【文章內容簡介】 文簡稱為“球位系”。GPS是20世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、 全天候和全球性的導航服務。經(jīng)過20余年的研究實驗，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設完成。最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國的子午儀系統(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），運行高度較低（平均1000KM），從地面站觀測到衛(wèi)星的時間隔比較長（），因 而它無法提供連續(xù)的實時三維導航，而且精度較低。為滿足軍事部門和民用部門對連續(xù)實時和三維導航的迫切要求1973年美國國防部制定了GPS計劃。GPS實施計劃共分三個階段： 　　第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。 　　第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明GPS定位精度遠遠超過設計標準。 　　第三階段為實用組網(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)進入工程建設階段。1993年底實用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。 GPS的構成GPS利用衛(wèi)星發(fā)射無線信號進行導航定位，具有全球、全天候、高精度、快速時的三維導航、定位、測速和授時功能。目前，它廣泛應用于大地測量、工程測量、運載工具導航和管制、地殼運動和檢測、資源勘測、資源勘察、地球動力學等多學科領域，從而給測繪學科帶來了一場社會變革。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顆為可用于導航的衛(wèi)星，3顆為活動的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在 6個傾角為55度的軌道上繞地球運行，衛(wèi)星的運行周期約為12恒星時。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)射用于導航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號進行工作的。 GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的若干個跟蹤站組成的監(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，位于美國科羅拉多的法爾孔空軍基地，它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站觀測的GPS數(shù)據(jù)，計算出衛(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)通過注入站注入衛(wèi)星中；同時它還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當工作衛(wèi)星出現(xiàn)障礙時，調度備用衛(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，監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)；注入站有3個，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算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星時鐘改正數(shù)等注入衛(wèi)星中。 GPS的用戶部分由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應的用戶設備（如計算機氣象儀器等）。它的作用是接收GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號，并利用這些信號進行導航定位工作。GPS 信號接收機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衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調出衛(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(jīng)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(shù)據(jù)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(xù)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(shù)據(jù)丟失。目前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(xiàn)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以上三個部分共同組成一個完整的全球定位系統(tǒng)。 GPS的特點全球定位系統(tǒng)的主要特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等。定位精度高應用實踐已經(jīng)證明，GPS 相對定位精度在50KM 以內可達106，100500KM可達107，1000KM 可達109。在3001500M 工程精密定位中，1 小時以上觀測的解其平面位置誤差小于1mm，與ME5000 電磁波測距儀測定得邊長比較。觀測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以內相對靜態(tài)定位，僅需1520 分鐘；快速靜態(tài)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12分鐘，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。測站間無須通視GPS測量不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可，因此可節(jié)省大量的造標費用。由于無需點間通視，點位位置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點工作甚為靈活，也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點、過渡點的測量工作?？商峁┤S坐標經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時精確測定測站點的三維坐標。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度。操作簡便隨著GPS接收機不斷改進，自動化程度越來越高，有的已達“傻瓜化”的程度；接收機的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度。使野外工作變得輕松愉快。全天候作業(yè)目前GPS觀測可在一天24小時內的任何時間進行，不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響。 GPS系統(tǒng)的應用前景功能多、應用廣GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導航、授時，還可用于測速、測時。，測時的精度可達幾十毫微秒。其應用領域不斷擴大。當初設計GPS 系統(tǒng)的主要目的是用于導航，收集情報等軍事目的。但是，后來的應用開發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅能夠達到上述目的，而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導航定位信號能夠進行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位，米級至亞米級精度的動態(tài)定位，亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時間測量。因此，GPS 系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應用前景。據(jù)專家預測，今后幾年內GPS在通信、大氣探測、精細農業(yè)以及環(huán)境保護等領域中也將得到廣泛應用，GPS將進入各行各業(yè)。還有專家預測，不久的將來人們將生產(chǎn)出電子手表式的GPS接收機且價格將降至普通人都能接受的水平。到那時人們不僅能方便地獲得時間信息，而且能方便地獲得三維位置和三維速度信息，從而深刻地改變人們的生活方式。全球定位系統(tǒng)將作為20世紀最偉大的科學成就之一而載入史冊。 RS232標準串行接口總線本次設計中，GPS接收機與計算機之間的串口通信由RS232完成。串行端口的本質功能是作為芯片和串行設備之間的編碼轉換器。當數(shù)據(jù)從芯片經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)被轉換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時，串行的位將被轉換為字節(jié)數(shù)據(jù)。RS232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA公布的串行通信標準。RS232標準最初是為了促進數(shù)據(jù)通信在公用電話網(wǎng)上的應用，它通常要采用調制解調器進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。20世紀60年代中期，此標準被引入計算機領域，目前廣泛應用于計算機與外圍設備的串行異步通信接口中，除了真正的遠程通信外，不再通過電話網(wǎng)和調制解調器。RS232C標準定義了數(shù)據(jù)通信設備（DCE）與數(shù)據(jù)終端設備（DTE）之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛畔?，?guī)定了接口的電氣信號和接插件的機械要求。RS232C對信號開關電平的規(guī)定如下. 驅動器的輸出電平為： 邏輯“0”：+5V+15V 邏輯“1”：5V15V 接收器的輸入檢測電平為： 邏輯“0”：+3V 邏輯“1”：3V RS232C采用負邏輯，噪聲容限可達到2V。 RS232C接口定義了20條信號線。這些信號線并不是在所有的通信過程中都要用到，可以根據(jù)通信聯(lián)絡的繁雜程度選用其中的某些信號線。 1)數(shù)據(jù)信號線 發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD：用于發(fā)送數(shù)據(jù)，當無數(shù)據(jù)發(fā)送時，TXD線上的信號為“1”。 接收數(shù)據(jù)線RXD：用于接收數(shù)據(jù)，當無數(shù)據(jù)接收或接收數(shù)據(jù)間隔期間時，RXD線上的信號也為“1”。 2）控制與狀態(tài)信號線 請求發(fā)送RTS與允許發(fā)送CTS信號線用于半雙工通信方式，半雙工方式下發(fā)送和接收只能分時進行。當DTE有數(shù)據(jù)待發(fā)送時，先發(fā)RTS信號通知調制解調器。此時若調制解調器處于發(fā)送方式，回送允許發(fā)送CTS信號，發(fā)送即開始。若調制解調器處于接收方式，則必須等到接收完畢轉為發(fā)送方式時，才向DTE回送允許發(fā)送信號。在全雙工方式下，發(fā)送和接收能同時進行，不使用這兩條控制信號線?！氨Ｗo地”信號線一般連接設備的屏蔽地。信號地GND為所有電路提供參考電位。 RS232C接口的常用系統(tǒng)連接計算機與智能設備通過RS232C標準總線直接互聯(lián)傳送數(shù)據(jù)時很有使用價值的，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所示為計算機與遠程設備通過RS232C的數(shù)據(jù)傳輸接口圖22 帶RS232接口的通信設備連接全雙工標準系統(tǒng)連接圖中，TXD線與RXD線交叉連接，總線兩端的每個設備均既可發(fā)送，又可接受。請求發(fā)送RTS線折回與自身的允許發(fā)送CTS線相連，作為總線一端的設備檢測；另一端的設備是否就緒的握手信號。載波檢測DCD與對方的RTS相連，使一端的設備能夠檢測對方設備是否在發(fā)送。這兩條連線較少應用。如果由RS232C連接兩端的設備隨時都可以進行全雙工數(shù)據(jù)交換，那么就不需要進行握手聯(lián)絡。此時，圖22所示的全雙工標準系統(tǒng)連接就可以簡化為圖23所示的全雙工最簡系統(tǒng)連接。圖23全雙工最簡系統(tǒng)連接 本設計中，GPS接收部分與計算機設備的連接就采用全雙工最簡系統(tǒng)連接，上圖中的智能設備1智能設備2分別指代本設計中的計算機設備和GPS接收端。3 統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件設備 基于GPS的標準定時系統(tǒng)硬件部分主要由GPS接收機、控制和處理核心FPGA、PC機及其它顯示設備等組成，其外部連接圖如下。圖31系統(tǒng)外部連接圖 系統(tǒng)設計總體框圖圖32設計總體框圖由系統(tǒng)設計框圖可知，本系統(tǒng)整體分為三個模塊，分別是串并轉換模塊、GPS數(shù)據(jù)處理模塊和時間轉換模塊。模塊設計說明：GPS衛(wèi)星信息由GPS串行輸出到串并轉換模塊s_to_para，數(shù)據(jù)信息在此經(jīng)過串并轉換；轉換后數(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,本模塊對接收到的數(shù)據(jù)信息進行判斷，并截取到有用信息—UTC時間和UTC日期；UTC時間和UTC日期輸出到時間轉換模塊time_manage,本模塊將UTC時間和UTC日期經(jīng)過時區(qū)轉換得到北京時間并輸出。系統(tǒng)模塊輸入輸出說明：串并轉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32位時間寄存器輸出和有效位valid flag輸出；時間轉換模塊輸入為3個32位時間寄存器輸入和有效位valid flag輸入。串并轉換模塊s_to_para,將串行數(shù)據(jù)轉換為8位并行數(shù)據(jù)輸出。GPS接收機將由GPS天線接收到的衛(wèi)星信息串行輸出，串并轉換模塊則負責將接收到的串行數(shù)據(jù)判斷并轉換為8位并行數(shù)據(jù)以ASCII碼形式輸出。設計思路：根據(jù)GPS模塊輸出時序，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)時序要求，首先在模塊內部做分頻處理，由24M輸入時鐘分得9600k時鐘，作為串行數(shù)據(jù)記時標準時鐘。當判斷出起始位，則開始寄存8個有效數(shù)據(jù)位。當記滿8位，則同時送出數(shù)據(jù)加載信號data_biaozhi以及8位并行數(shù)據(jù)para_data，并初始化所有寄存器，同時啟動判斷下一起始位的操作。 串并轉換模塊設計框圖如下所示。圖33串并轉換模塊設計框圖串并轉換模塊圖如下。圖34 串并轉換模塊模塊接口：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)星信息轉換為UTC時間。由串并轉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的形式并判斷出有效信息，即從中截取UTC時間和日期，最終輸出為3個32位數(shù)據(jù)寄存器輸出，同時送出有效標志位，作為當前數(shù)據(jù)有效標志。模塊設計思路： 本模塊實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)解包，并且重新組合時間信息的作用。首先，根據(jù)s_to_data模塊的數(shù)據(jù)加載信號，實時判斷時間數(shù)據(jù)頭標志$GPRMC。一旦捕捉到數(shù)據(jù)頭，則啟動數(shù)據(jù)暫存進程操作。數(shù)據(jù)暫存過程首先判斷有效數(shù)據(jù)位是否為‘，’，如果不為逗號，則繼續(xù)進行，否則重新復位。接下來，判斷A/V標志是否數(shù)據(jù)有效，如果無效，則送出av_biaozhi=0，否則認為數(shù)據(jù)有效。然后通過計數(shù)逗號標點，當記滿7個逗號時，寄存接下來的6個數(shù)據(jù)，記滿時，送出標志位data_plete= 1 。數(shù)據(jù)自操作進程實現(xiàn)時間信息重組功能。根據(jù)GPS輸出數(shù)據(jù)的協(xié)議，重新組合，得到兩個數(shù)據(jù)寄存器，作為輸入時間的數(shù)據(jù)寄存器。寄存器說明：1. time_reg_1為年月寄存器，高四位長為0；2. time_reg_2為日時分秒寄存器。3. 微秒數(shù)據(jù)寄存器為time_reg_3 ，根據(jù)輸入24M時鐘，計數(shù)24次得到1M時鐘，還原出微秒級計數(shù)器。每秒鐘數(shù)據(jù)刷新一次，本地記時。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) 輸出時間為UTC