图2. 1 系统硬件结构示意图
基于MCS-51 系列单片机的GPS 独立定位测量系统的软件设计由4个模块组成，
分别是： 1 系统初始化模块； 2 信号接收模块； 3 信号处理模块； 4 数据显示模块。
GPS 25 型OEM 板的数据输入输出格式采用美国海洋电子协会为海洋电子设备制定的NMEA一0183 标准格式。该格式为ASC II 码字符串，易于理解，在多种高级语言中都可以直接进行判别和分离，提取所需要的数据。GPS 模块有多种格式的输出信息，这里我们采用$GPGRMC 语句，它输出了基本的定位信息，可以满足一般用户的使用要求。输出的语句按串口通信协议,数据采用的是ASCII 码字符,内容包含了纬度、经度、速度、日期、航向及卫星状况等信息。用软件编程对MCS-51的串行口及定时器正确设置后,即可接收由OEM 板传来的的定位数据。
3 GPS 全球定位系统及其工作原理
3.1 GPS 全球定位系统
GPS 全球卫星定位系统(Global Positioning System )，1994年由美国建成，是美国国防部研究并控制, 开始主要应用在军事领域方面。在海湾战争期之后, GPS开始走向民用研究及开发。可在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位，具有全天候、高精度、自动化和高效益等特点。
GPS 由空间部分、地面监控部分和用户接收机3大部分组成。其中GPS 空间星座部分、地面监控部分均为美国所控制；GPS 的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS 卫星信号，经信号处理而获得用户位置（经度、维度、高度）、速度等信息，从而实现利用GPS 进行导航和定位的目的。
在GPS 系统中, 分布在6个轨道面上的24颗GPS卫星连续的全天候、覆盖全球的发射定位、时间信息，地面上任何地点、任何时间的GPS 接收机都至少可
以同时接收到6 颗以上GPS 卫星的定位信息。只要有4 颗卫星的定位信息， GPS 接收机就能向用户提供三维坐标、时间及移动速度等信息参数。如图3.1所示。因此, 接收机是GPS 系统中重要的组成部分, 它接收GPS卫星的定位信息, 进行处理计算, 直接为用户服务。目前, 世界市场上已经出现了许多性能优良的便携式GPS 接收机, 尤其是美国、日本一些公司的GPS 接收机已经被广泛使用在车载导航、大地测量、远洋船舶导航等领域中。
3.2 GPS定位原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。假设t时刻在地面待测点上安置GPS 接收机，可以测定GPS 信号到达接收机的时间△t再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定如下所示的四个方程式：
?x1?x??x22??y1?y???z1?z??c?vt1?vt0??d12222
（1）
?x???y2?y???z2?z??c?vt2?vt0??d2 （2）
22?x3?x??x4??y3?y???z3?z??c?vt3?vt0??d32222（3）
?x???y4?y???z4?z??c?vt4?vt0??d4 （4）
2上述四个方程式中待测点坐标x、y、z 和vt0为未知参数，其中:
di?c??ti（i=1、2、3、4）；
di（i=1、2、3、4） 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4 到接收机之间的距
离；?ti（i=1、2、3、4） 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4 的信号到达接收机所经历的时间。c 为GPS 信号的传播速度（即光速）。 四个方程式中各个参数意义如下：
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标；
xi、yi、zi（i =1、2、3、4） 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4 在t 时刻
的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得；
vti（i=1、2、3、4） 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4 的卫星钟的钟差，
由卫星星历提供；
vt0为接收机的钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差vt0 。
3.3 GPS OEM 板组成结构及原理
GPS-OEM 板是将GPS 接收机的主要部件做成大规模的集成电路片,并集成在一块电路板上。这个电路板具有接收GPS 信号、处理信号、输出观测信号和定位结果等功能。用户利用GPS OEM 板进行二次硬件开发可研制成各种应用的GPS 接收机。
在实际的使用中，不需要关心如何去计算坐标，只要选择合适的GPS 器件就可以满足我们对位置测量的要求。所以对于最终用户来说,关注的重点是GPS接收机。GPS-OEM 板是接收机的核心模块。GPS OEM 板内部含有基本的GPS 信号接收和解算单元以及必要的输入输出接口，具有性能可靠、易于开发的特点，而且,仅数厘米的尺寸使其可以十分方便地与其他设备组合,适用于多种应用场合,正越来越受到开发者的关注。
在这里，我们以Garmin 公司生产的GARMIN GPS 25LP 系列OEM 板为例，介绍它与单片机组成的应用系统。GARMIN GPS 25LP 系列OEM 板采用全封闭方式，单一+5V 供电，内置保护电池。是同类型的GPS OEM 板中最常用的一款，在飞机领域使用最多。GPS 25LP 系列OEM 板的外观如图3.2所示。
GPS 25LP OEM板的主要性能如下：
图3.2 GPS 25LP OEM板外观图 图3.3 GPS 25LP OEM板引脚图
·电源/数据口：单排12插针； ·位置精度（m）：小于15； · 速度精度（m/s）：小于0.1；
·外形尺寸（mm）：46.5 ×69.8 ×11.4；
·定位时间（s）：冷启动时间＜45；热启动时间＜15；重捕获时间＜2； ·速度限制(m/s)：515； ·加速度限制(g)：6； ·电源(V)： 3.6-6.0；
·功耗(W)：0.9
GPS 25LP OEM 板的引脚如图3.3所示。各引脚定义如下： Pin1：TXD2,第二异步串行数据输出口； Pin2：RXD2,第二异步串行数据输入口； Pin3：PPS,秒脉冲信号；
Pin4：TXD1,第一异步串行数据输出口； Pin5：RXD1,第一异步串行数据输入口； Pin6：PWR_DN，电源控制；
Pin7：VAUX，内部辅助电源充电输入； Pin8：GND，电源和信号地； Pin9：VIN，与10脚相连；
Pin10：电源输入，3.6VDC-6.0VDC； Pin11：NC,留用，不外借引线； Pin12：NMEA，NMEA输出。
该GPS OEM 主要由变频器、信号通道、存储器、中央处理器和输入输出接口构 成。它接收天线获取的卫星信号，经过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。从而产生计算位置的数据信息（包含维度，经度，高度，速度，日期，时间，航向，卫星状况等信息）。其内部结构原理图如图3.4所示。
GPS信号
低噪音变频器 数字带处理 中央处理器 输入/出口 本振 随即存贮器 闪存 图3.4 GPS 25LP 系列GPS OEM 板内部结构原理图
在获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间之后，就可计算出当前天线位置。用户通过微处理器的输入输出接口，采用异步串行通信方式与GPS OEM 板进行信息交换。输入语句由用户编制，主要功能是对GPS OEM 板进行初始化 、对导航模式和输出数据格式进行设定。该OEM 板为12 通道的GPS 接收机，可以同时跟踪多达12 颗的GPS 卫星，能够实现快速定位。GARMIN 的OEM 板功耗小，数据更新率为每秒一次。
4 GPS 25LP系列OEM板的数据格式
4.1 GPS OEM板的窜口通信协议
尽管目前市场上GPS OEM 板的型号众多且功能各异，但它们输出的GPS 定位信 息大多都是串行数据，且采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183 通信标准格式。NAEA-0183 协议语句格式为ASC II 码字符串，易于理解，在多种高级语言中都可以直接进行判别和分离，提取所需要的数据。传输速率可自定义。数据结构为8个数据位，1个起始位，1个停止位，无奇偶校验位。输出数据格式初始化为NMEA-0183格式，输出波特率为4800 波特。用户通过输入语句对GPS-OEM 板进行初始化，设置数据格式和通信波特率，以及要求输出的种类等。通过一系列设定，输出语句即向用户提供相应的定位数据。
4.2 NMEA-0183 语句格式
“＄”为语句起始标志；“Aaccc”为地址域，前两位为识别符，后三位为语句名； “，”为域分隔符；“Ddd?ddd”为数据块，发送数据内容；“*”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和；“hh”为校验和；“
NMEA 0183 输入语句是指GPS OEM 板可以接收的语句。输入语句包括初始位置，时间，秒脉冲状态，差分模式，NMEA 输出间隔等设置信息。这些语句是GPS 接收机可以有串口1 接受的于语句。本设计使用了接收机初始化信息
（PGRMI）语句。该语句一般在初始位置和当前实际位置的距离超过800 公里时使用，以加快定位速度。
＄GPRMI，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7> *hh
<3>经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） ； <4>经度半球E（东经）或W（西经） ； <5> UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式； <6> UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式；
<7>接收机命令，A=自动定位，R=机器重新启动。
4.2.2 输出语句
GPS - OEM 板的输出语句有十余种,以Garmin生产的GPS25LP 板为例, 其主要语句有GPALM（历书数据）、GPGGA( GPS标准数据,定位数据)、GPGSV（卫星状态） 、GPGSA 、GPRMC 、GPVTG 、PGRME 、PGRMF 、PGRMT 、PGRMV（GARMIN定义的语句,3D速度信息） 、LCGLL 、LCVTG（NMEA 标准语句）等。可通过GPS 串口调试软件发送相应的命令语句给GPS OEM 板，此后GPS OEM 板会根据设置参数决定每隔若干毫秒发送哪种或哪几种NMEA 语句。 主要的输出语句格式如下：