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1.作品简介:GPS定位系统的历史背景以及作用
GPS系统最主要的作用其实就是定位,说的直接一点,所谓GPS就是无线电导航装置.
常规的导航装置其实就两大类,陆基和星基。原理很简单,地球本身存在微弱的地磁场,通过精妙的装置检测出地球的磁北极和磁南极从而实现定位。不过这里需要注意磁北磁南和真北真南的区别。
由于本人长期从事船舶电子类产品开发,有幸接触到很多的船用定位装置,比如说磁罗经,电罗经,海图仪等,所以对这一块稍微有点心得。
下面开始正式说说GPS的产生的背景,由于活动本身时间很充裕,所以我准备讲的细一点。
其实在上文所说的定位装置,比如说指南针,磁罗经,电罗经等,它的使用有局限性。首先地球磁场本身由于经纬度不同,磁场强度也不同。
其次由于地球本身的磁场很微弱,指南针等装置会受到各种外界磁场的干扰,造成方向定位角度偏差很大.
第三,指南针,磁罗经等本身的校准很繁琐,需要专人校验,这类人员,业界称为磁罗经校正工程师。以前我也花了一点时间学习磁罗经的校正,口诀很简单,东东上,西西下等,好久不摸索了,早忘光了。
第四,指南针,磁罗经这些装置本质上实现的还是二维定位,如果想精确定位,可能还需要海图仪等。本身二维定位就有其局限性,测量距离什么的还可以,但是测量方位,空间坐标那就没有办法了。
    介绍了GPS系统的前身以及技术背景,下面就说说它的作用吧。
    GPS系统的作用很简单,就是定位,大至上分为四类,陆用定位,航空定位,空间引导,航海定位。
    GPS的优点很多,首先就是精确定位,在水平坐标内,至少需达到22m,精度95%,垂直平面内27.7m,精度95%.其次需要实现全球覆盖,连续/全天候工作。
第三,快速定位,能为客户端提供迅捷的定位服务。
第四,抗干扰能力强,不受外界电磁等杂散信号的干扰,鲁棒性强。GPS系统的优点基本就这么多了。
接下来说说GPS系统的组成。
GPS系统本身非常复杂,但是大至可以分成三个组成部分,空间部分,地面控制部分和用户设备部分。
    空间部分主要由星座和卫星组成.GPS星座由安排在6个轨道面上的24颗卫星组成,21颗正式工作卫星+3颗活动备用卫星.6个轨道面平均轨道高度为20200km,轨道倾角55゜,周期11h58min.保证24小时内在高度角15゜以上能同时观测到4至8颗卫星。GPS卫星的主要作用是发送用于导航定位的信号,特殊用途包括通讯,监测核暴等。
    刚开始的思路是直接通过单片机控制GPS接收机装置,实现卫星定位,然后就没有然后了。后来想了想,觉得还需要将GPS卫星系统的大至功能以及组成部分帮助大家梳理一遍。在很多电子工程师眼里,GPS接收模块其实就是个串口通信装置而已,这样的理解是否太简单了?
    昨天讲到GPS的空间部分,今天讲讲GPS系统的地面控制部分以及用户设备部分。
    GPS地面控制部分组成包括:主控站(1个),跟踪站(5个),注入站(3个)。
    GPS地面控制部分主要用于监测和控制卫星运行,编算卫星星历(导航电文),保持系统时间等。
    其实说的通俗一点,GPS地面控制部分相当于人体的大脑,用于监测空间卫星的各项指标参数,同时指挥控制卫星的各种动作。
    接下来说说GPS系统的用户设备部分.这部分是大多数工程师真正关心的地方。
    GPS系统的用户设备部分相对比较简单,主要由接收单元,天线单元,供电单元组成。
    另外一个大家比较关心的就是GPS系统的通信协议。GPS系统采用的是NMEA数据格式码,何谓NMEA数据码呢?
    NMEA是一套定义接收机输出的标准信息,有几种不同的格式,每种都是独立相关的ASCII格式,逗点隔开数据流,数据流长度从30-100字符不等,通常以每秒间隔选择输出,最常用的格式为"GGA"格式,它包含了定位时间,纬度,经度,高度,定位所用的卫星数,一般还包括速度,跟踪,日期等。
    GPS系统的前世今生以及整体架构和用途已经讲解完成了,后面开始正式动手制作实物。
    开始正式动手制作,希望通过我的介绍让大家对于GPS系统有一个全面的认识。
接下来就是实物的制作调试.
    目前的步骤大至分为四步,第一步系统架构,包括硬件架构和软件架构,第二步原理图绘制,第三步万用板搭电路,第四步程序编写,第五步电路测试,第六步PCB板绘制。
    目测三个月的时间做这款项目绰绰有余,接下来就是按照自己的计划按部就班的往前推进。
将GPS系统的框架以及原理部分完成.
    系统框图如下:


    刚开始电源部分是不准备做的,想直接通过电脑USB口实现供电,但是考虑到这款电路可以适应不同的供电环境,所以将供电部分整的稍微复杂一点。
    该GPS系统可以通过220V市电取电,也可以通过锂电池供电,方便携带,还可以直接通过USB接口供电。
    目前220V市电供电方案,准备采用反激电源拓扑实现,锂电池充电管理这一块通过buck型开关电源模式,至于说单片机的5V供电系统则采用通用的MC34063方案。
    另外显示模块采用LCD12864,GPS采用NEO-6M模块,单片机采用STC89单片机,刚开始准备采用STC12系列的单片机,手头上正好有几片STC89系列的单片机,那就用现成的模块吧。
    先把原理图传上来,共享给大家.原理图分两大部分,弱电控制部分以及强电控制部分.
弱电控制部分


    强电控制部分原理图


    弱电控制部分以及强电控制部分仅仅是把初步原理图绘制结束,至于关键节点的元器件选型及计算还没有抽出时间来做,后面会一一将计算的方法以及步骤共享给大家。
    刚开始仅仅想把弱电控制搭出来和大家分享分享,不过觉得仅仅玩数字电路以及现成的模块没有什么意思,于是加入强电控制单元,也就是一个小小的反激电源,将市电220V转为DC12V供给后面的弱电部分。


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