传感器系列之——高手带你玩GPS定位传感器

1.GPS简介GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。 GPS的前身是美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit)，1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。 为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道，该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。 最初的GPS计划在美国联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。这也是GPS卫星所使用的工作方式。 GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达10米内。2.GPS系统的组成2.1空间部分 　GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

2.2地面控制系统

地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado. Springfield）。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。

图4.12.2GSP卫星系统

图4.12.3GPS卫星

2.3用户设备部分

用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。

图4.12.4 GSP客户终端

3.GPS工作原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

图4.12.5 大地坐标及计算方法

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。 4.GPS的特点1) 全球全天候定位

GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，确保实现全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外）。

2) 定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6m，100-500km可达10-7m，1000km可达10-9m。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测时解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。

实时单点定位(用于导航)： P码1~2m ；C/A码5~10m。

静态相对定位： 50km之内误差为几mm+(1~2ppm*D)；50km以上可达0.1~0.01ppm。

实时伪距差分(RTD)： 精度达分米级。

实时相位差分(RTK)： 精度达1~2cm。3) 观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟；采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟。

因而使用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。

4) 测站间无需通视

GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%～50%），同时也使选点工作变得非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。

5) 仪器操作简便

随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化”。在观测中测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。

如果在一个测站上需作长时间的连续观测，还可以通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻了测量工作者的劳动强度。

6) 可提供全球统一的三维地心坐标

GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。

7) 应用广泛

4.Fastrax uP501

Fastrax UP501 GPS接收模块集成了GPS天线，能在恶劣条件下进行高性能的导航，甚至在低的GPS卫星可见度环境下实现稳定的定位；非常适合的应用有导航系统、资产跟踪设备和电池供电的消费导航产品，如手机、手提电脑、个人导航设备（PND）和运动附件等。由于UP501设计紧凑、接口简单，因此也非常适合G-鼠标领域。

4.1UP501特性

UP501具有如下特点： 1. 市场领先的性能

极佳的捕获灵敏度，在无需外置天线的情况下，在恶劣的城市狭缝或高楼林立的地区也能快速定位。可选内置备份电池，让模块在完全断电后重启也能有快速的TTFF（首次定位时间），这样可以实现客户定制和极有效的电源管理，而TTFF不会受到影响。

客户可以将UP501定位率配置为10Hz，使UP501非常适合高动态的应用。

2. 低成本

由于Fastrax UP501接收模块内应用的尖端技术，模块的空间和成本都得以降低，也不需其他外围元件，集成的GPS天线和内置备份电池，让集成GPS功能到客户系统中更加简单。

3. 快速易用的方案

只需连接电源和串口数据就能让Fastrax UP501工作，模块也支持专门的控制命令实现外部对模块工作状态的控制。Fastrax UP501模块内置PCB安装法兰和标准的2.54mm I/O 引脚间距，使得安装到主系统中简单可靠。

4.2UP501的应用范围 · 导航系统· 资产跟踪设备· 手机· 手提电脑· 个人导航设备（PND）· 运动附件· G-Mouse4.3UP501的性能参数 · MediaTek MT3329， 66通道接收芯片· 小尺寸：22mmx22mmx8mm· 集成patch天线：18.4x18.4x4.2mm· 低功耗：75mW@3.0V· 高灵敏度： -165dBm(导航) -148dBm(冷启动捕获)· NMEA 协议（默认9600bps）· 一个串口：默认CMOS电平，可选RS232· 1PPS 输出· 可选内置备份电池· 支持WAAS/EGNOS· 14天扩展星历AGPS· 最高可配置定位率10Hz4.4 UP501的电路原理

图4.12.6 接线电路图

图4.12.7 电路电路

图4.12.8 振荡器

图4.12.9 IC芯片电路

图4.12.10 复位电路

图4.12.11 实时时钟

图4.12.12 接口电路

图4.12.13实验模块接口电路

5.工作流程及主要函数

5.1工作流程

图4.12.14 工作流程图

5.2主要程序

6、实验内容1.实验器材连线 实验原理 GPS定位实验环境由PC机（安装有Windows XP操作系统、ADS1.2集成开发环境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378实验节点板、直GPS定位实验模块和LCD显示实验模块组成，如图4.12.1所示。

图4.12.1 传感器实验环境

本实验所使用的振动传感器实物图如图4.12.14所示

图4.12.14DHT11模块实物图

将温湿度传感模块安装到开发板上，然后用JLINK仿真器的一端用USB接口与电脑相连，一端的20Pin的JTAG引脚与NXP LPC2378节点板的J2相连，并给NXP LPC2378节点板上电，如图4.12.15所示。

图4.12.15实验电路连接图

研究人员正在使量子传感工具更加紧凑和准确，以取代GPS

基础物理学——更不用说量子物理学了——对许多人来说可能听起来很复杂，但它实际上可以应用于解决日常问题。

想象一下导航到一个陌生的地方。大多数人会建议使用GPS，但是如果您被困在地下隧道中，卫星的无线电信号无法穿透怎么办？这就是量子传感工具的用武之地。

南加州大学维特比信息科学研究所的研究人员乔纳森·哈比夫（Jonathan Habif）和贾斯汀·布朗（Justin Brown）都来自ISI新的量子有限信息实验室，他们正在努力使原子加速度计等传感仪器更小、更准确，以便在GPS出现故障时用于导航。

解决尺寸难题

原子在进行精确测量方面非常出色，因为它们都是一样的。在一个实验室进行的原子测量与在另一个实验室进行的原子测量没有区别，因为原子的行为方式完全相同。

如何应用这种物理概念的一个例子是用这些原子制作一个高精度的导航系统。

“作为一名原子物理学家，我研究气体中的原子，并用激光与原子交谈，”布朗说。“由于原子具有质量，它们可以用来测量加速度，帮助我们构建基于原子的传感器，如原子加速度计。

哈比夫补充说：“加速度计可以让你知道你在给定方向上移动的速度和距离。它们可以与陀螺仪结合使用，陀螺仪会告诉您是否改变了方向以及您转了多远，以进行完整的测量。当您无法访问 GPS 时，这些导航仪器很有用。

他们面临的挑战之一是如何以深思熟虑的方式进行设计。

例如，他们必须非常仔细地考虑如何使原子加速度计小型化。这些加速度计历来在大型实验室规模的系统中运行，其中设备很重且消耗大量电力。为了使加速度计适合公众使用，Habif 和 Brown 正在研究如何在更紧凑、更节能和更有吸引力的介质中保持其高精度。

布朗说：“我们想把它带到现场，同时让它变小，但我们借鉴的技术和用品还不是很有利于这样做。我正在考虑如何以不同的方式与原子对话，以便我们能够将其应用于实验室以外的问题。

在国防和适应现实世界中的应用

量子传感设备不仅可以在无法访问GPS的地区工作，还可以成为令人兴奋的新途径的一部分：国家安全应用。

“随着各国争夺信息优势，现代冲突正变得越来越电子化，动态性越来越弱。来自GPS卫星的无线电信号很容易被破坏和干扰，因为它距离很远。因此，在任何现代冲突中，双方都会试图拒绝对方获得这些无线电信号，“布朗说。

“像惯性系统这样的传统导航仪器是不可干扰的，因为它们通过加速度和旋转来测量我们的位置变化。因此，他们可以在冲突时期取代 GPS。然而，所有的错误也会被加起来，所以我们有兴趣使用基于原子的测量来确保它更准确。

原子加速度计是这些惯性系统的一个例子。这些系统存在于飞机和船舶上的传感器中，引导它们在空域和水域中移动。然而，现有的基于机械的传感器很容易因摩擦而磨损，导致它们每年更换并花费大量资金。它们也很难建造，因为它们又小又精致。

美国国防部（DoD）正在寻求对其惯性系统进行升级，以便克服这些困难。布朗和其他小组所追求的基于原子的量子方法可以提供没有运动部件的加速度测量。

“例如，如果潜艇想要在防御场景中保持隐身和安静，那么跟踪它在做什么以及它如何通过惯性系统几乎是镇上唯一的游戏。我正在为国防部制定改进这些系统的想法，以便它们可以缩小规模并更具成本效益，“布朗指出。

简化工具

布朗坚持认为，量子传感在许多方面都很重要。

“为技术意外做准备意味着为GPS故障做好准备 - 问题不在于GPS是否失败，”布朗说。“阻止GPS工作非常容易，因此惯性传感器将始终有用。但对我们来说，解决尺寸问题仍然至关重要，因为很多这些传感器最终仍然只有洗衣机那么大。我可以简化工具本身，但我仍然需要进行良好的测量。

在简单性和准确性之间实现这种微妙的平衡是研究人员的主要目标，他们希望他们的努力有朝一日能够转化为现实世界的原型。

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