一種簡易GPS定向儀的實現

1 引言

　　GPS 系統由多顆衛(wèi)星組成，運行在受大氣影響甚微的高軌道上，可以用來授時、測距、測量位置、測量運動載體的速度及方向。如今GPS 接收設備的應用已經很廣泛，但一般都是單個GPS 接收設備工作，只有在一些專業(yè)設備上才采用多個GPS 接收設備協同工作，以獲取高精度的位置、速度、方向等。但這些設備都很專業(yè)，價格昂貴，一般人很少有機會接觸和使用。本文中討論一種簡單易行，低成本的多GPS 接收設備協同工作，以獲取載體在運動狀態(tài)中方向的定向儀的實現。

　　2 GPS 定向

　　GPS 可以用來確定運動載體瞬時速度的大小及方向，其原理是利用多普勒原理使用無線電信號來進行測定。由于衛(wèi)星與運動的載體之間存在相對運動，根據多普勒頻移原理，衛(wèi)星播發(fā)的信號頻率在運動載體接收時會產生頻移，通過觀測這個頻移量可得到速度的數值及方向。

　　市面上常見的普通GPS 都支持NMEA 數據通訊協議，所謂“NMEA 協議”是由美國國家海洋電子協會（NMEA- The National Marine Electronics Association） 制定的一套通訊協議，是為了在不同的GPS 導航設備中建立統一的BTCM（海事無線電技術委員會）標準。GPS 接收設備根據NMEA- 0183 協議的標準規(guī)范，將位置、速度等信息通過串口傳送到PC 機、PDA 等設備。

　　NMEA- 0183 協議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等，其中，我們只給出重點使用的常用NMEA- 0183 語句的字段定義解釋：

　?。?）$GPGGA:包含當前點位的位置信息

　　例：$GPGGA,092204.999,4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,,,,0000*1F

　　字段0:$GPGGA,語句ID,表明該語句為Global PositioningSystemFix Data（GGA）GPS 定位信息

　　字段1:UTC 時間，hhmmss.sss,時分秒格式

　　字段2:緯度ddmm.mmmm,度分格式（前導位數不足則補0）

　　字段3:緯度N（北緯）或S（南緯）

　　字段4:經度dddmm.mmmm,度分格式（前導位數不足則補0）

　　字段5:經度E（東經）或W（西經）

　　字段6:GPS 狀態(tài)，0= 未定位，1= 非差分定位，2= 差分定位，3= 無效PPS,6= 正在估算

　　字段7:正在使用的衛(wèi)星數量（00 - 12）（前導位數不足則補0）

　　字段8:HDOP 水平精度因子（0.5 - 99.9）

　　字段9:海拔高度（- 9999.9 - 99999.9）

　　字段10:地球橢球面相對大地水準面的高度

　　字段11:差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數，如果不是差分定位將為空）

　　字段12:差分站ID 號0000 - 1023 （前導位數不足則補0,如果不是差分定位將為空）

　　字段13:校驗值

　?。?）$GPVTG:包含速度及方向信息

　　例：$GPVTG,89.68,T,,M,0.00,N,0.0,K*5F

　　字段0:$GPVTG,語句ID,表明該語句為Track MadeGood and Ground Speed（VTG）地面速度信息

　　字段1:運動角度，000 - 359,（前導位數不足則補0）

　　字段2:T= 真北參照系

　　字段3:運動角度，000 - 359,（前導位數不足則補0）

　　字段4:M= 磁北參照系

　　字段5:水平運動速度（0.00）（前導位數不足則補0）

　　字段6:N= 節(jié)，Knots

　　字段7:水平運動速度（0.00）（前導位數不足則補0）

　　字段8:K= 公里/ 時，km/h

　　字段9:校驗值

本文中討論的定向儀就是使用上述信息來實現定向的，具體實現原理如下所述。將兩個GPS 接收設備安放在一定長度的剛體上即可進行該剛體的定向，例如圖1 中為了測定船載航行時窗體的航行而分別在船頭和船尾放置了GPS 接收設備：

　　圖1 定向儀的使用

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