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GPS测海拔 GPS海拔高度测量系统

时间：2012-12-21浏览：次责任编辑：四川拓图测绘仪器

随着GPS的发展以及GPS在定位、导航、测量方面的应用，越来越多的产品开始面世，但是几乎所有的GPS接收机厂商的产品都是支持NMEA0183协议，使得接收机输出的位置信息为经度、纬度和大地高；而实际应用中常常需要知道海拔高度，这就给实际应用带来很大的不方便。实现大地高向海拔高精确转换已成为一个热门的研究方向。目前实现大地高向海拔高转换的方法主要有两大类，一类是建立数学模型进行高程拟合来得到海拔高，这种方法有一定的局限性；另一类是用重力水准模型来实现，即本系统采用的方法。可以采用ARM技术在硬件上实现，速度快，精度高，实用性好。

GPS高程转换的基本原理

GPS测量是在WGS-84地心坐标系上进行的，它所提供的高程是相对于WGS-84椭球的大地高。我们通常采用的高程系统是正常高系统，因此，在实际测量过程中就必须将GPS大地高转换为正常高即海拔高。假定某点的正常高为h，大地高为H_G，则正常高与大地高的关系为

h=HG-ζ （1）

式（1）中ζ为似大地水准面（即正常高相应的基准面）与椭球面（即大地高相应的基准面）之间的高程差，即高程异常。如图1所示，不妨设点P的GPS大地高为H_G，正常高为h，高程异常为ζ，大地水准面高为N：

大地高与正常高关系图

因此，将大地高转化成海拔高的关键是求出高程异常，它的精确求解基于一个具有相应精度和高分辨率的（似）大地水准面模型。目前重力学方法确定的重力大地水准面具有高分辨率但精度低，一般来说，利用全球重力场模型求解高程异常，其绝对精度在米数量级，因而难以直接用于生产应用，但重力场模型包含较准确的中长波信息，可用于 GPS高程转换中以改善转换的精度；而GPS水准确定的几何大地水准面的特点是高精度但分辨率较低，将重力学与GPS水准相结合可达到精化局部大地水准面的目的，这种方法也称移去一恢复法。

“移除·恢复”的方法原理

高程异常ζ可表示为：

式（2）中ζ^GM伽表示长波部分，可通过重力场模型计算得到；ζ^△G表示中波部分，可通过求解重力异常边值问题得到；ζ^T表示短波部分，通过求解地形改正得到。

“移去·恢复”法的基本思想是，在利用已有观测值进行高程拟合之前，首先利用已知重力场模型计算得到高程异常中的长波部分，这样就得到残余观测值。利用函数模型（如多项式函数或多面函数模型）进行拟合和内查，再在内插点上利用已知重力场模型把移去的部分恢复，最终可得到该点的高程异常。

重力场模型通常用引力位求谐展开的系数（简称位系数）来表示，它可以利用卫星跟踪数据、地面重力数据及卫星测高等观测数据计算得到。对于给定的完全规格化的位系数，高程异常可表示为：

式（３）中，r、θ、λ分别为计算点的地心向径、地心纬度和地心经度；GM为万有引力常数和地球质量的乘积；λ为计算点的正常重力值；R为地球的平均半径；由减去正常位的位系数得到；为完全规格化的缔合勒让德函数；N为重力场模型展开的最高阶次。本系统采用360完全阶次全球重力场模型EIGEN-CG03C，其转换精度优于EIGEN-CG01C和EGN96。

海拔高测量系统硬件实现

海拔高测量系统整体硬件包括GPS模块、ARM微处理器模块、有线通信模块和人机接口模块。 GPS模块捕获并跟踪待测卫星，对接收到的信号进行变换、放大处理，测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时问及解算出GPS卫星发送的电文，最后实时解算出测量站的位置。ARM微处理器接收来自GPS模块输出的位置信息，对其进行处理，将大地高转化成海拔高，即通过软件程序对接收到的数据进行一系列的处理。通信接口和人机接口模块实现数据的存储和显示。系统框架如图2所示。

系统框架结构

整个系统硬件电路主要分以下部分：GPS接口电路、LPC2292工作电路、显示电路等。

3.1、GPS接口电路

该系统中的GPS接收机模块采用的是深圳市广和通实业发展有限公司生产的u-Blox GPS开发套件，产品型号为GT5011-SU。该型号OEM板为16通道，C/A码，L1频段的GPS信号接收模块，具有高性能低功耗等众多优点。GT5011-SU的通信传输通过RS232的串行口来实现。在该模块上提供有电源和串口引脚，数据通过串口传输。

3.2、LPC2292工作电路

3.2.1、电源电路

这里不使用LPC2292的AD功能，只需要提供两组电源，I/O供电电源为3.3V，内核及片内外设供电电源为1.8V，因此，系统设计为3.3V应用系统。因为系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差模拟电源LDO。合乎技术参数的LDO芯片很多，Sipex 半导体SPX1117是一个较好的选择，它的性价比较高，且有一些产品可以与它直接替换，减少采购风险。所以，LDO芯片分别采用SPX1117M-3.3和SPX1117M-1.8，其特点为输出电流可达800mA，输出电压的精度在1%以内，具有电流限制万方数据科学技术与工程10卷和热保护功能，稳定性好。该电路中，其片前后端各接一个22μF，16V的钽电容，来改善瞬态响应和稳定性。

3.2.2、复位电路

由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出更高的要求。该系统复位电路使用了带12C存储器的电源监控芯片CAT1025JI-30。选择该复位芯片，提高了系统的可靠性。

3.2.3、串口电路

由于系统电源是3.3V，所以应使用SAP3232EEA进行RS232电平转换，SAP3232EEA是3V工作电源的 RS232转换芯片。电路如图3所示。

串口电路

图3 串口电路

UART1接GPS接收机模块，UART0接数据终端设备。接收信号经UART1的2引脚进入SPA3232EAA，经电平转换后，从SPA3232EAA的12引脚输出，经LPC2292的引脚P0.9-RXD1进人海拔高转换模块，处理后的结果即海拔高、经度、纬度等信息经LPC2292的引脚P0.0_TXD0输出，再通过电平转换芯片，最后经UART0的1脚输出。

3.3、显示电路

3.3.1、按键电路

该系统设计有四个按键，完成各种功能的切换，数据查找等。其定义为：

按键1：中/英文切换，开关机；
按键2：默认显示格式（海拔高、经度、纬度）/原始数据格式；
按键3：工作模式切换：NMEA0183，Novate1，其它；
按键4：上下翻页查找。

该系统按键电路采用P0口的5个引脚P0.16、 P0.17、P0.18、P0.19和P0.20外接按键。当有按键按下时，低电平使能相应的引脚，执行相应的功能。由于没有内部上拉电阻，需要外接上拉电阻，确保引脚不会悬空。

3.3.2、LCD液晶接口电路LCD显示屏带有内置的驱动芯片，通过LPC2292的P0口相连接。该模块采用串行模式通信，所以PSB脚接低电平。复位引脚与LPC2292的P0.21脚相连，当P0.21脚输出低电平时，复位该LCD显示模块。0cMJ4×8C液晶模块内装有LED背光，使用5V电源供电，需要接阻流电阻R27，使用一个NPN三极管Q2控制LED背光的点亮或熄灭。

4、系统软件实现

本系统的软件设计主要完成对GPS的数据采集和处理工作。在应用程序的实现上，主要是读取从GPS模块传递来的GPS数据信息，并对该数据进行一系列的处理。程序的编写和调试是在ARM公万方数据等：一种GPS海拔高度测量系统的实现方法2419司推出的ADS1.2集成开发环境下完成的。系统软件流程图如图4所示：首先是初始化各数据变量，再是将位系数复制到内存中以备后用，接下来进行各函数和串口的初始化，最后进行数据的采集和处理工作。

系统软件流程图

5、结束语

该系统采用顾及地球重力场模型EIGEN-CG03C的移除-恢复法，提高了GPS水准高程拟合的精度。将该模型采用ARM7开发技术在硬件上实现，进行海拔高的转换，速度快，精度高，实用性好，可靠性高。本系统在完成相关设计和调试工作之后，进行了现场静态测试，并检验了其定位精度，在中国地区不大于10cm，单点数据的处理速度不大于5S。此系统的实现为GPS高程测鼍的应用和推广提供了基础，同时也为局部区域大地水准面的确定提供了一种参考模型。

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