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中文摘要 中文摘要 目前，随着形势的发展，一些不法分子在原油外输管线上进行偷油的现象时 有发生，不仅给国家的经济和财产造成巨大损失，而且对原油外输的生产秩序和 安全造成严重影响和威胁。为及时发现在原油外输管线上所发生的各种偷油事 件，同时加强对输油管线的维护，必须加强对管线的巡检，而目前主要采取人工 巡线的方式。本文研究的基于g p s 技术丌发的原油管线巡检系统，利用g p s 定位 原理、嵌入式技术、计算机技术等来实现利用g p s 接收机即可有效地对原油管线 巡检人员进行管理，保证工人及时、可靠巡线，提高巡检工作的到位率，增强巡 线人员的责任感，规范了巡检工作的流程，大大提高了原油管线巡检工作的质量， 保证了国家物资的安全。 本系统通过建立主要由计算机、g p s 接收机和卫星接收天线等组成的基准数 据采集站获得定位基准数据，开发便于外输管线巡检工人携带的便携式g p s 接 收机，用于记录外输管线巡检工人的巡线动态位置的原始数据。采用一种先进的 差分后处理技术，编制可同时处理伪距数据和l l 波段载波相位的中文版全动态 后处理软件，该软件与g p s 接收机相配合，对g p s 接收数据进行处理，从而得 到高精度的外输管线巡检工人的巡线动态位置信息。满足所要求的静态和动态定 位精度。 关键词：g p s 接收机后处理技术地理信息数据处理 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t ly ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y ，s o m ec r i m i n a l ss t e a lr a w o - lf r o mt h eo u t g o i n gt r a n s f e rl i n e ，i th a p p e n sm o r ef k q u e n t i y i tn o to n l yc a u s e st h e h u g el o s so ft h eg o v e m m e n t sp r o p e n i e sb u ta i s os e v e r e l yt h r e a t e n st h en o n n a lo i l o u t g o i n gt r a n s p o 九a t i o na n dw o r k i n gs a f e t y f o rq u i c k l yf i n d i n ga n dp r o t e c t i n gt h i s 妙p eo fc r i m e s ，m e a n w h i l e ，s t r e n g t h e n i n gt h eo u t g o i n gt t a n s f e rl i n e sm a i n t e n a n c e ，i t m u s tt 0s 仃e n 舀h e nt h eo u t g o i n gt r a n s f er i i n e si n s p e c t i n g b u tc u r r e n t l yi t si n s p e c t i n g m e t h o di sm a n u a l l y t h ep r i d j e c to fi n s p e c t i n gs y s t e mi n t h i st h e s i si sb a s e do ng p s ， i m b e d d i n gt e c h n i q u ea n dt h ea i do fc o m p u t e r t h i ss y s t e mc a nm a n a g et h eg u a r d s ， e n s u r i n gt h eq u i c ka n dr e l i a b i ei n s p e c t i o no ft h eo i lo u t g o i n gt r a n s f e rl i n e st h r o u g ht h e a i do fag p sr e c e i v er t h e r e f o r e ，e n h a n c et h e i rf e e l i n go fr e s p o n s i b il i t ya n dh e l pt h e m t ob em o r ee 币c i e n tt op r o t e c tt h en a t i o n sp r o p e r t i e s t h i ss y s t e mg a i n so r i e n t a t i o nr e f e r e n c ed a t at h r o u 曲as t a n d a r dd a t aa c q u i s i t i o n s t a t i o nw h i c hc o m p o s e so fc o m p u t e r s ，g p sr e c e i v e ra n ds a t e l l i t ea n t e n n a ap o r t a b l e g p sr e c e i v e rw a sc r e a t e dt or e c o r dt h eo r i g i n a ld y n 帅i cp o s i t i o nd a t ao f 、v o r k e r s t h i ss y s t e mi su s i n ga na d v a n c e dd i a e r e n c ep o s t - p r o c e s s i n gt e c h n i q u ec o n t i i o l l e db y s o r w a r ew r i t t e ni nc h i n e s ep r o c e s s i n gi n v e r a c i o u sd a t aa n dll 、v a l v eb a n dc a r r i e r p h a s es i m u l t a n e i 吼t h ec o m b i n a t i o no ft h i ss o f h ，a r ea n dg p sr e c e i v e rc a np r o c e s s ( p sd a _ t aa n do b t a i nh i g ha c c u “l t ed y n a m i ci n s p e c t i o ni n f - o n n a t i o n i nc o n c l u s i o n ， t h i ss y s t e mc a nr e a c ht h er e q u i r e m e n to fs t a t i c2 u l dd y n 姗i cs t a t ea c c u i a c y k e yw o r d ： g p sr e c e i v e r ，p o s tp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t a p r o c e s s 致谢 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 己在论文中作了明确地说明并表示谢意 学做作者签名：、慰隐 签字日期：柝月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解黑龙江大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅本人授权黑龙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用于本授权书) 学位论文作者签名：样争导师签名：叶写谚 签字日期：乙始年石月1 日签字日期：勘够年月- 7 日 工作单位：乡豕渺刃、鼋功缘) 司 通讯地址久象彳珍l 刁劬藓，司 电话：乡乡乙罗衫彬7 邮编：歹弓；乒 第1 章绪论 第1 章绪论 石油和天然气是地球赋予人类的宝贵能源财富，人们对石油天然气的需求日 益增加。石油管道运输以其高效率、低成本和安全可靠的优势，在国民经济中发 挥着重要的作用。 石油管线一般都是线路长、地形复杂。巡线人员是否到位巡视和如何做完整、 准确的缺陷记录一直是线路维护管理中的薄弱环节。g p s 管线巡检系统为解决这 个问题提供了有益的尝试。 1 1 课题的研究背景和意义 我国石油天然气管道的生产和使用是随着石油工业的兴起而逐步发展起来 的。从1 9 5 8 年克拉玛依至独山子输油管道的建成，到兰成渝、西气东输、忠武 等管道己陆续建成投产，基本形成了我国油气管道基干管网。正准备兴建的管道 还有中俄天然气管道、中俄原油管道，远景规划可能还有吐库曼斯坦至中国的天 然气管道、西西伯利亚至中国的天然气管道以及苏罩格气田的外输管道等。 我国管道的安全状况令人担忧。由于我国现役油气长输管道8 0 以上超过设 计寿命，已进入事故多发期，再加上人为破坏等因素，管道事故频繁发生。据不 完全统计，我国仅输油管道在近3 0 年内共发生大小事故上千次，天然气管道也 发生事故几百起。油气管道的失效不论破裂、穿透和小孔穿透，都将引起介质的 泄漏。而由于油气介质具有易燃易爆易挥发的特性，挥发石油气与空气混合将形 成气一空气混气云，达到燃烧爆炸浓度时遇火发生爆炸，或泄漏石油遇到火源， 就有可能发生火灾，导致人员伤亡、财产损失和环境破坏。目前，随着形势的发 展，一些不法分子在原油外输管线上进行偷油的现象时有发生，不仅给国家的经 济和财产造成巨大损失，而且对原油外输的生产秩序和安全造成严重影响和威 胁。基于这样的考虑，全国现有油田都非常重视石油管道巡检的工作，并制定了 比较详细的规章制度来开展石油管道巡检工作，以便及时发现问题，尽早处理。 本文根据石油管道巡检的工作和管理的具体要求，提出了一种基于g p s 技术 的石油管线巡检系统，并建立了整个系统的功能模型，完成了整个系统的方案设 计。提出了采用g p s o e m 模块与单片机技术相结合自行开发便携式g p s 接收机的 具体方案，并对其进行了硬件与软件方面的设计。根据石油管线巡检系统的需要， 黑龙江大学硕士学位论文 实现了便携式g p s 接收机与后台管理机之问的数据交换。该系统不仅克服了传统 石油管线巡检系统的缺点，而且对提高石油管线巡检：【作的管理水平具有重要的 意义。 1 2 管线巡检系统的研究现状 石油管线巡检是指石油管道管理部门通过对其所管辖范围内的石油管道进 行的定期巡视、检查，以保证石油输送的安全，防止偷油、漏油的现象发生。目 前，很多油田虽然己实旌了各种信息管理系统，但由于石油管线巡检的特殊性， 需要野外实地操作，因此石油管线巡检的信息化管理几乎是个空白。一般来说， 石油管线巡检具有工作面积大、线路长、环境复杂等特点，对石油管线巡检工作 的监管提出越来越高的要求。巡线主要有以下几种巡检记录方式： 1 、手工记录方式 长期以来，石油管道巡检工作沿用着“一表制”的工作方式。巡检车沿着石 油管道行驶，每到一个巡检站点( 一千米一个) ，巡检人员下车检查，然后记录有 关情况，返回管道管理处统计巡检情况i l 】。由于巡检员的文化素质参差不齐，而 且很多巡检员来自当地雇佣的工人，难免有少数责任心不够的巡检人员，使得安 全巡检工作质量大扣折扣。填写缺陷票仍由巡检人员现场手工完成，费时、费力 且缺陷票填写内容不规范，使得线路缺陷汇总分析的工作量没有实质性减少，影 响了线路巡检管理效率的进一步提高。 2 、采用信息钮技术。 近几年来，一些比较先进和方便的线路巡检管理系统相继出现。这些系统均 通过在每到一个巡检站点安装信息钮、信息螺栓、条形码和射频卡等自动识别器 件，后台则采用计算机进行集中管理【2 1 ，以有效杜绝人为因素的影响，有利于及 时、客观地考核巡检人员的工作。但这些系统仍存在一些局限性，信息钮、信息 螺栓或条形码不仅安装较为复杂，而且长期暴露在野外容易遭到损坏，不利于 有效管理。上述线路巡检的信息采集技术保证了巡检工作及时、顺利进行，使尽 可能杜绝人为冈素的影响，定时、定巡检人员的工作成为可能。然而，上述产品 安装复杂，而且对环境要求比较苛刻，同时不能对巡检人员进行安装位置固定且 实时性差，使用不灵活，不便于有效管理。 第1 章绪论 3 、基于g o o g 】ee a r t h 管线巡检系统 主要目的是利用g o 0 9 1 ee a n h 提供的高清影像和影像显示模式形象地显示 巡检的状况。管线巡检系统主要包括日常巡检、实时巡检、按巡检仪巡检、按巡 检员巡检等几部分组成，巡检酌结果可以在g o 0 9 1 ee a 九h 进行动态显示1 3 】1 4 1 。但 是g o 0 9 1 ee a r t h 只有影像数据，为了更好的解读巡检信息，在g o o g 】ee a r t h 上 叠加基础地理数据显得尤为重要。利用g o o g 】ee a r t h 进行商业开发还存在许多 的弊端，在基础数据转换方面主要是影像更新的问题。随着时间变化，g o o g l e e a r t h 肯定会对区域卫图影像进行更新。每一次更新就会带来未知的景幅间的新 衔接误差。相应的地图数据就要作相应的校正处理。于是，享受g o 0 9 1 ee a r t h 丰富的卫图基础资源的同时，要保证数据的准确性就要付出相应的校正工作成 本，其成本与g o 0 9 1 ee a r t h 卫图更新频率、卫图覆盖面积成正比。利用g o 0 9 1 e e a r t h 进行管线巡检系统还可能涉及到国家安全问题。 4 、基于g p s 的巡检系统 g p s 以其在空旷的野外、系统工作可靠性能够得到保证、卫星资源免费，即 买即用、无需在巡检地点安装任何信息载体、存储信息丰富，不仅有位置信息， 还能记录缺陷数据等优势【5 】，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地 测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变 形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技 术革命。 1 3 本论文主要研究的内容 本文研究的基于g p s 的管线巡检系统是将g p s 集成到移动台中，利用g p s 技 术对所到巡视点进行定位。定位时，g p s 将接收卫星发射的所到巡视点的时间和 经纬度，再通过接口将数据传到后处理计算机中。为了得到高精度的定位数据， 我们对数据采用了差分g p s 处理。差分g p s 处理有实时差分处理和事后差分处理。 利用该系统即可确定出巡线人员真实的巡线轨迹，从而判断出其是否及时和可靠 巡线。本文的主要研究内容是基于g p s 定位的管线巡检系统研究。本系统将基于 v b 软件开发技术与基于a t m e g a l 6 的嵌入式硬、软件开发技术结合起来，研究开 发出一套实用、方便、有效的管线巡检系统。 黑龙江大学硕士学位论文 本论文的章节安排如f 。 第1 章首先论述了当前巡检技术的发展及研究状况，分析了各种技术的特点 及实际应用中的优缺点，提出了基于g p s 定位的管线巡检方案。 第2 章介绍了系统的相关王甲论，分别介绍了g p s 的定位原理和n m e a o 】8 3 韵 相关知识。 第3 章介绍了系统总体方案设计，确定了系统方案的目标和组成，并对基站 主机及便携式机硬件做了分析。 第4 章详细论述了便携式g p s 接收机的硬件电路的设计，分别介绍了单片机系 统电路、g p s 一0 e m 模块以及其相互的接口电路。 第5 章详细论述了便携式g p s 接收机的软件实现过程。 第6 章论述了管线巡检系统功能模块设计。首先做了系统的功能分析，并确 定了基本功能的工作流程。 最后对系统作了结论和展望。 第2 章系统相关的理论 2 1g p s 系统概述 第2 章系统相关的理论 g p s 是英文n a v j g a t i o ns a 琵】1 i t e t i m jn ga n dr a n g j n g g 1 0 b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m 的缩写，意为利用卫星导航进行测时和测距，以构成全球卫 星定位系统。是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高 精度导航和定位的需要而建立的。自1 9 7 3 年美国军方批准成立联合计划局开始 g p s 的研究工作到1 9 9 3 年系统建成，该工程历时2 0 年，耗资3 0 0 亿美元，成为 继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决 了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用， 给导航和定位技术带来了巨大的变化。 2 1 1g p s 系统的特点 目前，二十多颗g p s 卫星已覆盖了全球，每颗卫星均在不问断的向地球播发 调制在两个频段以上的卫星信号。在地球上任何一点，均可连续地同步观测至少 4 颗g p s 卫星，从而保障了全球、全天候连续的三维定位，而且具有良好的抗干 扰性和保密性【6 1 。因此，全球定位系统已成为美国导航技术现代化的最重要标志， 并且被视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技 成就，具有如下特点： 1 、全球、全天候工作：能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和 精密时间，不受天气的影响。 2 、定位精度高：单机定位精度优于1 0 米，采用差分定位，精度可达厘米级 和毫米级。 3 、功能多，应用广：随着人们对g p s 认识的加深，g p s 不仅在测量、导航、 测速和测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 2 1 2g p s 系统的组成 g p s 系统由三部分构成，分别为空间星座部分、地面监控部分、用户设备部 分。 黑龙江大学硕士学位论文 1 、空间星座部分 g p s 的空i 、日j 星座部分是由2 4 颗g p s ：i ：作卫星所组成的。其中2 1 颗为可用 于导航的卫星，3 颗为活动的备用卫星。2 ，1 颗卫星分布在6 个倾角为5 5 。的轨 道上绕地球渤t 卫星的运行周期约为】2 恒旱时，每颗g p s 工作卫星都发出用 于导航定位的信号，g p s 用户正是利用这些信号来进行工作的。目前可用的卫星 通常有2 8 颗之多。 2 、地面监控部分 ( 1 ) 主控站位于美国克罗拉多( c o 】o r a d o )的法尔孔( f a 】c o n ) 空军基 地。它的作用是根据各监控站收集的g p s 观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟 的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去。同时它还对卫星进行 控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫 星工作。主控站也具有监控站的功能。 ( 2 ) 监控站有五个。除了主控站外其它四个分别位于夏威夷( h a w a jj ) 、阿 松森群岛( a s c e n c i o n ) 、迭哥仂i l 西业( d i e g og a r c i a ) 、卡瓦加兰( k w a j a l e i n ) 。 监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。 ( 3 ) 注入站有三个。分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。注 入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。 3 、用户设备部分 接收g p s 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成 导航和定位工作m 。g p s 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。g p s 的用户 部分由g p s 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机等组成。 2 1 3g p s 定位原理 g p s 接收机叮接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息、用于预报未来 几个月内卫星所处概略位置的预报星历、用于计算定位时所需卫星坐标的广播星 历，精度为几米至几十米( 各个卫星不列，随时变化) 以及g p s 系统信息| 8 】，如 卫星状况等。 1 、伪距测量原理 g p s 接收机对码的测量就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星 第2 章系统相关的理论 钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0 a 码测得的伪距称为l a 码伪距，精 度约为2 0 米左右，对p 码测得的伪距称为p 码伪距，精度约为2 米左右0 1 。 见公式( 2 1 ) 及图( 2 1 ) 。 d = c t ( t = t 2 一一t1 )( 2 一】) 卫星码 g p s 接收 图2 1 伪距测量原理图 f i g 2 1i n v e r a c i o u sd a t am e a s u r e 2 、单点定位 首先我们可以得到g p s 卫星的位置；其次，我们又能准确测定我们所在地点 a 至卫星之间的距离，那么a 点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的 圆球上。进一步，我们又测得点a 至另一卫星的距离，则a 点一定处在前后两个 圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定a 点只能是 在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合 理的位置l l l 】。如图2 2 所示。 卫星1卫星2卫星3卫星4 f i g 2 2s i n 9 1 e p o i n tl o c a l i o n 7 黑龙江大学硕士学位论文 3 、差分g p s 定位技术 差分技术很早就被人们所应用。它实际上是在一个测站对两个目标的观测 量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之问进行 求差。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数1 1 2 】。 随着g p s 技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用 差分g p s 技术来改善定位性能。它使用一台g p s 基准接收机和一台用户接收机， 利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源一电离层和对 流层效应，并能将卫星钟误差和星历误差消除，因此，现在发展差分g p s 技术就 显得越来越重要。 卫星1 卫星2 卫星3卫星4 图2 3 差分g p s 定位 f j g 2 3d i 行e r e n c eg p sl o c a l i o n 后差分g p s 使用的设备比较简单，它与实时动态g p s 最大的区别在于不需要 复杂的数据链。在硬件上，基准站和移动站都只需要使用一台能够输出原始观测 数据，并能记录、存储的g p s 接收机，一般还要求移动站能够记录测点及路线信 息。在软件上，需要使用数据传输软件，以将野外采集成果传输到计算机内，另 外还需要使用后差分数掘处理软件以及具有计算面积、距离等功能的软件。 在测前阶段，与静态测量不同的是，不需要进行选点埋石，但需要进行基站 位置的选择，后差分g p s 对基站位置的要求较高，通常基于下列理由要求基站架 设在天空开阔、周隔障碍少、多路径影响不严重的位型1 3 j 。 第2 章系统相关的理论 在动态后差分测量中，要求每个时刻流动站和基准站至少要同时观测到四颗 相同的卫星，而移动站处于流动之中，观测卫星随时会发生变化，因此，要求基 站的上空必须空阔，最好能观测到所有在视卫星。 伪距观测值比载波相位观测值更易受到多路径的影响，严重时对定位精度影 响可达数十米1 1 4 】。因此，基站应避免架设在光滑的水平、平坦的地面、高大的建 筑物附近。同样，移动站的多路径效应对差分定位结果也有非常大的影响。 如使用载波相位进行平滑差分，应要求基站和流动站的载波相位尽量保持连 续跟踪，尽量避免在树木、觇标等下方进行观测【1 5 j 。 野外观测后，应及时进行动态路线的后处理。通过动态路线后处理可评价这 条路线是否合格，必要时，可能要重新返测。 2 2n m f e a 0 18 3 协议 美国国家海事电子协会( n m e a ) 是一家专门从事海洋电子设备方面研究的民 间机构，它制定了关于海洋电子设备之间的通信接口和协议的n m e a 标准。 卜m e a 0 1 8 3 数据标准解决了不同品牌、不同型号的g p s 接收机之间实现任意连接 的接口问题。n m e a 0 1 8 3 标准对数据串、通信协议的定义做了具体的规定。 n m e a ( n a t i o n a lm a r i n ee 1 e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ，美国国家海事电子协会) 成立于2 0 世纪5 0 年代，总部在美国北卡罗来纳州。n m e a 系列标准是其制定关 于海洋电子设备直接通信接口和协议的标准1 16 1 。1 9 8 0 年制定了最早的有关海洋 电子设备通信接口和协议的标准，仅仅是针对l o r a n c ( 远距离无线导航) 系统 和自动驾驶仪及其相关设备的通信制定，二者在具体内容上没有太大的差别，只 是在设备通信格式上有简单格式和复杂格式之分。 19 8 3 年制定了n m e a 0 1 8 3 标准。这一标准在兼容n m e a o l8 0 和 n e m a 0 1 8 2 的基础上，增加了g p s 、测探仪、罗经方位系统等多种设备的接口 和通信协议定义，同时，标准还允许一些特定设备制造商对其设备( 如g a 舯i n g p s 3 8 、“m b l ee n s i g nx l ) 通信进行定义协议。由于n m e a 0 18 3 标准的通用 性和灵活性，因而在全世界被广泛使用1 1 刀。 黑龙江大学硕士学位论文 2 3n m e a 0 18 3 格式数据串定义 n m e a 一0 1 8 3 格式数据串的所有字符均为a s c l l 文本字符。数据传输以“语句” 方式进行，每个语句均以- ：$ ”开头，紧接着是“会话i d ”和三个字母的“语句 i d ”，其后是数据体，数据字段以逗号分隔，语句未尾为c h e c k s u m ( 可选) ，以回车 换行结束。每行语句最多包括8 2 个字符( 包括匝i 车换行和“$ ”符号) 1 1 8 1 。 数据串以逗号分隔符识别，空字段保留逗号。语句结束的c h e c k s u m 由一个“术” 和两个数据位的十六进制数组成。 n m e a 一0 1 8 3 标准允许个别厂商自己定义语句格式，这些语句以“$ p ”开头， 其后是3 个字符的厂家i d 识别号，后接自定义数据体1 1 9 】。 下面是几个常用的会话识别i d ： ( 1 )g p ：g 1 0 b a lp o s itio n in gs y s te mr e c e iv e r ，g p s 定位系统； ( 2 )l c ：l o r a n c ，罗兰c 无线电导航系统； ( 3 ) o m ：o l e g an a v i g a t i o nr e c e i v e r ，欧米伽i 导航系统； ( 4 ) 1 l ：i n t e g r a t e d1 n s t r u m e n t a li o n 集成设备。 2 4 姗a 0 18 3 格式通信协议 n m e a 0 1 8 3 格式通信采用r s 2 3 2 通信标准，r s 2 3 2 标准用于d t e 和d c e 【2 伪。 g p s 和微机之间的通信属于d t e 。标准的r s 2 3 2 通信连接采用2 5 针串口( d b 一2 5 ) ， 也可用于现在多数微机流行的9 针串口( d e 一9 ) ，其串行连接如下图所示： 图2 4 串行接口 f i g 2 - 4s e r i a li n l e 如c e 一1 0 第2 章系统相关的理论 缺省的通信波特率定义为4 8 0 0 。波特率是所传送的代码的最短码元占有时 问的倒数。 n m e a 0 18 3 在g p s 方面的应用： n m e a 0 1 8 3 标准应用于g p s 方面时，一数据串以“$ g p ”开头，主要有g g a 、g l l 、 z d a 、g s v 、g s t 、g s a 、a l m 等格式1 2 l 】，这些格式的作用分别是： $ ( ；p g g a ：输出g p s 的定位信息： $ g p g l l ：输出大地坐标信息： $ g p z d a ：输出u t c 时间信息： $ g p g s v ：输出可见的卫星信息； $ g p g s t ：输出定位标准差信息； $ g p g s a ：输出卫星d o p 值信息； $ g p a l m ：输出卫星星历信息。 应用软件通过接收从g p s 输出的信息，提取有用字段，可进行相关定位、显 示、分析、存储等操作。 2 5g p s 数据格式 n m e a 0 1 8 3 协议是美国国家海洋电子协会制定的g p s 接口协议标准。 n m e a 一0 1 8 3 定义了若干代表不同含义的语句，每个语句实际上是一个a s c l l 码串。 这种码直观，易于识别和应用。在解析中，不需要了解n m e a 0 1 8 3 通信协议的全 部信息，仅需要从中挑选出需要的那部分定位数据，其余的信息忽略掉1 2 2 】。g p s 与掌上电脑通信时，通过串口每秒钟发送】o 条数据。实际导航应用读取g p s 的 空间定位数据时，可以根据需要每隔几秒钟更新一次经纬度和时间数据，不必频 繁地更新数据，否则，会浪费掌上设备有限的电能，如果和卫星通信正常，可以 接收到的数据格式如下：s g p g g a ，( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) ，( 4 ) ，( 5 ) ，( 6 ) ，( 7 ) ，( 8 ) ， ( 9 ) ，( 10 ) ，( u ) ， ，术h h ， 。其具体信息如表2 1 所列。 黑龙江大学硕士学位论文 表2 一ls g i g g a 诒句备数据j 负的含义 1 a b l e2 1e a c hd a t a i t e m sm e a n i n 乜so fl h es g p g g a 数据位数据内容 s g p g g a 接收g p s 语句的起始符 域分隔符 u t c 时间，小时分钟z 秒( h hm ms s ) 的格式 纬度d dm mm m m m 格式 纬度方向n 或s ，n 表示北纬，s 表示南纬 ( 4 经度d dm mm m m m 格式 经厦方向e 或w ，e 表示乐经，w 农j i 两经 g p s 状态提示，o 一未定位：卜无差分定何信息：2 一带差分定位信息 使用i i 星号( 0 0 一0 8 ) 精度百分比 海平面高度 大地概球面相对海平面的高度 差分g p s 信息 差分站i d 号0 0 0 _ 1 2 3 木h h 校验和，即接收字符串的校验和 终止位 一个完整的n e m a 0 1 8 3 语句是从起始符“s ( ；p g ( ；a ”到终止符“ ”为 止的一段字符串。需要掌握的信息是经纬度、经纬度方向、g p s 定位状态和接收 信号时间。所以当接收到这样一个完整的n e m a 0 1 8 3 语句时，提取有用信息的方 法是：先定起始符s g p g g a 的位置，从起始符读入数据，再遇获得所关心的数据， 并以回车符为一个g p s 语句的终止符，得到一个完整的g p s 信号。在提取出的 g p s 语句中，搜寻经纬度所在的逗号位置，读出经纬度坐标，再将经纬度坐标进 行度数的转换，因为地图的坐标是以度数为标准的1 2 3 j 。 第3 章系统方案的总体设计 第3 章系统方案的总体设计 3 1 系统方案的目标 本系统采用非实时差分处理方式，达到高精度g p s 定位，可以实现低成本高 精度，相对定位精度在1 m 左右，完全可以满足巡线需要。本系统是利用全球卫 星定位导航( g p s ) 信息，采取后处理技术，实现在不建立信标台等实时数据链路 的条件下满足动态定位精度优于1 米的定位要求( 圆概率误差c e p ：o 5 m ，均方 根误差r m s ：o 8 m ) 。并且，外输管线地理信息图的精度可以达到厘米级。 巡线人员利用g p s 便携系统，自动记录巡线路线上的g p s 位置信息，在巡线 结束后将g p s 便携系统与数据处理机相连，数据处理机读取并记录该机和基准站 的g p s 定位数据，并作后差分处理，生成高精度巡线线路的踪迹，检查巡线状况。 采取动态后处理技术，实现外输管线巡检工人的巡线动态位置的高精度定位。 在大庆油田北油库、南一油库和南三油库设置3 个基准站，在基准站内各设 置一台位置固定的g p s 接收机和一台计算机。这里的g p s 接收机用于连续接收地 平线之上所有g p s 卫星的伪距及载波相位数据，并将这些数据实时传送到计算机 记录保存；计算机负责记录保存这些数据并完成后处理工作。 巡检工人巡线时，携带便携式g p s 接收机自动记录移动中当前位置的g p s 卫 星数据( 伪距+ 载波相位) ，巡线结束返回基地站后，由管理人员通过r s 2 3 2 接口 将便携式g p s 接收机中保存的工人巡线位置移动的g p s 卫星数据载入到负责完成 后处理工作的计算机内，利用后处理软件获得高精度位置移动数据：同时利用外 输管线人工巡检踪迹符合度解算软件，将工人巡线位置移动数据与外输管线地理 信息图中的有关数据比较，即可得到巡检工人巡线工作的结果。 外输管线地理信息图采用后处理技术静态测量方法，以便获取精度更高的基 础数据。 3 2 系统的组成 为采用后处理技术来实现在不建立实时数据链路的条件下进行动态定位， 必须建立有关的基准数据采集站，其主要由计算机、g p s 接收机和卫星接收天 二 黑龙江大学硕士学位论文 线等组成。基准站天线置于楼顶以便于消除多径干扰，获得最佳接收效果和更高 的定位精度；主机则放在室内便于操作，并可实现交、商流供电。为了便于携带， 将便携式g p s 接收机及其卫星接收天线置于背包中，同时采取内置式直流供电。 大线 图3 1 基准站及便携式g p s 接收机的组成 天线 g p s 接收机，嵌入 式电脑、存储板、 电源全内置 f i g 3 1c o m p o s eo fs t a n d a r dd a t as t a t i o na n dh a n d yg p si 。e c e i v e r 3 2 1 基站主机硬件结构及使用方法 天线：天线安装在办公楼制高点处，使用号用信号电缆送至数据处理机所 在位置，并使用特殊接头与g p s 接收主机相连。 基站g p s 主机：有天线接头、电源接头、r s 2 3 2 通讯接头、电源开关，如 图3 2 所示。 图3 2 基站主机面板图 f i g 3 - 2m a i n f r a m ep a n e l 1 4 第3 章系统方案的总体设计 图3 3 基站主机电源接线图 f i g 3 3w i r j n gd i a g r a mo fm a i n 仃a m e sp o w e rs u p p i y g p s 主机 r s 2 3 2 口 图3 4 基站主机r s 2 3 2 通讯线连接图 计算机 串行口 f i g 3 _ 4m a i n f r a m e sr s 2 3 2c o m m u n i c a t i o nw i r i n gd i a 伊a m 使用时天线可靠连接到如图3 2 所示主机的天线接头上，然后将电源按图 3 3 所示连接，并把接g p s 主机的电源接口接到g p s 主机上。在电源转换器上设 一个发光二极管，指示备用电池工作状态，当对备用电池充电时，发光二极管发 出橙色光，当由电源或备用电源对g p s 主机供电时，发光二极管发出绿色光。 当g p s 数据记录完毕后( 巡线结束) 就可以结束g p s 主机的记录工作，并将 记录的数据读到计算机中，这时要使用r s 2 3 2 通讯线。一般情况下这条通讯线一 直接到计算机的串行口上，接g p s 主机一端悬空。使用的方法是将插头直接插入 到g p s 主机的r s 2 3 2 接口上，然后启动数据读取系统。 3 2 2 便携式g p s 接收机硬件结构及使用方法 本系统中，便携式g p s 接收机用来记录外输管线巡检工人的巡线动态位 置的原始数据。为方便操作，设计上考虑使其具有“傻瓜机”的特点，工人巡 线时只需事先打开电源开关即可。为达到系统要求，便携式g p s 接收机应满足 以下条件： 一、技术指标 1 、1 2 通道，能同时接收1 2 颗卫星 黑龙江大学硕士学位论文 2 、超大容量8 m 内存，永不丢失数据 3 、高精度：动态精度可达亚米级 4 、一体化全内置，具有防水、防震、防尘功能 5 、重量小于1 k g ( 不含电池) 二、系统结构及作用： 便携式g p s 接收机应由g p s 主机、电源及电源转换器和天线三大部分组成。 1 、电源：用于给g p s 主机充电用，还应设有备用电源。 2 、电源转换器：配合充电电源使用，一端接充电电源的接头，另一端接g p s 主机电源接口。电源转换器上设一个发光二极管，指示电池工作状态，当对电池 充电时，发光二极管发出橙色光，当充电完毕时，发光二极管发出绿色光。 3 、g p s 主机：接收卫星信号，记录路线信息。可连接电源、有电源指示灯、 通讯指示灯及天线接头、设r s 2 3 2 接口。 4 、天线：连接至g p s 主机，专用卫星接收天线。 3 2 3 数据处理计算机 由高性能工业控制计算机担当，可以长时i 、日j 连续工作，使用时将软件加密狗 接到计算机的并行打印口上，然后使用r s 2 3 2 数据通讯线与基站g p s 主机和便 携g p s 主机通讯，取得g p s 数据。 第4 章便携式g p s 接收机硬件的设计 第4 章便携式g p s 接收机硬件电路的设计 4 1g p s o e m 模块 f 1 1 概述 本系统采用g a r m i n 的g p s 一0 e m 的12 通道g p s 接收机，也就是同时可以跟踪多 达1 2 颗g p s 卫星，从而能够快速定位。g a r m 】n 的g p s 接收机功耗非常小，数据更 新率为每秒一次，其优良的性能既能够满足陆地导航的灵敏度需求，也能够满足 飞行器的动态需求。 g a r m i n 的g p s 接收机o e m 板从硬件和软件上都十分易于使用，非常适合做系 统集成。最简单的系统，除g p s 外还要包括外部电源和g p s 天线。与g p s 系统的通 讯可以通过r s 2 3 2 或c m o s 电平的串行口来实现。g p s 接收机o e m 板中可以将卫星轨 道参数、上次定位位置、时问和日期等数据保存在静态存储器，接收机内部有备 用电池来为存储器供电1 2 4 】1 25 1 。 4 1 2g p s l5 l h 接口 表4 1g p s l 5 l h 接口 1 1 a b l e4 1g p s15 i ，hi n t e r f a c e 管脚 名称 描述 为内部的静态存储器和时钟供电，o e m 板内的电池可 1 备用电源 以维持大约2 1 天，输入电压必须为直流+ 2 8 v + 3 4 v 2 地电源地和信号地 g p s l 5 l ：电压3 3 5 4 v ；电流峰值1 0 0 m a ，标称值为 8 5m a 3 电源 g p s l5 h ：电压8 4 0 v ；电流峰值4 0m a ，标称值3 3 m a ( 1 2 v ) 异步串行数据输出r s 2 3 2 电平，提供n m e a 0 1 8 3 版本 4 串口1 ( 出)2 0 或3 o 的数据，该口也可以设置为输出相位数据， 波特率从3 0 0 3 8 4 0 0 可选，默认值为4 8 0 0 异步串行数据输入r s 2 3 2 电平，最大输入电压范围为 2 5 v + 2 5 。该输入口也可以直接与有r s 2 3 2 极性的标 5 串口1 ( 入)准的3 到5 v 的c m o s 逻辑电平连接，要求低电压小于 0 6 v ，高电压大于2 4 v ，最小负载阻抗是5 0 0q 。该口 主要用于接收对o e m 板的初始化信息和配置信息 黑龙江大学硕士学位论文 6 身j 频偏e 为入线供i u 的外部i l l 址输入( 目自“没乍j | 儿启) 上升沿与g p s 秒同步，电压升降时间1 0 0 n s ，阻抗2 5 0 q 丌路输出电压为：低电压0 v ，高电厂v in ，高电平 7 秒脉冲 持续时i 、日j 从2 0 m s 9 8 0 m s 可调。接5 0q 负载后输出 4 5 0 m v p p 信号对于在5 0 电j j i 点测得的秒脉冲时间， 接5 0 q 负载后将比空载提前15 n s 8 串| 12 ( 入) 接收r t c m = 】0 4 版本2 乞的g p s 差分信息 4 1 3 接线图 孔状串口接头 图4 1g p s l 5 与串口连接示意图 f i g 4 - 1c o n n e c t j o nd i a g r a m m a t i cs k e t c ho fg p s l5a n ds e 一副一i n t e r f k e 4 2 单片机系统电路 便携式g p s 接收机的硬件是采用g p s o e m 模块与单片机模块组合进行二次 丌发，所用o e m 模块的性能指标己在第i 章概述，将o e m 模块输出的信息进 行数据采集，图形处理，坐标转换，再加i ：人机接口部分即组成便携式g p s 接 收机。本文研制的便携式g p s 接收机应具有接收、处理、存储、显示信息等功 能，在硬件上采用了a v r 单片机a t m e g a l 6 ，a t m e i 。在设计a v r 系列单片机 时吸取了p i c 及8 0 5 1 单片机