1 GPS的基本介紹

    GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)[1]。其地面監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

                          
 

1．1 GPS定位原理

    GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖2所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下4個(gè)方程式：
 
      

       

    上述4個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)x，y，z和Vt0為未知參數(shù)，其中di=cti(i=1，2，3，4)。di(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星1，衛(wèi)星2，衛(wèi)星3，衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。ti(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星1，衛(wèi)星2，衛(wèi)星3，衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。c為GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。

    4個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：

    x，y，z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。

    xi，yi，zi(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。Vti(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星1，衛(wèi)星2，衛(wèi)星3，衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。Vt0為接收機(jī)的鐘差。

    由以上4個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x，y，z和接收機(jī)的鐘差Vt0。

    目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度低于10m，而為得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技術(shù)：將一臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。

1．2 GPS主要用途

    GPS性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍極廣。可以說，凡是需要導(dǎo)航和定位的部門，都可以采用GPS。GPS的建成和應(yīng)用，是導(dǎo)航技術(shù)的一場(chǎng)革命，影響深遠(yuǎn)。其主要用途有：

(1)導(dǎo)航定位應(yīng)用

    GPS是空中、海洋和陸地導(dǎo)航定位最先進(jìn)、最理想的技術(shù)。他可以為飛機(jī)、艦船、車輛、坦克、炮兵、陸軍部隊(duì)和空降兵提供全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。他是航天飛機(jī)和載人飛船最理想的制導(dǎo)、導(dǎo)航系統(tǒng)。為其起飛、在軌運(yùn)行和再入過程連續(xù)服務(wù)。

(2)精密定位應(yīng)用

    應(yīng)用GPS載波相位測(cè)量技術(shù)，可以精確地測(cè)定兩點(diǎn)間的相對(duì)位置，為大地測(cè)量、海洋測(cè)量、航空攝影測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)測(cè)量提供了高精度、現(xiàn)代化的測(cè)量手段。GPS已廣泛應(yīng)用于建立準(zhǔn)確的大地基準(zhǔn)、大地控制網(wǎng)和地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)等。

(3)精密授時(shí)、大氣研究

    GPS用戶接收機(jī)通過對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)，可獲得準(zhǔn)確GPS時(shí)。GPS時(shí)與UTC時(shí)是同步的，因此GPS亦是當(dāng)今精度最高的全球授時(shí)系統(tǒng)。一般接收機(jī)測(cè)時(shí)精度為100 ns；專用定時(shí)接收機(jī)可獲得更高的精度，用于遠(yuǎn)距離時(shí)間同步可達(dá)ns級(jí)。由于UTC時(shí)有跳秒，故GPS時(shí)與UTC時(shí)有已知的整數(shù)秒差。利用GPS測(cè)定的電離層延遲和多普勒頻移延遲，可用來研究電離層的電子積分濃度、折射系數(shù)、電子濃度隨高度的分布，以及上述電離層參量在時(shí)間和空間上的相關(guān)性等。

(4)為武器精確制導(dǎo)

    應(yīng)用GPS／INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，GPS不斷修正導(dǎo)彈飛行中慣性導(dǎo)航誤差，提高制導(dǎo)精度，增強(qiáng)武器的"精確打擊"能力。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，GPS為提高武器的命中精度，發(fā)揮了巨大作用，故被稱為"效益倍增器"。

(5)航天與武器試驗(yàn)中的應(yīng)用

    GPS在各類航天器定軌和導(dǎo)彈、常規(guī)武器試驗(yàn)中有著廣泛的應(yīng)用。GPS可為各類衛(wèi)星測(cè)定精密軌道。用差分GPS完成飛船的交會(huì)和對(duì)接。在武器試驗(yàn)中，應(yīng)用GPS可精確測(cè)定彈道。他具有不受天氣條件、發(fā)射場(chǎng)區(qū)、射向、射程和發(fā)射窗口的限制；可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、全程跟蹤測(cè)量，可跟蹤低飛和多個(gè)目標(biāo)，且精度高、費(fèi)用低。

    GPS還可用于飛行器姿態(tài)測(cè)量。姿態(tài)測(cè)量采用GPS載波相檢測(cè)量技術(shù)。在衛(wèi)星或其他航天器的適當(dāng)位置上安裝多副天線，用GPS測(cè)定各天線的精確位置，從而確定航天器的姿態(tài)。

2 目標(biāo)平臺(tái)介紹

    在本文中使用的目標(biāo)平臺(tái)S3C2410是SAMSUNG公司使用ARM920T處理器內(nèi)核開發(fā)的一款嵌入式處理器。S3C2410是SAMSUNG公司專門為PDA，Internet設(shè)備和手持設(shè)備等專門開發(fā)的微處理器。該芯片還包含有16 kB一體化的Cache／MMU，這一特性使開發(fā)人員能夠?qū)inux和VX-work移植到基于該處理器的目標(biāo)系統(tǒng)中。

    該目標(biāo)板的系統(tǒng)資源如下：

(1)CPU：S3C2410微處理器，工作頻率為200 MHz；

(2)FLASH：16 MB；

(3)SDRAM：64 MB SDRAM；

(4)UART：RS 232串行接口；

(5)其他：14針ARM JTAG接口等；

(6)液晶顯示屏。

    在目標(biāo)平臺(tái)S3C2410上所選配的GPS模塊是GPS15L／H。接口特性如下：RS 232輸出，可輸入RS 232或者具有RS 232極性的TTL電平?？蛇x的波特率為：300，600，1 200，2 400，4 800，9 600，19 200。GPS15與PC串口的連接見示意圖(圖3)所示。

    串口輸出協(xié)議：輸出NEMA0183格式的ASCII碼語(yǔ)句，輸出：GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG(NMEA標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句)；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV(GARMIN定義的語(yǔ)句)。還可將串口設(shè)置為輸出包括GPS載波相位數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。輸入：初始位置、時(shí)間、秒脈沖狀態(tài)、差分模式、NMEA輸出間隔等設(shè)置信息。在缺省的狀態(tài)下，GPS模塊輸出數(shù)據(jù)的波特率為4800，輸出信息包括：GPRMC，GPGGA，GPGSA，GPGSV，PGRME等，每秒鐘定時(shí)輸出，如3所示。

                          
 

3 交叉編譯環(huán)境的建立及程序的實(shí)現(xiàn)

    基于Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境一般是由目標(biāo)系統(tǒng)硬件（開發(fā)板）和宿主PC機(jī)所構(gòu)成[2]。目標(biāo)硬件開發(fā)板用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件，而目標(biāo)板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試則需要通過宿主PC機(jī)來完成（所以稱為交叉編譯）。雙方之間一般通過串口，并口或以太網(wǎng)接口建立連接關(guān)系。

3.1 燒寫Linux內(nèi)核等

    通過串口，宿主PC機(jī)向目標(biāo)開發(fā)板燒寫VIVI，經(jīng)過裁減的Linux內(nèi)核以及根文件系統(tǒng)等，然后安裝主編譯器Armv41-unknown-linux-gcc。

3.2 NFS服務(wù)器的配置

    在本文中宿主PC機(jī)上裝的是READHAT 9.2，他默認(rèn)的是打開了防火墻，目標(biāo)開發(fā)平臺(tái)無法用NFS mount。因此應(yīng)先關(guān)閉防火墻，然后點(diǎn)擊主菜單運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)置→服務(wù)器設(shè)置→NFS服務(wù)器（英文為：SETUP→SYSTEM　SERVICE→NFS），點(diǎn)擊增加，在目錄（Directory）中填入需要共享的路徑，主機(jī)（Hosts）；中填入允許進(jìn)行連接的主機(jī)IP地址[3]，并選擇允許客戶對(duì)共享目錄的操作為只讀（Read-only）或讀寫（Read/Write）。

3.3 配置MINICOM

    在Linux操作系統(tǒng)Xwindow界面下建立終端（在桌面上點(diǎn)擊右鍵→新建終端），在終端的命令行提示符后輸入MINICOM，回車，出現(xiàn)WINCOM的啟動(dòng)畫面，然后按照提示設(shè)置即可。

3.4 編程和調(diào)試

    在此交叉編譯環(huán)境下，根據(jù)前面提到的GPS定位原理，經(jīng)過編程和調(diào)試，在目標(biāo)平臺(tái)的液晶顯示屏上可顯示本地的地理位置信息。

    注意，GPS的天線要放在能良好接受室外信號(hào)的地方，比如說窗臺(tái)等。否則可能接收不到信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

    本文介紹了GPS定位的工作原理及其在S3C2410上的實(shí)現(xiàn)方法，在車載GPS系統(tǒng)及其他導(dǎo)航系統(tǒng)中有很多的應(yīng)用前景。