ＧＰＳ定位数传系统的设计与实现

摘要：针对一台GPS接收机对移动目标的定位问题，介绍了定位数据的传输方法及设计方案，并就系统的组成给出了各部分硬件及软件的具体实现方法，多次的试验结果表明该系统设计合理，数据传输时延小，定位精度满足系统指标要求。

关键词:：GPS接收机；数据传输；调制与解调

1 数据传输系统简介

1.1 系统组成与功能

数据传输系统包括无线电机载发送，地面接收两部分,发送端是由GPS接收机、数据转换、调制器及发射机组成；接收端是由接收机、解调器、数据转换及PC机综合显示器组成。各部分完成如下功能:

1.1.1 机载发送端

GPS接收机：启动后将接收到的定位数据按设置的格式以异步串口(RS2232)形式输出；数据转换：将收到的GPS接收机的异步数据，转换为同步数据；调制器：把同步的GPS数据进行纠错编码，形成信道可传输的GPS基带信号；发射机：将GPS基带信号第二次调制经功率放大器后由天线完成发射；

1.1.2 地面接收端

接收机：将天线接收到的信号进行第一次解调恢复出GPS基带数据；解调器：对接收的基带信号进行2dPSK解调恢复出同步的GPS数据；数据转换：把同步的GPS数据转换为与发端波特率、帧格式相同的异步RS2232数据；PC机综合显示器：从来自数据转换器GPS数据中取出需要的定位数据处理后综合显示；

1.2 工作过程

GPS接收机的数据通过串口以115.2kb/s的波特率按RS2232异步通信格式送给数据转换器，将其转换为同步数据，加载到适当的载波上，经过差分相移键控(2dPSK)编码调制成基带信号送到发射机调频。放大后通过天线发射出去，信号被地面接收天线感应后，经高频放大、混频、鉴频后，输出基带信号给解调板，通过同步跟踪

解调出同步的GPS数据，再由地面的数据转换器恢复出异步的RS2232数据送给PC机，经过位置解算处理后进行综合显示。

2 系统设计

系统采用的GPS接收机是高动态10通道接收机每秒输出10次定位数据(每100ms一帧),且为异步串行数据，因此必须将其进行二次编码形成可供信道传输的信号，才能进行无线传输。为了保证定位精度，必须减少传输时延，因此首先确定可供信道传输的数据速率。

2.1 同步传输速率的确定

GPS接收机输出速率最高可设为115.2kb/s，每字节为10位，其中第一位和最后一位分别为起始位和终止位，中间8位为定位数据，因为在每秒10组的数据包(即每100ms一帧数据)中，定位数据是ASIC码型，每个字节长度不定，也即每一帧数据中的数据包长度不定，若每个定位数据为最大值，则按照该试验系统设置，可得到最长的数据包为128B，那么在100ms内传输数据所需最大时间为10×128÷115.2k=11.1ms

对于同步传输而言，每字节8位，128B是1024位，若满足上述时间要求，并结合地面接收数据的同步到异步的转换，只要在100ms内用略大于异步的时间即可完成对定位数据的传输。于是同步传输速率可确定为78.6432kb/s，即传输数据时间为

8×128÷78.6432k=13ms

2.2 硬件设计

数传系统的硬件设计总体分为数据转换与调制器、信道以及解调与数据转换3部分：

2.2.1 数据转换与调制器

数据转换是由AD公司的ADLC824单片机完成的，单片机的串口RX接收到GPS接收机的定位信号后，进行重新编码并通过其SPI接口分别从SCLK和SDO端口输出78.6432kHz的时钟和78.642kb/s的同步串行数据流，这两路信号分别接到JK触发器的时钟与J、K端，将数据流进行差分后把数据和时钟进行模2加，调制成2dPSK基带信号。

2.2.2 信道

信道是由发射机、接收机及收发天线组成。发射机：中心频率为2.2GHz，调制器采用锁相调频方案，基带信号送入锁相环路进行调频，锁相环采用大规模集成电路，一个芯片完成微波分频、鉴相等功能，中频放大级使用单片放大器。接收机：设计为超外差式接收机，中心频率为2.2GHz，灵敏度为-95dBm，选用Motorola公司的MC13156DW芯片完成。收发天线：均为垂直极化方式的全向天线。

2.2.3 解调器与数据转换

解调器选用美国Lattice公司的集成芯片ispLSI1032E,数据转换器仍采用AD公司ADLC824单片机完成。系统采用延时解调法恢复出同步的GPS定位数据流,输入的基带与延时一个位钟周期的基带进行模2加，解调出同步数据流，其中延时器的时钟由数字锁相环提取，数据流经过低通滤波器，与位时钟分别接入CPU的SPI接口，在CPU内部恢复出115.2b/s的异步定位数据并传给PC机进行数据处理后综合显示。

3 软件设计与实现

系统软件设计包括发端(机载)数据转换软件、收端(地面)数据转换软件。

3.1 机载软件

机载软件主要是单片机的软件，它完成对GPS接收机初始化及GPS定位数据的接收与格式转换。

3.1.1 GPS接收机初始化

对波特率、时间、高度等的设置，按照ASIC码型与十六进制对照表，以表格形式编写成单片机所需要的汇编语言。例如:set,/par/nmea/frac/sec,1-可写为:

Tab:DB73H,65H,74H,2CH;set,

DB2FH,70H,61H,72H,2FH;/par/

DB6EH,6DH,65H,61H,2FH;nmea/

DB66H,72H,61H,63H,2FH;frac/

DB73H,65H,63H,2CH,31H,0AH;sec,1-

3.1.2 GPS定位数据接收与格式转换

设计思路是不改变GPS已有的帧格式，针对GPS数据每100ms一帧的特点，在其数据帧间隔处插入特征码，GPS定位数据码型为ASIC码，且ASIC码对应的最大十六进制数据不大于80H，所以特征字符选为85H。

3.1.3 串口收数

系统给GPS数据异步接收设置了192B的缓冲区，并设一个串口收指针(R0)，将接收到的定位数据逐次放入缓冲区中，每收一个字节，收指针R0加1。当缓冲区收满(即R0=192)时清零

3.1.4 SPI口同步发数

首先设置好发数的时钟78.6432kHz及波特率78.6432kb/s，将接收到的定位数据按照32B一帧，逐个字节发出，帧头选EBH和90H。同步发数时设置一个发指针R1和一个字节计数器R2,每发一个字节发指针R1和发R2同时加1,R1=192时清零,R2=32时清零,因为发比收慢,所以当处于GPS数据包结束时,R0不再累加,发指针R1总会与R0针相等,这时在SPI发数时插入85H即可"这些数据连同设置好的位钟从CPU的SPI口的SDO及SCLK端输送到调制器。

3.2 地面站软件

即同步/异步数据转换软件数据转换软件。在CPU单片机中实现,是从同步数据中择取GPS定位数据,即CPU从SPI口接收到数据中去除大于85H的所有数据(包括帧同步头EBH和90H),剩余的为GPS定位数据,这些数据从CPU的串口TXD端送给PC机。

4 结束语

经多次试验测定,系统定位数据传输时延不大于30ms,小于GPS定位数据一帧(100ms)的时间,系统具有设计合理、定位准确、工作稳定可靠、数据传输速率高等特点,可推广应用于远距离的数据传输系统中。

参考文献

[1] 方群,袁建平,等.卫星定位导航基础[M].西安:西北工业大学出版社,1999.

[2] 李华.MCS251系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1997.