1、單片機單片機C語言編程與實踐語言編程與實踐第10章 GPS模塊應用系統設計1. GPS模塊的功能特性2. GPS模塊的應用編程3. GPS模塊的應用示例本章主要內容：本章主要內容：1. 全球定位系統概述全球定位系統概述 GPS即全球定位系統（Global Positioning System）是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。經近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應用于大地測量、工程測量

2、、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。GPS模塊的功能特性1. 全球定位系統概述全球定位系統概述 全球定位系統（Global Positioning System）是美國第二代衛星導航系統。是在子午儀衛星導航系統的基礎上發展起來的，它采納了子午儀系統的成功經驗。和子午儀系統一樣，全球定位系統由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。按目前的方案，全球定位系統的空間部分使用28顆高度約2.02萬千米的衛星組成衛星星座。24+4顆衛星均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，如圖10-1所示分布在

3、六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。GPS模塊的功能特性1. 全球定位系統概述全球定位系統概述 地面監控部分包括四個監控站、一個上行注入站和一個主控站。監控站設有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當地氣象數據的傳感器和進行數據初步處理的計算機。監控站的主要任務是取得衛星觀測數據并將這些數據傳送至主控站。主控站設在范登堡空軍基地。它對地面監控部實行全面控制。主控站主要任務是收集各監控站對GPS衛星的全部觀測數據，利用這些數據計算每顆GPS衛

4、星的軌道和衛星鐘改正值。上行注入站也設在范登堡空軍基地。它的任務主要是在每顆衛星運行至上空時把這類導航數據及主控站的指令注入到衛星。這種注入對每顆GPS衛星每天進行一次，并在衛星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。GPS模塊的功能特性GPS模塊的功能特性2. GPS的基本定位原理的基本定位原理 GPS的基本定位原理是：衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息，用戶接收到這些信息后，經過計算求出接收機的三維位置，三維方向以及運動速度和時間信息。GPS模塊的功能特性3. GPS信號接收機信號接收機 GPS信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運

5、行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。靜態定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信號接收機所位于的運動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機，行走的車輛等）。GPS模塊的功能特性3. GPS信號接收機信號接收機 載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛星的過程中相對地

6、球而運動，接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態參數（瞬間三維位置和三維速度）。 接收機硬件、機內軟件以及數據的后處理軟件包構成了完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說，兩個單元一般分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元則置于測站附近的適當地方，并用電纜線將兩者連接成一個整機。實際上，也可以將天線單元和接收單元制作成一個整體，而在觀測時將其安置在測站點上。GPS模塊的功能特性3. GPS信號接收機信號接收機 GPS接收機一般用蓄電池做電源，同時采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時不中斷連續觀測

7、。在用機外電池的過程中，機內電池自動充電。關機后，機內電池為存儲器供電，以防丟失數據。GPS模塊的功能特性4. GPS衛星接收模塊衛星接收模塊 GPS衛星接收模塊功能GPS衛星接收模塊（簡稱GPS模塊）是GPS接收系統的核心，它從天線獲得GPS信號，經過放大、整理、運算、解碼，輸出經度、緯度、高度、時間等信息，處理器利用這些信息，來產生不同的應用，如導航、定位、運動軌跡記錄等，并通過一定的總線接口和外設備進行數據交換。GPS模塊的功能特性4. GPS衛星接收模塊衛星接收模塊 GPS衛星接收模塊工作原理GPS模塊的功能特性4. GPS衛星接收模塊衛星接收模塊 GPS模塊性能指標 衡量GPS模塊性

8、能指標主要從衛星軌跡、并行通道、定位時間、定位精度、DGPS功能、信號干擾及電氣、物理指標等幾個方面GPS模塊的功能特性4. GPS衛星接收模塊衛星接收模塊 GR-87型GPS模塊接口定義管腳管腳名稱名稱功能描述功能描述1 1VCCVCC+3.3+3.35.5VDC電源輸入電源輸入2 2TXATXA串口發送串口發送A3 3RXARXA串口接收串口接收A4 4RXBRXB串口接收串口接收B5 5GNDGND電源地電源地6 6TIMEMARK/RESETTIMEMARK/RESET（Option） 1PPS 1PPS時基輸出或復位輸入（低電時基輸出或復位輸入（低電平有效）平有效）GPS模塊的功能特

9、性4. GPS衛星接收模塊衛星接收模塊 GPS模塊和單片機的硬件連接 GPS模塊一般通過串口和外設進行數據交換，如果串口是TTL或CMOS電平，則可直接和單片機連接，如果是RS232C電平，則需要通過電平轉換電路和單片機連接GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 (1) NMEA-0183協議簡介 NMEA協議是為了在不同的GPS（全球定位系統）導航設備中建立統一的BTCM（海事無線電技術委員會）標準，由美國國家海洋電子協會（NMEA-The National Marine Electronics Association）制定的一套通訊協議。GPS模塊根據NMEA-0

10、183協議的標準規范，將位置、速度等信息通過串口傳送到PC機、PDA等設備。GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 (2) NMEA-0183協議串行通訊參數 NMEA-0183協議規定串行通訊參數：波特率4800，無奇偶校驗，數據位8，停止位1。此外,需要說明的是大部分GPS模塊的輸出數據刷新速率為1秒，即在1秒時間里輸出一次GPS模塊單槍匹馬當前配置的所有數據。GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 (3) NMEA-0183協議報文格式 NMEA-0183協議定義的語句非常多，但是常用的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、

11、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。在具體的GPS 應用中,不需要用到NMEA 的全部信息，而是根據具體的工作，從中選取所需的信息，忽略其他信息。GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 1) $GPGSV(可見衛星數：GPS Satellites in View)$GPGSV 的基本語句如下：$GPGSV, 1,*CC：GSV 語句的總數。：本句 GSV 的編號。：可見衛星的總數（0012，前面的 0 也將被傳輸）。：衛星編號（0132，前面的 0 也將被傳輸）。：衛星仰角（0090 度，前面的 0 也將被傳輸）。：衛星方位角（000359 度，前面的 0 也

12、將被傳輸）。：信噪比（0099dB，沒有跟蹤到衛星時為空）。 ：*后面的“CC”表示校驗和，表示回車換行。GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 2) $GPGGA(GPS 定位信息:Global Positioning System Fix Data )$GPGGA 的基本語句如下：$GPGGA,(2),M,M,*CC(LF) UTC 時間 hh:mm:sss（時:分:秒）格式 緯度 ddmm.mmmm（度分格式） 緯度半球:N（北緯）或 S（南緯） 經度 dddmm.mmmm（度分格式） 經度半球:E（東經）或 W（西經） GPS 狀態：0=未定位，1=非差分定位

13、，2=差分定位，6=正在估算 正在使用的用于定位的衛星數量（0012）GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 HDOP 水平精度因子（0.550.0） 海拔高度（-9999.999999.9） 地球橢球面相對大地水準面的高度 差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數，如果不是差分定位將為空） 差分站 ID 號00001023（前面的 0 也將被傳輸，如果不是差分定位將為空）GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 3) $GPGSA (當前衛星信息)$GPGSA,*CC 模式，M=手動，A=自動 定位類型，1=沒有定位，2=2D 定位，3=

14、3D 定位 正在用于定位的衛星號（0132） PDOP 位置精度因子（0.050.0） HDOP 水平精度因子（0.050.0） VDOP 垂直精度因子（0.050.0） GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 4) $GPRMC( 推薦定位信息:Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data) $GPRMC 語法如下： $GPRMC,*CC UTC 時間，hhmmss（時分秒） 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位 緯度 ddmm.mmmm（度分） 緯度半球：N（北半球）或 S（南半球） 經度 dddmm.mmmm（度分）

15、 GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 經度半球：E（東經）或 W（西經） 地面速率（000.0999.9節） 地面航向（000.0359.9 度，以北方為參考基準） UTC 日期，ddmmyy（日月年） 磁偏角（000.0180.0 度，GB10，GM10 以空值代替） 磁偏角方向：E（東）或 W（西）（GB10，GM10 以空值代替） 模式指示（A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數據無效，GB10，GM10 為空值）GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 5) $GPVTG(地面速度信息: Track Made Good and G

16、round Speed) $GPVTG 的基本語法如下： $GPVTG,T,M,N,K,*cc 以北方為參考基準的地面航向（000359 度，前面的 0 也將被傳輸） 以北方為參考基準的地面航向（000359 度，GB10，GM10 為空） 地面速率（000.0999.9節） 地面速率（0000.09999.9 公里/小時） 模式指示（A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數據無效）GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 6) $GPGLL(定位地理信息: Geographic Position) $GPGLL 的基本語法如下：$GPGLL,*CC 緯度 ddmm.m

17、mmm（度分格式） 緯度半球:N（北半球）或 S（南半球） 經度 dddmm.mmmm（度分） 經度半球:E（東經）或 W（西經） UTC 時間:hhmmss（時分秒） 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位 模式指示（A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數據無效）GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 7) $GPZDA (當前時間信息) $GPZDA 的基本語法如下： $GPZDA,*CC UTC 時間: hhmmss (時分秒) 日 月 年GPS模塊的應用編程1. GPS模塊數據通訊協議模塊數據通訊協議 (4) NMEA協議的校驗從前面NMEA協議的語法規則中我

18、們可以看到，每一句NMEA語句的最后面那個字節是該語句的校驗字節，舉例如下：$GPVTG,000.0,T,0.0,N,0.0,K,A*40 $GPZDA,101824.001,23,08,2006,*54 在上兩個NMEA 語句中,十六進制數40,54就是整條語句的校驗和,計算方法為：整條語句中，$和*中間所有數據的ASCII碼的異或(不包括$和*)。GPS模塊的應用編程2. GPS模塊的應用編程示例模塊的應用編程示例 GPS模塊編程核心是一段串口接收程序，CPU采用Winbond公司W77E58A，使用串口0和GPS模塊通訊，C51編程示見GPS_Serial0.C。GPS模塊的應用實例1. GPS模塊的應用實例汽車軌跡記錄儀模塊的應用實例汽