隨著GPS的發(fā)展以及GPS在定位、導(dǎo)航、測(cè)量方面的應(yīng)用，越來越多的產(chǎn)品開始面世，但是幾乎所有的GPS接收機(jī)廠商的產(chǎn)品都是支持NMEA0183協(xié)議，使得接收機(jī)輸出的位置信息為經(jīng)度、緯度和 大地高；而實(shí)際應(yīng)用中常常需要知道海拔高度，這就給實(shí)際應(yīng)用帶來很大的不方便。實(shí)現(xiàn)大地高向海拔高精確轉(zhuǎn)換已成為一個(gè)熱門的研究方向。目前實(shí)現(xiàn)大地高向海拔高轉(zhuǎn)換的方法主要有兩大類，一類是建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行高程擬合來得到海拔高， 這種方法有一定的局限性；另一類是用重力水準(zhǔn)模型來實(shí)現(xiàn)，即本系統(tǒng)采用的方法。可以采用ARM技術(shù)在硬件上實(shí)現(xiàn)，速度快，精度高，實(shí)用性好。

GPS高程轉(zhuǎn)換的基本原理

GPS測(cè)量是在WGS-84地心坐標(biāo)系上進(jìn)行的， 它所提供的高程是相對(duì)于WGS-84橢球的大地高。 我們通常采用的高程系統(tǒng)是正常高系統(tǒng)，因此，在實(shí)際測(cè)量過程中就必須將GPS大地高轉(zhuǎn)換為正常高即海拔高。 假定某點(diǎn)的正常高為h，大地高為H_G，則正常高與大地高的關(guān)系為

h=HG-ζ （1）

式（1）中ζ為似大地水準(zhǔn)面（即正常高相應(yīng)的基準(zhǔn)面）與橢球面（即大地高相應(yīng)的基準(zhǔn)面）之間的高程差，即高程異常。如圖1所示，不妨設(shè)點(diǎn)P的GPS大地高為H_G，正常高為h，高程異常為ζ，大地水準(zhǔn)面高為N：

大地高與正常高關(guān)系圖

因此，將大地高轉(zhuǎn)化成海拔高的關(guān)鍵是求出高程異常，它的精確求解基于一個(gè)具有相應(yīng)精度和高 分辨率的（似）大地水準(zhǔn)面模型。目前重力學(xué)方法確定的重力大地水準(zhǔn)面具有高分辨率但精度低，一般來說，利用重力場(chǎng)模型求解高程異常，其精度在米數(shù)量級(jí)，因而難以直接用于生產(chǎn)應(yīng)用， 但重力場(chǎng)模型包含較準(zhǔn)確的中長波信息，可用于 GPS高程轉(zhuǎn)換中以改善轉(zhuǎn)換的精度；而GPS水準(zhǔn)確定的幾何大地水準(zhǔn)面的特點(diǎn)是高精度但分辨率較低，將重力學(xué)與GPS水準(zhǔn)相結(jié)合可達(dá)到精化局部大地水準(zhǔn)面的目的，這種方法也稱移去一恢復(fù)法。

“移除·恢復(fù)”的方法原理

高程異常ζ可表示為：

式（2）中ζ^GM伽表示長波部分，可通過重力場(chǎng)模型計(jì)算得到；ζ^△G表示中波部分，可通過求解重力異常邊值問題得到；ζ^T表示短波部分，通過求解地形改正得到。

“移去·恢復(fù)”法的基本思想是，在利用已有觀測(cè)值進(jìn)行高程擬合之前，首先利用已知重力場(chǎng)模型計(jì)算得到高程異常中的長波部分，這樣就得到殘余觀測(cè)值。利用函數(shù)模型（如多項(xiàng)式函數(shù)或多面函數(shù)模型）進(jìn)行擬合和內(nèi)查，再在內(nèi)插點(diǎn)上利用已知重力場(chǎng)模型把移去的部分恢復(fù)，最終可得到該點(diǎn)的高程異常。

重力場(chǎng)模型通常用引力位求諧展開的系數(shù)（簡稱位系數(shù)）來表示，它可以利用衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)、地面重力數(shù)據(jù)及衛(wèi)星測(cè)高等觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。對(duì)于給定的規(guī)格化的位系數(shù)，高程異常可表示為：

式（３）中，r、θ、λ分別為計(jì)算點(diǎn)的地心向徑、地心緯度和地心經(jīng)度；GM為萬有引力常數(shù)和地球質(zhì)量的 乘積；λ為計(jì)算點(diǎn)的正常重力值；R為地球的平均半徑；由減去正常位的位系數(shù)得到；為規(guī)格化的締合勒讓德函數(shù)；N為重力場(chǎng)模型展開的階次。本系統(tǒng)采用360階次重力場(chǎng)模型EIGEN-CG03C，其轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于EIGEN-CG01C和EGN96。

海拔高測(cè)量系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

海拔高測(cè)量系統(tǒng)整體硬件包括GPS模塊、ARM微處理器模塊、有線通信模塊和人機(jī)接口模塊。 GPS模塊捕獲并跟蹤待測(cè)衛(wèi)星，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行變換、放大處理，測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收天線的傳播時(shí)問及解算出GPS衛(wèi)星發(fā)送的電文，最后實(shí)時(shí)解算出測(cè)量站的位置。ARM微處理器接收來自GPS模塊輸出的位置信息，對(duì)其進(jìn)行處理，將 大地高轉(zhuǎn)化成海拔高，即通過軟件程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理。通信接口和人機(jī)接口模 塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示。系統(tǒng)框架如圖2所示。

系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)硬件電路主要分以下部分：GPS接口電路、LPC2292工作電路、顯示電路等。

3.1、GPS接口電路

該系統(tǒng)中的GPS接收機(jī)模塊采用的是深圳市 廣和通實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的u-Blox GPS開發(fā)套件，產(chǎn)品型號(hào)為GT5011-SU。該型號(hào)OEM板為16通道，C/A碼，L1頻段的GPS信號(hào)接收模塊，具有高性能低功耗等眾多優(yōu)點(diǎn)。GT5011-SU的通信傳輸通過RS232的串行口來實(shí)現(xiàn)。在該模塊上提供有電源和串口引腳，數(shù)據(jù)通過串口傳輸。

3.2、LPC2292工作電路

3.2.1、電源電路

這里不使用LPC2292的AD功能，只需要提供兩 組電源，I/O供電電源為3.3V，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電 電源為1.8V，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3.3V應(yīng)用系統(tǒng)。 因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)這兩組電壓的要求比較高，且其功 耗不是很大，所以不適合用開關(guān)電源，應(yīng)當(dāng)用低壓差模擬電源LDO。合乎技術(shù)參數(shù)的LDO芯片很多，Sipex 半導(dǎo)體SPX1117是一個(gè)較好的選擇，它的性價(jià)比較高，且有一些產(chǎn)品可以與它直接替換，減少采購風(fēng)險(xiǎn)。所以，LDO芯片分別采用SPX1117M-3.3和SPX1117M-1.8，其特點(diǎn)為輸出電流可達(dá)800mA，輸出電壓的精度在1%以內(nèi)，具有電流限制萬方數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)與工程10卷和熱保護(hù)功能，穩(wěn)定性好。該電路中，其片前后端各接一個(gè)22μF，16V的鉭電容，來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

3.2.2、復(fù)位電路

由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、 時(shí)鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出更高的要求。該系統(tǒng)復(fù)位電路使用了帶12C存 儲(chǔ)器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30。選擇該復(fù)位芯片，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.2.3、串口電路

由于系統(tǒng)電源是3.3V，所以應(yīng)使用SAP3232EEA進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，SAP3232EEA是3V工作電源的 RS232轉(zhuǎn)換芯片。電路如圖3所示。

圖3 串口電路

UART1接GPS接收機(jī)模塊，UART0接數(shù)據(jù)終 端設(shè)備。接收信號(hào)經(jīng)UART1的2引腳進(jìn)入SPA3232EAA，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，從SPA3232EAA的12引腳輸出，經(jīng)LPC2292的引腳P0.9-RXD1進(jìn)人海拔高轉(zhuǎn)換模塊，處理后的結(jié)果即海拔高、經(jīng)度、緯度等信息經(jīng)LPC2292的引腳P0.0_TXD0輸出，再通過電平轉(zhuǎn)換芯片，最后經(jīng)UART0的1腳輸出。

3.3、顯示電路

3.3.1、按鍵電路

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有四個(gè)按鍵，完成各種功能的切換，數(shù)據(jù)查找等。其定義為：

• 按鍵1：中/英文切換，開關(guān)機(jī)；
• 按鍵2：默認(rèn)顯示格式（海拔高、經(jīng)度、緯度）/原 始數(shù)據(jù)格式；
• 按鍵3：工作模式切換：NMEA0183，Novate1，其它；
• 按鍵4：上下翻頁查找。

該系統(tǒng)按鍵電路采用P0口的5個(gè)引腳P0.16、 P0.17、P0.18、P0.19和P0.20外接按鍵。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，低電平使能相應(yīng)的引腳，執(zhí)行相應(yīng)的功能。 由于沒有內(nèi)部上拉電阻，需要外接上拉電阻，確保 引腳不會(huì)懸空。

3.3.2、LCD液晶接口電路LCD顯示屏帶有內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)芯片，通過LPC2292的P0口相連接。該模塊采用串行模式通信，所以PSB腳接低電平。復(fù)位引腳與LPC2292的P0.21腳相連，當(dāng)P0.21腳輸出低電平時(shí)，復(fù)位該LCD顯示模塊。0cMJ4×8C液晶模塊內(nèi)裝有LED背 光，使用5V電源供電，需要接阻流電阻R27，使用一個(gè)NPN三極管Q2控制LED背光的點(diǎn)亮或熄滅。

4、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成對(duì)GPS的數(shù)據(jù)采 集和處理工作。在應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)上，主要是讀取 從GPS模塊傳遞來的GPS數(shù)據(jù)信息，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理。程序的編寫和調(diào)試是在ARM公 萬方數(shù)據(jù)等：一種GPS海拔高度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法2419司推出的ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境下完成的。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示：首先是初始化各數(shù)據(jù)變量， 再是將位系數(shù)復(fù)制到內(nèi)存中以備后用，接下來進(jìn)行各函數(shù)和串口的初始化，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理工作。

系統(tǒng)軟件流程圖

5、結(jié)束語

該系統(tǒng)采用顧及地球重力場(chǎng)模型EIGEN-CG03C的移除-恢復(fù)法，提高了GPS水準(zhǔn)高程擬合 的精度。將該模型采用ARM7開發(fā)技術(shù)在硬件上實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行海拔高的轉(zhuǎn)換，速度快，精度高，實(shí)用性好，可靠性高。本系統(tǒng)在完成相關(guān)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作之后，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)測(cè)試，并檢驗(yàn)了其定位精度， 在中國地區(qū)不大于10cm，單點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理速度不大于5S。此系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為GPS高程測(cè)鼉的應(yīng)用和 推廣提供了基礎(chǔ)，同時(shí)也為局部區(qū)域大地水準(zhǔn)面的確定提供了一種參考模型。

信息標(biāo)題：GPS測(cè)海拔 GPS海拔高度測(cè)量系統(tǒng)

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