一種多系統兼容導航接收機的實現

王康，李欣

（哈爾濱理工大學 黑龍江 哈爾濱 150076）

隨著我國北斗衛星導航系統的建立，我國衛星導航事業面臨著巨大變化[1-2]，傳統GPS導航系統其高精度、全天候、多功能、操作簡單、應用廣泛將受到劇烈的沖擊，北斗衛星導航系統除了能夠提供高精度、高可靠的定位、導航和授時服務，還保留了北斗衛星導航試驗系統的短報文通信、差分服務和完好性服務特色其開放性的服務將為大眾提供高可靠性的定位、測速和受時服務，定位精度10 m，測速精度0.2 m/s，授時精度10 ns；授權服務面向專業用戶提供更高精度的定位、測速、授時、短報文通信、差分服務以及系統完好性信息服務。針對目前GPS導航系統仍舊占據主流市場的狀態，而北斗系統又面臨重大發展機遇的情況，文中提出解決多導航系統兼容性接收機的解決方案，而其關鍵在于兼容性導航芯片的選擇，文中以北京東方聯星科技有限公司出產的OTrack-32多系統兼容衛星導航芯片為例，提出一種同時可以接受北斗二號、GPS、GLONASS衛星信號，顯示多系統聯合導航精度定位、測速和授時。OTrack-32作為國內首款成熟的多系統兼容高性能衛星導航芯片，采用高速信號處理引擎技術，滿足高性能應用各項指標，并且配以控制芯片，搭配相關顯示及控制電路，從而實現多平臺系統兼容的導航接收機。

1 整體分析

多系統兼容導航接收機的設計主要在于硬件部分兼容導航芯片的選擇和軟件部分系統兼容性設計。針對當前導航接收機的主流市場，仍然采用嵌入式處理器，并且搭配以操作系統，實現各種智能控制和良好的用戶界面[3]。

嵌入式系統包含了硬件和軟件2個方面，其中硬件主要由嵌入式處理器、存儲器、I/O端口以及相關外圍器件和電路組成，軟件部分主要由嵌入式操作系統及相應的應用軟件系統組成。 應用程序（包括某些第3方軟件包）控制著整個系統的運作和行為；而操作系統對各個任務（應用程序）進行調度，協調各個任務同步地對硬件進行控制，實現軟硬件結合，達到預定的各項功能。

文中以嵌入式平臺STM-32為平臺，搭配前端多系統兼容性導航OTrack-32，用于控制提取相關衛星導航信息，監測GPS和北斗二號導航衛星信號，對2個系統的衛星信號分別進行檢測、識別、處理、比較并進行相關數據處理實現多系統衛星導航的關鍵處理。而通過嵌入式處理器，配以操作系統，對前方采集到的信號進行對比和運算，完成用戶和系統的交互式處理，并由LCD顯示到當前屏幕中給予導航的相關指導信息，從而實現一種多功能兼容性導航接收機。

2 總體設計

多系統兼容維系導航機主要考慮整個系統的兼容問題，選擇相關接收都系統導航衛星的芯片[3]，通過傳統接收機的實現，在軟件上再進行相關處理。

在本系統中主要采用國產導航芯片OTrack-32多系統導航芯片實現的接收多顆衛星系統，由于此芯片對北斗和GPS信號能進行高效的信號處理，配以高效嵌入式處理平臺及LCD顯示模塊和無線通信模塊實現接收機現場顯示和無線數據的收發。系統的整體原理硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 整體硬件系統框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

3 系統硬件設計

聯星公司OTrack-32多系統兼容衛星導航芯片，采用Host-Base架構設計，可根據需要，配合不同性能的CPU組成適應多種載體應用的接收機。OTrack-32可兼容支持ARM、MIPS等多種處理器類型，支持高達4路的RF信號輸入，目前可兼容接收北斗二號/GPS/GLONASS信號，未來可擴展支持Galileo信號。OTrack-32芯片采用了一種新的基于匹配濾波器的捕獲結構，該結構在功耗和面積方面明顯優于傳統結構，能夠同時對多顆衛星信號進行快速捕獲。OTrack-32芯片的跟蹤模塊具有32個獨立的跟蹤通道，能夠分別對BD2、GPS或LONASS進行穩定跟蹤，通道之間完全獨立，互不影響，具有很好的靈活性，在不同的應用背景下可以通過不同的參數配置來實現不同的跟蹤策略，從而保證即便在弱信號的情況下依然穩定的跟蹤。

聯星公司基于OTrack-32的優異性能[3]，配合在衛星導航領域的深厚積淀，突破了一批關鍵技術，形成了成熟、系統的高性能衛星導航接收機設計方案，可適應具有不同運動特性的各類載體的應用要求。基于OTrack-32芯片的多模接收機設計應用解決方案具有較好的接口適應性，可靈活接駁外部存儲、通信、顯示等接口，可經簡單集成形成多種衛星導航應用終端。

OTrack-32應用電路如圖2所示。

圖2 OTrack-32應用配置電路Fig.2 OTrack-32 application configuration circuit

3.1 電平轉換電路

由于多系統導航芯片接收并處理相關導航衛星信號[4]，將處理結果要傳送到相關微處理器進行相關運算和實現交互通信，因此從硬件上實現芯片通信引腳間的電平轉換。

圖3為通信電平轉換的工作原理圖。

首先，通過數據傳送引腳TXD將串行數據通過TTL電平傳送到專用電平轉換芯片SP3232接收端RXD引腳上，通過相關內部轉換電路實現TTL電平到RS232電平間的轉換，再由其輸出端引腳將其電平轉換為232輸出到串口平臺。

圖3 電平轉換工作原理圖Fig.3 Level conversion working principle diagram

3.2 LCD顯示電路

實時顯示控制領域中，實現數據的顯示是非常重要的，用戶對實時數據的要求和智能性的要求，一般采用LCD12864顯示屏通過平行總線方式實時顯示，由于IO口存余量較大因此，并行IO可以通過相關實現采用總線控制方式實時顯示，相比較串行實現方式，并行顯示方式能夠對大規模、高速率的數據快速顯示而不影響其通信速度，而串行顯示，往往需要在軟件中考慮實時和通信速率的因素其優勢正逐漸減少。

3.3 無線數據傳輸電路

STM32-110作為一種32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器。普遍應用于工業控制[5]、消費類電子產品、通信系統、無線系統等產品，內部集成了DMA控制器。本文采用嵌入式主板ARM自帶的DMA控制器，實現數據的傳輸，控制芯片GPRS通信芯片，對于那些需要將遠程數據通過已經有的3G網絡發送到網路中去，實現網絡化功能[6]，對于一個智能化的產品更加具有通用性。

4 系統軟件設計

本文的軟件設計主要是與系統相關的任務設計以及輸入輸出顯示任務設計，包括GPS導航任務、數據傳輸任務、圖形顯示任務和鍵盤動作處理任務。系統的整體軟件設計流程如圖4所示。

對輸入的導航數據首先進行預處理，使輸入數據進行內部處理包括采樣、濾波、運算、分析，而后進行兩個導航系統相互兼容性數據的處理功能。數據的處理功能是將采集到的數據轉換為電壓數據后一方面用于顯示，另一方面用于發送到無線網絡，為了防止過多占用平臺內存，選擇將數據寫入到文件保存方式，保存到ARMSTM32自帶的NAND Flash中。從而實現導航數據的顯示和處理。

5 結 論

圖4 整體軟件設計流程圖Fig.4 The whole software design flow chart

文中采用片內集成了大量外設的嵌入式系統設計了多系統導航接收機的電路，該硬件設計包含了導航電路、電平轉換電路、LCD顯示電路、無線數據收發、電源電路、復位電路等硬件電路，因此是一種成本的設計方案。

由于OTrack-32集成芯片具有多導航系統的兼容信號處理能力并且實時嵌入式處理器和操作系統的高效性，使得該導航系統具有性能高、擴展性能好、兼容性能好等優勢。

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