基于北斗二代系統的船載定位終端

應士君，王坤，劉衛，鄒緒平

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

0 引言

北斗衛星導航系統(Compass Navigation Satellite System，CNSS)是我國正在實施、具有自主知識產權的衛星導航定位系統.該系統由空間段、地面段和各類北斗用戶組成，集導航、定位、授時功能于一體;分3個階段進行建設，分別為北斗一代(區域有源雙星定位，已完成)、北斗二代(區域無源定位，建設中，記為BD－2)、全球覆蓋階段.截至目前共有11顆BD－2衛星在軌，具有覆蓋中國及周邊地區，24 h全天候服務，高強度加密設計，安全、可靠、穩定等特點.隨著遠洋、內河航運產業發展和船舶通信導航及各類電子控制設備的日益完善，實現對船舶的全方位定位導航，及時掌握船舶在航行中的實際情況，快速了解船舶的動態數據，成為提升船舶管理水平的新標志.［1］因此，基于 BD－2的船載定位終端設計，對確保船舶的航行安全具有重要意義.

在北斗衛星導航系統的發展前景下，國內主要由神州天鴻、北斗星通、東方聯星、華力創通等公司從事北斗接收機研發設計，在船舶監控［1］和海洋漁業［2］上均有應用.然而，此類應用主要建立在北斗一代船載接收機的基礎上，市面上現存的BD－2接收機主要是少量的測試機、手持機，而成品民用船載機尚在研發階段.

鑒于此，本文設計基于BD－2的船載定位終端，主要有硬件平臺搭建、定位解算算法、軟件架構設計等幾個方面，通過測試實驗驗證該方法的可行性.

1 硬件平臺搭建

該設計中基于ARM和Windows CE 6.0(WINCE 6.0)的BD－2船載定位終端硬件平臺采用模塊化設計方法，所有部件盡量采用成熟電子元器件.該系統硬件主要由BD－2導航模塊、時鐘模塊、電源管理模塊、數據通信接口和PVT(ARM)解算模塊等組成.［3］系統硬件結構見圖1.

圖1 系統硬件結構

BD－2導航模塊主要由射頻模塊、A/D采樣模塊、基帶信號處理模塊組成.射頻模塊分為2個通道，其中一個通道專門將B3頻點射頻信號變頻為中頻信號，而另一通道則通過切換方式將B1或者L1頻點射頻信號變頻為中頻信號.雙通道A/D將模擬中頻信號數字化并作為基帶信號處理模塊信號輸入，同時射頻模塊輸出62 MHz參考信號，本地時鐘信號作為ADC的轉換時鐘，并且輸入至基帶信號處理模塊作為信號跟蹤基準時鐘.基帶信號處理模塊完成信號的捕獲、跟蹤、解調，輸出原始觀測量.PVT(ARM)解算模塊主要由極低功耗的ARM9處理器 S3C2440，SDRAM，NAND Flash等硬件構成.PVT(ARM)解算模塊完成對基帶信號處理模塊的控制，并將基帶信號處理模塊得到的觀測量提取出來加以解算，得到解算結果，同時對整個系統的運行進行處理.數據通信接口部分設計CAN總線接口、RS－485接口等，便于與雷達、ECDIS和 AIS等設備互聯，實現綜合導航.

2 定位解算算法流程

硬件電路BD－2導航模塊設計中，基帶信號處理模塊主要采用的是北京華力創通科技有限公司的HwaNavchip－1北斗GPS多頻精密導航基帶芯片.該芯片可同時接收BD－2的B3和B1頻點信號(本文主要是利用B1頻點進行導航定位解算)，輸出原始觀測量;具有16 bit的并行數據總線接口，32 bit的ARM微處理器S3C2440通過該接口可對HwaNavchip－1進行配置，得到導航電文、集成電路工作狀態等信息.通過ARM開發工具ADS(ARM Developer Suit)對ARM進行調試，使其解算用戶位置、速度、時間等信息.該設計中采用基于偽距定位的最小二乘算法［4－5］，定位解算算法流程見圖 2.

圖2 定位解算算法流程

該算法通過偽距計算用戶的位置:第1步初始化用戶位置作為地球中心;第2步計算用戶到衛星的距離及其信號傳輸時間;第3步根據地球自轉效應修正衛星位置，并將衛星位置更新為以用戶為中心的坐標系;第4步根據相關參數進行修正;第5步進行迭代運算;最后計算DOP，并將ECEF坐標系轉化為CGCS2000坐標系，保存結果.

3 軟件開發平臺

WINCE 6.0是模塊化、可延展、實時性能好、通信功能強大、支持多種CPU的嵌入式操作系統，與Windows系列有較好的兼容性，支持WIN 32 API，便于快速開發產品，具有多線程、多任務等特點.［6］因此，該設計選用WINCE 6.0嵌入式操作系統.設計中軟件架構主要包括WINCE 6.0系統的定制、移植和定位應用程序的開發.

建立基本WINCE 6.0系統平臺的一般過程是:設置系統平臺;建立操作系統鏡像;將平臺傳輸到目標設備;調試系統平臺.通過Platform Builder應用程序可以方便地設置平臺，建立操作系統鏡像.定制WINCE 6.0的一般步驟見圖3.

圖3 定制操作系統的過程

在進行WINCE 6.0定位應用程序設計開發時，開發語言采用的是Visual Studio 2008.開發的應用程序首先在模擬器中進行調試，調試成功之后下載到硬件設備中.實驗時給出BD－2衛星的串口輸出協議，設計定位導航顯示界面程序［7］，目的是查看船舶當前定位信息.

4 主要功能設計

按照船用接收機軟件需求分析，主要功能模塊見圖4.定位功能用于顯示當前船舶的位置及時間信息;導航功能為船舶當前的航線進行導航及設定航跡偏差報警;報警功能對不合法操作及遇險報警.

圖4 功能模塊

5 測試實驗及分析

5.1 串口輸出協議分析

通過對BD－2串口輸出協議的理解，可以更好地提取導航定位信息:$BDGGA，$BDRMC［8］等.以$BDRMC語句為例分析串口輸出協議:

協議中:＜1＞為定位時間(UTC)，hhmmss格式;＜2＞為定位狀態，A表示有效，V表示無效;＜3＞為緯度，ddmm.mmm格式;＜4＞為緯度方向，N或S;＜5＞為經度，ddmmm.mmmm格式;＜6＞為經度方向，E或 W;＜7＞為速度;＜8＞為速度方向;＜9＞為當前UTC日期，ddmmyy格式;＜10＞為磁偏角;＜11＞為磁偏角方向;＜12＞為定位狀態，A表示有效，V表示無效;＜13＞為校驗和.

5.2 部分測試實驗界面

通過天線采樣獲得真實的導航定位信息，采樣時間為2012年3月14日.以下測試結果只是初步設計要求，目的在于論證方案的可行性.下一步將按照船載定位導航需求，進行相應的應用開發，滿足船舶日常航行需求.測試和導航界面見圖5.

圖5 測試實驗界面

5.3 VSN和HDDP

本次測試時間段為2012年3月15日至2012年3月16日，共24 h，采樣時間間隔為1 s;地點為上海地區;BD－2和GPS星座使用當天廣播星歷計算衛星位置;用MATLAB軟件對接收到的數據進行分析處理.可見衛星數(Visible Satellite Number，VSN)見圖6.

圖6 可見衛星數

水平精度因子(Horizontal Dilution of Precision，HDOP)描述的是衛星幾何形態對平面定位的影響.［9－10］HDOP 分布見圖 7.

圖7 HDOP分布

由圖6和7歸納出的信息見表1.

6 結束語

主要論證基于BD－2的船載定位終端設計的可行性和可靠性，在系統應用擴展方面未給出具體方案.綜上得到:

表1 BD－2與GPS的VSN和HDOP值對照

(1)在ARM和WINCE 6.0基礎上設計基于BD－2的船載定位終端的思路可行、方法正確，可推動北斗衛星導航系統在海洋領域的應用，促進海洋經濟的發展.

(2)受BD－2衛星在軌數目的客觀限制，目前其VSN低于GPS.盡管VSN少，但可以保證我國及少數周邊地區的定位導航.

(3)當前階段BD－2船載定位終端的HDOP保持在1.5～5.4之間，與GPS的HDOP值0.7～2.6相比較大，這是由當前階段5顆 GEO衛星、4顆MEO衛星及3顆IGSO衛星的幾何構型所決定的.根據誤差(1σ)=1×RMS值 ×DOP值［8］，此時 RMS值為2 m(統計值)，則誤差(1σ)的范圍在3.0～10.8 m.

(4)本設計在電子器件選擇、定位算法、導航軟件界面豐富和軟件擴展方面仍有不足之處，有待進一步提高.

［1］李晶，劉建，盧紅洋.基于北斗衛星導航系統的船舶監控中心的設計與實現［J］.數字通信世界，2011(S1):68－71.

［2］胡剛，馬昕，范秋燕.北斗衛星系統在海洋漁業上的應用［J］.漁業現代化，2010，37(1):60－62.

［3］應士君，鄒緒平，劉衛，等.基于北斗二代系統的船用導航儀硬件設計及關鍵算法研究［J］.科學技術與工程，2012，12(9):223.

［4］彭叢林.北斗導航系統定位算法仿真研究［D］.成都:西南交通大學，2009.

［5］武英潔.船用北斗/GPS聯合導航終端的研究［D］.大連:大連海事大學，2010.

［6］華清遠見嵌入式培訓中心.Windows CE嵌入式開發標準教程［M］.北京:人民郵電出版社，2010:5－8.

［7］汪兵.Windows CE嵌入式高級編程及其實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:360－377.

［8］王艷軍，王曉峰.AIS和北斗終端組合在船舶動態監控中的應用［J］.上海海事大學學報，2011，32(4):17－21.

［9］讓－馬利 佐格.GPS衛星導航基礎［M］.北京:航空工業出版社，2011:80－81.

［10］楊元喜，李金龍，徐君毅，等.中國北斗衛星導航系統對全球PNT用戶的貢獻［J］.科學通報，2011，56(21):1734－1740.