摘要：本文主要介绍GPS导航定位系统技术在煤矿卡车定位的应用研究，详细说明车载GPS导航定位系统的组成、GPS接收机基本工作原理、特点等。汽车电子导航系统是在全球卫星定位系统（GPS）基础上发展起来的新型技术，主要应用在导航、测绘、测速、车辆防盗和调度等方面。车载导航是利用车载GPS配合电子地图来完成汽车导航工作的，它方便准确地告诉驾驶者去往目的地的最短或最快路径。随着GPS技术在中国的发展，GPS导航定位系统技术广泛应用到煤矿卡车运输指挥系统中，后期随着技术的发展，3D导航技术以及实景导航技术的进一步应用，最终实现导航与辅助驾驶智能汽车的诞生。
关键词：GPS导航；卫星定位；煤矿；卡车
1.GPS导航技术现状及发展
本文着重介绍GPS技术的煤矿卡车定位系统的相关技术研究。动态交通信息系统的建设将从管理面上大大提高煤矿本质安全以及车辆交通安全。
GPS应用到民用领域后，使用者终端的GPS产品便成了当前GPS主要的市场内容。推动GPS产品市场高度成长的主要因素是汽车导航系统和结合无线通信的GPS产品的普及化。
车载导航技术在中国取得了巨大发展，同载导航技术将紧密地与煤矿企业的日常生产需求相结合。目前国内煤矿车辆管理基于人员管理的调度系统管理，少数煤矿装备了比较先进的卡车调度系统，煤矿卡车管理智能化、科技化将成为智能矿山建设的重点，装备智能化的卡车调度系统这将大大提高煤矿卡车管理水平，大大的节约由于人为因素造成的调度失误，卡车智能定位、智能调度将大大提高卡车调度的效率，系统将最优化的调度指令发送给卡车驾驶员。
2.GPS导航技术的工作原理
目前仍在轨道上正常工作的有25颗卫星，1颗实验卫星，24颗工作卫星。
2.1煤矿卡车GPS导航系统的构成
由地面支撑系统、空间系统、卡车三部分组成。GPS系统结构如图2.1所示。
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图2.1煤矿卡车GPS系统结构图
1、地面支撑系统：由1个主控站， 3个注入站， 5个监控站。
2、空间系统：GPS系统的空间部分是指GPS工作卫星星座，其由24颗卫星组成，均匀分布在6个轨道上。GPS卫星的时空配置，基本保证了地球上任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。
3、卡车：由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成装备与单台卡车上。其主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理实现实时导航和定位。
2.2 GPS导航定位系统工作的基本原理
GPS的点位与导航的工作原理就是利用测距后方交会原理，太空中的无线电信号发射机，组成一个卫星导航定位系统，由三个以上地面已知点（控制点）交会出卫星的位置，反之利用三个以上卫星的已知空间位置又可以交会出地面接收机的位置。用户用GPS接收机在某一时刻i同时接收到三颗GPS卫星信号，测量出测站P到三颗GPS卫星的距离S1、S2、S3，并计算出该时刻GPS卫星的空间坐标为（Xj、Yj、Zj），j=1,2,3。用距离交会法解算出测站P的位置（Xp、Yp、Zp），其观测方程式为：
S1^2=(Xp-X1)^2+(Yp-Y1)^2(Zp-Z1)^2
S2^2=(Xp-X2)^2+(Yp-Y2)^2(Zp-Z2)^2
S3^2=(Xp-X3)^2+(Yp-Y3)^2(Zp-Z3)^2
以上的测试方程就决定了利用GPS卫星导航定位时同时跟踪至少三颗以上的卫星。
3.卡车GPS工作原理
卡车调度系统可以从显示终端看到矿区所有车辆的位置。导航系统就会根据电子地图自动计算出最合适的路线,并在车辆行驶过程中需要改变路线的时候提醒驾驶员按照计算的路线行驶。在整个行驶过程中,驾驶员不再需要考虑该走哪条路，就能很轻松的到达目的地了。同时系统将配送距离载货区就近的卡车去执行任务，优化指令将大大节约卡车运行成本。矿用卡车上安装的接收机天线对GPS卫星信号进行接收，并将卫星信号转化为相应的电流，电流信号再经前置放大器放大，放大后的信号由变频器和中频放大器将L频段的射频信号变成低频信号；由接收单元的信号通道对广播电文数据信号进行解扩、解调，得到导航电文，并由存贮器保存。CPU将得到的各种数据进行粗处理，使用户得到需要的各种导航定位信息。车载GPS可以定位精度达到20m以内，如果再引入差分GPS方法,可以使精度进一步提高到5m左右。
4.车载GPS接收机的设计
车载GPS接收机的设计包括硬件设计和软件设计两个部分。GPS接收机主要由天线单元、接收单元和电源三部分组成。本GPS接收机我采用W77E58单片机和GSM模块联合设计的GPS接收机硬件电路。
4.1 GPS接收器硬件控制系统设计
本课题采用的单片机具有两个串口的W77E58。在系统中，单片机负责接收用户的手柄输入信号和GPS输入信号；对GPS信号进行计算，以获得当前的经、纬度坐标；接收并解析ITS中心发送的短消息命令，按命令进行上传定位坐标、报警等操作；另外还负责把系统的运行状态及ITS的信息通过液晶屏显示出来。
4.2 GSM模块
本设计使用GSM模块的GSM网进行通讯。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。
它同单片机以串行口的方式连接，并采用特定的波特率进行通信。负责接受用户输入信息的单片机可以通过AT命令控制GSM模块使其发送信息，使用GPRS传送数据。
4.3 GPS模块
GPS模块用于接收GPS卫星的信号，并计算出车载终端目前所在位置。采用的GPS模块由变频器、信号通道、微处理器和存储单元组成。GPS模块通过串行口向主控制器W77E58通信系统发送定位坐标；主控制器也可以向GPS模块发送设置命令，以控制GPS模块的状态和工作方式。GPS模块需要配备专门的GPS天线接收GPS卫星信号。
4.4 电源模块
电源模块用于给系统中的其它模块供电。终端系统需要电源模块提供三路电压，分别为：3.6V、 5V、3.3V。其中，GSM模块在发送和接收数据时需要的电流比较大（约为2A），选用了National公司的LM2576电源芯片。它是一种PWM方式调制的高功率稳压芯片，可以提供高达3.5A的尖锋电流。
4.5车载GPS智能终端软件系统的设计
首先介绍程序响应的中断系统。由于单片机与模块之间的通讯是不定期、不定长的通讯，为了保证不出现阻塞情况，系统采用中断接收方式：把接收到的所有数据在中断过程中放入对应的循环缓冲区之中，然后由主程序解析接收到的串口数据。单片机还要响应两个中断：一个是报警按钮被按下时触发的中断；另一个是定时中断，它每20ms触发一次，用于检测GSM模块的超时应答。
程序工作时先进行初始化工作，然后进入主控制循环。在主控制循环中首先检查GSM数据缓冲区中是否有完整的GSM数据包，如果有则进行解析，并根据协议中的控制命令改变终端所处的状态。接着判断GPS数据缓冲区中是否有完整的GPS数据包，如果有则取出并解析出当前的全球定位坐标，以供上传坐标时使用。最后根据终端所处的状态对终端进行操作。
5.结论
车载GPS智能终端可以较好地完成终端定位、与ITS中心通讯、报警、拨打车载电话等功能，并且具有系统覆盖面广、成本较低、维护费用低、通讯可靠等特点。但是，由于系统主要采用GSM系统的短消息进行通讯，因此无法做到实时通讯。要想实现时时通信还要在本系统的基础上再使用GPRS技术代替短消息进行数据传输，如果时间容许还能进行进一步的学习和研究。关于GPS软件部分，还不是很清楚，在今后的学习和工作中继续学习软件处理。
参考文献
[1]张蕾，汽车电子控制技术，清华大学出版社，2009
[2]蒋向前，新一代GPS标准理论与应用，高等教育出版社，2007
[3]谢钢，GPS原理与接收机设计，电子工业出版社，2009
论文作者:姚爱利
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/17
标签：卡车论文; 系统论文; 模块论文; 接收机论文; 信号论文; 终端论文; 煤矿论文; 《基层建设》2018年第29期论文;