摘要： GPS OEM 板一般以原始的二進(jìn)制格式提供導(dǎo)航報(bào)文， 為了得到最終的定位結(jié)果， 需要對(duì)報(bào)文進(jìn)行解碼， 獲得相關(guān)測(cè)量量以及衛(wèi)星參數(shù)， 再構(gòu)成計(jì)算方程組進(jìn)行求解。本文提出了一種在WinCE 環(huán)境下的GPS 導(dǎo)航信息處理的軟件實(shí)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(dǎo)航電文的格式， 最后， 設(shè)計(jì)了導(dǎo)航解算軟件流程并給出了解算結(jié)果的顯示。此設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在車載導(dǎo)航型GPS 接收機(jī)的研制中得到應(yīng)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(hào)通過(guò)GPS 接收機(jī)基帶處理程序后， 可以獲得相關(guān)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(cè)量， 如何利用這些信息解算出接收機(jī)的位置、速度、時(shí)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(jī)原始導(dǎo)航信息的獲取、GPS 報(bào)文的解碼以及位置速度等信息的解算程序設(shè)計(jì)。

1   平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)為WinCE, WinCE 是一個(gè)多任務(wù)、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(shù)。開(kāi)發(fā)工具采用eVC, eVC （ embedded visualC+ + ） 是Windows CE 上的主流開(kāi)發(fā)工具， 封裝了網(wǎng)絡(luò)底層通訊、COM 互操作、RAPI 等。eVC 支持MFC 類庫(kù)的子集， 使Win32 平臺(tái)上的VC 程序可以很容易地遷移到WinCE 平臺(tái)上。

硬件平臺(tái)采用基于xscale PXA255 處理器的嵌入式系統(tǒng)， 采用NOVAT EL OEM4 接收機(jī)獲得原始的GPS 導(dǎo)航數(shù)據(jù)， 兩個(gè)平臺(tái)間采用串口進(jìn)行通訊。

1. 1   串口通信設(shè)置

eVC 在實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信中存在2 個(gè)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(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)串口通信的底層開(kāi)發(fā)。

對(duì)串口的操作都映射成對(duì)文件的操作， 因此， 讀取串口的數(shù)據(jù)相當(dāng)于讀取文件的數(shù)據(jù)。在eVC 環(huán)境中， 通過(guò)調(diào)用CreateFile 函數(shù)來(lái)打開(kāi)串口， 設(shè)置讀寫(xiě)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?yàn)閃inCE 不支持重疊I/ O, 所以CreateFile 的第6個(gè)參數(shù)不能設(shè)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(kāi)串口后， 可以通過(guò)串口的初始化函數(shù)SetCommStat e（ ） 來(lái)配置各項(xiàng)串口參數(shù)， 如波特率、奇偶校驗(yàn)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(xiě)時(shí)產(chǎn)生的困難。當(dāng)主線程忙時(shí)，可以使用單獨(dú)的線程來(lái)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(shí)所傳遞的變量不會(huì)被新的串口數(shù)據(jù)所覆蓋， 可以采用互斥體技術(shù)。通過(guò)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(guò)一個(gè)等待函數(shù)來(lái)獲得互斥體的所有權(quán)， 互斥體的線程是不會(huì)被阻斷的， 完成對(duì)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(dǎo)航電文解碼

2. 1   導(dǎo)航電文的格式

由衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。導(dǎo)航電文一般包含衛(wèi)星的星歷和歷書(shū)數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣層折射修正以及相應(yīng)的觀測(cè)信息， 在報(bào)文中還包括奇偶校驗(yàn)信息， 用來(lái)驗(yàn)證報(bào)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(dǎo)航電文， 并進(jìn)行奇偶校驗(yàn)， 確定報(bào)文完整后， 根據(jù)電文格式， 對(duì)二進(jìn)制電文進(jìn)行解析， 從而獲得電文中的導(dǎo)航信息。

導(dǎo)航電文的格式是主幀、子幀、字碼和頁(yè)碼， 如圖1 所示。每主幀電文長(zhǎng)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(shí)間。

                       圖1  導(dǎo)航電文幀結(jié)構(gòu)

每幀導(dǎo)航電文包括5 個(gè)子幀， 每個(gè)子幀長(zhǎng)6 s, 共有300 b.第1、2、3 子幀各有10 個(gè)字碼。這3 個(gè)子幀的內(nèi)容每30 s 重復(fù)一次， 每小時(shí)更新一次。第4、5 子幀各有25頁(yè)， 共有15 000 b.一幀完整的電文共有37 500 b.

2. 2   導(dǎo)航電文的內(nèi)容

導(dǎo)航電文的內(nèi)容包括遙測(cè)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(gè)字碼為第1 數(shù)據(jù)塊。它的主要內(nèi)容是： 標(biāo)志碼、數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)、衛(wèi)星測(cè)距精度、大氣傳播時(shí)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(lái)計(jì)算衛(wèi)星的位置。

第3 數(shù)據(jù)塊是由第4 和第5 兩個(gè)子幀構(gòu)成的， 它提供了GPS 衛(wèi)星的歷書(shū)數(shù)據(jù)。當(dāng)接收機(jī)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(shí)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(shū)和自己所在的位置， 計(jì)算出該時(shí)刻能觀測(cè)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(guò)串口接收到GPS 導(dǎo)航電文并且經(jīng)過(guò)奇偶驗(yàn)證和解碼后， 就可以獲得GPS 衛(wèi)星的星歷和觀測(cè)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(jì)算出當(dāng)前可見(jiàn)衛(wèi)星的坐標(biāo)和在運(yùn)行速度。一般情況下， 可見(jiàn)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(duì)當(dāng)前可見(jiàn)的衛(wèi)星進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中， 采用最小GDOP 法進(jìn)行選星， 選出的最優(yōu)星座的衛(wèi)星信息結(jié)合觀測(cè)量， 通過(guò)誤差修正程序進(jìn)行偽距修正后， 就可以構(gòu)成接收機(jī)位置的解算方程組。解出此方程組， 即可獲得接收機(jī)的當(dāng)前位置和速度以及接收機(jī)鐘差。

軟件基本流程如圖2 所示。

                 圖2  軟件主要流程

4   測(cè)試結(jié)果

2006 年7 月4 日， 在北航對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)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(jì)算結(jié)果輸出

5   結(jié)論

本文提出的基于嵌入式WinCE 的GPS 導(dǎo)航信息處理方案已經(jīng)在某導(dǎo)航接收機(jī)的研制中得到應(yīng)用， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定， 能夠滿足可靠性和實(shí)時(shí)性要求， 達(dá)到預(yù)期效果。