GPS/AVL系統(tǒng)中目標(biāo)位置的確定

李仲陶 童瑞華


  全球定位系統(tǒng),又稱GPS(Global Positioning System),是新一代的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它能夠?yàn)槿蛉我獾攸c(diǎn)、任意多個(gè)用戶同時(shí)提供高精度、全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維定位、測(cè)速和時(shí)間基準(zhǔn),它在測(cè)繪和導(dǎo)航方面具有廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中,往往需要將GPS定位信息進(jìn)行分解并提取出我們所需要的有用數(shù)據(jù)。一個(gè)典型應(yīng)用是這樣的:通過RS232串口將GPS輸出的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)主程序獲得目標(biāo)當(dāng)前的位置(經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔),然后再將當(dāng)前位置顯示在電子地圖上。在此,如何獲得當(dāng)前的位置是系統(tǒng)的關(guān)鍵。在實(shí)際開發(fā)中,需要將接收機(jī)獲得的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分解從中得到目標(biāo)當(dāng)前的位置和格林威治時(shí)間(該時(shí)間加上8小時(shí)即為我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)),由于GPS使用的坐標(biāo)系WGS-84與我國采用的坐標(biāo)系不同,因此還需要將經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)變換使其適應(yīng)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系。



GPS接收機(jī)原理



  GPS接收機(jī)主要由GPS接收機(jī)天線、GPS接收機(jī)主機(jī)及電源組成。接收機(jī)主機(jī)由變頻器、信號(hào)通道、微處理器、存儲(chǔ)器及顯示器組成。圖1為GPS接收機(jī)原理圖。







圖1 GPS接收機(jī)原理圖



1. 變頻及中頻放大器



  經(jīng)過GPS前置放大器后的信號(hào)仍然很微弱,為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益,并且使L頻段的射頻信號(hào)變成低頻信號(hào),必須采用變頻器。



2. 信號(hào)通道



  信號(hào)通道是GPS接收機(jī)的核心部分,GPS信號(hào)通道是軟、硬件結(jié)合的電路,不同類型的接收機(jī)其通道是不同的。GPS信號(hào)通道的作用可概括如下:



(1)搜索衛(wèi)星,牽引并跟蹤衛(wèi)星;



(2)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào),即廣播電文數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)行解擴(kuò)、解調(diào)得到廣播電文;



(3)進(jìn)行偽碼測(cè)量、載波相位測(cè)量及多普勒頻移測(cè)量。



  從衛(wèi)星接收到的信號(hào)是擴(kuò)頻的調(diào)制信號(hào),要經(jīng)過解擴(kuò)、解調(diào)才能得到導(dǎo)航電文。為達(dá)到此目的,在信號(hào)通道電路中設(shè)有偽碼跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)。



3. 存儲(chǔ)器



  接收機(jī)內(nèi)設(shè)有存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)一小時(shí)一次的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀察值、載波相位觀察值及多普勒頻移。目前,GPS接收機(jī)都裝有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(簡稱內(nèi)存),如Trimble 4000 SSE帶有8M內(nèi)存,以15秒1次的數(shù)據(jù)采樣率可以存儲(chǔ)5顆衛(wèi)星、雙頻觀測(cè)19小時(shí)的數(shù)據(jù),若1秒1次數(shù)據(jù)采樣率可以存儲(chǔ)2小時(shí)的數(shù)據(jù)。接收機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)接口傳到微機(jī)上,以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。在存儲(chǔ)器內(nèi)還裝有多種工作軟件,如:自測(cè)試軟件,天空衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件,導(dǎo)航電文解碼軟件,GPS單點(diǎn)定位軟件等。



4. 微處理器



  微處理器是GPS接收機(jī)工作的靈魂,接收機(jī)工作都是在微處理器統(tǒng)一協(xié)同下進(jìn)行的。其主要工作步驟為:



 、沤邮諜C(jī)開機(jī)后首先對(duì)整個(gè)接收機(jī)工作狀況進(jìn)行自檢,并測(cè)定、校正、存儲(chǔ)各通道的時(shí)延值。



 、平邮諜C(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行搜索、捕捉衛(wèi)星。當(dāng)捕捉到衛(wèi)星后,即對(duì)信號(hào)進(jìn)行牽引和跟蹤,并由基準(zhǔn)信號(hào)譯碼得到GPS衛(wèi)星星歷。當(dāng)同時(shí)鎖定4顆衛(wèi)星時(shí),將C/A碼偽距觀測(cè)值連同星歷一起計(jì)算測(cè)站的三維坐標(biāo),并按預(yù)制位置更新率計(jì)算新的位置。



 、歉鶕(jù)機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的衛(wèi)星星歷書(若是新的接收機(jī),機(jī)內(nèi)無歷書,或內(nèi)存中歷書已超過3個(gè)月則需要更新歷書,這時(shí)需要接收12.5分鐘的衛(wèi)星信號(hào))和測(cè)站近似位置,計(jì)算所有在軌衛(wèi)星升降時(shí)間、方位和高度角。



 、雀鶕(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點(diǎn)坐標(biāo)和單點(diǎn)定位測(cè)站位置計(jì)算導(dǎo)航的參數(shù)、航偏距、航偏角、航行速度等。



 、山邮沼脩糨斎胄盘(hào),如: 測(cè)站名、作業(yè)員名稱、天線高、氣象參數(shù)等。



5. 顯示器



  GPS接收機(jī)都有液晶顯示屏以提供GPS接收機(jī)工作信息,并配有一個(gè)控制鍵盤。用戶可通過鍵盤控制接收機(jī)工作。對(duì)于導(dǎo)航接收機(jī),有的還配有大顯示屏,在屏幕上直接顯示導(dǎo)航的信息甚至數(shù)字地圖。



GPS數(shù)據(jù)處理模塊



  GPS數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。GPS接收機(jī)通過RS-232串口將定位數(shù)據(jù)(NEMA0183語句)傳給計(jì)算機(jī),在VB中借助MSComm控件將定位數(shù)據(jù)讀進(jìn)來,接著進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的分類,并提取出我們所需要的信息,同時(shí)將這些有用信息傳給主應(yīng)用程序;主應(yīng)用程序可以將GPS接收機(jī)的控制信息整理成NEMA0183語句,通過MSComm控件的傳遞并經(jīng)過RS-232發(fā)送到GPS接收機(jī)。這樣,計(jì)算機(jī)與GPS接收機(jī)的串口通信和GPS定位數(shù)據(jù)處理功能通過進(jìn)程外的ActiveX服務(wù)器封裝,將系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能通過操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理器來實(shí)現(xiàn),從而繞過了VB單線程的不足。







圖2 GPS數(shù)據(jù)處理模塊



坐標(biāo)變換



  GPS接收機(jī)接收到的是經(jīng)緯度坐標(biāo),必須通過高斯投影將其轉(zhuǎn)換成高斯坐標(biāo)。由已知的參心大地坐標(biāo)系中點(diǎn)的大地緯度和大地經(jīng)度(B, L),求相應(yīng)的高斯投影直角坐標(biāo)(x, y)的公式, 稱為高斯投影正算公式。



  設(shè)參考橢球的長半軸為a,第一偏心率為e,則高斯投影正算公式為:









  L、B為轉(zhuǎn)換前的經(jīng)緯度坐標(biāo);x、y為轉(zhuǎn)換后的高斯坐標(biāo);L0為投影帶的中央經(jīng)線坐標(biāo);C0、C1、C2、C3為與點(diǎn)位無關(guān)而只與橢球參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。



結(jié)束語



  GPS是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有定位快、全時(shí)域、全天候、高動(dòng)態(tài)等特點(diǎn),它作為對(duì)地觀測(cè)高新技術(shù)支柱之一,將隨著與RS和GIS集成技術(shù)的深化,更廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。



摘自《計(jì)算機(jī)世界》
   

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