1 GPS的基本介紹

    GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，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(wèi)星導航與定位系統(tǒng)[1]。其地面監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

                          
 

1．1 GPS定位原理

    GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖2所示，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下4個方程式：
 
      

       

    上述4個方程式中待測點坐標x，y，z和Vt0為未知參數(shù)，其中di=cti(i=1，2，3，4)。di(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星1，衛(wèi)星2，衛(wèi)星3，衛(wèi)星4到接收機之間的距離。ti(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星1，衛(wèi)星2，衛(wèi)星3，衛(wèi)星4的信號到達接收機所經歷的時間。c為GPS信號的傳播速度(即光速)。

    4個方程式中各個參數(shù)意義如下：

    x，y，z為待測點坐標的空間直角坐標。

    xi，yi，zi(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導航電文求得。Vti(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星1，衛(wèi)星2，衛(wèi)星3，衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。Vt0為接收機的鐘差。

    由以上4個方程即可解算出待測點的坐標x，y，z和接收機的鐘差Vt0。

    目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度低于10m，而為得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技術：將一臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據(jù)基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

1．2 GPS主要用途

    GPS性能優(yōu)異，應用范圍極廣?？梢哉f，凡是需要導航和定位的部門，都可以采用GPS。GPS的建成和應用，是導航技術的一場革命，影響深遠。其主要用途有：

(1)導航定位應用

    GPS是空中、海洋和陸地導航定位最先進、最理想的技術。他可以為飛機、艦船、車輛、坦克、炮兵、陸軍部隊和空降兵提供全天候連續(xù)導航定位。他是航天飛機和載人飛船最理想的制導、導航系統(tǒng)。為其起飛、在軌運行和再入過程連續(xù)服務。

(2)精密定位應用

    應用GPS載波相位測量技術，可以精確地測定兩點間的相對位置，為大地測量、海洋測量、航空攝影測量和地球動力學測量提供了高精度、現(xiàn)代化的測量手段。GPS已廣泛應用于建立準確的大地基準、大地控制網和地殼運動監(jiān)測網等。

(3)精密授時、大氣研究

    GPS用戶接收機通過對GPS衛(wèi)星的觀測，可獲得準確GPS時。GPS時與UTC時是同步的，因此GPS亦是當今精度最高的全球授時系統(tǒng)。一般接收機測時精度為100 ns；專用定時接收機可獲得更高的精度，用于遠距離時間同步可達ns級。由于UTC時有跳秒，故GPS時與UTC時有已知的整數(shù)秒差。利用GPS測定的電離層延遲和多普勒頻移延遲，可用來研究電離層的電子積分濃度、折射系數(shù)、電子濃度隨高度的分布，以及上述電離層參量在時間和空間上的相關性等。

(4)為武器精確制導

    應用GPS／INS組合制導系統(tǒng)時，GPS不斷修正導彈飛行中慣性導航誤差，提高制導精度，增強武器的"精確打擊"能力。在海灣戰(zhàn)爭中，GPS為提高武器的命中精度，發(fā)揮了巨大作用，故被稱為"效益倍增器"。

(5)航天與武器試驗中的應用

    GPS在各類航天器定軌和導彈、常規(guī)武器試驗中有著廣泛的應用。GPS可為各類衛(wèi)星測定精密軌道。用差分GPS完成飛船的交會和對接。在武器試驗中，應用GPS可精確測定彈道。他具有不受天氣條件、發(fā)射場區(qū)、射向、射程和發(fā)射窗口的限制；可實現(xiàn)連續(xù)、全程跟蹤測量，可跟蹤低飛和多個目標，且精度高、費用低。

    GPS還可用于飛行器姿態(tài)測量。姿態(tài)測量采用GPS載波相檢測量技術。在衛(wèi)星或其他航天器的適當位置上安裝多副天線，用GPS測定各天線的精確位置，從而確定航天器的姿態(tài)。

2 目標平臺介紹

    在本文中使用的目標平臺S3C2410是SAMSUNG公司使用ARM920T處理器內核開發(fā)的一款嵌入式處理器。S3C2410是SAMSUNG公司專門為PDA，Internet設備和手持設備等專門開發(fā)的微處理器。該芯片還包含有16 kB一體化的Cache／MMU，這一特性使開發(fā)人員能夠將Linux和VX-work移植到基于該處理器的目標系統(tǒng)中。

    該目標板的系統(tǒng)資源如下：

(1)CPU：S3C2410微處理器，工作頻率為200 MHz；

(2)FLASH：16 MB；

(3)SDRAM：64 MB SDRAM；

(4)UART：RS 232串行接口；

(5)其他：14針ARM JTAG接口等；

(6)液晶顯示屏。

    在目標平臺S3C2410上所選配的GPS模塊是GPS15L／H。接口特性如下：RS 232輸出，可輸入RS 232或者具有RS 232極性的TTL電平。可選的波特率為：300，600，1 200，2 400，4 800，9 600，19 200。GPS15與PC串口的連接見示意圖(圖3)所示。

    串口輸出協(xié)議：輸出NEMA0183格式的ASCII碼語句，輸出：GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG(NMEA標準語句)；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV(GARMIN定義的語句)。還可將串口設置為輸出包括GPS載波相位數(shù)據(jù)的二進制數(shù)據(jù)。輸入：初始位置、時間、秒脈沖狀態(tài)、差分模式、NMEA輸出間隔等設置信息。在缺省的狀態(tài)下，GPS模塊輸出數(shù)據(jù)的波特率為4800，輸出信息包括：GPRMC，GPGGA，GPGSA，GPGSV，PGRME等，每秒鐘定時輸出，如3所示。

                          
 

3 交叉編譯環(huán)境的建立及程序的實現(xiàn)

    基于Linux操作系統(tǒng)的應用開發(fā)環(huán)境一般是由目標系統(tǒng)硬件（開發(fā)板）和宿主PC機所構成[2]。目標硬件開發(fā)板用于運行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應用軟件，而目標板所用到的操作系統(tǒng)的內核編譯、應用程序的開發(fā)和調試則需要通過宿主PC機來完成（所以稱為交叉編譯）。雙方之間一般通過串口，并口或以太網接口建立連接關系。

3.1 燒寫Linux內核等

    通過串口，宿主PC機向目標開發(fā)板燒寫VIVI，經過裁減的Linux內核以及根文件系統(tǒng)等，然后安裝主編譯器Armv41-unknown-linux-gcc。

3.2 NFS服務器的配置

    在本文中宿主PC機上裝的是READHAT 9.2，他默認的是打開了防火墻，目標開發(fā)平臺無法用NFS mount。因此應先關閉防火墻，然后點擊主菜單運行系統(tǒng)設置→服務器設置→NFS服務器（英文為：SETUP→SYSTEM　SERVICE→NFS），點擊增加，在目錄（Directory）中填入需要共享的路徑，主機（Hosts）；中填入允許進行連接的主機IP地址[3]，并選擇允許客戶對共享目錄的操作為只讀（Read-only）或讀寫（Read/Write）。

3.3 配置MINICOM

    在Linux操作系統(tǒng)Xwindow界面下建立終端（在桌面上點擊右鍵→新建終端），在終端的命令行提示符后輸入MINICOM，回車，出現(xiàn)WINCOM的啟動畫面，然后按照提示設置即可。

3.4 編程和調試

    在此交叉編譯環(huán)境下，根據(jù)前面提到的GPS定位原理，經過編程和調試，在目標平臺的液晶顯示屏上可顯示本地的地理位置信息。

    注意，GPS的天線要放在能良好接受室外信號的地方，比如說窗臺等。否則可能接收不到信號。

4 結語

    本文介紹了GPS定位的工作原理及其在S3C2410上的實現(xiàn)方法，在車載GPS系統(tǒng)及其他導航系統(tǒng)中有很多的應用前景。