摘要：設計了一種專門用于物探測量且經濟實用的GPS接收機。該接收機采用TI公司的TMS320F2812芯片為核心處理器，對GPS-OEM板進行二次開發，給出了詳細的軟硬件設計思路和實現方案。測試結果表明，在天氣情況良好的條件下，單機定位精度小于1 m，能夠滿足大多數物探平面測量精度要求。
關鍵詞：地球物理勘探測量；GPS-OEM；TMS320F2812；GPS接收機
0 引言
地球物理勘探野外工作在進行地球物理場測量的同時，需進行點位及其高程測量。GPS定位技術與常規測量技術相比，具有觀測站間無需通視、速度快、測量組人員投入少等優勢，已成為物探測地工作首選。
地球物理勘探測量中，要求平面定位精度小于3 m。目前，市場上低價格GPS接收機的精度不能保障；高精度GPS接收機可滿足精度要求，但價格昂貴。為滿足地球物理勘探測地需求，地球物理勘探者往往必須選用高精度GPS接收機，顯然增加了測地工作的成本。針對目前GPS接收機發展現狀，本文旨在研制一種專用GPS接收機，要求價格適中、能實時定位、且在短時間內單機定位精度能達到1～3 m，滿足大多數地球物理勘探測地精度需求。
數字信號處理器DSP運算速度高，有較高的數字信號處理能力，高可靠性的特點，非常適于GPS實時信號的處理。利用GPS-OEM進行二次開發，設計相應接口軟件、適配顯示器、鍵盤等用戶終端與控制處理器，構成GPS一體化接收機，已成為一種發展趨勢。通過調研，選用一種GPS-OEM板，與一種蝶形接收天線配合使用時，單機定位精度能達到1m左右，為進一步設計提供了基本依據。
1 系統硬件設計
該接收機由GPS數據接收單元、核心處理單元、及存儲和顯示單元三部分組成。其中，GPS數據接收部分采用選定的GPS-OEM板設計，核心處理單元采用TI公司的DSP，接口部分主要由轉換芯片及相應軟件組成。所設計的系統總體硬件框架如圖1所示。
1．1 GPS數據接收模塊設計
目前在市場上GPS-OEM模塊種類較多，在選型時要根據：
(1)設計系統所能達到的定位精度；
(2)數據鏈路的通訊方式和覆蓋范圍；
(3)性能價格比等因素來選擇合適的OEM模塊。
經權衡比較，設計采用合眾思壯公司在2006年正式推出的一款GPS-OEM模塊新月-HC12A。該模塊是合眾思壯公司生產的一款單頻12通道接收機，采用了最新的ASIC芯片和Coast等專利軟件算法，同時具有20Hz的原始數據、定位數據更新率，信標接收功能，差分基準站／移動站，L-Dif，E-Dif，1 pps／Event Marker等多種功能，其單機定位誤差小于2．5 m(2DRMS)，代表了當前GPS行業的最新技術趨勢。
新月-HC12A模塊主要由低噪聲下變頻器、信號通道、微處理器、存儲器等組成，其內部結構如圖2所示。
另外，根據天線的供電電壓、信噪比(噪聲系數1．5 dB左右)及增益(增益28 dB左右)，選用了右旋極化陶瓷介質天線，該GPS信號接收天線具有在同一時刻觀測到較多GPS衛星數、快速定位的特點。
1．2 DSP核心處理模塊設計
為滿足接收機系統具備定位速度快，可靠性高及實時性的要求，選用DSP芯片作為中央處理單元的核心，根據中央處理單元對運算量的需求數據本身結構(要求處理的有效數字最大為11位)，綜合考慮DSP芯片的運算速度、運算精度、DSP芯片的硬件資源及開發工具、功耗及價格等因素。
選用了TI公司的TMS320F2812芯片作為主處理器，主要基于以下幾點考慮：
(1)它的主頻高，時鐘頻率可達150 MHz，可以滿足系統的需要；
(2)本身具有的大容量片內FLASH可方便系統實現、降低成本；
(3)有著較多通用I／O口可以靈活配置，可以很方便地實現與其他器件接口；
(4)TMS320F2812芯片系統采用高性能靜態CMOS技術，功耗非常低。
1．3 存儲、顯示和控制單元
為了能實時提供給用戶定位信息，本文設計中采用LCD液晶顯示屏和SD卡存儲器作為人機對話窗口。能實時、快速地輸出定位信息，通過軟件編程設計了簡單方便的、友好的人機操作界面。測量時可按照簡單的操作提示進行。另外，還可以將必要的數據存入SD卡存儲內部設備，方便后續查詢。
2 系統軟件設計
本文所設計的軟件程序采用C語言和匯編語言進行混合編程，對每一個功能模塊的子程序進行編譯和調試。程序設計主要部分包括：主程序部分；接收子程序；數據處理子程序；存儲部分子程序。所設計的具體軟件流程如圖3所示。
(1)主程序部分：主要完成DSP的CPU初始化、建立中斷向量表、SD卡初始化、給OEM板初始化等，還有對各個子程序進行調用。
(2)接收子程序：使程序指向接收數據緩沖區首地址，讓DSP處于讀接收狀態。當新月-HC12A OEM板接收到一幀信號時，就引串口接收中斷，將中斷信號送給DSP的中斷控制器，在其判斷中斷源后，DSP就會找到與之相應的中斷服務程序的入口地址。采用中斷方式接收OEM板發送過來的數據，一直等待接收到的字符是一幀數據的有效開始字符，判斷特征字“$GPG-GA”后再接收信息內容，若符合就接收；否則就放棄，再重新判斷。當接收到在收到“
(3)數據處理子程序：先緩沖接收到的數據，將接收到的有效幀數據進行提取和轉換處理，以“，”為標記進行分離數據分別，提取并判讀第1，2，4，9個逗號，就能提取到對應的時間、經度、緯度、高度等信息。所得到的經緯度的信息是ddmm．mmmmm格式，其是字符型需要轉換成十進制的。另外，由于時間標準的不同，要得到北京時間還需對提取的時間信息進行轉換處理。若需要坐標轉換則應調用坐標轉換子程序。處理完后將有用的信息送至LCD顯示。
(4)存儲部分子程序：對于收到的數據，提取處理后，將數據存放到緩存中，當緩存中存滿512 b后，就將其寫入到SD卡里，以備事后處理。
3 測試結果分析
3．1 靜態測試方案與分析
將GPS天線用三角架放置在樓頂上，進行了4次天線在不同位置的實驗，所有靜態點的數據采集時間均持續5 min(300個數據點)，記錄每個時間段對應的位置數據的文件。提取其中標準點的經緯度信息，可得到其位置分布如圖4所示。
從圖4可以清楚地看出，雖然存在一些離群點，但是數據的密集程度還是比較高。經計算，經度方向主要集中在114.394 196°～114.394 205°，相差大約在O．000 009°(O．863 2 m)；緯度方向主要集中在30．521 599°～30．521 604°，相差只是大約在O．000 005°(0．554 7 m)。從以上數據分析結果來看，在天氣情況較好的情況下，單點定位的平面誤差小于1 m。
CEP分析：為了對廠家所標定的(單機定位：小于2．5 m(2DRMS))指標進行檢驗，在天氣晴朗的條件下，對采集的4個點的實測數據，利用計算圓概率誤差的方式進行了分析；其中，每個點的測試時間為5 min，各得到300個數據點。計算得到圓概率誤差半徑，采用Matlab軟件編程作圖得到圓概率半徑圖，如圖5所示，只列出一個圖。
由圖5可見，所測的點都包含在半徑為1．05 m的圓內，具體計算的各個點的定位實驗數據見表1所示。
從表1可知，所測數據中精度半徑最大的為1．05 m。而各個點的圓概率誤差半徑(CEP)最大值為o．5 m，這些數據小于接收機的標定位置精度1．042 m(CEP)(由2．5 m(2DRMS)換算來)。
3．2 動態測試方案與分析
為了在運動中檢驗測量精度設計了本項實驗。實驗地點在西操場上，沿預操場的第一跑道和第三跑道繞行一周后回到原點，分別進行4次實驗。繞行過程中保持勻速。對所采集的數據進行提取、轉換處理后，用Matlab軟件對數據進行仿真，將實測經緯度換算成距離單位后，畫出4次實驗的軌跡圖見圖6。
圖6中，里面兩圈是在第一跑道線上，外面兩圈是在第三跑道線上的軌跡圖，每條跑道寬1．2 m，這兩條線間的距離為2．4 m。雖然在行走過程中所得到的軌跡點與直線軌跡存在誤差，但是大致上還是比較理想的。實驗軌跡相距最大偏離距均在1 m以內，與靜態定位精度基本一致。
分析其中最大偏差部分析其存在誤差的主要原因是：在行走過程中，由于不能始終保持天線在一個水平面上，以及未能保證行走的路線完全重合所造成的。總體來講，該定位軌跡圖能較好地反應實際的形狀。說明該GPS模塊動態定位性能還是比較好的，可以用于較準確的實時導航。
綜合靜態和動態測試結果表明，使用的新月-HC12AGPS模的圓概率誤差半徑(CEP)最大值為0.763 9m，小于其標定位置精度1.042m(CEP)，說明廠家提供的精度參考值可靠。
所得到的單點的精度半徑(100％點)約2m，小于生產廠家給的(2．5m)，說明該模塊可以滿足多數情況下物探測網的平面測量精度要求，表明系統設計方案可行。
4 結語
本文通過對整個接收機系統的研究和設計，主要得到以下結論：
(1)所選用的GPS-OEM定位精度能滿足設計需求。在配合使用右旋極化陶瓷介質天線進行的單機靜態測試結果表明，單點定位精度小于1m，由4次動態測試可得該接收機的導航的最大偏差也在1 m左右，能滿足大多數地球物理勘探的平面測量精度要求。
(2)設計GPS接收機系統的整體思路是正確的。選用中低檔的GPS-OEM來設計實現單點定位精度較高、價格適中的GPS接收的思路是正確的，實現了用中低檔GPS-OEM和較好的接收天線來研制高精度GPS接收機的設想，也為后續的設計者提供了借鑒。
(3)提出的整體的設計方案是可行的。選用DSP芯片和GPS-OEM板開發GPS接收機是可行的，能達到實時定位的功能要求；選用的TMS320-F2812DSP芯片能滿足實時性的要求。其中所設計的DSP模塊電路可以能滿足系統要求。