应用研究
教学型GPS单频载波相位测量仪的设计与实现
周慎程冲刘晓度
(武汉铁路职业技术学院湖北武汉430205)
摘要：利用GPS(GlobalPositioningSystem)卫星发射的广播呈历作为高频信号源，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量测量章节缺乏相关实训设备的间题。
关键词调：GPS单频测量仪
文献标识码：A
申图分类号：P228 1、前言
文章编号：1007-9416(2011)12-0055-02
12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
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(GlobalPositioning 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单额测量仪，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、功能指标合格的使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审口协议与外部PC机连接，下载测量数据进行基线解算和网平差处理，从面完成测量教学作业。系统的主要构成如图1所示：
显示、按键
电源检测、变换
GPS有源天线
单片机
PC机
数据存储
GPS通道板图一系统总体构成
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
3.1GPS通道板和有源天线
GPS通道板采Allstar型通道板。ALLSTAROEM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，FASTSRAM，FEPROM)，能支持62种已定义的数据语句，具有快速软件执行递率，并可通过RS-232申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，可同时限踪
万方数据
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。考虑到功耗的间题，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TAG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。
3.3GPS数据存储器
GPS数据存储器选用32MbitFlash，目前主流的数据Flash存绪器都采用SPI审行接口，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人范图，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，输人电源电压范围为2.4~4.8V完全满足设计要求。 4、数据处理
基线向量解算(baselinevectorsolution)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面影响卫地距及传播时间的计算，须逐次选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垒标，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显相对于基量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
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