基于DSP的DGPS导航定位系统的设计与实现

全球定位系统GPS(Global Positioning System)是一种无线电导航系统,它不仅具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力,而且还能实时对运载体的速度、姿态进行测定以及精密授时。目前,几乎所有需要导航、定位的用户,都被GPS的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和优质价廉所吸引。

目前,GPS系统提供的定位精度小于10米,为了得到更高的定位精度,通常采用差分GPS(即DGPS)技术。DGPS相对于GPS能为用户的导航定位精度带来数量级的提高,在飞机精密进场着陆、无人机、弹道轨迹测量、车辆定位导航等航空、航天、航海及车载领域得到应用。

DSP是一种用于处理数字信号的微处理器,随着半导体制造工艺的发展和计算机体系结构等方面的改进,DSP芯片的功能也越来越强大。由于DSP在运算速度上的优势及其可编程和易于实现自适应处理的特点,使其在嵌入式系统开发中占有一席之地。

本文介绍利用DSP高速处理、可编程性能及其在软硬件上的设计实现的一种有别于一般DGPS导航系统的系统。

　　1 DGPS工作原理及其系统分析

　　1．1 DGPS工作原理

DGPS

选择一个位置精确的已知点作为GPS接收机基准站,其余GPS接收机(移动站)分别设置在需要测定其位置的载体上。根据基准点的已知精确坐标,可以求出定位结果的坐标改正数或距离观测值的改正数。通过基准站和移动站之间的数据链,将这些改正数实时传送给移动站,使移动站的GPS接收机的定位结果或伪距观测量得到改正。其目的是消除公共误差项,有效地减弱相关误差的影响,以获得精确的定位结果,从而提高定位精度。

　　1．2系统分析

一般的DGPS导航系统,其基站由GPS接收机、实时控制计算机和无线发射机组成;移动站由GPS接收机、实时控制计算机(一般为PC机或工控机)和无线接收机组成。这种DGPS系统由于受单工通信的限制,移动站不能将其精确定位数据回传给基站．导致基站不能实时观测移动站的运行状态。

要实现移动站数据的回传,则必须在基站和移动站之间建立两条通信数据链路,即差分修正信息的通信链路和差分GPS定位信息的通信链路。若基站和移动站分别采用无线发射机和无线接收机同时工作,由于两个频率的收发设备同时工作,则会产生无线数据链路的干扰。采用双工电台则能避免这种干扰的产生。

若实时控制计算机采用PC机或工控机,则计算机必须具备3个串口才能完成与GPS接收机2个串口(用于差分信息及定位信息的通信)和双工电台1个串口之间的数据通信,以实现DGPS定位和数据的回传。但是一般的PC机和工控机很难具备3个串口。

基于以上分析,本DGPS导航定位系统采用自主研制的DSP系统作为实时控制计算机,以双工电台作为无线数据收发设备来组建和实现。

　　2系统组成及其功能

　　2．1系统组成

系统由基站设备和移动站设备两部分构成。基站和移动站各自都由GPS接收机、DSP系统和半双工电台组成。

基站GPS接收机采用了NCT2000 D。NCT2000 D是美国NavCom公司采用最先进的独有专利技术研制的,接收机能持续地建立差分GPS实时修正的标准并能兼容WAAS/EGNOS的双频GPS。移动站GPS接收机采用NovAtel公司的SUPERSTARII,它特别为低成本、高可靠定位的应用而设计。SUPERSTARⅡ可在苛刻的条件(如树叶遮挡、城市高楼林立)下提供高可靠性和优异性能。它易于集成．并可通过软件升级为WAAS。

在基站和移动站中,以TMS320C6713为核心的DSP系统和半双工数据传输电台WDS4710分别用于实现实时通信控制和无线收发功能,从而完成GPS差分修正信息(符合RTCM SC—104标准)和GPS定位数据(符合NMEA —83标准)的实时、准确传输。

系统组成及其数据链路如图1所示。

　　

图1 差分GPS系统数据链路图

　　2 .2功能

系统利用DSP系统的三个串口与电台及GPS接收机进行数据通信,实现移动站DGPS的差分定位和移动站的精确定位数据的实时回传。

当将DSP系统用在基站时,? 串口2接收GPS接收机的RTCM差分信息,通过串口1向电台发送:串口1接收电台接收到移动站差分定位后的NMEA信息,再通过串口3发送到基站设备,以供基站对移动站的实时遥测或保存数据进行事后处理。

当将DSP系统用在移动站时,串口1接收电台接收到基站发送的RTCM修正数据, 再通过串口3发送给GPS接收机;GPS接收机在差分修正后,将NMEA信息发送给串口2,串口1将串口2接收到的数据发送给电台,电台将这些数据发送。

　　3 DSP应用系统设计

　　3．1硬件设计

本系统的DSP芯片采用TI公司的浮点处理器TMS310C6713,其主频可达200MHz。晶振电路(50MHz)为C6713提供外部时钟源,电源电路分别提供C6713的CPU核心和外围接口所需的1 .2V及3 .3V直流电源。复位电路用于对系统的复位。系统的外围设备(UART、FLASH、SDRAM)扩展在C6713的EMIF空间,通过CPLD译码选通。

根据本导航系统对多串口的需求,采用TLl6C550和TLl6C552芯片为DSP系统扩展了:个串口,用于实现DSP与GPS接收机、电台及PC机的通信;Flash用于系统的自启动设计;SDRAM扩展了DSP系统的外部存储器空间;电平转换电路将UART的TTL电平转换为标准的RS232电平。DSP应用系统结构如图2所示。

图2 DSP应用系统硬件结构框图

　　3．2软件设计

DSP软件采用TI公司的软件集成开发环境CCS进行开发和调试。系统软件源程序有C浯言和汇编浯言。

C浯言程序完成DSP系统初始化及其三个串口的数据收发。通过初始化程序,系统主频设置为100MHz,串口

通信协议数据传输速率设置为9 600bps,1位开始位,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验位。串口收发采用查询方式,C浯言源程序流程如图3所示。

　　

图3 通信软件C语言程序流程图

汇编浯言程序完成DSP系统的自启动功能,即将烧写在Flash中的程序搬移到片内RAM。

　　4实验结果分析与说明

GPS数据格式采用NMEA—0183通信标准格式。NMEA 0183通信标准的输出数据采用ASCII码,包含了经度、纬度、高度、速度、日期、时司、航向及卫星状况等信息。GGA信息是GPS接收机输出信息的一种,它包含了导航用户所关心的时间、经纬度和高度信息。同时用户也可以从GGA信息中了解GPS接收机的定位情况(即未定位、单点定位和差分定位)。

　　GGA的数据格式为:

　　＄GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>,*hh

当GGA数据格式中<6>的内容为“0”时表示未定位,“1”表示单点定位,“2”表示DGPS定位。通过观察移动站GPS接收机发送的GGA数据的信息<6>,可以了解移动站接收机是否进行了DGPS定位。

当基站和移动站的GPS接收机及电台传输速率设置为9 600bps、电台频率设置为460．1MHz后,将其按照图1所示的数据链路进行系统连接,在匹配的GPS天线、电台天线及直流稳压电源的支持下,系统可以实现所设计的功能。

以下是实验过程中基站接收到的移动站回传的GGA数据。

　　差分定位前:

　　＄GPGGA,033838,3958．8302,N,11620．6189,E,1,04,3．1,97．3,M,—8．3,M,17,0000*64

　　差分定位后:

　　＄GPGGA,033907,3958．8324,N,11620．6044,E,2,04,2.5,97.3,M,—8．3,M,7,0000*58

通过实验验证,本系统通信链路通畅,在实现DGPS导航定位的同时能将DGPS定位结果回传给基站,使基站能够实时监测移动站的运行轨迹．并能保存其定位数据以进行事后处理。系统能够完成预期的功能,现已通过GPS教学实验系统验收。此外,将DGPS系统应用于工程领域时,由于无线通信和GPS导航定位系统易受外界因素的影响,所以必须考虑无线数据链路通信的工作距离、抗干扰性、电台传输功率、电台天线增益和电台接收信号灵敏度及移动站GPS接收机受外界因素影响等多方面问题．以确保系统数据链路的畅通．提高系统的稳定性和可靠性。