GPS+Galileo雙模式衛(wèi)星定位儀的研制

吳思遠

(中國電子科技集團公司 第二十研究所, 陜西 西安 710068)

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GPS+Galileo雙模式衛(wèi)星定位儀的研制

吳思遠

(中國電子科技集團公司 第二十研究所, 陜西 西安 710068)

在利用單GPS或Galileo兩種全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行定位的基礎(chǔ)上,設(shè)計研制一款具有GPS+Galileo組合定位功能的新型雙模式定位儀。相較于傳統(tǒng)的GPS定位儀，該定位儀在定位能力、精度、穩(wěn)定性及功能方面都有所提高,可應(yīng)用于任何對精度和穩(wěn)定性要求較高的場合。但在小型化設(shè)計上,尚待進一步提升。

衛(wèi)星定位儀;雙模式;GPS+Galileo;組合定位

隨著定位技術(shù)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的基于單GPS的衛(wèi)星定位儀已經(jīng)不能滿足實際應(yīng)用的需要。GPS系統(tǒng)采用CDMA技術(shù),主要使用兩組偽碼,分別為P碼和C/A碼,其中P碼頻率較高,不易受到干擾,因此精度較高,受到美國軍方管制,并且設(shè)有密碼,民間無法解讀;C/A碼為人為采取措施刻意降低精度后,開放給民間使用[1]。因此,我們所使用的GPS不僅精度較低,而且受控于美國軍方,穩(wěn)定性無法得到保障。本文考慮利用Galileo衛(wèi)星定位系統(tǒng),相較于民用GPS,它不僅具有更高的定位精度,而且由于基于民用,因此具有很好的穩(wěn)定性。由于Galileo還處于系統(tǒng)建設(shè)階段,可用衛(wèi)星數(shù)量少,不能滿足全球全天候定位的應(yīng)用要求[2],因此,本文選用一款多模式接收機,設(shè)計一款功能強大的雙模式(GPS+Galileo)[3]定位儀,既提高了定位精度和穩(wěn)定性,又提供了更加豐富的便利功能,具有較高的實用價值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)包括定位儀和遠程PC兩大部分,定位儀由工控主板EPC8000、接收機OEM628、電源管理模塊、OLED顯示器和4×4矩陣鍵盤五大模塊組成。

1.1 系統(tǒng)原理框圖

定位儀系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。遠程PC通過網(wǎng)口與工控主板通信,實現(xiàn)對定位儀的控制,還通過RS422與接收機通信,直接操縱接收機。接收機外接三合一天線(GPS，Galileo，GLONASS),接收、融合原始星歷數(shù)據(jù)進行解算。工控主板通過RS232與接收機通信,發(fā)送指令并接收數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)過解析,通過VGA接口由OLED顯示器實時顯示;兩個USB接口分別用于應(yīng)用程序載入和定位信息導(dǎo)出。另外,利用8個GPIO擴展了一個4×4矩陣鍵盤,以切換顯示界面和各功能的實現(xiàn)。整個定位儀由一塊蓄電池供電,蓄電池的充電接口接入工控主板的電壓比較器，以實現(xiàn)電量檢測功能。

圖1 定位儀系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the locater system

1.2 多模式衛(wèi)星信號接收機OEM628

OEM628結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,包括射頻和數(shù)字兩個部分。接收機從天線獲得過濾、放大后的GNSS信號,射頻部分將接收的射頻信號下變頻為中頻信號交給數(shù)字部分處理,并通過同軸電纜給有源天線的LNA供電。數(shù)字部分的核心是MINOS6 ASIC,使用120通道ASIC進行設(shè)計,可以接收包括所有現(xiàn)行的和未來的包括GPS,GLONASS,Galileo和Compass在內(nèi)的所有GNSS星座[4]和衛(wèi)星信號,數(shù)字部分將中頻信號數(shù)字化后進行處理,以獲得GNSS解算(位置、速度、時間)。

圖2 OEM628結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of OEM628

1.3 工控主板EPC8000

EPC8000工控主板是基于PXA270處理器(XScale架構(gòu))的PC/104嵌入式工控機主板,主頻416MHz。其具有資源豐富、功耗低、可靠性高等特點,預(yù)裝Microsoft Windows CE 5.0操作系統(tǒng),并提供全部板載外設(shè)驅(qū)動程序庫。其接口配置包括:1路10/100Mbit TCP/IP接口,3路全功能RS232接口,1路USB HOUST接口,1路USB Device接口,1路VGA接口,GPI/O各8路。這無論從處理性能、軟件，還是接口配置的角度,都滿足本定位儀的開發(fā)需求。

1.4 蓄電池剩余電量檢測功能的實現(xiàn)

本定位儀設(shè)計要求能夠指示蓄電池剩余電量,分全滿、半滿和全空3個狀態(tài)顯示。通過實際觀測發(fā)現(xiàn),當(dāng)蓄電池剩余電量發(fā)生改變時,其充電接口電壓有較為明顯的變化,且與剩余電量之間具有優(yōu)良的近似線性的關(guān)系，故在外部狀態(tài)固定保證功率恒定的前提下,連續(xù)采樣并繪制其充電接口電壓-放電時間關(guān)系圖。如圖3所示。

圖3 充電接口電壓-放電時間關(guān)系Fig.3 Relationship between voltage of charge interface and time of discharge

根據(jù)圖3所示關(guān)系,將充電接口用電位器進行半值分壓,并設(shè)計電路從放電接口的穩(wěn)壓輸出中分得4V和3.65V電壓,利用EPC8000提供的4路電壓比較器將充電接口分壓分別與4V和3.65V分壓進行比較即可。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)EPC8000所預(yù)裝的操作系統(tǒng),對本定位儀軟件的總體設(shè)計是,開發(fā)一個Windows CE 5.0操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序,將其通過EPC8000的USB Host接口載入,修改操作系統(tǒng)注冊表,使得每當(dāng)操作系統(tǒng)啟動時，即自動在前臺運行該應(yīng)用程序。

這里僅介紹定位儀端的應(yīng)用程序開發(fā),遠程PC端與定位儀端大體類似,只在操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境和通信接口上有所差異,因而不再贅述。

2.1 軟件架構(gòu)

定位儀端應(yīng)用程序利用Microsoft eMbedded Visual C++4.0集成開發(fā)環(huán)境進行編寫,利用該開發(fā)環(huán)境可以完成包括編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真在內(nèi)的整個開發(fā)流程。

本應(yīng)用程序設(shè)計基于多對話框,每個顯示界面都是一個對話框。與應(yīng)用程序直接相關(guān)聯(lián)的是主對話框,不顯示,作為其他所有顯示界面的公共接口,處理共有消息。所有顯示界面對話框都是主對話框的一個成員,由主對話框統(tǒng)一控制,對話框與應(yīng)用程序之間的邏輯關(guān)系如圖4所示。

所有10個對話框的大小、位置均相同,恰好滿屏顯示,且同時存在,但在任意時刻,只顯示其中之一,其余以隱藏的方式不可見,通過按鍵操作進行切換,界面的刷新利用操作系統(tǒng)下的消息響應(yīng)機制進行控制。

2.2 指令及數(shù)據(jù)

接收機OEM628具有豐富的指令系統(tǒng)和輸出數(shù)據(jù)。本定位儀的許多功能,包括通道設(shè)置、數(shù)據(jù)更新速率設(shè)置、秒脈沖輸出選擇、頻率源選擇等,都是直接通過其提供的指令實現(xiàn)的。另外,定位模式的選擇也是通過其提供的封、解鎖系統(tǒng)兩種指令來實現(xiàn),當(dāng)GPS和Galileo其中一個系統(tǒng)被解鎖,其他系統(tǒng)被封鎖時,定位儀以對應(yīng)的單模式進行定位。當(dāng)兩個系統(tǒng)都被解鎖而其他系統(tǒng)被封鎖時,定位儀以GPS+Galileo組合模式進行定位。

圖4 應(yīng)用程序邏輯Fig.4 Logic of the application program

數(shù)據(jù)方面，既支持傳統(tǒng)的NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)格式,又在其基礎(chǔ)上新增了NovAtel公司自己的數(shù)據(jù)格式,其起始符為“#”,數(shù)據(jù)段仍采用不占固定寬度、僅以逗號作為分隔符的策略,數(shù)據(jù)校驗和為32位CRC校驗。據(jù)此,數(shù)據(jù)的校驗依據(jù)不同的起始符進行8位異或和或32位CRC校驗,數(shù)據(jù)的提取仍采用以逗號為分隔進行字符串提取。

2.3 星位圖的繪制

傳統(tǒng)星位圖采用的投影方法是,投影點到觀測點的直線距離等于衛(wèi)星到觀測點的偽距乘以衛(wèi)星仰角的余弦。然而,各觀測衛(wèi)星的偽距不可控,無法保證在一張固定大小的星位圖中顯示所有可觀測衛(wèi)星,并且這種投影方式既無法表示偽距,又無法表示仰角。因此,本定位儀采取一種角度投影的方法,即以投影點到觀測點的直線距離表示衛(wèi)星的仰角。

繪制一張固定大小的星位圖,如圖5所示。

圖5 星位圖Fig.5 Satellite position diagram

中心點為觀測點,最外層圓為星位圖的邊界,投影點到觀測點的直線距離越大,該衛(wèi)星的仰角越小,且為成比例分布,即設(shè)投影點到觀測點的直線距離為Length,衛(wèi)星仰角為Elevation,最外層圓的半徑為Radius,則三者的關(guān)系滿足:

Length=Radius×(90-Elevation)/90。

(1)

衛(wèi)星方位角的表示方法不變,據(jù)此便可根據(jù)仰角、方位角在星位圖中繪制投影點,設(shè)正東為x軸正向,正南為y軸正向,方位角為Azimuth,則:

x=sin(Azimuth)×Length，

(2)

y=-cos(Azimuth)×Length。

(3)

另外,為了方便觀測,圖中還繪制出了30°和60°仰角圓。

2.4 水平定位圖的繪制

水平定位圖以進入定位分布界面的時刻為時間起點,以當(dāng)時的經(jīng)緯度坐標(biāo)為中心點,按照指定的數(shù)據(jù)更新速率,根據(jù)當(dāng)前定位的經(jīng)緯度在圖中繪制坐標(biāo)點。

地球是一個不規(guī)則球體,根據(jù)WGS-84坐標(biāo)系的定義,將地球看作一個標(biāo)準(zhǔn)橢球體,其數(shù)學(xué)模型如圖6所示。

圖6 地球三維數(shù)學(xué)模型Fig.6 3D mathematical model of the earth

其中, 橢球表示地球,O表示地球中心,Z軸為由南極指向北極且過地球中心的坐標(biāo)軸,X軸與Y軸垂直相交于O點,XOY平面為地球赤道面,X，Y，Z軸共同組成三維直角坐標(biāo)系,a為地球赤道半徑6 378 137 m,b為地球南北極半徑6 356 752 m[5]。

由于在繪制水平定位圖時,繪制點與基準(zhǔn)點非常接近,因此,近似使用弧長代替平面距離。設(shè)S為地球表面任意一點,作為繪制水平定位圖的基準(zhǔn)點,其經(jīng)、緯度分別為Longitude-0和Latitude-0,那么,便可以根據(jù)橢圓公式及緯度計算出SO的長度及S到Z軸的長度SS′。設(shè)繪制點的經(jīng)、緯度分別為Longitude-1和Latitude-1,則基準(zhǔn)點到繪制點的東向弧長為

x=(Longitude-1-Longitude-0)×SS′

(4)

基準(zhǔn)點到繪制點的南向弧長為

y=-(Latitude-1-Latitude-0)×SO

(5)

其中Longitude-0、Latitude-0、Longitude-1和Latitude-1均為弧度形式。

由此，得到了繪制點相對于基準(zhǔn)點的東向距離和南向距離,只需根據(jù)比例尺計算繪制點在屏幕上的坐標(biāo)即可進行繪制。

2.5 特殊功能的實現(xiàn)

本定位儀還實現(xiàn)了諸如U盤檢測、網(wǎng)絡(luò)檢測、時間顯示等特殊功能。

U盤檢測功能分兩部分實現(xiàn)。理論上講,USB設(shè)備的檢測是利用操作系統(tǒng)定義的系統(tǒng)級消息來實現(xiàn),當(dāng)設(shè)備發(fā)生改變時,操作系統(tǒng)會發(fā)送相應(yīng)的消息并附加兩個參數(shù)，分別指示是插入還是移除和設(shè)備類型,用戶只需重寫該消息觸發(fā)的處理函數(shù)即可。但缺陷是,無法檢測到系統(tǒng)初始化完成之前就插入的USB設(shè)備,對此,采用查找文件名的方法進行補充,觀察發(fā)現(xiàn),所有插入的USB存儲設(shè)備,其在操作系統(tǒng)中的命名都是“\硬盤”。據(jù)此,在程序初始化完成后,調(diào)用函數(shù)查找該文件名即可。

本定位儀的網(wǎng)絡(luò)通信通過使用一個網(wǎng)口通信類實現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)連接、網(wǎng)絡(luò)軟件斷開的檢測都可以通過該類提供的回調(diào)函數(shù)實現(xiàn),硬件斷開的檢測方法是,協(xié)商定時發(fā)送“心跳包”數(shù)據(jù),并利用間隔更長的定時器檢測“心跳包”。

為最大程度保證顯示時間的可靠性,采用操作系統(tǒng)時間用于顯示,并當(dāng)定位成功時,利用接收到的UTC時間對操作系統(tǒng)時間進行修正。

3 結(jié) 論

將本定位儀接入衛(wèi)星信號模擬器進行測試,發(fā)現(xiàn)在GPS+Galileo定位模式下,PDOP<4的條件下,水平定位精度≤4 m,垂直定位精度≤8m,測速精度≤0.2 m/s,授時精度≤50ns。相較于傳統(tǒng)單GPS定位儀,各項指標(biāo)都有所提升,另外,它還給用戶提供了更加豐富的顯示、更加強大的功能，以及更加簡便的操作,具有較強的實用價值。但在定位模式、系統(tǒng)功能和小型化設(shè)計方面,還有待進一步擴展。

[1] 姚艷. 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的應(yīng)用[J].交通世界,2011(14):108-109.

[2] 孫東禮,王良玉. 伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展[J].航海技術(shù),2004(2):30-31.

[3] 王垚,楊莘元,蔚保國，等. 基于碼跟蹤的GPS/Galileo兼容性分析研究[J].兵工學(xué)報,2010,31(12):1680-1685.

[4] 金延邦， 張彩霞. 淺析GNSS發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].價值工程,2013(12):204-205.

[5] 劉大杰,施一民. 全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟大學(xué)出版社,1996.

(編 輯姚 遠)

The design of GPS+Galileo double-mode satellite locator

WU Si-yuan

(China Electronics Technology Group, Corporation-20, Xi′an 710068， China)

Based on the independent GPS or Galileo, the two kinds of global satellite positioning system, one new pattern dual-mode locator was designed and developed, which has the function of integrated positioning of GPS+Galileo. Compared with traditional GPS locator, this locater has improvement in aspect of positioning ability, precision, stability and function. It can be used in occasions which has high requirement on precision and stability. It is to be enhanced in aspect of miniaturization design.

satellite locater; double-mode; GPS+Galileo; integrated positioning

2014-12-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(60672184)

吳思遠,男,陜西西安人,從事無線通信研究。

TN911.7

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-02-012