全球定位系統(tǒng)(Global PositiONing System，GPS)是美國從20世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成，以接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號為基礎(chǔ)的非自主式導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。他以全球覆蓋、全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)提供高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息的能力，很好地解決了人類導(dǎo)航和定位問題。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，軟硬件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的開拓，無論在軍事還是民用領(lǐng)域都得到廣泛地應(yīng)用和發(fā)展。實(shí)際應(yīng)用中，GPS接收機(jī)收到軌道衛(wèi)星的信號后，經(jīng)過解調(diào)輸出的，是標(biāo)準(zhǔn)格式的GPS定位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)必須經(jīng)過進(jìn)一步處理，才能在用戶數(shù)據(jù)終端上顯示。
1 GPS接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)格式
NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會制定的用于航海儀器數(shù)據(jù)異步通信的通用接口標(biāo)準(zhǔn)，他是由ASCII字符組成的字符串。GPS接收機(jī)以NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)格式輸出GPS定位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備需要實(shí)時(shí)從GPS輸出的NMEA0183數(shù)據(jù)流中得到位置信息、時(shí)間信息。GPS接收機(jī)提供了多種語句格式，有GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPZDA和GPGLL等。用戶可以根據(jù)需要選擇一種或多種語句輸出。本系統(tǒng)選擇接收并解析GPGLL和GPZDA，分別獲取地理位置信息和UTC時(shí)間信息(含日期)，UTC時(shí)間通過時(shí)差修正得到本地時(shí)間信息。
NMEA0183語句包含多個數(shù)據(jù)項(xiàng)，數(shù)據(jù)項(xiàng)之間以逗號分隔，語句以回車(CR)和換行(LF)符結(jié)尾。
GPZDA語句格式如下：
上述語句中，各數(shù)據(jù)項(xiàng)的意義如下：
①語句類型：$GPZDA；②UTC時(shí)間：14523.62；③UTC日：01～31；④UTC月：01～12；⑤UTC：年2001；⑥本地時(shí)差：10時(shí)；⑦本地時(shí)差：34分；⑧校驗(yàn)和：6E。其中校驗(yàn)和包括$符。
GPGLL語句格式如下：
上述語句中，各數(shù)據(jù)項(xiàng)的意義如下：
①語句類型：$GPGLL；②緯度值；③北緯；④經(jīng)度值；⑤西經(jīng)；⑥UTC時(shí)間，時(shí)時(shí)分分秒秒．秒秒秒格式；⑦狀態(tài)，A=定位，V=未定位；⑧校驗(yàn)和：2C。其中校驗(yàn)和包括$符。
接收上述GPS信息由AT89C20單片機(jī)" title="51單片機(jī)" target="_blank">51單片機(jī)的UART完成。GPGLL為55個字符，GPZDA為38個字符。考慮到單片機(jī)內(nèi)部RAM單元有限，為適應(yīng)GPS同時(shí)輸出的數(shù)據(jù)句型比較多，數(shù)據(jù)量比較大的情況，因此，需要對句型進(jìn)行選擇性接收。
2 主程序設(shè)計(jì)
主程序主要包括以下幾個部分：初始化、接收GPS數(shù)據(jù)、GPS信息處理、超時(shí)處理判斷等。GPS數(shù)據(jù)采用中斷方式接收，數(shù)據(jù)處理由獨(dú)立子程序完成，主要包括時(shí)間、位置信息的提取。數(shù)據(jù)接收處理完畢后，傳送到LCD顯示。超時(shí)判斷時(shí)間間隔設(shè)定與GPS數(shù)據(jù)更新速度匹配即可，其目的是保證GPS提供的位置、時(shí)聞信息與用戶的可視信息同步。
GPS接收機(jī)通常采用RS 232C／RS 485／422標(biāo)準(zhǔn)：傳輸速率可以設(shè)定，有4 800 b／s等，數(shù)據(jù)位：8 b，停止位：1 b。
對于AT89C2051單片機(jī)，選擇定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，波特率取決于溢出速率。波特率計(jì)算公式如下：
系統(tǒng)時(shí)鐘取11.059 2 MHz，則對于波特率4 800 b／s，定時(shí)器1重載值為FAH。
3 數(shù)據(jù)處理子程序設(shè)計(jì)
接收緩沖區(qū)存儲的內(nèi)容是ASCII碼(字符)，因此在處理成數(shù)據(jù)的時(shí)候要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
對于時(shí)間數(shù)據(jù)，處理成壓縮BCD格式，如對于以下的GPZDA信息：
$GPZDA，114523，18，11，2006，10，34*6E
經(jīng)處理后，得到如下信息：11 H(時(shí))，45 H(分)，23 H(秒)，18 H(日)，11 H(月)，20 H(世紀(jì))-06 H(年代)，10 H(時(shí)差)。
GPS數(shù)據(jù)處理子程序首先將接收的時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為上述BCD數(shù)據(jù)。根據(jù)GPZDA得到UTC時(shí)間和本地時(shí)差后，可以修正為本地時(shí)間輸出。時(shí)間修正要考慮到進(jìn)位和借位問題。在程序設(shè)計(jì)過程中閏年、大月小月需要分別處理。
Hour表示UTC時(shí)，Min表示UTC分，Sec表示UTC秒，Day表示UTC日，Mon表示UTC月，YearH表示UTC世紀(jì)，YearL表示UTC年代；D_Hour和D_Min表示時(shí)差的時(shí)和分。
常用GPS接收機(jī)輸出NMEA0183數(shù)據(jù)有V2.1，V2.0和V1.5三種版本，其中V2.1版本時(shí)差修正到分鐘，而V2.0和V1.5只到小時(shí)。為滿足程序通用，在實(shí)際信息解析時(shí)以V2.1為準(zhǔn)，當(dāng)接收的信息為V2.0和V1.5時(shí)，只需將上述程序中D_min置為0即可。
4 結(jié)語
GPS信息處理系統(tǒng)解決了GPS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)式的解讀、信息的提取、轉(zhuǎn)換和顯示問題。另外，他具有時(shí)差修正功能，便于全球各地用戶使用。以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，LCD和鍵盤作為人機(jī)界面，以較低的成本滿足了用戶的一般需求。目前，該系統(tǒng)已在船用導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。