基于DSP的DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是一種無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)，它不僅具有全球性、全天候和連續(xù)的精密三維定位能力，而且還能實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)載體的速度、姿態(tài)進(jìn)行測(cè)定以及精密授時(shí)。目前，幾乎所有需要導(dǎo)航、定位的用戶(hù)，都被GPS的高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活和優(yōu)質(zhì)價(jià)廉所吸引。

目前，GPS系統(tǒng)提供的定位精度小于10米，為了得到更高的定位精度，通常采用差分GPS(即DGPS)技術(shù)。DGPS相對(duì)于GPS能為用戶(hù)的導(dǎo)航定位精度帶來(lái)數(shù)量級(jí)的提高，在飛機(jī)精密進(jìn)場(chǎng)著陸、無(wú)人機(jī)、彈道軌跡測(cè)量、車(chē)輛定位導(dǎo)航等航空、航天、航海及車(chē)載領(lǐng)域得到應(yīng)用。

DSP是一種用于處理數(shù)字信號(hào)的微處理器，隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)，DSP芯片的功能也越來(lái)越強(qiáng)大。由于DSP在運(yùn)算速度上的優(yōu)勢(shì)及其可編程和易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理的特點(diǎn)，使其在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中占有一席之地。

本文介紹利用DSP高速處理、可編程性能及其在軟硬件上的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一種有別于一般DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)。

1 DGPS工作原理及其系統(tǒng)分析

1．1 DGPS工作原理

DGPS選擇一個(gè)位置精確的已知點(diǎn)作為GPS接收機(jī)基準(zhǔn)站，其余GPS接收機(jī)(移動(dòng)站)分別設(shè)置在需要測(cè)定其位置的載體上。根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)的已知精確坐標(biāo)，可以求出定位結(jié)果的坐標(biāo)改正數(shù)或距離觀測(cè)值的改正數(shù)。通過(guò)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的數(shù)據(jù)鏈，將這些改正數(shù)實(shí)時(shí)傳 送給移動(dòng)站，使移動(dòng)站的GPS接收機(jī)的定位結(jié)果或偽距觀測(cè)量得到改正。其目的是消除公共誤差項(xiàng)，有效地減弱相關(guān)誤差的影響，以獲得精確的定位結(jié)果，從而提高定位精度。

1．2系統(tǒng)分析

一般的DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)，其基站由GPS接收機(jī)、實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)和無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)組成；移動(dòng)站由GPS接收機(jī)、實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)(一般為PC機(jī)或工控機(jī))和無(wú)線(xiàn)接收機(jī)組成。這種DGPS系統(tǒng)由于受單工通信的限制，移動(dòng)站不能將其精確定位數(shù)據(jù)回傳給基站．導(dǎo)致基站不能實(shí)時(shí)觀測(cè)移動(dòng)站的運(yùn)行狀態(tài)。

要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)站數(shù)據(jù)的回傳，則必須在基站和移動(dòng)站之間建立兩條通信數(shù)據(jù)鏈路，即差分修正信息的通信鏈路和差分GPS定位信息的通信鏈路。若基站和移動(dòng)站分別采用無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)和無(wú)線(xiàn)接收機(jī)同時(shí)工作，由于兩個(gè)頻率的收發(fā)設(shè)備同時(shí)工作，則會(huì)產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的干擾。采用雙工電臺(tái)則能避免這種干擾的產(chǎn)生。

若實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)采用PC機(jī)或工控機(jī)，則計(jì)算機(jī)必須具備3個(gè)串口才能完成與GPS接收機(jī)2個(gè)串口(用于差分信息及定位信息的通信)和雙工電臺(tái)1個(gè)串口之間的數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)DGPS定位和數(shù)據(jù)的回傳。但是一般的PC機(jī)和工控機(jī)很難具備3個(gè)串口。

基于以上分析，本DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用自主研制的DSP系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，以雙工電臺(tái)作為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備來(lái)組建和實(shí)現(xiàn)。

2系統(tǒng)組成及其功能

2．1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由基站設(shè)備和移動(dòng)站設(shè)備兩部分構(gòu)成。基站和移動(dòng)站各自都由GPS接收機(jī)、DSP系統(tǒng)和半雙工電臺(tái)組成。

基站GPS接收機(jī)采用了NCT2000 D。NCT2000 D是美國(guó)NavCom公司采用最先進(jìn)的獨(dú)有專(zhuān)利技術(shù)研制的，接收機(jī)能持續(xù)地建立差分GPS實(shí)時(shí)修正的標(biāo)準(zhǔn)并能兼容WAAS／EGNOS的雙頻GPS。移動(dòng)站GPS接收機(jī)采用NovAtel公司的SUPERSTARII，它特別為低成本、高可靠定位的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。SUPERSTARⅡ可在苛刻的條件(如樹(shù)葉遮擋、城市高樓林立)下提供高可靠性和優(yōu)異性能。它易于集成．并可通過(guò)軟件升級(jí)為WAAS。

在基站和移動(dòng)站中，以TMS320C6713為核心的DSP系統(tǒng)和半雙工數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)WDS4710分別用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信控制和無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能，從而完成GPS差分修正信息(符合RTCM SC―104標(biāo)準(zhǔn))和GPS定位數(shù)據(jù)(符合NMEA ―83標(biāo)準(zhǔn))的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸。

系統(tǒng)組成及其數(shù)據(jù)鏈路如圖1所示。

圖1 差分GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路圖

2 .2功能

系統(tǒng)利用DSP系統(tǒng)的三個(gè)串口與電臺(tái)及GPS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)站DGPS的差分定位和移動(dòng)站的精確定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。

當(dāng)將DSP系統(tǒng)用在基站時(shí)， 串口2接收GPS接收機(jī)的RTCM差分信息，通過(guò)串口1向電臺(tái)發(fā)送：串口1接收電臺(tái)接收到移動(dòng)站差分定位后的NMEA信息，再通過(guò)串口3發(fā)送到基站設(shè)備，以供基站對(duì)移動(dòng)站的實(shí)時(shí)遙測(cè)或保存數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理。

當(dāng)將DSP系統(tǒng)用在移動(dòng)站時(shí)，串口1接收電臺(tái)接收到基站發(fā)送的RTCM修正數(shù)據(jù)， 再通過(guò)串口3發(fā)送給GPS接收機(jī)；GPS接收機(jī)在差分修正后，將NMEA信息發(fā)送給串口2，串口1將串口2接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給電臺(tái)，電臺(tái)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送。

3 DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的DSP芯片采用TI公司的浮點(diǎn)處理器TMS310C6713，其主頻可達(dá)200MHz。晶振電路(50MHz)為C6713提供外部時(shí)鐘源，電源電路分別提供C6713的CPU核心和外圍接口所需的1 .2V及3 .3V直流電源。復(fù)位電路用于對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位。系統(tǒng)的外圍設(shè)備(UART、 FLASH、SDRAM)擴(kuò)展在C6713的EMIF空間，通過(guò)CPLD譯碼選通。

根據(jù)本導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)多串口的需求，采用TLl6C550和TLl6C552芯片為DSP系統(tǒng)擴(kuò)展了：個(gè)串口，用于實(shí)現(xiàn)DSP與GPS接收機(jī)、電臺(tái)及PC機(jī)的通信；Flash用于系統(tǒng)的自啟動(dòng)設(shè)計(jì)；SDRAM擴(kuò)展了DSP系統(tǒng)的外部存儲(chǔ)器空間；電平轉(zhuǎn)換電路將UART的TTL電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平。DSP應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DSP應(yīng)用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3．2軟件設(shè)計(jì)

DSP軟件采用TI公司的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試。系統(tǒng)軟件源程序有C浯言和匯編浯言。

C浯言程序完成DSP系統(tǒng)初始化及其三個(gè)串口的數(shù)據(jù)收發(fā)。通過(guò)初始化程序，系統(tǒng)主頻設(shè)置為100MHz，串口通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為9 600bps，1位開(kāi)始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。串口收發(fā)采用查詢(xún)方式，C浯言源程序流程如圖3所示。

圖3 通信軟件C語(yǔ)言程序流程圖

匯編浯言程序完成DSP系統(tǒng)的自啟動(dòng)功能，即將燒寫(xiě)在Flash中的程序搬移到片內(nèi)RAM。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與說(shuō)明

GPS數(shù)據(jù)格式采用NMEA―0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式。NMEA 0183通信標(biāo)準(zhǔn)的輸出數(shù)據(jù)采用ASCII碼，包含了經(jīng)度、緯度、高度、速度、日期、時(shí)司、航向及衛(wèi)星狀況等信息。GGA信息是GPS接收機(jī)輸出信息的一種，它包含了導(dǎo)航用戶(hù)所關(guān)心的時(shí)間、經(jīng)緯度和高度信息。同時(shí)用戶(hù)也可以從GGA信息中了解GPS接收機(jī)的定位情況(即未定位、單點(diǎn)定位和差分定位)。

GGA的數(shù)據(jù)格式為：

＄GPGGA，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，M，10>，M，11>，12>，*hh

當(dāng)GGA數(shù)據(jù)格式中6>的內(nèi)容為“0”時(shí)表示未定位，“1”表示單點(diǎn)定位，“2”表示DGPS定位。通過(guò)觀察移動(dòng)站GPS接收機(jī)發(fā)送的GGA數(shù)據(jù)的信息6>，可以了解移動(dòng)站接收機(jī)是否進(jìn)行了DGPS定位。

當(dāng)基站和移動(dòng)站的GPS接收機(jī)及電臺(tái)傳輸速率設(shè)置為9 600bps、電臺(tái)頻率設(shè)置為460．1MHz后，將其按照?qǐng)D1所示的數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行系統(tǒng)連接，在匹配的GPS天線(xiàn)、電臺(tái)天線(xiàn)及直流穩(wěn)壓電源的支持下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。

以下是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基站接收到的移動(dòng)站回傳的GGA數(shù)據(jù)。

差分定位前：

＄GPGGA，033838，3958．8302，N，11620．6189，E，1，04，3．1，97．3，M，―8．3，M，17，0000*64

差分定位后：

＄GPGGA，033907，3958．8324，N，11620．6044，E，2，04，2.5，97.3，M，―8．3，M，7，0000*58

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)通信鏈路通暢，在實(shí)現(xiàn)DGPS導(dǎo)航定位的同時(shí)能將DGPS定位結(jié)果回傳給基站，使基站能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)移動(dòng)站的運(yùn)行軌跡．并能保存其定位數(shù)據(jù)以進(jìn)行事后處理。系統(tǒng)能夠完成預(yù)期的功能，現(xiàn)已通過(guò)GPS教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)收。此外，將DGPS系統(tǒng)應(yīng)用于工程領(lǐng)域時(shí)，由于無(wú)線(xiàn)通信和GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)易受外界因素的影響，所以必須考慮無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路通信的工作距離、抗干擾性、電臺(tái)傳輸功率、電臺(tái)天線(xiàn)增益和電臺(tái)接收信號(hào)靈敏度及移動(dòng)站GPS接收機(jī)受外界因素影響等多方面問(wèn)題．以確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路的暢通．提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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