隨著GPS的發展以及GPS在定位、導航、測量方面的應用，越來越多的產品開始面世，但是幾乎所有的GPS接收機廠商的產品都是支持NMEA0183協議，使得接收機輸出的位置信息為經度、緯度和 大地高；而實際應用中常常需要知道海拔高度，這就給實際應用帶來很大的不方便。實現大地高向海拔高精確轉換已成為一個熱門的研究方向。目前實現大地高向海拔高轉換的方法主要有兩大類，一類是建立數學模型進行高程擬合來得到海拔高， 這種方法有一定的局限性；另一類是用重力水準模型來實現，即本系統采用的方法。可以采用ARM技術在硬件上實現，速度快，精度高，實用性好。
GPS高程轉換的基本原理
GPS測量是在WGS-84地心坐標系上進行的， 它所提供的高程是相對于WGS-84橢球的大地高。 我們通常采用的高程系統是正常高系統，因此，在實際測量過程中就必須將GPS大地高轉換為正常高即海拔高。 假定某點的正常高為h，大地高為HG，則正常高與大地高的關系為
h=HG-ζ （1）
式（1）中ζ為似大地水準面（即正常高相應的基準面）與橢球面（即大地高相應的基準面）之間的高程差，即高程異常。如圖1所示，不妨設點P的GPS大地高為HG，正常高為h，高程異常為ζ，大地水準面高為N：
大地高與正常高關系圖
因此，將大地高轉化成海拔高的關鍵是求出高程異常，它的精確求解基于一個具有相應精度和高 分辨率的（似）大地水準面模型。目前重力學方法確定的重力大地水準面具有高分辨率但精度低，一般來說，利用重力場模型求解高程異常，其精度在米數量級，因而難以直接用于生產應用， 但重力場模型包含較準確的中長波信息，可用于 GPS高程轉換中以改善轉換的精度；而GPS水準確定的幾何大地水準面的特點是高精度但分辨率較低，將重力學與GPS水準相結合可達到精化局部大地水準面的目的，這種方法也稱移去一恢復法。
“移除·恢復”的方法原理
高程異常ζ可表示為：
式（2）中ζGM伽表示長波部分，可通過重力場模型計算得到；ζ△G表示中波部分，可通過求解重力異常邊值問題得到；ζT表示短波部分，通過求解地形改正得到。
“移去·恢復”法的基本思想是，在利用已有觀測值進行高程擬合之前，首先利用已知重力場模型計算得到高程異常中的長波部分，這樣就得到殘余觀測值
。利用函數模型（如多項式函數或多面函數模型）進行擬合和內查，再在內插點上利用已知重力場模型把移去的部分恢復，最終可得到該點的高程異常。
重力場模型通常用引力位求諧展開的系數（簡稱位系數）來表示，它可以利用衛星跟蹤數據、地面重力數據及衛星測高等觀測數據計算得到。對于給定的規格化的位系數
，高程異常可表示為：
式（３）中，r、θ、λ分別為計算點的地心向徑、地心緯度和地心經度；GM為萬有引力常數和地球質量的 乘積；λ為計算點的正常重力值；R為地球的平均半徑；
由減去正常位的位系數得到；
為規格化的締合勒讓德函數；N為重力場模型展開的階次。本系統采用360階次重力場模型EIGEN-CG03C，其轉換精度優于EIGEN-CG01C和EGN96。
海拔高測量系統硬件實現
海拔高測量系統整體硬件包括GPS模塊、ARM微處理器模塊、有線通信模塊和人機接口模塊。 GPS模塊捕獲并跟蹤待測衛星，對接收到的信號進行變換、放大處理，測量出GPS信號從衛星到接收天線的傳播時問及解算出GPS衛星發送的電文，最后實時解算出測量站的位置。ARM微處理器接收來自GPS模塊輸出的位置信息，對其進行處理，將 大地高轉化成海拔高，即通過軟件程序對接收到的數據進行一系列的處理。通信接口和人機接口模 塊實現數據的存儲和顯示。系統框架如圖2所示。
系統框架結構
整個系統硬件電路主要分以下部分：GPS接口電路、LPC2292工作電路、顯示電路等。
3.1、GPS接口電路
該系統中的GPS接收機模塊采用的是深圳市 廣和通實業發展有限公司生產的u-Blox GPS開發套件，產品型號為GT5011-SU。該型號OEM板為16通道，C/A碼，L1頻段的GPS信號接收模塊，具有高性能低功耗等眾多優點。GT5011-SU的通信傳輸通過RS232的串行口來實現。在該模塊上提供有電源和串口引腳，數據通過串口傳輸。
3.2、LPC2292工作電路
3.2.1、電源電路
這里不使用LPC2292的AD功能，只需要提供兩 組電源，I/O供電電源為3.3V，內核及片內外設供電 電源為1.8V，因此，系統設計為3.3V應用系統。 因為系統對這兩組電壓的要求比較高，且其功 耗不是很大，所以不適合用開關電源，應當用低壓差模擬電源LDO。合乎技術參數的LDO芯片很多，Sipex 半導體SPX1117是一個較好的選擇，它的性價比較高，且有一些產品可以與它直接替換，減少采購風險。所以，LDO芯片分別采用SPX1117M-3.3和SPX1117M-1.8，其特點為輸出電流可達800mA，輸出電壓的精度在1%以內，具有電流限制萬方數據科學技術與工程10卷和熱保護功能，穩定性好。該電路中，其片前后端各接一個22μF，16V的鉭電容，來改善瞬態響應和穩定性。
3.2.2、復位電路
由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作電壓導致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態響應性能、 時鐘源的穩定性和電源監控可靠性等諸多方面也提出更高的要求。該系統復位電路使用了帶12C存 儲器的電源監控芯片CAT1025JI-30。選擇該復位芯片，提高了系統的可靠性。
3.2.3、串口電路
由于系統電源是3.3V，所以應使用SAP3232EEA進行RS232電平轉換，SAP3232EEA是3V工作電源的 RS232轉換芯片。電路如圖3所示。
圖3 串口電路
UART1接GPS接收機模塊，UART0接數據終 端設備。接收信號經UART1的2引腳進入SPA3232EAA，經電平轉換后，從SPA3232EAA的12引腳輸出，經LPC2292的引腳P0.9-RXD1進人海拔高轉換模塊，處理后的結果即海拔高、經度、緯度等信息經LPC2292的引腳P0.0_TXD0輸出，再通過電平轉換芯片，最后經UART0的1腳輸出。
3.3、顯示電路
3.3.1、按鍵電路
該系統設計有四個按鍵，完成各種功能的切換，數據查找等。其定義為：
該系統按鍵電路采用P0口的5個引腳P0.16、 P0.17、P0.18、P0.19和P0.20外接按鍵。當有按鍵按下時，低電平使能相應的引腳，執行相應的功能。 由于沒有內部上拉電阻，需要外接上拉電阻，確保 引腳不會懸空。
3.3.2、LCD液晶接口電路LCD顯示屏帶有內置的驅動芯片，通過LPC2292的P0口相連接。該模塊采用串行模式通信，所以PSB腳接低電平。復位引腳與LPC2292的P0.21腳相連，當P0.21腳輸出低電平時，復位該LCD顯示模塊。0cMJ4×8C液晶模塊內裝有LED背 光，使用5V電源供電，需要接阻流電阻R27，使用一個NPN三極管Q2控制LED背光的點亮或熄滅。
4、系統軟件實現
本系統的軟件設計主要完成對GPS的數據采 集和處理工作。在應用程序的實現上，主要是讀取 從GPS模塊傳遞來的GPS數據信息，并對該數據進行一系列的處理。程序的編寫和調試是在ARM公 萬方數據等：一種GPS海拔高度測量系統的實現方法2419司推出的ADS1.2集成開發環境下完成的。系統軟件流程圖如圖4所示：首先是初始化各數據變量， 再是將位系數復制到內存中以備后用，接下來進行各函數和串口的初始化，最后進行數據的采集和處理工作。
系統軟件流程圖
5、結束語
該系統采用顧及地球重力場模型EIGEN-CG03C的移除-恢復法，提高了GPS水準高程擬合 的精度。將該模型采用ARM7開發技術在硬件上實現，進行海拔高的轉換，速度快，精度高，實用性好，可靠性高。本系統在完成相關設計和調試工作之后，進行了現場靜態測試，并檢驗了其定位精度， 在中國地區不大于10cm，單點數據的處理速度不大于5S。此系統的實現為GPS高程測鼉的應用和 推廣提供了基礎，同時也為局部區域大地水準面的確定提供了一種參考模型。
信息標題：GPS測海拔 GPS海拔高度測量系統
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