如何完成简易GPS定向仪的制作
1 引言
gps 系统由多颗卫星组成，运行在受大气影响甚微的高轨道上，可以用来授时、测距、测量位置、测量运动载体的速度及方向。如今gps 接收设备的应用已经很广泛，但一般都是单个gps 接收设备工作，只有在一些专业设备上才采用多个gps 接收设备协同工作，以获取高精度的位置、速度、方向等。但这些设备都很专业，价格昂贵，一般人很少有机会接触和使用。本文中讨论一种简单易行，低成本的多gps 接收设备协同工作，以获取载体在运动状态中方向的定向仪的实现。
2 gps 定向
gps 可以用来确定运动载体瞬时速度的大小及方向，其原理是利用多普勒原理使用无线电信号来进行测定。由于卫星与运动的载体之间存在相对运动，根据多普勒频移原理，卫星播发的信号频率在运动载体接收时会产生频移，通过观测这个频移量可得到速度的数值及方向。
市面上常见的普通gps 都支持nmea 数据通讯协议，所谓“nmea 协议”是由美国国家海洋电子协会（nmea- the national marine electronics association） 制定的一套通讯协议，是为了在不同的gps 导航设备中建立统一的btcm（海事无线电技术委员会）标准。gps 接收设备根据nmea- 0183 协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到pc 机、pda 等设备。
nmea- 0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$gpgga、$gpgsa、$gpgsv、$gprmc、$gpvtg、$gpgll 等，其中，我们只给出重点使用的常用nmea- 0183 语句的字段定义解释：
（1）$gpgga：包含当前点位的位置信息
例：$gpgga，092204.999，4250.5589，s，14718.5084，e，1，04，24.4，19.7，m，，，，0000*1f
字段0：$gpgga，语句id，表明该语句为global positioningsystemfix data（gga）gps 定位信息
字段1:utc 时间，hhmmss.sss，时分秒格式
字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）
字段3：纬度n（北纬）或s（南纬）
字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）
字段5：经度e（东经）或w（西经）
字段6:gps 状态，0= 未定位，1= 非差分定位，2= 差分定位，3= 无效pps，6= 正在估算
字段7：正在使用的卫星数量（00 - 12）（前导位数不足则补0）
字段8:hdop 水平精度因子（0.5 - 99.9）
字段9：海拔高度（- 9999.9 - 99999.9）
字段10：地球椭球面相对大地水准面的高度
字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）
字段12：差分站id 号0000 - 1023 （前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空）
字段13：校验值
（2）$gpvtg：包含速度及方向信息
例：$gpvtg，89.68，t，，m，0.00，n，0.0，k*5f
字段0：$gpvtg，语句id，表明该语句为track madegood and ground speed（vtg）地面速度信息
字段1：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）
字段2:t= 真北参照系
字段3：运动角度，000 - 359，（前导位数不足则补0）
字段4:m= 磁北参照系
字段5：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）
字段6:n= 节，knots
字段7：水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0）
字段8:k= 公里/ 时，km/h
字段9：校验值
本文中讨论的定向仪就是使用上述信息来实现定向的，具体实现原理如下所述。将两个gps 接收设备安放在一定长度的刚体上即可进行该刚体的定向，例如图1 中为了测定船载航行时窗体的航行而分别在船头和船尾放置了gps 接收设备：
图1 定向仪的使用
当船体运动时，由于主gps 设备与从gps 设备都可以得到各自的速度大小及方向，所以可以求出船体的运动状态，如图2 所示，由于gps 设备可以获取a 点及b 点的瞬时速度及方向，而船体可以视为刚体，则可以得到与真北方向或者磁北方向的夹角α、β（可以选择真北也可以选择磁北，不过a、b两点要统一），将角度与方向分解在北向和东向上，叠加解算后即可得到船体的运动状态：
图2 船体运动状态的计算
3 gps定向仪的实现
如图3 所示，gps 定向仪由gps 卫星信号接收天线、天线连接电缆、gpsoem板卡、单片机组成，其中供电电源为12vdc 蓄电池：
图3 gps定向仪硬件组成
其电路原理如图4 所示：
图4 电路原理
其中，a、b 两个gps 设备把数据输出到cpu，cpu 通过软件计算出当前的姿态后实时的通过用户界面显示给用户。
4 结论
本文中讨论的简易gps 定向仪，不需要使用专业gps 设备，而通过简单易行的方法和解算即可得到载体的运动状态，当主从gps 设备间的距离大于1 米后，精度会随着它们之间距离的增加而有所提高。事实上，这个方法如果将gps 设备升级为带有载波相位输出的专业gps 测量设备，并且将主从gps 设备间的距离作为已知条件进行静态高精度基线解算的话，可以把定向仪的精度明显的提升到专业设备的水准，与目前市面上的专业定向、定姿态设备的原理是相同的。
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例：$gpgga，092204.999，4250.5589，s，14718.5084，e，1，04，24.4，19.7，m，，，，0000*1f
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字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）
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