ＧＰＳ定位數傳系統的設計與實現

摘要：針對一臺GPS接收機對移動目標的定位問題，介紹了定位數據的傳輸方法及設計方案，并就系統的組成給出了各部分硬件及軟件的具體實現方法，多次的試驗結果表明該系統設計合理，數據傳輸時延小，定位精度滿足系統指標要求。

關鍵詞:：GPS接收機；數據傳輸；調制與解調

1 數據傳輸系統簡介

1.1 系統組成與功能

數據傳輸系統包括無線電機載發送，地面接收兩部分，發送端是由GPS接收機、數據轉換、調制器及發射機組成；接收端是由接收機、解調器、數據轉換及PC機綜合顯示器組成。各部分完成如下功能:

1.1.1 機載發送端

GPS接收機：啟動后將接收到的定位數據按設置的格式以異步串口(RS2232)形式輸出；數據轉換：將收到的GPS接收機的異步數據，轉換為同步數據；調制器：把同步的GPS數據進行糾錯編碼，形成信道可傳輸的GPS基帶信號；發射機：將GPS基帶信號第二次調制經功率放大器后由天線完成發射；

1.1.2 地面接收端

接收機：將天線接收到的信號進行第一次解調恢復出GPS基帶數據；解調器：對接收的基帶信號進行2dPSK解調恢復出同步的GPS數據；數據轉換：把同步的GPS數據轉換為與發端波特率、幀格式相同的異步RS2232數據；PC機綜合顯示器：從來自數據轉換器GPS數據中取出需要的定位數據處理后綜合顯示；

1.2 工作過程

GPS接收機的數據通過串口以115.2kb/s的波特率按RS2232異步通信格式送給數據轉換器，將其轉換為同步數據，加載到適當的載波上，經過差分相移鍵控(2dPSK)編碼調制成基帶信號送到發射機調頻。放大后通過天線發射出去，信號被地面接收天線感應后，經高頻放大、混頻、鑒頻后，輸出基帶信號給解調板，通過同步跟蹤

解調出同步的GPS數據，再由地面的數據轉換器恢復出異步的RS2232數據送給PC機，經過位置解算處理后進行綜合顯示。

2 系統設計

系統采用的GPS接收機是高動態10通道接收機每秒輸出10次定位數據(每100ms一幀)，且為異步串行數據，因此必須將其進行二次編碼形成可供信道傳輸的信號，才能進行無線傳輸。為了保證定位精度，必須減少傳輸時延，因此首先確定可供信道傳輸的數據速率。

2.1 同步傳輸速率的確定

GPS接收機輸出速率最高可設為115.2kb/s，每字節為10位，其中第一位和最后一位分別為起始位和終止位，中間8位為定位數據，因為在每秒10組的數據包(即每100ms一幀數據)中，定位數據是ASIC碼型，每個字節長度不定，也即每一幀數據中的數據包長度不定，若每個定位數據為最大值，則按照該試驗系統設置，可得到最長的數據包為128B，那么在100ms內傳輸數據所需最大時間為10×128÷115.2k=11.1ms

對于同步傳輸而言，每字節8位，128B是1024位，若滿足上述時間要求，并結合地面接收數據的同步到異步的轉換，只要在100ms內用略大于異步的時間即可完成對定位數據的傳輸。于是同步傳輸速率可確定為78.6432kb/s，即傳輸數據時間為

8×128÷78.6432k=13ms

2.2 硬件設計

數傳系統的硬件設計總體分為數據轉換與調制器、信道以及解調與數據轉換3部分：

2.2.1 數據轉換與調制器

數據轉換是由AD公司的ADLC824單片機完成的，單片機的串口RX接收到GPS接收機的定位信號后，進行重新編碼并通過其SPI接口分別從SCLK和SDO端口輸出78.6432kHz的時鐘和78.642kb/s的同步串行數據流，這兩路信號分別接到JK觸發器的時鐘與J、K端，將數據流進行差分后把數據和時鐘進行模2加，調制成2dPSK基帶信號。

2.2.2 信道

信道是由發射機、接收機及收發天線組成。發射機：中心頻率為2.2GHz，調制器采用鎖相調頻方案，基帶信號送入鎖相環路進行調頻，鎖相環采用大規模集成電路，一個芯片完成微波分頻、鑒相等功能，中頻放大級使用單片放大器。接收機：設計為超外差式接收機，中心頻率為2.2GHz，靈敏度為-95dBm，選用Motorola公司的MC13156DW芯片完成。收發天線：均為垂直極化方式的全向天線。

2.2.3 解調器與數據轉換

解調器選用美國Lattice公司的集成芯片ispLSI1032E，數據轉換器仍采用AD公司ADLC824單片機完成。系統采用延時解調法恢復出同步的GPS定位數據流，輸入的基帶與延時一個位鐘周期的基帶進行模2加，解調出同步數據流，其中延時器的時鐘由數字鎖相環提取，數據流經過低通濾波器，與位時鐘分別接入CPU的SPI接口，在CPU內部恢復出115.2b/s的異步定位數據并傳給PC機進行數據處理后綜合顯示。

3 軟件設計與實現

系統軟件設計包括發端(機載)數據轉換軟件、收端(地面)數據轉換軟件。

3.1 機載軟件

機載軟件主要是單片機的軟件，它完成對GPS接收機初始化及GPS定位數據的接收與格式轉換。

3.1.1 GPS接收機初始化

對波特率、時間、高度等的設置，按照ASIC碼型與十六進制對照表，以表格形式編寫成單片機所需要的匯編語言。例如:set，/par/nmea/frac/sec，1-可寫為:

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定位數據接收與格式轉換

設計思路是不改變GPS已有的幀格式，針對GPS數據每100ms一幀的特點，在其數據幀間隔處插入特征碼，GPS定位數據碼型為ASIC碼，且ASIC碼對應的最大十六進制數據不大于80H，所以特征字符選為85H。

3.1.3 串口收數

系統給GPS數據異步接收設置了192B的緩沖區，并設一個串口收指針(R0)，將接收到的定位數據逐次放入緩沖區中，每收一個字節，收指針R0加1。當緩沖區收滿(即R0=192)時清零

3.1.4 SPI口同步發數

首先設置好發數的時鐘78.6432kHz及波特率78.6432kb/s，將接收到的定位數據按照32B一幀，逐個字節發出，幀頭選EBH和90H。同步發數時設置一個發指針R1和一個字節計數器R2，每發一個字節發指針R1和發R2同時加1，R1=192時清零，R2=32時清零，因為發比收慢，所以當處于GPS數據包結束時，R0不再累加，發指針R1總會與R0針相等，這時在SPI發數時插入85H即可\"這些數據連同設置好的位鐘從CPU的SPI口的SDO及SCLK端輸送到調制器。

3.2 地面站軟件

即同步/異步數據轉換軟件數據轉換軟件。在CPU單片機中實現，是從同步數據中擇取GPS定位數據，即CPU從SPI口接收到數據中去除大于85H的所有數據(包括幀同步頭EBH和90H)，剩余的為GPS定位數據，這些數據從CPU的串口TXD端送給PC機。

4 結束語

經多次試驗測定，系統定位數據傳輸時延不大于30ms，小于GPS定位數據一幀(100ms)的時間，系統具有設計合理、定位準確、工作穩定可靠、數據傳輸速率高等特點，可推廣應用于遠距離的數據傳輸系統中。

參考文獻

[1] 方群，袁建平，等.衛星定位導航基礎[M].西安:西北工業大學出版社，1999.

[2] 李華.MCS251系列單片機實用接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，1997.