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(shù)據(jù)的傳輸方法及設(shè)計方案，并就系統(tǒng)的組成給出了各部分硬件及軟件的具體實現(xiàn)方法，多次的試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計合理，數(shù)據(jù)傳輸時延小，定位精度滿足系統(tǒng)指標要求。

關(guān)鍵詞:：GPS接收機；數(shù)據(jù)傳輸；調(diào)制與解調(diào)

1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成與功能

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括無線電機載發(fā)送，地面接收兩部分，發(fā)送端是由GPS接收機、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、調(diào)制器及發(fā)射機組成；接收端是由接收機、解調(diào)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fā)送端

GPS接收機：啟動后將接收到的定位數(shù)據(jù)按設(shè)置的格式以異步串口(RS2232)形式輸出；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將收到的GPS接收機的異步數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為同步數(shù)據(jù)；調(diào)制器：把同步的GPS數(shù)據(jù)進行糾錯編碼，形成信道可傳輸?shù)腉PS基帶信號；發(fā)射機：將GPS基帶信號第二次調(diào)制經(jīng)功率放大器后由天線完成發(fā)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(diào)恢復出GPS基帶數(shù)據(jù)；解調(diào)器：對接收的基帶信號進行2dPSK解調(diào)恢復出同步的GPS數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：把同步的GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與發(fā)端波特率、幀格式相同的異步RS2232數(shù)據(jù)；PC機綜合顯示器：從來自數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器GPS數(shù)據(jù)中取出需要的定位數(shù)據(jù)處理后綜合顯示；

1.2 工作過程

GPS接收機的數(shù)據(jù)通過串口以115.2kb/s的波特率按RS2232異步通信格式送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為同步數(shù)據(jù)，加載到適當?shù)妮d波上，經(jīng)過差分相移鍵控(2dPSK)編碼調(diào)制成基帶信號送到發(fā)射機調(diào)頻。放大后通過天線發(fā)射出去，信號被地面接收天線感應后，經(jīng)高頻放大、混頻、鑒頻后，輸出基帶信號給解調(diào)板，通過同步跟蹤

解調(diào)出同步的GPS數(shù)據(jù)，再由地面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器恢復出異步的RS2232數(shù)據(jù)送給PC機，經(jīng)過位置解算處理后進行綜合顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用的GPS接收機是高動態(tài)10通道接收機每秒輸出10次定位數(shù)據(jù)(每100ms一幀)，且為異步串行數(shù)據(jù)，因此必須將其進行二次編碼形成可供信道傳輸?shù)男盘?，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?shù)臄?shù)據(jù)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(shè)為115.2kb/s，每字節(jié)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(shù)據(jù)，因為在每秒10組的數(shù)據(jù)包(即每100ms一幀數(shù)據(jù))中，定位數(shù)據(jù)是ASIC碼型，每個字節(jié)長度不定，也即每一幀數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)包長度不定，若每個定位數(shù)據(jù)為最大值，則按照該試驗系統(tǒng)設(shè)置，可得到最長的數(shù)據(jù)包為128B，那么在100ms內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)所需最大時間為10×128÷115.2k=11.1ms

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

8×128÷78.6432k=13ms

2.2 硬件設(shè)計

數(shù)傳系統(tǒng)的硬件設(shè)計總體分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與調(diào)制器、信道以及解調(diào)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換3部分：

2.2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與調(diào)制器

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)流，這兩路信號分別接到JK觸發(fā)器的時鐘與J、K端，將數(shù)據(jù)流進行差分后把數(shù)據(jù)和時鐘進行模2加，調(diào)制成2dPSK基帶信號。

2.2.2 信道

信道是由發(fā)射機、接收機及收發(fā)天線組成。發(fā)射機：中心頻率為2.2GHz，調(diào)制器采用鎖相調(diào)頻方案，基帶信號送入鎖相環(huán)路進行調(diào)頻，鎖相環(huán)采用大規(guī)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(shè)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(fā)天線：均為垂直極化方式的全向天線。

2.2.3 解調(diào)器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

解調(diào)器選用美國Lattice公司的集成芯片ispLSI1032E，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器仍采用AD公司ADLC824單片機完成。系統(tǒng)采用延時解調(diào)法恢復出同步的GPS定位數(shù)據(jù)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(diào)出同步數(shù)據(jù)流，其中延時器的時鐘由數(shù)字鎖相環(huán)提取，數(shù)據(jù)流經(jīng)過低通濾波器，與位時鐘分別接入CPU的SPI接口，在CPU內(nèi)部恢復出115.2b/s的異步定位數(shù)據(jù)并傳給PC機進行數(shù)據(jù)處理后綜合顯示。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括發(fā)端(機載)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件、收端(地面)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的接收與格式轉(zhuǎn)換。

3.1.1 GPS接收機初始化

對波特率、時間、高度等的設(shè)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(shù)據(jù)接收與格式轉(zhuǎn)換

設(shè)計思路是不改變GPS已有的幀格式，針對GPS數(shù)據(jù)每100ms一幀的特點，在其數(shù)據(jù)幀間隔處插入特征碼，GPS定位數(shù)據(jù)碼型為ASIC碼，且ASIC碼對應的最大十六進制數(shù)據(jù)不大于80H，所以特征字符選為85H。

3.1.3 串口收數(shù)

系統(tǒng)給GPS數(shù)據(jù)異步接收設(shè)置了192B的緩沖區(qū)，并設(shè)一個串口收指針(R0)，將接收到的定位數(shù)據(jù)逐次放入緩沖區(qū)中，每收一個字節(jié)，收指針R0加1。當緩沖區(qū)收滿(即R0=192)時清零

3.1.4 SPI口同步發(fā)數(shù)

首先設(shè)置好發(fā)數(shù)的時鐘78.6432kHz及波特率78.6432kb/s，將接收到的定位數(shù)據(jù)按照32B一幀，逐個字節(jié)發(fā)出，幀頭選EBH和90H。同步發(fā)數(shù)時設(shè)置一個發(fā)指針R1和一個字節(jié)計數(shù)器R2，每發(fā)一個字節(jié)發(fā)指針R1和發(fā)R2同時加1，R1=192時清零，R2=32時清零，因為發(fā)比收慢，所以當處于GPS數(shù)據(jù)包結(jié)束時，R0不再累加，發(fā)指針R1總會與R0針相等，這時在SPI發(fā)數(shù)時插入85H即可\"這些數(shù)據(jù)連同設(shè)置好的位鐘從CPU的SPI口的SDO及SCLK端輸送到調(diào)制器。

3.2 地面站軟件

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

4 結(jié)束語

經(jīng)多次試驗測定，系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)傳輸時延不大于30ms，小于GPS定位數(shù)據(jù)一幀(100ms)的時間，系統(tǒng)具有設(shè)計合理、定位準確、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點，可推廣應用于遠距離的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。

參考文獻

[1] 方群，袁建平，等.衛(wèi)星定位導航基礎(chǔ)[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，1999.

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