载波相位_教学型GPS单频载波相位测量仪的设计与实现
时间：2020-03-07 08:45:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：利用GPS（Global Positioning System）卫星发射的广播星历作为高频信号源，通过卫星天线和GPS模块及相关电路，自行设计装配GPS 单频测量仪，配合解算软件解决了铁道工程测量课程中卫星测量章节缺乏相关实训设备的问题。
关键词：GPS 单频测量仪
中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)12-0055-02
1、前言
自20世纪90年代,GPS定位系统先后在铁路航测外控测量、线路导线测量、桥隧控制测量得到应用;2000年以后,GPS-RTK技术开始用于勘测设计阶段的中线放样测量;到了2006年,随着我国高速客运专线铁路大规模投建,GPS在高精度控制网测量方面发挥了无可比拟的作用。GPS测量仪的使用成为了铁道工程测量课程中一项基本的技能，对于学生的培养有着十分重要的作用。由于价格比较贵，不便于学校的大规模购买，我们利用GPS（Global Positioning System）卫星发射的广播星历作为高频信号源，通过卫星天线和GPS模块及相关电路，自行设计装配GPS 单频测量仪，配合解算软件解决了铁道工程测量课程中卫星测量章节缺乏实训设备的问题。该仪器具有性能稳定，价格便宜、具体参数指标均达到市售同类仪器的水平，且方便与教学。
2、系统构成
本系统主要包括测量型GPS测量仪和运行于PC的软件环境共同构成，是一种价格低廉、功能指标合格的便携式工程测量教学仪器。测量型GPS测量仪由GPS有源天线、GPS通道板、单片机、显示屏、专用按键、电源等组成，其通过RS232串口协议与外部PC机连接，下载测量数据进行基线解算和网平差处理，从而完成测量教学作业。系统的主要构成如图1所示：
由于GPS数据采集主要在野外进行，工作环境比较恶劣，所以在系统设计中必须充分考虑到仪表的低功耗、稳定性等重要因素。在元器件选型中，全部选用低功耗的达到工业级应用环境的元器件。
3、硬件设计及实现
3.1 GPS通道板和有源天线
GPS通道板采Allstar型通道板。ALLSTAR OEM板是模块式GPS单频标准单板定位设备，采用单5V电源供电，以WGS-84坐标系作为地理参考系，其内部嵌有导航定位处理器(ARMP-60)及可扩展内存(EEPROM，FAST SRAM，FEPROM)，能支持62 种已定义的数据语句，具有快速软件执行速率，并可通过RS-232串行接口对存储在闪存中的导航解算软件进行更新或升级。ALLSTAR通道板具有12通道代码差分，完全集GPS接收、导航定位于一体。该板带有完整载波相位数据输出，能够跟踪L1频率的C/A码及载波相位，12个独立的并行相关通道用于跟踪全部GPS可见卫星，可同时跟踪1 2颗GPS卫星的导航信号，首次定位时间小于50秒，重捕获时间小于3秒，数据采样间隔1-60秒可调。各个通道该通道板和配套的有源天线技术指标已经符合本系统的测控精度。
3.2 单片机
单片机的主要作用是完成对系统的初始化后,接收OEM板的输出信息,并存到非易失存储器中，通过接口将接收到的数据传送给PC机中。考虑到功耗的问题，这里单片机选用TI公司的MSP430F147超低功耗16位单片机。该型单片机的功耗极低，系统资源相对丰富，支持在线JTAG仿真和调试，在电子智能汽、水表中应用非常广泛。其工作电压范围为1.8～3.6V；工作环境为工业环境温度。
3.3 GPS数据存储器
GPS数据存储器选用32Mbit Flash。目前主流的数据Flash存储器都采用SPI串行接口，所以硬件接口相对简单。本仪器采用的是Atmel公司的AT45DB321工业型Flash存储器。MCU的两个硬件串口已经被两个UART通讯口占据，所以本SPI串口需要软件模拟。
3.4 显示和按键
本系统的人机界面由3位LED显示管和两个按键组成。LED显示亮度高，适应的温度范围宽，按键采用普通无自锁的四脚按键。
3.5 电源检测和变换
GPS单频测量仪需要用到的电压包括：MCU系统需要的3.3V；通道板数字部分需要的5V电源；通道板模拟和天线部分用到的5V电源。为了保证系统稳定、高效的工作，电源系统必须支持宽的输入范围，电源反接保护，GPS闲置时的电源关断节能，电源测量和报警；电源电压到达关断门限时的自动关断和测量数据的自动保护；LED显示的自动关断等等功能。
为了达到高效的目的，电源变换全部采用开关电源模式。MCU系统用的3.3V电源采用Maxim的MAX1672，智能升压/将压型电源变换器。GPS通用道板电源采用两片MAX1674升压型电源变换器。电源检测包括三档：全满、中等、空。电源关断门限设在2.4V。GPS电源开关采用TI公司的TPS2023。考虑到测量仪主要供野外测量所用，所以选用较为低廉的三支干电池或者可充电电池作为电源，输入电源电压范围为2.4～4.8V完全满足设计要求。
4、数据处理
基线向量解算（baseline vector solution）是指在卫星定位中，利用载波相位观测值或其差分观测值，求解两个同步观测的测站之间的基线向量坐标差的过程。此前须进行数据预处理，剔除观测值中的粗差，即进行周跳的探测与修复。由于待定测站的近似坐标相对于基站的精度较低而影响卫地距及传播时间的计算，须逐次迭代不断提高测站近似坐标精度，以修正卫星信号发射时刻及相应的星历坐标，使整周待定值趋近于整数以获得良好的基线向量成果。有按单基线解算，和取用一测段内所有非基星相对于基星的双差观测值联合解算全部基线的两种方法。这里我们采用常用的差分观测值为双差观测值,即由两个测站(接收机)的原始观测值分别在测站和卫星间求二次差后得到的观测值。根据双差观测值的观测方程（需要进行线性化），组成误差方程后，然后组成法方程后，求解待定的未知参数其精度信息，其结果为：
待定参数：
待定参数的协因数阵：，
单位权中误差：。
通过初始平差，所解算出的整周未知数参数本应为整数，但由于观测值误差、随机模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，因此，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解，为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值。该运算都是通过计算机软件完成。
5、结果测试
将两台GPS接收机分别安装在超短基线上，基线长度5～10m，用鉴定后的钢尺量距，精度对中、整平，天线向标指向正北，观测一个时段（1.5小时）；然后固定一个天线不动，其它天线依次旋转90°、180°、270°，测三个时段；最后固定不动的天线相对任意一个天线依次旋转90°，测三个时段，分别求各时段基线值，其最大互差均小于1mm达到设计要求。在已知边长和座标的标准基线鉴定场测试中，天线指向正北，天线高量到1mm，采样率10秒，卫星截止高度角15。两台接收机同步观测1.5 小时，测试结果与基线长比较对中误差小于1mm；完全达到预期设计要求。
参考文献
[1]滕建萍.GPS在铁道工程测量中的认识误区.铁道勘察,2007.5.
[2]高洪民.汪勃12通道GPS接收机及其外围电路设计.设计天地,2002.
[3]刘大杰,施一民,过静君.全球定位系统(GPS)原理与数据处理,同济大学出版社,1996.
[4]郭海洋.GPS基线解算和质量控制.石油地球物理勘探,2001,12.
[5]吴城.GPS在控制测量中的应用.测量技术.2011.5.
[6]高玉平.许林生.王宏远.静态测量型GPS接收机的研制及其性能.陕西天文台台刊,2001.2.
推荐访问:测量仪 载波 相位 教学型GPS单频载波相位测量仪的设计与实现 载波相位测量原理 载波相位测量
