)送CTS信號(hào)，發(fā)送即開(kāi)始。若調(diào)制解調(diào)器處于接收方式，則必須等到接收完畢轉(zhuǎn)為發(fā)送方式時(shí)，才向DTE回送允許發(fā)送信號(hào)。在全雙工方式下，發(fā)送和接收能同時(shí)進(jìn)行，不使用這兩條控制信號(hào)線?！氨Ｗo(hù)地”信號(hào)線一般連接設(shè)備的屏蔽地。信號(hào)地GND為所有電路提供參考電位。 RS232C接口的常用系統(tǒng)連接計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備通過(guò)RS232C標(biāo)準(zhǔn)總線直接互聯(lián)傳送數(shù)據(jù)時(shí)很有使用價(jià)值的，它有25芯D型插針和9芯D型插針等多種連接方式。一般使用者需要熟悉互聯(lián)接線的方法。圖31所示為計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程設(shè)備通過(guò)RS232C的數(shù)據(jù)傳輸接口圖22 帶RS232接口的通信設(shè)備連接全雙工標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)連接圖中，TXD線與RXD線交叉連接，總線兩端的每個(gè)設(shè)備均既可發(fā)送，又可接受。請(qǐng)求發(fā)送RTS線折回與自身的允許發(fā)送CTS線相連，作為總線一端的設(shè)備檢測(cè)；另一端的設(shè)備是否就緒的握手信號(hào)。載波檢測(cè)DCD與對(duì)方的RTS相連，使一端的設(shè)備能夠檢測(cè)對(duì)方設(shè)備是否在發(fā)送。這兩條連線較少應(yīng)用。如果由RS232C連接兩端的設(shè)備隨時(shí)都可以進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換，那么就不需要進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。此時(shí)，圖22所示的全雙工標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)連接就可以簡(jiǎn)化為圖23所示的全雙工最簡(jiǎn)系統(tǒng)連接。圖23全雙工最簡(jiǎn)系統(tǒng)連接 本設(shè)計(jì)中，GPS接收部分與計(jì)算機(jī)設(shè)備的連接就采用全雙工最簡(jiǎn)系統(tǒng)連接，上圖中的智能設(shè)備1智能設(shè)備2分別指代本設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)設(shè)備和GPS接收端。3 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)備 基于GPS的標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)系統(tǒng)硬件部分主要由GPS接收機(jī)、控制和處理核心FPGA、PC機(jī)及其它顯示設(shè)備等組成，其外部連接圖如下。圖31系統(tǒng)外部連接圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖圖32設(shè)計(jì)總體框圖由系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖可知，本系統(tǒng)整體分為三個(gè)模塊，分別是串并轉(zhuǎn)換模塊、GPS數(shù)據(jù)處理模塊和時(shí)間轉(zhuǎn)換模塊。模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明：GPS衛(wèi)星信息由GPS串行輸出到串并轉(zhuǎn)換模塊s_to_para，數(shù)據(jù)信息在此經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)信息以8位并行數(shù)據(jù)形式輸出到GPS數(shù)據(jù)處理模塊gas_time,本模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判斷，并截取到有用信息—UTC時(shí)間和UTC日期；UTC時(shí)間和UTC日期輸出到時(shí)間轉(zhuǎn)換模塊time_manage,本模塊將UTC時(shí)間和UTC日期經(jīng)過(guò)時(shí)區(qū)轉(zhuǎn)換得到北京時(shí)間并輸出。系統(tǒng)模塊輸入輸出說(shuō)明：串并轉(zhuǎn)換模塊輸入為串行數(shù)據(jù)，輸出為8位并行數(shù)據(jù)；GPS數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)輸入為8位并行數(shù)據(jù)，輸出為3個(gè)32位時(shí)間寄存器輸出和有效位valid flag輸出；時(shí)間轉(zhuǎn)換模塊輸入為3個(gè)32位時(shí)間寄存器輸入和有效位valid flag輸入。串并轉(zhuǎn)換模塊s_to_para,將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)輸出。GPS接收機(jī)將由GPS天線接收到的衛(wèi)星信息串行輸出，串并轉(zhuǎn)換模塊則負(fù)責(zé)將接收到的串行數(shù)據(jù)判斷并轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)以ASCII碼形式輸出。設(shè)計(jì)思路：根據(jù)GPS模塊輸出時(shí)序，數(shù)據(jù)為sdata 9600bps，有一位起始位，8位數(shù)據(jù)位，一位或多位停止位。所以根據(jù)時(shí)序要求，首先在模塊內(nèi)部做分頻處理，由24M輸入時(shí)鐘分得9600k時(shí)鐘，作為串行數(shù)據(jù)記時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。當(dāng)判斷出起始位，則開(kāi)始寄存8個(gè)有效數(shù)據(jù)位。當(dāng)記滿8位，則同時(shí)送出數(shù)據(jù)加載信號(hào)data_biaozhi以及8位并行數(shù)據(jù)para_data，并初始化所有寄存器，同時(shí)啟動(dòng)判斷下一起始位的操作。 串并轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)框圖如下所示。圖33串并轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)框圖串并轉(zhuǎn)換模塊圖如下。圖34 串并轉(zhuǎn)換模塊模塊接口：in: clk, clr, sdata。 out : data_biaozhi, para_data。 GPS數(shù)據(jù)處理模塊 本模塊的作用是將接收到的衛(wèi)星信息轉(zhuǎn)換為UTC時(shí)間。由串并轉(zhuǎn)換模塊接收到的信息是ASCII碼形式，數(shù)據(jù)處理模塊可以將信息翻譯成我們常見(jiàn)的形式并判斷出有效信息，即從中截取UTC時(shí)間和日期，最終輸出為3個(gè)32位數(shù)據(jù)寄存器輸出，同時(shí)送出有效標(biāo)志位，作為當(dāng)前數(shù)據(jù)有效標(biāo)志。模塊設(shè)計(jì)思路： 本模塊實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)解包，并且重新組合時(shí)間信息的作用。首先，根據(jù)s_to_data模塊的數(shù)據(jù)加載信號(hào)，實(shí)時(shí)判斷時(shí)間數(shù)據(jù)頭標(biāo)志$GPRMC。一旦捕捉到數(shù)據(jù)頭，則啟動(dòng)數(shù)據(jù)暫存進(jìn)程操作。數(shù)據(jù)暫存過(guò)程首先判斷有效數(shù)據(jù)位是否為‘，’，如果不為逗號(hào)，則繼續(xù)進(jìn)行，否則重新復(fù)位。接下來(lái)，判斷A/V標(biāo)志是否數(shù)據(jù)有效，如果無(wú)效，則送出av_biaozhi=0，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)有效。然后通過(guò)計(jì)數(shù)逗號(hào)標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)記滿7個(gè)逗號(hào)時(shí)，寄存接下來(lái)的6個(gè)數(shù)據(jù)，記滿時(shí)，送出標(biāo)志位data_plete= 1 。數(shù)據(jù)自操作進(jìn)程實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息重組功能。根據(jù)GPS輸出數(shù)據(jù)的協(xié)議，重新組合，得到兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，作為輸入時(shí)間的數(shù)據(jù)寄存器。寄存器說(shuō)明：1. time_reg_1為年月寄存器，高四位長(zhǎng)為0；2. time_reg_2為日時(shí)分秒寄存器。3. 微秒數(shù)據(jù)寄存器為time_reg_3 ，根據(jù)輸入24M時(shí)鐘，計(jì)數(shù)24次得到1M時(shí)鐘，還原出微秒級(jí)計(jì)數(shù)器。每秒鐘數(shù)據(jù)刷新一次，本地記時(shí)。最后形成的數(shù)據(jù)格式,1．time_reg_1：0x 0000_08112．time_reg_2：0x 2401_24303．time_reg_3：0x xxxx_xxxx 微秒數(shù) 輸出時(shí)間為UTC