CN104459712A - 基于gps的开放式实验设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GPS的开放式实验设备，所述的基于GPS的开放式实验设备包括：天线单元、接收单元、显示器、计算机、数据处理中心。本发明可根据用户的需求在系统上进行各项应用程序的研制，用途更为广泛，用于教育中，可以激发学生的潜力，有助于学生对GPS定位原理的理解，同时可以加强学生的动手能力和编程能力；用于工程应用中，可以根据不同的工程对内置程序进行深度定制，使得该接收机能更贴近工程实践，提高效率和降低成本。

Description

基于GPS的开放式实验设备
技术领域
本发明属于GPS设备领域，尤其涉及一种基于GPS的开放式实验设备。
背景技术
固有的GPS接收机，分为单频、双频和三品接收机三种，大多数接收机内置GPS模块、处理器、接收天线和操作面板，多为封装好的整机，从接收卫星信号开始，至初步求算大地坐标结束，有其一套完整的数据预处理流程，用户不得对其内部运行机制进行干涉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于GPS的开放式实验设备，旨在解决用户在使用现有的GPS接收机时不能根据需求在系统内部对其干涉的问题。
本发明是这样实现的，一种基于GPS的开放式实验设备包括GPS模块、ARM处理器、触摸屏、GPS测量用高精度天线、无线射频通信模块；
所述的GPS模块用于通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数。初次定位的模块至少需要4颗卫星参与计算，称为3D定位，3颗卫星即可实现2D定位，但精度不佳。GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用，从而实现简单的、较低精度的定位。同时也将接收和存储GPS原始数据，通过无线射频通信模块将此数据传输给数据处理中心，用于精密定位。
所述的ARM处理器用于数据处理，支持高速数据传输或通道处理，ARM处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。
所述的触摸屏用于数据和信息的显示以及对软件的操作，并支持以操作和数据输入的人机交互。
所述的GPS测量用高精度天线用于和前置放大器两部分所组成天线装置，天线的主要功能是将GPS卫星信号极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是对这种信号电流进行放大和变频处理。而接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电源进行跟踪、处理和测量。
所述的无线射频通信模块用于实现各种数据在标准站、基准站和流动站之间的传递。
本发明可根据用户的需求在系统上进行各项应用程序的研制，用途更为广泛，用于教育中，可以激发学生的潜力，有助于学生对GPS定位原理的理解，同时可以加强学生的动手能力和编程能力；用于工程应用中，可以根据不同的工程对内置程序进行深度定制，使得该接收机能更贴近工程实践，提高效率和降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于GPS的开放式实验设备的结构示意图；
图中：1、天线单元；1-1、前置放大器；1-2、频率变换器；2、接收单元；2-1、存储器；2-2、ARM微处理器；2-3、无线射频通信模块；2-4、数控接口；2-5、标频器；2-6、频率合成器；2-7、电源；3、显示器；4、计算机；5、数据处理中心。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于GPS的开放式实验设备主要包括：天线单元1、前置放大器1-1、频率变换器1-2、接收单元2、存储器2-1、ARM微处理器2-2、无线射频通信模块2-3、数控接口2-4、标频器2-5、频率合成器2-6、电源2-7、显示器3、计算机4、数据处理中心5；
天线单元1，用于捕捉卫星和接收卫星定位信息，并将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流；
接收单元2，与天线单元1连接，用于接收来自天线单元的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理过程，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置的数据信息。此单元可接收和处理伪距定位信息以及BIN二进制定位数据，并可将BIN数据以一定的格式通过无线射频通信模块传输给数据处理中心以进行高精度的坐标解算。也可以将所有数据通过数据接口传输到计算机上进行相应的处理和教学使用；
显示器3，通过ARM微处理器2-2与接收单元2连接，通过ARM微处理器与接收单元连接，用于显示实时的定位信息，并通过触屏技术和软件系统对接收单元进行相应的设置和操作；
计算机4，通过数控接口2-4与接收单元2连接，通过数控接口与接收单元连接，用于传输来自接收单元的定位信息和通过计算机进行二次开发；
数据处理中心5，通过无线射频通信模块2-3与接收单元2连接，通过无线射频通信模块与接收单元连接，用于接收来自接收单元的BIN数据，通过专用软件进行高精度的坐标解算。；
天线单元1还包括：前置放大器1-1、频率变换器1-2；
前置放大器1-1，用于用于将来自于天线的GPS信号电流予以放大；
频率变换器1-2，与前置放大器1-1连接，经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使射频信号变成低频信号，必须采用变频器。
接收单元2还包括：存储器2-1、ARM微处理器2-2、无线射频通信模块2-3、数控接口2-4、标频器2-5、频率合成器2-6、电源2-7；
ARM微处理器2-2，是GPS接收机工作的重要部件，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。其主要工作步骤为：
①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。
②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，并将基准信号译码得到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，并按预置位置更新率计算新的位置。
③根据机内存储的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角。
④根据BIN数据的结构将接收到的BIN数据形成专用的文件，并通过无线射频通信模块传输给数据处理中心。
⑤接收用户输入信号。如：测站名，测站号，作业员姓名，天线高，气象参数等；
存储器2-1，与ARM微处理器2-2连接，用于存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。在存储器内还可装有多种工作软件，如：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等；
无线射频通信模块2-3，与ARM微处理器2-2连接，用于与数据处理中心的无线数据传输；
数控接口2-4，与ARM微处理器2-2连接，用于与计算机的数据传输和二次开发；
频率合成器2-6，通过信号通道与ARM微处理器2-2连接，用于合成标准GPS信号频率；
标频器2-5，与频率合成器2-6连接，用于提供GPS标准频率格式；
电源2-7，与ARM微处理器2-2和频率合成器2-6连接，用于为ARM微处理器2-2和频率合成器2-6提供稳定的电源。
在本发明的实施例中，天线单元是由接收天线和前置放大器组成。对天线的性能要求是:高增益、低噪声系数、大的动态范围；
接收单元：
信号通道的主要功能是接收来自天线单元的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理过程，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置的数据信息。通道是由硬件和软件组成。每一个通道在某一时刻跟踪一颗卫星。当此卫星锁定后，便占据这一通道，直到此卫星信号失锁为止。
计算和显示单元它的主要功能包括工作开始的自检；根据采集到的卫星星历、伪距观测量计算三维坐标和速度；人机交互，选择定位方式、输入卫星高度截止角、历元间隔、数据更新率、控制屏幕显示以及其他指令。
存储单元用于存储输入的各种数据，例如，初始化时间和坐标、航路点、星历、原始观测量等。这些数据也可以通过数控接口传输到外部PC，供教学研究使用。
电源机内装有专用铿电池，专供接收机的时钟和RAM存储器保存星历和初始化数据用的，保证在关机时存储数据。外接充电接口；
数据处理中心，这个单元通过无线射频通信模块接收来至存储器和微处理器的数据，这些数据大多为GPS原始数据，通过数据处理中心的专用软件对GPS原始数据进行结算，得到高精度定位数据，再通过通信模块传输给接收单元，然后再呈现在显示器上。
本发明可根据用户的需求在系统上进行各项应用程序的研制，用途更为广泛，用于教育中，可以激发学生的潜力，有助于学生对GPS定位原理的理解，同时可以加强学生的动手能力和编程能力；用于工程应用中，可以根据不同的工程对内置程序进行深度定制，使得该接收机能更贴近工程实践，提高效率和降低成本。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于GPS的开放式实验设备，其特征在于，所述的基于GPS的开放式实验设备包括：天线单元、接收单元、显示器、计算机、数据处理中心；
天线单元，用于捕捉卫星和接收卫星定位信息，并将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为电流；
接收单元，与天线单元连接，用于接收来自天线单元的信号，经过变频、放大、滤波，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置的数据信息；
显示器，通过ARM微处理器与接收单元连接，用于显示实时的定位信息，并通过触屏技术和软件系统对接收单元进行相应的设置和操作；
计算机，通过数控接口与接收单元连接，用于传输来自接收单元的定位信息和通过计算机进行二次开发；
数据处理中心，通过无线射频通信模块与接收单元连接，用于接收来自接收单元的BIN数据，通过专用软件进行高精度的坐标解算。
2.如权利要求1所述的基于GPS的开放式实验设备，其特征在于，天线单元还包括：前置放大器、频率变换器；
前置放大器，用于将来自于天线的GPS信号电流予以放大。；
频率变换器，与前置放大器连接，用于得到稳定的高增益，并且使射频信号变成低频信号。
3.如权利要求1所述的基于GPS的开放式实验设备，其特征在于，接收单元还包括：存储器、ARM微处理器、无线射频通信模块、数控接口、标频器、频率合成器、电源；
存储器，与ARM微处理器连接，用于存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移；接收机内存数据通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存；在存储器内装有自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件；
无线射频通信模块，与ARM微处理器连接，用于与数据处理中心的无线数据传输；
数控接口，与ARM微处理器连接，用于与计算机的数据传输和二次开发；
频率合成器，通过信号通道与ARM微处理器连接，用于合成标准GPS信号频率；
标频器，与频率合成器连接，用于提供GPS标准频率格式；
电源，与ARM微处理器和频率合成器连接，用于为ARM微处理器和频率合成器提供稳定的电源。
4.如权利要求3所述的基于GPS的开放式实验设备，其特征在于，ARM微处理器工作步骤为：
步骤一，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；
步骤二，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，并将基准信号译码得到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，并按预置位置更新率计算新的位置；
步骤三，根据机内存储的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角；
步骤四，根据BIN数据的结构将接收到的BIN数据形成专用的文件，并通过无线射频通信模块传输给数据处理中心；
步骤五，接收测站名，测站号，作业员姓名，天线高，气象参数的用户输入信号。
5.如权利要求1所述的基于GPS的开放式实验设备，其特征在于，接收单元，接收和处理伪距定位信息以及BIN二进制定位数据，将BIN数据以一定的格式通过无线射频通信模块传输给数据处理中心以进行高精度的坐标解算；将所有数据通过数据接口传输到计算机上进行相应的处理和教学使用。
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