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从功能上来看，全部信号线分为三类，即数据线（TXD、RXD）、地线（GND）和联络控制线（DSR、DTR、RI、DCD、RTS、CTS）。
2.2.3 RS-232串口电气特性
EIA-RS-232对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都进行了规定。
RS-232是用正负电压来表示逻辑状态。
在TXD和RXD上，逻辑1为-3～-15V；逻辑0为+3～+15V。
在DSR、DTR、DCD、RTS、CTS等控制线上：信号有效（接通、ON状态、正电压）为+3～+15V；信号无效（断开、OFF状态、负电压）为-3～-15V。
由于本设计资源有限，计算机并不带有RS-232串行接口，为了调试方便，需要一个解决方案。USB作为一种新的PC机互联协议，使外设到计算机的连接更加高效、便利、是计算机外设接口的发展趋势，将逐步取代RS-232协议串口，因此很多传统的RS-232接口设备都将面临一个向USB接口转换的问题[14]。
故本设计可采用USB转RS-232转换器来连接GPS接收机与计算机。
3 GPS相关原理
3.1 GPS定位原理
GPS导航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。要达到这一目的，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记录卫星信号传播到用户所经历的时间，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1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。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。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码，每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做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[15]。
WGS-84大地坐标系如图3.1所示。
图3.1 WGS-84大地坐标系示意图
其中：φ为纬度，λ 为经度，长半径a =6378137.000，短半径b=6356752.314，扁率e=1/298.257224 ，N为基准椭球体的卯酉圆曲率半径。
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，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三文坐标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[16]。
根据4颗卫星i（i=1，2，3，4）的瞬时位置（xi，yi，zi）、4个卫星钟钟差（Vti）和4个伪距（ρi），可以得到如下的参数联立方程：
(3.5)
由此可以求取接收机位置（x，y，z）和接收机钟差Vt0。
3.2 GPS NMEA-0183协议
3.2.1 NMEA-0183协议简介
NMEA- 0183是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association ）为海用电子设备制定的标准格式。目前业已成了GPS导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）标准协议[17]。