李仲陶 童瑞华
全球定位系统，又称GPS（Global Positioning System），是新一代的导航定位系统。它能够为全球任意地点、任意多个用户同时提供高精度、全天候、连续、实时的三维定位、测速和时间基准，它在测绘和导航方面具有广泛的应用。在实际应用中，往往需要将GPS定位信息进行分解并提取出我们所需要的有用数据。一个典型应用是这样的：通过RS232串口将GPS输出的数据传递给计算机，计算机主程序获得目标当前的位置（经纬度坐标、海拔），然后再将当前位置显示在电子地图上。在此，如何获得当前的位置是系统的关键。在实际开发中，需要将接收机获得的GPS数据进行分解从中得到目标当前的位置和格林威治时间（该时间加上8小时即为我国标准时），由于GPS使用的坐标系WGS－84与我国采用的坐标系不同，因此还需要将经纬度坐标进行坐标变换使其适应当地坐标系。
GPS接收机原理
GPS接收机主要由GPS接收机天线、GPS接收机主机及电源组成。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。图1为GPS接收机原理图。
图1 GPS接收机原理图
1. 变频及中频放大器
经过GPS前置放大器后的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。
2. 信号通道
信号通道是GPS接收机的核心部分，GPS信号通道是软、硬件结合的电路，不同类型的接收机其通道是不同的。GPS信号通道的作用可概括如下：
（１）搜索卫星，牵引并跟踪卫星；
（２）对基准信号，即广播电文数据信号实行解扩、解调得到广播电文；
（３）进行伪码测量、载波相位测量及多普勒频移测量。
从卫星接收到的信号是扩频的调制信号，要经过解扩、解调才能得到导航电文。为达到此目的，在信号通道电路中设有伪码跟踪环和载波相位跟踪环。
3. 存储器
接收机内设有存储器以存储一小时一次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观察值、载波相位观察值及多普勒频移。目前，GPS接收机都装有半导体存储器（简称内存），如Trimble 4000 SSE带有8M内存，以15秒1次的数据采样率可以存储5颗卫星、双频观测19小时的数据，若1秒1次数据采样率可以存储2小时的数据。接收机内存储的数据可以通过数据接口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。在存储器内还装有多种工作软件，如：自测试软件，天空卫星预报软件，导航电文解码软件，GPS单点定位软件等。
4. 微处理器
微处理器是GPS接收机工作的灵魂，接收机工作都是在微处理器统一协同下进行的。其主要工作步骤为：
⑴接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检，并测定、校正、存储各通道的时延值。
⑵接收机对卫星进行搜索、捕捉卫星。当捕捉到卫星后，即对信号进行牵引和跟踪，并由基准信号译码得到GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预制位置更新率计算新的位置。
⑶根据机内存储的卫星星历书（若是新的接收机，机内无历书，或内存中历书已超过3个月则需要更新历书，这时需要接收12.5分钟的卫星信号）和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角。
⑷根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数、航偏距、航偏角、航行速度等。
⑸接收用户输入信号，如: 测站名、作业员名称、天线高、气象参数等。
5. 显示器
GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息，并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作。对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至数字地图。
GPS数据处理模块
GPS数据处理模块的设计方案如图2所示。GPS接收机通过RS-232串口将定位数据（NEMA0183语句）传给计算机，在VB中借助MSComm控件将定位数据读进来，接着进行定位数据的分类，并提取出我们所需要的信息，同时将这些有用信息传给主应用程序；主应用程序可以将GPS接收机的控制信息整理成NEMA0183语句，通过MSComm控件的传递并经过RS-232发送到GPS接收机。这样，计算机与GPS接收机的串口通信和GPS定位数据处理功能通过进程外的ActiveX服务器封装，将系统的实时性能通过操作系统的进程管理器来实现，从而绕过了VB单线程的不足。
图2 GPS数据处理模块
坐标变换
GPS接收机接收到的是经纬度坐标，必须通过高斯投影将其转换成高斯坐标。由已知的参心大地坐标系中点的大地纬度和大地经度（B, L），求相应的高斯投影直角坐标(x, y)的公式, 称为高斯投影正算公式。
设参考椭球的长半轴为a，第一偏心率为e，则高斯投影正算公式为:
L、B为转换前的经纬度坐标；x、y为转换后的高斯坐标；L0为投影带的中央经线坐标；C0、C1、C2、C3为与点位无关而只与椭球参数有关的常数。
结束语
GPS是当今世界上最先进的导航定位系统，具有定位快、全时域、全天候、高动态等特点，它作为对地观测高新技术支柱之一，将随着与RS和GIS集成技术的深化，更广泛地应用于各行各业。
摘自《计算机世界》
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