全球定位系统与格洛纳斯导航定位系统

1.定位系统的功能

很多情况下仿蛇机器人都要通过远程遥操作来控制其行动，这时需要确定其具体的地理位置，即要了解其地球坐标的相关信息。要掌握物体的地球坐标信息就要对其位置环境进行探测，具备该项功能的系统称之为全球定位系统，该系统由覆盖全球的24颗卫星组成[113]。这个系统可以保证在任意时刻、地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现实时导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。

2.定位系统的分类

（1）美国GPS导航定位系统。

GPS（Global System Positioning），介绍GPS导航定位系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置[114]。要实现这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出，而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所在地经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR），当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。C/A码频率为1.023 MHz，重复周期为1 ms，码间距为1μs，相当于300 m；P码频率为10.23 MHz，重复周期为266.4天，码间距为0.1μs，相当于30 m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。

导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息[115]。它是从卫星信号中解调制出来的，以50 b/s调制在载频上发射。导航电文每个主帧中包含5个子帧，每帧长6 s。前三帧各有10个字码；每30 s重复一次，每小时更新一次。后两帧共15 000 b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接收到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟进行对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知[116]。

GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

按定位方式的不同，GPS定位可分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量，也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位[117]。

（2）中国的北斗导航定位卫星。

中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后的第三个成熟的卫星导航系统[118]。我国的北斗卫星导航系统（BDS）和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO都是联合国卫星导航委员会认定的供应商。北斗卫星导航系统的建设目标是建成一套独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用[119]。

北斗卫星导航系统计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星[120]。其中，5颗静止轨道卫星的定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上），4颗中地球轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）。

北斗卫星导航系统由空面段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为10 m，测速精度为0.2 m/s，授时精度为10ns[121]。

（3）俄罗斯格洛纳斯导航定位系统。

GLONASS是GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM的首字母缩写格式，其音译为格洛纳斯[122]。该系统最早开发于苏联时期，后由俄罗斯接手继续推进。1993年开始，俄罗斯独自建立该系统，2007年系统投入运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。

GLONASS拥有21颗工作卫星，这些卫星分布在3个轨道平面上，同时还有3颗备份星。每颗卫星都在1.91×104km高的轨道上运行，周期为11小时15分。长期以来，GLONASS一直处于降效运行状态，现在只有8颗卫星能够正常工作。GLONASS的精度比GPS系统要低。为此，俄罗斯正在着手对其进行现代化改造，前不久，俄罗斯就发射了3颗新型“旋风”卫星。该卫星的设计寿命将为7～8年（现行卫星寿命为3年），具有更好的讯号特性。该系统标准配置为24颗卫星，其中有17颗卫星正常工作、3颗维修中、3颗备用、1颗测试中。但是，18颗卫星就能保证该系统为俄罗斯境内用户提供全部服务。

（4）欧盟的伽利略计划(www.xing528.com)

欧盟伽利略计划是一个欧洲主导开发的全球导航服务计划，它是世界上第一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统[123]。与现在普遍使用的GPS相比，它将显得更加先进、更加有效、更加可靠。其总体思路有四大特点：一是自成独立体系；二是能与其他的GNSS系统兼容互动；三是具备先进性和竞争能力；四是公开进行国际合作。该系统由30颗卫星组成，其中27颗为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24 126 km，位于3个倾角为56°的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。

3.定位模块的参数

ATGM336H-5N模块（见图3-33）属于小尺寸、高性能BDS/GNSS全星座定位导航模块系列。该系列的产品都是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC单芯片—AT6558开发的，支持多种卫星导航系统，其中包括中国的北斗卫星导航系统、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO，日本的准天顶卫星系统（QZSS），以及卫星增强系统SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）[124]。

图3-33　ATGM336H-5N定位模块

AT6558是一款真正意义上的六合一多模卫星导航定位芯片，它包含32个跟踪通道，可以同时接收6个卫星导航系统的GNSS信号，并且还可以实现联合定位、导航与授时[125]。ATGM336H-5N系列模块具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势，适用于车载导航、手持定位、可穿戴设备，可以直接替换Ublox MAX系列模块。

ATGM336H-5N模块的尺寸为13.1 mm×15.7 mm，具体的性能参数如表3-6所示。

表3-6　ATGM336H-5N模块性能参数

该模块从上到下共有5个PIN端口，引脚间的距离为2.54 mm，每个端口的功能定义如下：

1号PIN端口：表示电源（VCC），电压值为3.3～5.0 V；

2号PIN端口：表示接地（GND）；

3号PIN端口：表示发送端（TXD）可以与单片机的RXD连接，使用TTL电平；

4号PIN端口：表示接收端（RXD），可以与单片机的TXD连接，使用TTL电平0；

5号PIN端口：表示时钟脉冲输出（PPS）。