摘要: GPS OEM 板一般以原始的二進制格式提供導航報文, 為了得到最終的定位結(jié)果,, 需要對報文進行解碼,, 獲得相關測量量以及衛(wèi)星參數(shù), 再構成計算方程組進行求解,。本文提出了一種在WinCE 環(huán)境下的GPS 導航信息處理的軟件實現(xiàn)方案,, 描述了嵌入式處理器與GPS OEM 板的連接方式與串口通信方法, 分析了GPS 導航電文的格式,, 最后,, 設計了導航解算軟件流程并給出了解算結(jié)果的顯示。此設計方案已經(jīng)在車載導航型GPS 接收機的研制中得到應用, 工作穩(wěn)定,, 并滿足精度要求,。
0 引言
衛(wèi)星發(fā)出的信號通過GPS 接收機基帶處理程序后, 可以獲得相關的衛(wèi)星星歷和偽距,、偽距律,、載波相位、多普勒頻移等原始觀測量,, 如何利用這些信息解算出接收機的位置,、速度、時間等定位信息,, 是定位解算程序的主要目的,。
本文主要介紹了GPS OEM 接收機原始導航信息的獲取、GPS 報文的解碼以及位置速度等信息的解算程序設計,。
1 平臺設計
系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)為WinCE, WinCE 是一個多任務,、完全搶占式的32 位嵌入式操作系統(tǒng), 支持WinCEMFC,、ATL,、WinCE API 和一些附加的編程接口以及各種通信技術。開發(fā)工具采用eVC, eVC ( embedded visualC+ + ) 是Windows CE 上的主流開發(fā)工具,, 封裝了網(wǎng)絡底層通訊,、COM 互操作、RAPI 等,。eVC 支持MFC 類庫的子集,, 使Win32 平臺上的VC 程序可以很容易地遷移到WinCE 平臺上。
硬件平臺采用基于xscale PXA255 處理器的嵌入式系統(tǒng),, 采用NOVAT EL OEM4 接收機獲得原始的GPS 導航數(shù)據(jù),, 兩個平臺間采用串口進行通訊。
1. 1 串口通信設置
eVC 在實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信中存在2 個局限性: 一是eVC 不支持串口通信控件MScomm, 另外,, WinCE 不支持重疊I/ O 操作,。因此, 要采用WinCE A PI 函數(shù)和多線程技術進行數(shù)據(jù)串口通信的底層開發(fā),。
對串口的操作都映射成對文件的操作,, 因此, 讀取串口的數(shù)據(jù)相當于讀取文件的數(shù)據(jù),。在eVC 環(huán)境中,, 通過調(diào)用CreateFile 函數(shù)來打開串口, 設置讀寫模式:
H ANDL E m_hCom=CreateFile( STrCom, GENERIC _READ | GEN ERIC_WRITE, 0, NU LL, OPEN _ EXIST _ ING, FILE _AT TRIBU TE_NORMAL, NU LL)
因為WinCE 不支持重疊I/ O, 所以CreateFile 的第6個參數(shù)不能設置為:
FILE_FLAG_OVER_LAPPED, 否則串行通信處理將被系統(tǒng)信息阻塞,。
打開串口后,, 可以通過串口的初始化函數(shù)SetCommStat e( ) 來配置各項串口參數(shù),, 如波特率、奇偶校驗方法,、數(shù)據(jù)位和停止位數(shù)等,。
1. 2 線程同步
WinCE 的API 不支持重疊I/ O 操作, 因此,, 要采用多線程模式解決大量數(shù)據(jù)讀寫時產(chǎn)生的困難,。當主線程忙時,可以使用單獨的線程來處理串口,, 也就是異步I/ O 模式,。
為了保證在數(shù)據(jù)讀取線程向主線程傳遞數(shù)據(jù)時所傳遞的變量不會被新的串口數(shù)據(jù)所覆蓋, 可以采用互斥體技術,。通過以下代碼創(chuàng)建互斥體:
H ANDL ECreateMutex ( LPSECU RITY _ AT T RIBU T ESlpMutexAt tr ibutes,BOOL bInitialOwner , LPCTSTR lpN ame) .
線程通過一個等待函數(shù)來獲得互斥體的所有權,, 互斥體的線程是不會被阻斷的, 完成對數(shù)據(jù)的處理后,, 需要調(diào)用函數(shù)釋放互斥體,, 可以使用如下函數(shù):
BOOL ReleaseMutex( HANDLE hMutex)
2 GPS 導航電文解碼
2. 1 導航電文的格式
由衛(wèi)星發(fā)出的導航電文是用戶用來定位和導航的基礎數(shù)據(jù)。導航電文一般包含衛(wèi)星的星歷和歷書數(shù)據(jù),、工作狀態(tài),、時鐘改正、電離層時延修正,、大氣層折射修正以及相應的觀測信息,, 在報文中還包括奇偶校驗信息, 用來驗證報文接收的正確性,。電文處理模塊的功能,, 就是根據(jù)接收從基帶處理模塊中獲得的導航電文,, 并進行奇偶校驗,, 確定報文完整后, 根據(jù)電文格式,, 對二進制電文進行解析,, 從而獲得電文中的導航信息。
導航電文的格式是主幀,、子幀,、字碼和頁碼, 如圖1 所示,。每主幀電文長度為1 500 b, 傳送速率為50 b/ s, 所以發(fā)播一幀電文需要30 s 時間,。
圖1 導航電文幀結(jié)構
每幀導航電文包括5 個子幀, 每個子幀長6 s, 共有300 b.第1,、2,、3 子幀各有10 個字碼,。這3 個子幀的內(nèi)容每30 s 重復一次, 每小時更新一次,。第4,、5 子幀各有25頁, 共有15 000 b.一幀完整的電文共有37 500 b.
2. 2 導航電文的內(nèi)容
導航電文的內(nèi)容包括遙測碼,、轉(zhuǎn)換碼,、第1 數(shù)據(jù)塊、第2 數(shù)據(jù)塊和第3 數(shù)據(jù)塊5 部分:
第1 子幀的第3~ 10 個字碼為第1 數(shù)據(jù)塊,。它的主要內(nèi)容是: 標志碼,、數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星時鐘改正系數(shù),、衛(wèi)星測距精度,、大氣傳播時延改正。
第2 數(shù)據(jù)塊包括第2 和第3 子幀,, 它載有衛(wèi)星的星歷,,用來計算衛(wèi)星的位置。
第3 數(shù)據(jù)塊是由第4 和第5 兩個子幀構成的,, 它提供了GPS 衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù),。當接收機捕獲到某顆衛(wèi)星后, 利用第3 數(shù)據(jù)塊的信息可以得到其他衛(wèi)星的概略星歷,、時鐘改正,、碼分地址和衛(wèi)星狀態(tài)等數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)衛(wèi)星歷書和自己所在的位置,, 計算出該時刻能觀測到的衛(wèi)星及其方位角和高度角,, 從而選擇, 以快速捕獲和定位,。
3 軟件編制
通過串口接收到GPS 導航電文并且經(jīng)過奇偶驗證和解碼后,, 就可以獲得GPS 衛(wèi)星的星歷和觀測信息, 包括偽距,、載波相位,、多普勒頻移。利用衛(wèi)星的星歷,, 可以計算出當前可見衛(wèi)星的坐標和在運行速度,。一般情況下, 可見的衛(wèi)星數(shù)都大于解算所需的衛(wèi)星數(shù),, 為了獲得最優(yōu)的定位精度,, 要對當前可見的衛(wèi)星進行選擇。本系統(tǒng)中,, 采用最小GDOP 法進行選星,, 選出的最優(yōu)星座的衛(wèi)星信息結(jié)合觀測量,, 通過誤差修正程序進行偽距修正后, 就可以構成接收機位置的解算方程組,。解出此方程組,, 即可獲得接收機的當前位置和速度以及接收機鐘差。
軟件基本流程如圖2 所示,。
圖2 軟件主要流程
4 測試結(jié)果
2006 年7 月4 日,, 在北航對系統(tǒng)進行了測試。經(jīng)過測試,, 系統(tǒng)工作正常,, 解算結(jié)果散布在較小的范圍內(nèi)。結(jié)果顯示如圖3~ 5 所示,。
圖3 衛(wèi)星位置示意圖和定位結(jié)果
圖4 衛(wèi)星信息顯示圖
圖5 計算結(jié)果輸出
5 結(jié)論
本文提出的基于嵌入式WinCE 的GPS 導航信息處理方案已經(jīng)在某導航接收機的研制中得到應用,, 系統(tǒng)工作穩(wěn)定, 能夠滿足可靠性和實時性要求,, 達到預期效果,。