如何完成简易GPS定向仪的制作 - 全文

　　1 引言

　　GPS 系统由多颗卫星组成，运行在受大气影响甚微的高轨道上，可以用来授时、测距、测量位置、测量运动载体的速度及方向。如今GPS 接收设备的应用已经很广泛，但一般都是单个GPS 接收设备工作，只有在一些专业设备上才采用多个GPS 接收设备协同工作，以获取高精度的位置、速度、方向等。但这些设备都很专业，价格昂贵，一般人很少有机会接触和使用。本文中讨论一种简单易行，低成本的多GPS 接收设备协同工作，以获取载体在运动状态中方向的定向仪的实现。

　　2 GPS 定向

　　GPS 可以用来确定运动载体瞬时速度的大小及方向，其原理是利用多普勒原理使用无线电信号来进行测定。由于卫星与运动的载体之间存在相对运动，根据多普勒频移原理，卫星播发的信号频率在运动载体接收时会产生频移，通过观测这个频移量可得到速度的数值及方向。

　　市面上常见的普通GPS 都支持NMEA 数据通讯协议，所谓“NMEA 协议”是由美国国家海洋电子协会（NMEA- The National Marine Electronics Association） 制定的一套通讯协议，是为了在不同的GPS 导航设备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准。GPS 接收设备根据NMEA- 0183 协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC 机、PDA 等设备。

　　NMEA- 0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等，其中，我们只给出重点使用的常用NMEA- 0183 语句的字段定义解释：

　　（1）$GPGGA：包含当前点位的位置信息

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

　　字段0：$GPGGA，语句ID，表明该语句为Global PositioningSystemFix Data（GGA）GPS 定位信息

　　字段1:UTC 时间，hhmmss.sss，时分秒格式

　　字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）

　　字段3：纬度N（北纬）或S（南纬）

　　字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）

　　字段5：经度E（东经）或W（西经）

　　字段6:GPS 状态，0= 未定位，1= 非差分定位，2= 差分定位，3= 无效PPS，6= 正在估算

　　字段7：正在使用的卫星数量（00 - 12）（前导位数不足则补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：地球椭球面相对大地水准面的高度

　　字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）

　　字段12：差分站ID 号0000 - 1023 （前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空）

　　字段13：校验值

　　（2）$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，语句ID，表明该语句为Track MadeGood and Ground Speed（VTG）地面速度信息

　　字段1：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）

　　字段2:T= 真北参照系

　　字段3：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）

　　字段4:M= 磁北参照系

　　字段5：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）

　　字段6:N= 节，Knots

　　字段7：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）

　　字段8:K= 公里/ 时，km/h

　　字段9：校验值

　　本文中讨论的定向仪就是使用上述信息来实现定向的，具体实现原理如下所述。将两个GPS 接收设备安放在一定长度的刚体上即可进行该刚体的定向，例如图1 中为了测定船载航行时窗体的航行而分别在船头和船尾放置了GPS 接收设备：

　　

　　图1 定向仪的使用

　　当船体运动时，由于主GPS 设备与从GPS 设备都可以得到各自的速度大小及方向，所以可以求出船体的运动状态，如图2 所示，由于GPS 设备可以获取A 点及B 点的瞬时速度及方向，而船体可以视为刚体，则可以得到与真北方向或者磁北方向的夹角α、β（可以选择真北也可以选择磁北，不过A、B两点要统一），将角度与方向分解在北向和东向上，叠加解算后即可得到船体的运动状态：

　　

　　图2 船体运动状态的计算

　　3 GPS定向仪的实现

　　如图3 所示，GPS 定向仪由GPS 卫星信号接收天线、天线连接电缆、GPSOEM板卡、单片机组成，其中供电电源为12VDC 蓄电池：

　　

　　图3 GPS定向仪硬件组成

　　其电路原理如图4 所示：

　　

　　图4 电路原理

　　其中，A、B 两个GPS 设备把数据输出到CPU，CPU 通过软件计算出当前的姿态后实时的通过用户界面显示给用户。

　　4 结论

　　本文中讨论的简易GPS 定向仪，不需要使用专业GPS 设备，而通过简单易行的方法和解算即可得到载体的运动状态，当主从GPS 设备间的距离大于1 米后，精度会随着它们之间距离的增加而有所提高。事实上，这个方法如果将GPS 设备升级为带有载波相位输出的专业GPS 测量设备，并且将主从GPS 设备间的距离作为已知条件进行静态高精度基线解算的话，可以把定向仪的精度明显的提升到专业设备的水准，与目前市面上的专业定向、定姿态设备的原理是相同的。