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。

参考文献

1王惠南．GPS导航原理与应用．北京：科学出版社，2003

2江思敏，刘畅．TMS320C6000 DSP应用开发教程．北京：机械工业出版社，2005

3高洪民，汪渤．DGPS导航定位系统的设计实现．仪器仪表学报，2002；（6)