基于Android技術的北斗／GPS車載導航系統設計※

謝劍鋒，胡鋼，馬勝

（1.河海大學物聯網工程學院，常州213022；2.常州市傳感網與環境感知重點實驗室）

引 言

Android移動終端操作系統自2007年發布以來，由于其開放性、應用程序無界限、高級圖形顯示、簡單控制操作等性能已經被越來越多的用戶所接受，在Android平臺上開發車載導航應用，有利于開發人員理解平臺框架，降低設備終端的成本。

1 系統的整體結構

系統以ARM11內核的S3C6410為中央處理器，配置7英寸觸摸顯示屏，外圍設備還包括北斗／GPS接收模塊、電源模塊、數據存儲模塊、輸入／輸出模塊等。設計思路是先開發Boothloader引導程序，然后下載Android文件系統，將裁剪過的Android操作系統內核成功移植到開發板后，進行北斗／GPS模塊驅動的開發，最后在Android平臺上通過編寫的導航應用程序，實現對北斗／GPS模塊接收到的經緯度信息的提取。經過相應的數據處理和解析獲得所需的定位信息，并且通過電子地圖配合Android系統軟件的API接口，將定位的信息在地圖上實時、準確地顯示。系統整體結構如圖1所示。

圖1 北斗／GPS導航系統框圖

北斗／GPS定位信號的接收采用的是和芯通公司的UM220雙系統導航／授時模塊，能夠支持BD2B1、GPS L1兩個頻點，其集成度高，功耗低，重量輕，體積小，非常適合北斗系統大規模應用的需求。

2 GPS定位和北斗／GPS雙模式定位

2.1 GPS定位的基本原理

GPS導航系統具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力［2］，其定位的基本原理是：應用無線電測距交會的原理，衛星不斷地發送自身的星歷參數和時間信息，用戶在收到該信號之后采用空間距離后方交會的方法，計算出接收機的三維位置，用戶就在以該發射信號衛星為圓心，用戶到衛星的距離為半徑的球面上。原理上若用戶同時接收來自3 個衛星的信號，就能確定用戶的位置，但由于衛星接收機的時鐘差，還需要第4顆衛星對時間進行更正，故GPS定位至少需要4顆以上的衛星。圖2是以4顆衛星為例的GPS定位原理圖，由圖可確定下列方程組：

圖2 GPS定位原理圖

式（1）中已知的數據有衛星的空間坐標（xi，yi，zi），信號傳播速度c，用戶到衛星的距離di以及衛星發出信號的時間ti，ti為各衛星時間，t為用戶接收時間。通過最小二乘法解以上非線性方程組可以計算出用戶的坐標（x，y，z，t），從而實現定位。

2.2 北斗定位的基本原理

北斗導航系統具有快速定位、簡短通信和精密授時的三大功能，采用3球交會測星原理進行定位，分別以2顆定位衛星和地心為球心，當用戶定位時，需要向兩顆衛星發送申請服務的信息，衛星再將用戶的申請信息轉發到地面控制中心，地面控制中心解調出用戶信號，并解算出用戶到這兩顆衛星的距離。

以這兩顆衛星為球心，到用戶的距離為半徑作兩個球面，由于衛星軌道面與赤道面重合，所以用戶必定在球面相交的圓上，且相交圓和赤道面垂直。再以地心為球心，到地球表面高度為半徑得到一個非均勻的球面，該球面和相交圓在地球南北半球各有一個交點，我國處于北半球，所以北半球的交點即是用戶的位置。這樣就解算出用戶的三維坐標，地面控制中心將解算出的坐標信息通過衛星轉發給用戶。

2.3 北斗／GPS雙模式定位的基本原理

北斗導航系統和GPS導航系統雖然是不同的兩個系統，但它們之間仍有許多共性，這就為它們可以兼容成雙模式導航系統提供了依據。相同點如下：

①兩個系統的組成相同，都是由空間部分、地面中心控制系統、用戶終端組成的。

②編碼方式相同，北斗系統和GPS系統都是采用碼分多址編碼方式。

③定位原理相同，都是通過測量用戶和衛星之間的偽距，解算出定位結果。

④發送的載波信號頻率相近，北斗導航系統分別在1 159～1 610 MHz、1 209～1 300 MHz兩個頻段發送無線電載波信號，GPS則在1 575 MHz和1 227 MHz發送信號［4］。

北斗／GPS雙模式定位原理如圖3所示。

圖3 北斗／GPS雙模式定位原理圖

UM220終端接收來自北斗和GPS兩種頻率的衛星信號，既可以北斗或GPS單系統定位，又可以北斗和GPS聯合定位。在系統接收不到北斗信號或GPS信號時，采用的是單系統定位。當能接收到兩種信號時，采用的是聯合定位。

聯合定位時將接收到的北斗信號的數據格式轉換成GPS數據格式，用北斗導航系統的輸出直接校正GPS系統的輸出。模塊通過相關器、快速傅里葉變換FFT（Fast Fourier Transform）和匹配濾波器混合應用以及算法優化，使系統在各種復雜環境下保持出色的跟蹤能力和快速定位TTFF（Time To First Fix）功能；先進的多路徑抑制技術，確保了定位導航的精度。

2.4 GPS定位和北斗／GPS雙模式定位對比

考慮到目前北斗導航系統相對于GPS導航系統而言并未成熟覆蓋全球且用戶容量的限制等因素，本設計采用聯合定位而不采用北斗單獨定位，作為車載導航設計的過渡階段。圖4是在PC 機上通過Unicore Control信號測試軟件分別測試GPS模塊和北斗／GPS模塊的定位情況。GPS定位的接收模塊采用SIRF StarⅢ芯片組，測試定位的位置是固定的。

圖4 GPS定位和聯合定位對比

從圖4（a）、（b）中用戶的歷史定位軌跡可以看出GPS定位的歷史軌跡沒有北斗／GPS聯合定位集中，說明GPS單獨定位的誤差較高；從圖（c）、（d）可以看出，北斗／GPS聯合定位相對于GPS定位除垂直精度因子（VDOP）、較高外，時間精度因子（HDOP）位置精度因子（PDOP）都有明顯減小，而精度因子越小說明定位精度越高，北斗／GPS雙模式定位精度相對于GPS定位有明顯的改善。

3 系統軟件設計

3.1 軟件整體構架

設計是以Android操作系統為基礎，在此平臺上開發導航應用程序要通過Android SDK 中提供的代碼和工具進行，而且還要搭建合適的開發環境。Android應用程序的開發通常使用Google提供的集成了編譯器、調試器和模擬器的Android SDK 工具集，由于它是基于JAVA 底層的操作系統，因此需要JAVA 開發環境的支持，一般情況下使用Eclipse和ADT 插件作為集成開發環境，能方便快捷地開發所要求的應用軟件。圖5是北斗／GPS導航的軟件功能結構圖。

3.2 系統主要功能的實現

3.2.1 查詢功能的實現

圖5 北斗／GPS導航軟件功能結構圖

查詢功能包括周邊查詢和駕車路線查詢。周邊查詢可以是查詢當前位置附近的餐廳、加油站、景點、酒店、超市等信息。系統可以根據用戶輸入的關鍵詞在周邊搜索，并將結果標記在地圖上。所用的函數是百度地圖提供的MKSearch函數。例如要搜索當前位置附近的餐廳，調用MKSearch.poiSearchInCity（editCity.getText（）.toString（），editSearchKey.getText（）.toString（））即可。圖6是查詢結果。

圖6 查詢周邊結果圖

路線查詢和查詢周圍相似，所用的函數仍然是MKSearch，系統可以根據用戶輸入的起點和終點，按時間最短的原則為用戶尋找最優路徑，并標注在地圖上。如起點輸入“常州”，終點輸入“南京”，調用mSearch.driving-Search可得到常州到南京的時間最短線路。圖7是查詢的結果。

3.2.2 一鍵回家功能的實現

所謂一鍵回家，即只要一按鍵系統就能自動找到最優回家的路線。在已經設置目的地——家的經緯度基礎上，系統可以根據當前用戶所處的位置為起點，家的位置為終點，自動為用戶尋找最優的回家線路。要實現該功能首先要確定終點家的位置。家的位置可以通過網絡查詢家的經緯度信息，手動輸入并保存到Android自帶的SQLite數據庫中，如果不知道家的經緯度信息，也可以利用系統自動輸入，在家的位置處系統軟件可以定位得到家的位置信息，用戶可以根據提示保存家的位置，完成終點確定。

圖7 查詢路線結果圖

其次要確定起點，即當前定位的位置，由系統自動完成。根據起始點，完成路線標注。主要代碼如下：

4 系統的運行及測試分析

測試UM220模塊的可用性，采用的是Unicore Control信號測試軟件，通過串口將其連接到PC 上。圖8是軟件顯示的效果。

左上是接收的北斗衛星的個數和信號強度，左下是GPS衛星的個數和信號強度，中間是衛星的星座圖，顯示接收機當前跟蹤的所有衛星，右邊是軌跡及精度因子。圖中顯示的當前經度為119.978 684 000，緯度為31.818 590 00，對應的是常州某高校實驗室的位置。

將導航應用程序下載安裝到OK6410開發板，保證開發板網絡連通，程序運行效果略——編者注。通過驗證，“查詢周圍”、“查詢路線”、“一鍵回家”、“地圖切換”、“重新定位”等功能基本達到了預定的工作效果，實現了雙模式衛星定位的功能。

但也發現很多需要改進的地方，如定位精度沒有理想的準確；由于地圖數據涵蓋范圍的局限，使查詢功能有一定的限制；路徑選擇的精度也需要提高。

圖8 UM220模塊在Unicore Control測試結果

結 語

將北斗和GPS結合起來服務于我國的車載導航事業，對于發展我國的國民經濟和國家安全有重要的研究意義和實用價值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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