一种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验

1、第1期餐真春.等：-种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验 87 计算机测St与控制.2005.13 (1)Computer Measurement & Control文章编号：1671-4598(2005)01-0086-03中图分类号：TP274文献标识码：B第1期餐真春.等：-种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验 87 第1期餐真春.等：-种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验 87 一种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验龚裏乐，宋轨琢，李年，畀渡(浙江大学控制科学与I.程学系，浙江杭州310027)摘娶：购买现成的差分GPS (DGPS)设备可以直接进行差分定位但设

2、备昂贵。简述了差分GPS (DCPS)定位原理以及 RTCM SC-104数抿格式及其电文编码。提出利用普通的CPS-OEM板建立差分GPS定位系统的设计方案。试验表明.这种 差分CPS定位系统可以提供25m的平面定位精度.只具冇设备简单、适价低及实用灵活等优点。关住词：基分GPS(DGPS)；定位系统；RTCM SC-104； OEM板；辂度Design and Test of a Low Cost DGPS Positioning SystemGong Zhenchun, Song Zhihuan, Li Ping, Han Bo(Department of Control Science

3、 and Engineering. Zhejiang University, Hangzhou 310027. China)Abstract: The purchasable differential GPS equipnient can be positioned, but the cost of the equipment is higher. The differential GPS (DGPS) posilionirg principle is introduced, and RTCM SC-104 message content is also described. The desi

4、gn scheme of the pseudo-range differential GPS positioning system bailed on GPS-OEM is proposed. Test result shows that the positioning precision by this DGPS positioning system can reach to 2-5 mctcra; also, it is low cost and flexibleKey words: difTerenlial GPS； positioning system; RTCM SC-104； OE

5、M； precision第1期餐真春.等：-种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验 87 第1期餐真春.等：-种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验 87 0引言GPS定位技术的不断发展和使用的普及，用户对 GPS定位的梢度熨求越来越高。GPS提供的箱密定位服务 （PPS）是指定为美国核准的军方用户和选定的政府部门用户 使用的，而对于普通用户只能使用标准定位服务（SPS）,即 使在中止选择可用性（SA）技术后，SPSfi?度在水平面上町 以达到±25 m左右（95%的假信度），但仍然满足不了某些用 途的需耍。羞分GPS定位技术可使定位精度达到m级英至 cm级.因此得到了广泛的应用

6、叫国际梅事无线电技术委员会（RTCM）于1983年为差分 GPS业务设立了 SC-104精别委员会.并制定了差分GPS数 据标准格式。目前各GPS厂家生产的GPS接收机，除了编制 自己的专用格式外.基本上都具有符合RTCM SC-104标准格 式的差分数据接口。购买现成的差分GPS设备可以立接进行 差分定位.但由于目前能发送RTCMSC-104电文的差分GPS 设备，大都是从国外进口的，价格十分昂贵。而CPS-0EM （原始设备制造商）板价格便宜.一两千元就能买到，使用起 来也比校灵活。本文利用普通的CPS-OEM板设计的差分 GPS定位系统同样可以达到较高的定位粘度.平面定位箱度 为2-5

7、m.能满足一般用户对定位精度的宴求.且貝有设备 简单、造价低及实用灵活等优点。收稿日期：2004-05-01 ；修回日期：2004-05-26°作者简介：龚冀存（1973T.男.甘朮省景泰人研究生.主8?从 瑕GPS与惯件导航定位技术方向的研丸。宋执环（1962-）.教授.IW士生导帅.主要从事口动聞试技术、 智能控制等方向的研究n1差分GPS定位原理及RTCM SC-104电文很据差分CPS基准站发送的信息方式，通常将差分GPS 分为位置差分、伪距差分和銭波相位差分三种。这3类差分 方式的工作原理是相同的.即都是由基准站发送改正数.由 用户站接收并对其测虽结果进行改正.以获御梢确的

8、定位结 果。同时.采用差分GPS定位技术可以消除系统中共有的浜 差.如卫星钟误差.星历谋差、电离层渓叢、对流层误差等. 进而达到提高轴度的日的。所不同的是，发送改正数的貝体 内容不一样.其差分定位轲度也不同。位置羞分要求基准站 与用户站观测同一组卫星.具有很大的局限性;载波相位左分 精度很高，但实时应用性不高：而伪距筮分只要求基准站与 用户站同时观测到的卫星大于或等于4颗就可以完成“目的， 这是应用最广泛的一种差分方法宙。本文中介绍的差分CPS 定位系统也是采用伪距差分这种方法。L1伪距差分GPS定位原理在坐标精确已知的辜准站上.安装GPS接收机.测虽岀 全部卫星的伪距和收集全部卫星的星历，利

9、用已采集到的轨 道参数，计算出卫星在某一时刻的瞬间位置由 于基准站的坐标辅确已知这样利用卫星和基准站 的坐标就可以计算出卫站的貢实距离 尿也心匚my临笏（1）式中，上标i表示第i颗卫星。由于轨道误差、电离层误差和对流层误差等形响.慕准 站GPS接收机貢接测足的伪距存在着谋差与真实距离不 同.两者之间的羞别就是伪距改止数：羽=尺节（2）同时，可求出伪距改止数的变化率：沁基准站将S'和切'传送给用户台，用户台对测区出的伪 距进行修1E.求岀改正后的伪距：叱".缺*讪IJ（4）利用改止后的伪距.可以计算出用户台的坐标：% = /f+C-dr+p二 V（Xj-Q+（yjM+（

10、Z*-Z）2 +c-dr+p式中，加为接收机钟差.C为光速 V为接收机噪声。 在式（5）中已经基本上消除了卫用.用历误差、卫星钟谋 痉.电离层误差和对流/2谋左.用户接收机利用改正后的伪 距进行定位解算，可以得到更梢确的定位结果。伪距范分的优点是：埜准站提供所有卫星的改正数.用 户接收机观测任意4颗卫址，就町以完成定位。因提供的是 3和卡改正数.可満足RTCMSC-104标准叫1.2 RTCM SC-104 电文格式现行的DCPStt据链发送的DGPS数据般都采用RTCM SC-104电文格式，而普通的廉价CPS-OEM板没有这种电文 格式的输出功能。因此需要将DGPS数据按RTCM 增加.并

11、用于验证林同步；輔长度是识別E-W的开始所必 须的，因为惋长度是圈秆电文类型和所接收的卫斥数而变化 的；3bii台站健康状况畏供对差分差错的佔计.厳后8bii捉 供奇偶校弱"口前廉个RTCM SC-104格式共有21类63种电文类帀. M；中第1类电文是应用广泛血成熟的DGPS数据格式°它何 含墓霑站观测到的所冇卫星的数值.包括所观测的卫星号 1D、伪距改正数、伪距率改止数和数据发布R期等。2基于GPS-OEM板的差分GPS系统的设计XI差分GPS系统硬件组成夬国Garmin公词生产的型号为CPS25IT的GPS接收 机OEM板是一个12逋逍的C/A码单蕨接收。它有2个 R

12、S232申行数据通信接口，分別提供ASCII码导航电文输 出和二进制的原始测按数据输出.可进行单机定位和差分 定位。GPS25LP接收机在经过止确的设践后，可以作为基 准站和用户站CPS接收机使用 。利用两个GPS25LP型 CPS-OEM板和其它相关设备构成的差分GPS定位系统如 图2所示。第1期餐真春.等：-种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验 87 图2蘇于GPS-OEM板的羞分GPS累统腿图SC-1O4电文格式进行编码后，通过DCPS数据链 发送给用户。RTCM SC-1O4电文格式保留了 CPS电文的字 长、字格式、奇偶校验規则和一些其它轄性，两 Q 种格式的主要差别在于CPS电

13、文格式中各个子帧 的长度是向定的，而RTCM SC-104电文采用可变冋二7 长度的格式。毎一檢电文中的前两个30bit字符 也晋 构成报头倍息.每一桢为N+2个字长，N中包含击|电文中的数据，并随电文类別及其内容而改变。I' 每一领的前两个字码适用于所有类型的电文：参 考站信息、用户主械同歩用的参考时间和信息。图1表示出了其具体内容第1期餐真春.等：-种低成本的差分GPS定位系统的设计与实验 87 H电文羽11«d1 1 1 1 1 1 111 1 111 1 1 1 1 1 11 11 11 1 1引号于电文次載|4 墓冷站WW1C 24力價校购30(0110110)r（

14、碱识刘电文?匸字田HH正的Ziltt序号祯长度台站建 拿状滋I I1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1I I|lllii1316212430图1 RTCM SC-104 DGPS报头格式示意图报头的第一字包含有8bit同步头，由固定序列0110110组成，后面跟着的是帧识対它能识别出64种可能电文类?0中的哪一种；其次是lObil台站识別以识别出基准站，最后8 bit是奇偶校验位。报头第二字的前13 bit （修改后的Z计数）包含电文的时间峯准；厉面跟着3bit序号.它按毎个緬整个養分定位系统主姿由电源、GPS-OEM板、中央处理 单元、无线调制解调器、译码时序单元、解码时序瑕元及接

15、 【I转换等模块组成。墓洼站输出差分GPS改正数.包括GPS 时间和所有已跟踪卫星的卫星号ID、伪距改正数.伪距率改 正数、数据发布日期等；用户站接收发送来的差分改正数并 完战相应的定位计算。各对应模块主耍完成以下功能：（1）基 准站GPS测区数据的接攻；（2）杀分改正数的计算；（3）垄 分改正数以RTCM SC-104电文格式编码；（4） DCPS数据链 发送上分改止数；（5）凫户站接收差分改正数并解码；用 户站GPS测笊数据接收：（7）利用改正后的伪距进行定位解 算，获得最终成果。在使用Garmin GPS25LP的GPS-OEM作为基准站和用户 GPS接收机时，需要对接收机作必要的初始化

16、工作.包括接 收机工作在差分模式下的设定；输入基准站的梢确坐标和用 户站的槪略坐标.如经度.纬度和髙度.2.2差分GPSM统软件组成因为只有RTCM SC-104电文才能被GPS接收机接收和 解码，因此慕个系统软件的中心部分是将差分改止数据以 RTCM SC-104电文的格式进行编码，然厉通过DCPS数据 链发送给用户站.用户站接收到差分改正数厉.经过解码 88 计算机测册与控制第1期才能参与导航或定位解算.系统软件的其它部分.这里不 再论述。本文主耍给岀RTCM SC-104电文解码的程序实现 过程。RTCM SC-104电文是由二进制编码的数据流组成°毎 类RTCM SC-104

17、电文，均包含N+2个30bii的字符。毎 个字符分解为5个6bit的字节冷 这样可允许在标准计算机 UART间串行传送。如果所用的UART提供的8bit字节.则 必須从通信缓冲器中读取后，立即去掉两个赧高位(MSB)。 在电文中最高位(MSB)标志为di,最低位(ISB)标为 d30这林dl6包含在字节1中.d25d30包含在字节5 中，字节5为奇偶校验码用于检验接收到的RTCM SC- 104数据。RTCM SC-104电文格氏夹用6/8 (l-6t 1为ISB)进行 数据传送.7设置为标志位，8设匱为空格。这种编码规则 对RTCM 7节而占在卜进制54-127之间有效.凡人于127 和小于

18、64的字节对RTCM均无效。由于UART为约定的非 同步通讯.首先发送或接收LSB。每一个字节在发送前要完 成“滚动”.这样在效果上保持了 RTCM电文的逻辑序列. 因此.在发送媒介中为MSB优先意味若在接收机中的字 节不能滚动(再次滚动)。.滚动”的含义为bitl和6、bit2 和5、bit3和4进行互换糾。RTCM SC-104电文解码流程图 如图3所示。图3 RTCM SC-104电文解码叛程图3实验结果依据差分定位模型、RTCM SC-104电文编码和解码过 程.利用这种羞分定位系统进行了多次实验°试验时基准 站天线位置为经度120.081 925。纬度30.299 705%

19、差分改 正数的更新率为阳于篇福，现仅给出某一次的KTCM SC-104电文解码结果(表1)及部分实验数据的统计结果 (表 2)。表】RTCM SC-JO4电文内容解码实例电文字头辭码：引导字：01100110等级心GPS卫 星编号伪跑改 正数(m)伪距变 化率(m/y)电文类5Jhl015+29.54-0.056甚准站编号：1001131-14.12-0.412修 1EZ 计数：2553.6027+30.46*0.080序列号：0019+40.56+0.230祯长度12007-51.12>0.030皐准站健康状况：0002-12.36+0.076«2菱分DGPS实验數据统计经度

20、均值纬度均值水宜定位滾竝大小水平定位谋痊(° )(° )均值(m)方差(m120.087 56930.294 5893.1023.451注：轿度等级分0、1術个等级，用来表示伪距改正数 的辅度和伪距率改正辅度。由衣1的解码结果可以看出，对基准站GPS接收机 所发送的RTCM SC-104电文进行的解码获得了満意的成表2的统计结果衷明.该菱分定位系统的定位帝度在2 5m以内.较差分前的廉机定位精度提岛了很多。4结束语利用普通的CPS-OEM板设计伪距差分GPS定位系统 时，关键是将差分改正数以RTCM SC-104电文标准格式进 行正确编码和解码。另外.当系统中有大fit用户

21、同时使用 DGPS数据链路时，还应考戎数据链路的传输速率和传输时 间.以满足定位的实时性要求。本文设计的差分GPS定位 系统.其平面定位辅度为2-5 m.可満足一般用户对定位精 度的嬰求。同时.该系统又具有设备简单、造价低廉和使用 灵活等待点°參考文駅：(1) 邱致和，土万义.GPS原理与应用M.北京：电子工业出版社.2002.2 族绍锥张华海.CPS测fit原理及应用M武鬥：武汉大学出版 社 2003.李洪涛许国昌GPS应用程序设计M)北京：科学出版社,1999.4 王广运郭兼义羞分GPS定位技术与应用(M).北京：电子工业 出版社.1996.5 GARMIN CPS25IP scries GPS sensor boards technical speciGcati