GPS－OEM GN－77N原理与数据采集系统应用

      关键词：GPS定位； GPS同步； GN－77N

      1. 概述

    GN－77N是日本古野公司生产的GPS(Global Position System)OEM(Original Equipment Manufacturer)接收板，该接收板为并行8通道接收机，可同时跟踪8颗卫星，定位速度快、功耗低、体积小、重量轻，除提供NMEA－0183标准格式的GPS信息外，还提供秒脉冲1PPS (One Pulse PrSecond)。该秒脉冲的上升沿与协调世界时(UTC)同步，精度为UTC±400ns。本文介绍的电路，就是利用该秒脉冲(1PPS)使不同地点的数据采集系统同步地工作。由于每个数据采集系统均配有GPS－OEM，故仪器间的距离和同步的仪器数量不受技术条件的限制。该技术已成功应用在遥测阵列天然场电磁法技术系统中。

      2. 特点及主要技术指标

    2.1 结构特点

    GN－77N GPS－OEM接收板具有如下特点：

    ●定位迅速：由于该OEM为并行8通道接收机，可同时跟踪8颗卫星，因此定位速度很快；

    ●授时精度高：授时精度优于400ns。没有误差累计；

    ●体积小、重量轻：只有名片的2/5大小，重量仅38克；

    ●重捕获能力强：仅1.6s；

    ●功耗仅500mW。

    2.2 主要技术指标

    GPS－OEM接收板GN－77N的主要技术指标如下：

    ●接收通道：8通道并行接收；

    ●跟踪卫星数：8颗卫星同时跟踪；

    ●接收频率：1575.42MHz；

    ●接收灵敏度：-133dBm；

    ●输出协议：NMEA-0183；

    ●数据更新率：1s；

    ●同步脉冲：1PPS精度时优于400ns；

    ●差分输入：RTCM－SC104格式；

    ●实时定位精度：26mRMS(S/A ON)；

    ●差分后精度：3mRMS；

    ●首次定位时间：自动初始化：<120s，冷启动：<40s，热启动：<12s；

    ●重捕获时间：遮挡10s：<1.6秒，遮挡1m：<5s，遮挡10m：<10s；

    ●环境要求：工作温度：-30～＋80℃，存贮温度：-40～＋85℃，湿度：20～90％；

    ●电源电压：5V±5％，电流：100mA，功耗：0.5W。

      3. 引脚功能

    该接收板的引脚排列如图1所示，各引脚名称及其含义如下：

    RD1:数据输入1，格式：NMEA－0183；

    TD1：数据输出1，格式：NMEA－0183；

    GND：地；

    VCC：电源，5V±5％；

    VBAK：后备电池，2.5～5.5V；

    1PPS：1秒脉冲输出；

    VANT：天线供电，5V±5％；

    RD2：数据输入2，格式：RTCM－104；

    TD2：数据输出2，格式：RTCM－104。
 
      4. 软件接口

    4.1 软件协议

    GN－77N提供基于NMEA－0183版本2.0(National Marine Electrolnics Association，即美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式)和RTCM－104版本2.0(Radio Technical Commission for Maritime，即国际海运事业无线电技术委员会为全球推广应用差分GPS业务制定数据格式标准)标准的软件接口。

    GN－77N提供11条接收语句和16条发射语句。接收语句用于接收用户发送的历书信息、OEM初始化信息、OEM配置信息和OEM输出语句使能控制等。发送语句输出GPS历书数据、GPS固定数据、GPS星座几何精度因子、可视GPS卫星状态、当前位置的地理坐标和OEM状态信息等。

      4.2 秒脉冲输出

    GN－77N提供高精度的秒脉冲输出，可用于需要高精度定时服务的测量系统。该信号在初次定位后产生，一直持续到电源关闭，其上升沿与每一GPS秒的上升沿同步。本文论述的电路就是用该脉冲(1PPS)来实现定时和同步的。

      4.3 NMEA－0183数据格式

    NMEA－0183是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式。它是在过去海用电子设备的标准格式0180和0182的基础上，增加了GPS接收机输出的内容而完成的。目前广泛采用的是Ver 2.00版本。现在除少数GPS接收机外，几乎所有的接收机均采用了这一格式。为了有效地开发GPS－OEM芯片，必须熟练掌握这一格式。因此，下面介绍两种最常用的GN－77N输出语句格式。

    a.GPS固定数据输出语句(＄GPGGA)

    这是一帧GPS定位的主要数据，也是使用最广的数据。

    为了便于理解，下面举例说明＄GPGGA语句各部分的含义。例1是用GN－77N和笔者开发的软硬件接口，在笔者所在地接收到的＄GPGGA语句的内容。

    例1：＄GPGGA，050901，3931.4449，N，11643.5123，E，1，07，1.4，76.2，M，－7.0，M，，＊65

    其标准格式为：

    ＄GPGGA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M，(10)，M，(11)，(12)＊hh(CR)(LF)

    各部分所对应的含义为：

    (1)定位UTC时间：05时09分01秒

    (2)纬度(格式ddmm.mmmm:即dd度，mm.mmmm分)；

    (3)N/S(北纬或南纬)：北纬39度31.4449分；

    (4)经度(格式dddmm.mmmm：即ddd度，mm.mmmm分)；

    (5)E/W(东经或西经)：东经116度43.5123分；

    (6)质量因子(0=没有定位，1=实时GPS，2=差分GPS)：1=实时GPS；

    (7)可使用的卫星数(0～8)：可使用的卫星数=07；

    (8)水平精度因子(1.0～99.9)；水平精度因子=1.4；

  　  (9)天线高程(海平面，－9999.9～99999.9，单位：m)；天线高程=76.2m);

     (10)大地椭球面相对海平面的高度(－999.9～9999.9，单位：m):－7.0m;

     (11)差分GPS数据年龄，实时GPS时无:无;

     (12)差分基准站号(0000～1023)，实时GPS时无:无;

    ＊总和校验域；

    hh 总和校验数:65

    (CR)(LF)回车，换行。

      b.可视卫星状态输出语句(＄GPGSV)

    例2：＄GPGSV，2，1，08，06，33，240，45，10，36，074，47，16，21，078，44，17，36，313，42＊78

    标准格式：

    ＄GPGSV，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，…(4),(5)，(6)，(7)＊hh(CR)(LF)

      各部分含义为：

    (1)总的GSV语句电文数；2;

    (2)当前GSV语句号:1;

    (3)可视卫星总数:08;

    (4)卫星号:06;

    (5)仰角(00～90度):33度;S

    (6)方位角(000～359度):240度;

    (7)信噪比(00～99dB):45dB(后面依次为第10，16，17号卫星的信息);

    ＊总和校验域；

    hh 总和校验数:78;

    (CR)(LF)回车，换行。

    注：每条语句最多包括四颗卫星的信息，每颗卫星的信息有四个数据项，即：

    (4)－卫星号，(5)－仰角，(6)－方位角，(7)－信噪比。

      5. GPS同步原理及实现

    5.1 同步原理

    GN－77N定位后，每秒输出一与TTL电平兼容的秒脉冲1PPS(One－Pulse－Per－Second)，该秒脉冲的上升沿与协调世界时(UTC)同步，其精度为UTC±400ns。在输出秒脉冲1PPS的同时，在其TD1引脚还输出NMEA－0183格式的卫星定位信息。其中与定时/同步关系最为紧密的，就是当前的时间信息。GN－77N输出的秒脉冲1PPS与其TD1引脚输出的时间信息的对应关系如图2所示，图中time t表示当前时刻(t),time t－1表示前一时刻(t－1)。GPS同步就是利用该脉冲的上升沿和TD1引脚输出的时间信息的对应关系来实现的。

      5.2 实现电路

    图3所示为GPS同步实现电路，通过CPU的串行口读取GN－77N TD1引脚输出的时间信息数据，其格式为时分秒(hhmmss)，如123818(表示12时38分18秒)，并将其转换为以秒为单位的当前时间(设为 CurrentTime)，则CurrentTime=hh×3600＋mm×60＋ss秒。若设定启动时间为12时48分18秒，转换为以秒为单位的时间StartTime=12×3600＋48×60＋18秒，则距启动还有X=StartTime－CurrentTime秒。定时计数器8254用来对秒脉冲1PPS计数，以产生GPS同步信号。若把此数据(X)作为当前计数值送8254，并使门信号允许，则当计数器减到0时，其输出电平变为高，允许采样脉冲输出，从而达到同步的目的。

    6. 结论