GPS+Galileo双模式卫星定位仪的研制

吴思远

(中国电子科技集团公司 第二十研究所, 陕西 西安 710068)



·信息科学·

GPS+Galileo双模式卫星定位仪的研制

吴思远

(中国电子科技集团公司 第二十研究所, 陕西 西安 710068)

在利用单GPS或Galileo两种全球卫星定位系统进行定位的基础上,设计研制一款具有GPS+Galileo组合定位功能的新型双模式定位仪。相较于传统的GPS定位仪，该定位仪在定位能力、精度、稳定性及功能方面都有所提高,可应用于任何对精度和稳定性要求较高的场合。但在小型化设计上,尚待进一步提升。

卫星定位仪;双模式;GPS+Galileo;组合定位

随着定位技术的飞速发展,传统的基于单GPS的卫星定位仪已经不能满足实际应用的需要。GPS系统采用CDMA技术,主要使用两组伪码,分别为P码和C/A码,其中P码频率较高,不易受到干扰,因此精度较高,受到美国军方管制,并且设有密码,民间无法解读;C/A码为人为采取措施刻意降低精度后,开放给民间使用[1]。因此,我们所使用的GPS不仅精度较低,而且受控于美国军方,稳定性无法得到保障。本文考虑利用Galileo卫星定位系统,相较于民用GPS,它不仅具有更高的定位精度,而且由于基于民用,因此具有很好的稳定性。由于Galileo还处于系统建设阶段,可用卫星数量少,不能满足全球全天候定位的应用要求[2],因此,本文选用一款多模式接收机,设计一款功能强大的双模式(GPS+Galileo)[3]定位仪,既提高了定位精度和稳定性,又提供了更加丰富的便利功能,具有较高的实用价值。

1 系统硬件设计

整个系统包括定位仪和远程PC两大部分,定位仪由工控主板EPC8000、接收机OEM628、电源管理模块、OLED显示器和4×4矩阵键盘五大模块组成。

1.1 系统原理框图

定位仪系统原理框图如图1所示。远程PC通过网口与工控主板通信,实现对定位仪的控制,还通过RS422与接收机通信,直接操纵接收机。接收机外接三合一天线(GPS，Galileo，GLONASS),接收、融合原始星历数据进行解算。工控主板通过RS232与接收机通信,发送指令并接收数据,数据经过解析,通过VGA接口由OLED显示器实时显示;两个USB接口分别用于应用程序载入和定位信息导出。另外,利用8个GPIO扩展了一个4×4矩阵键盘,以切换显示界面和各功能的实现。整个定位仪由一块蓄电池供电,蓄电池的充电接口接入工控主板的电压比较器，以实现电量检测功能。

图1 定位仪系统原理框图Fig.1 Block diagram of the locater system

1.2 多模式卫星信号接收机OEM628

OEM628结构框图如图2所示,包括射频和数字两个部分。接收机从天线获得过滤、放大后的GNSS信号,射频部分将接收的射频信号下变频为中频信号交给数字部分处理,并通过同轴电缆给有源天线的LNA供电。数字部分的核心是MINOS6 ASIC,使用120通道ASIC进行设计,可以接收包括所有现行的和未来的包括GPS,GLONASS,Galileo和Compass在内的所有GNSS星座[4]和卫星信号,数字部分将中频信号数字化后进行处理,以获得GNSS解算(位置、速度、时间)。

图2 OEM628结构框图Fig.2 Block diagram of OEM628

1.3 工控主板EPC8000

EPC8000工控主板是基于PXA270处理器(XScale架构)的PC/104嵌入式工控机主板,主频416MHz。其具有资源丰富、功耗低、可靠性高等特点,预装Microsoft Windows CE 5.0操作系统,并提供全部板载外设驱动程序库。其接口配置包括:1路10/100Mbit TCP/IP接口,3路全功能RS232接口,1路USB HOUST接口,1路USB Device接口,1路VGA接口,GPI/O各8路。这无论从处理性能、软件，还是接口配置的角度,都满足本定位仪的开发需求。

1.4 蓄电池剩余电量检测功能的实现

本定位仪设计要求能够指示蓄电池剩余电量,分全满、半满和全空3个状态显示。通过实际观测发现,当蓄电池剩余电量发生改变时,其充电接口电压有较为明显的变化,且与剩余电量之间具有优良的近似线性的关系，故在外部状态固定保证功率恒定的前提下,连续采样并绘制其充电接口电压-放电时间关系图。如图3所示。

图3 充电接口电压-放电时间关系Fig.3 Relationship between voltage of charge interface and time of discharge

根据图3所示关系,将充电接口用电位器进行半值分压,并设计电路从放电接口的稳压输出中分得4V和3.65V电压,利用EPC8000提供的4路电压比较器将充电接口分压分别与4V和3.65V分压进行比较即可。

2 系统软件设计

根据EPC8000所预装的操作系统,对本定位仪软件的总体设计是,开发一个Windows CE 5.0操作系统下的应用程序,将其通过EPC8000的USB Host接口载入,修改操作系统注册表,使得每当操作系统启动时，即自动在前台运行该应用程序。

这里仅介绍定位仪端的应用程序开发,远程PC端与定位仪端大体类似,只在操作系统、开发环境和通信接口上有所差异,因而不再赘述。

2.1 软件架构

定位仪端应用程序利用Microsoft eMbedded Visual C++4.0集成开发环境进行编写,利用该开发环境可以完成包括编辑、编译、连接、调试、仿真在内的整个开发流程。

本应用程序设计基于多对话框,每个显示界面都是一个对话框。与应用程序直接相关联的是主对话框,不显示,作为其他所有显示界面的公共接口,处理共有消息。所有显示界面对话框都是主对话框的一个成员,由主对话框统一控制,对话框与应用程序之间的逻辑关系如图4所示。

所有10个对话框的大小、位置均相同,恰好满屏显示,且同时存在,但在任意时刻,只显示其中之一,其余以隐藏的方式不可见,通过按键操作进行切换,界面的刷新利用操作系统下的消息响应机制进行控制。

2.2 指令及数据

接收机OEM628具有丰富的指令系统和输出数据。本定位仪的许多功能,包括通道设置、数据更新速率设置、秒脉冲输出选择、频率源选择等,都是直接通过其提供的指令实现的。另外,定位模式的选择也是通过其提供的封、解锁系统两种指令来实现,当GPS和Galileo其中一个系统被解锁,其他系统被封锁时,定位仪以对应的单模式进行定位。当两个系统都被解锁而其他系统被封锁时,定位仪以GPS+Galileo组合模式进行定位。

图4 应用程序逻辑Fig.4 Logic of the application program

数据方面，既支持传统的NMEA-0183标准格式,又在其基础上新增了NovAtel公司自己的数据格式,其起始符为“#”,数据段仍采用不占固定宽度、仅以逗号作为分隔符的策略,数据校验和为32位CRC校验。据此,数据的校验依据不同的起始符进行8位异或和或32位CRC校验,数据的提取仍采用以逗号为分隔进行字符串提取。

2.3 星位图的绘制

传统星位图采用的投影方法是,投影点到观测点的直线距离等于卫星到观测点的伪距乘以卫星仰角的余弦。然而,各观测卫星的伪距不可控,无法保证在一张固定大小的星位图中显示所有可观测卫星,并且这种投影方式既无法表示伪距,又无法表示仰角。因此,本定位仪采取一种角度投影的方法,即以投影点到观测点的直线距离表示卫星的仰角。

绘制一张固定大小的星位图,如图5所示。

图5 星位图Fig.5 Satellite position diagram

中心点为观测点,最外层圆为星位图的边界,投影点到观测点的直线距离越大,该卫星的仰角越小,且为成比例分布,即设投影点到观测点的直线距离为Length,卫星仰角为Elevation,最外层圆的半径为Radius,则三者的关系满足:

Length=Radius×(90-Elevation)/90。

(1)

卫星方位角的表示方法不变,据此便可根据仰角、方位角在星位图中绘制投影点,设正东为x轴正向,正南为y轴正向,方位角为Azimuth,则:

x=sin(Azimuth)×Length，

(2)

y=-cos(Azimuth)×Length。

(3)

另外,为了方便观测,图中还绘制出了30°和60°仰角圆。

2.4 水平定位图的绘制

水平定位图以进入定位分布界面的时刻为时间起点,以当时的经纬度坐标为中心点,按照指定的数据更新速率,根据当前定位的经纬度在图中绘制坐标点。

地球是一个不规则球体,根据WGS-84坐标系的定义,将地球看作一个标准椭球体,其数学模型如图6所示。

图6 地球三维数学模型Fig.6 3D mathematical model of the earth

其中, 椭球表示地球,O表示地球中心,Z轴为由南极指向北极且过地球中心的坐标轴,X轴与Y轴垂直相交于O点,XOY平面为地球赤道面,X，Y，Z轴共同组成三维直角坐标系,a为地球赤道半径6 378 137 m,b为地球南北极半径6 356 752 m[5]。

由于在绘制水平定位图时,绘制点与基准点非常接近,因此,近似使用弧长代替平面距离。设S为地球表面任意一点,作为绘制水平定位图的基准点,其经、纬度分别为Longitude-0和Latitude-0,那么,便可以根据椭圆公式及纬度计算出SO的长度及S到Z轴的长度SS′。设绘制点的经、纬度分别为Longitude-1和Latitude-1,则基准点到绘制点的东向弧长为

x=(Longitude-1-Longitude-0)×SS′

(4)

基准点到绘制点的南向弧长为

y=-(Latitude-1-Latitude-0)×SO

(5)

其中Longitude-0、Latitude-0、Longitude-1和Latitude-1均为弧度形式。

由此，得到了绘制点相对于基准点的东向距离和南向距离,只需根据比例尺计算绘制点在屏幕上的坐标即可进行绘制。

2.5 特殊功能的实现

本定位仪还实现了诸如U盘检测、网络检测、时间显示等特殊功能。

U盘检测功能分两部分实现。理论上讲,USB设备的检测是利用操作系统定义的系统级消息来实现,当设备发生改变时,操作系统会发送相应的消息并附加两个参数，分别指示是插入还是移除和设备类型,用户只需重写该消息触发的处理函数即可。但缺陷是,无法检测到系统初始化完成之前就插入的USB设备,对此,采用查找文件名的方法进行补充,观察发现,所有插入的USB存储设备,其在操作系统中的命名都是“\硬盘”。据此,在程序初始化完成后,调用函数查找该文件名即可。

本定位仪的网络通信通过使用一个网口通信类实现,网络连接、网络软件断开的检测都可以通过该类提供的回调函数实现,硬件断开的检测方法是,协商定时发送“心跳包”数据,并利用间隔更长的定时器检测“心跳包”。

为最大程度保证显示时间的可靠性,采用操作系统时间用于显示,并当定位成功时,利用接收到的UTC时间对操作系统时间进行修正。

3 结 论

将本定位仪接入卫星信号模拟器进行测试,发现在GPS+Galileo定位模式下,PDOP<4的条件下,水平定位精度≤4 m,垂直定位精度≤8m,测速精度≤0.2 m/s,授时精度≤50ns。相较于传统单GPS定位仪,各项指标都有所提升,另外,它还给用户提供了更加丰富的显示、更加强大的功能，以及更加简便的操作,具有较强的实用价值。但在定位模式、系统功能和小型化设计方面,还有待进一步扩展。

[1] 姚艳. 全球卫星定位系统GPS的应用[J].交通世界,2011(14):108-109.

[2] 孙东礼,王良玉. 伽利略全球卫星导航系统的发展[J].航海技术,2004(2):30-31.

[3] 王垚,杨莘元,蔚保国，等. 基于码跟踪的GPS/Galileo兼容性分析研究[J].兵工学报,2010,31(12):1680-1685.

[4] 金延邦， 张彩霞. 浅析GNSS发展现状及应用[J].价值工程,2013(12):204-205.

[5] 刘大杰,施一民. 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.

(编 辑姚 远)

The design of GPS+Galileo double-mode satellite locator

WU Si-yuan

(China Electronics Technology Group, Corporation-20, Xi′an 710068， China)

Based on the independent GPS or Galileo, the two kinds of global satellite positioning system, one new pattern dual-mode locator was designed and developed, which has the function of integrated positioning of GPS+Galileo. Compared with traditional GPS locator, this locater has improvement in aspect of positioning ability, precision, stability and function. It can be used in occasions which has high requirement on precision and stability. It is to be enhanced in aspect of miniaturization design.

satellite locater; double-mode; GPS+Galileo; integrated positioning

2014-12-28

国家自然科学基金资助项目(60672184)

吴思远,男,陕西西安人,从事无线通信研究。

TN911.7

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-02-012