基于GPS/BDS的移動(dòng)目標(biāo)定位追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張超++顧濟(jì)華

摘 要： 利用GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）和BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）聯(lián)合定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的高精度定位與跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括移動(dòng)目標(biāo)通信終端、GSM網(wǎng)絡(luò)、GIS電子地圖等。其中，核心部分——移動(dòng)目標(biāo)通信終端硬件由ATGM331C單元、TC35I單元和STC12C5A60S2微處理器單元等構(gòu)成；其軟件設(shè)計(jì)主要包括：微處理器初始化、GPS/BDS解碼、短信命令解碼和AT命令控制等。實(shí)踐測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且移動(dòng)目標(biāo)通信終端具有定位精度高、體積小、功耗低、操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)目標(biāo)； GPS/BDS； 定位； 追蹤； ATGM331C； TC35I

中圖分類號(hào)： TN967.1?34； TM910.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）17?0121?03

Design of GPS/BDS?based positioning and tracking system for moving targets

ZHANG Chao， GU Jihua

（College of Physics， Optoelectronics and Energy， Soochow University， Suzhou 215006， China）

Abstract： By using the combined positioning technology of global positioning system （GPS） and BeiDou navigation satellite system （BDS）， a high accuracy positioning and tracking system for moving targets was designed. The system consists of communication terminal of moving target， GSM network and electronic map of GIS mainly. As the key part of the whole system， the hardware of the moving target communication terminal is composed of ATGM331C module， TC35I module and STC12C5A60S2 microprocessor. The software design includes microprocessor initialization， decoding of GPS/BDS navigation information， decoding of short message service commands and the AT command control mainly. The practical testing results indicate that the system can work steadily， and the moving target communication terminal has the characteristics of high accuracy positioning， small size， low power consumption and convenient operation. The system has a broad application prospect.

Keywords： moving target； GPS/BDS； positioning； tracking； ATGM331C； TC35I

0 引 言

我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）已成為繼美國“GPS”、俄羅斯“GLONASS”、歐洲“GALILEO”之后的第四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，已在個(gè)人位置服務(wù)、精密授時(shí)、特殊貨物運(yùn)輸監(jiān)管、精細(xì)農(nóng)業(yè)、應(yīng)急救援、道路交通管理、海運(yùn)與水運(yùn)、航空運(yùn)輸及氣象應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星系統(tǒng)的兼容與互操作性使用戶能夠同時(shí)利用多系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，極大地改善了觀測(cè)冗余度、提高了導(dǎo)航定位精度[2]。本文針對(duì)單一導(dǎo)航系統(tǒng)特定時(shí)間特定區(qū)域內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)量少所導(dǎo)致的盲區(qū)或死角、精度較低以及抗風(fēng)險(xiǎn)和抗異常誤差能力差等問題，通過GPS和BDS組合，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、定位精度和可靠性[3]。

1 系統(tǒng)原理

完整的移動(dòng)目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)由移動(dòng)目標(biāo)通信終端、GSM無線網(wǎng)絡(luò)、GIS電子地圖等組成。GIS電子地圖的主要功能是實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)控的移動(dòng)目標(biāo)的位置及軌跡、地理信息查詢、地圖的更新[4]。通過GPS/BDS聯(lián)合衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊獲得經(jīng)緯度坐標(biāo)值和時(shí)間等信息，借助于GSM網(wǎng)絡(luò)將被監(jiān)控目標(biāo)的位置信息匹配到GIS電子地圖[5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位、跟蹤、運(yùn)動(dòng)軌跡顯示查詢、速度顯示等功能。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，核心部分——移動(dòng)目標(biāo)通信終端結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由GPS/BDS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊ATGM331C，GSM模塊TC35I，STC12C5A60S2微處理器單元和電源模塊等組成。

選用的ATGM331C模塊支持GPS和BDS單系統(tǒng)定位或雙系統(tǒng)聯(lián)合定位，包含32個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收所有GPS和BDS可見衛(wèi)星[6]，且具有定位精度高、高靈敏度、耗電量低、體積小、重量輕等特點(diǎn)。所用GSM模塊TC35I工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V。其電流消耗：休眠狀態(tài)為3.5 mA；空閑狀態(tài)為 25 mA；發(fā)射狀態(tài)為300 mA（平均）；峰值[7]為2.5 A。該模塊帶有充電引腳，可對(duì)外接鋰電池進(jìn)行充電。微處理器單元選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，其雙串口可同時(shí)滿足AT通信命令控制輸入與導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出應(yīng)用需求，模塊間通信電平匹配，且該微處理器還具有速度快、功耗低、抗干擾超強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用鋰電池供電，通過寬電壓輸入（2.4～5.5 V）升降壓芯LTC3441電路設(shè)計(jì)，獲得系統(tǒng)所需的3.3 V穩(wěn)定電壓，其最大輸出電流可達(dá)4 A，滿足系統(tǒng)工作電流需求。

2 通信終端電路設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的移動(dòng)目標(biāo)通信終端具體硬件電路，如圖2所示。

STC12C5A60S2微處理器單元核心與ATGM331C模塊和TC35I模塊相連，接收并解碼ATGM331C模塊獲得的GPS/BDS導(dǎo)航定位信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后由GSM模塊TC35I發(fā)送到GIS電子地圖等接收平臺(tái)。

其中，需要注意：TC35I模塊的IGT啟動(dòng)引腳在系統(tǒng)加電后，必須給IGT加一個(gè)大于100 ms的低電平脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間[8]不得超過1 ms，這樣才能保證該模塊正常工作。另外，TC35I模塊自身具有鋰電池充電功能，在其power引腳輸入5 V直流電，將鋰電池正極與TC35I模塊VBATT+引腳相連接即可充電，其中[R11]為負(fù)溫度系數(shù)電阻，模塊通過該電阻測(cè)量電池溫度，當(dāng)電池溫度異常時(shí)就停止充電。

SIM卡為移動(dòng)目標(biāo)通信終端接入GSM網(wǎng)絡(luò)的登記憑證，同時(shí)可在SIM卡內(nèi)進(jìn)行用戶信息存儲(chǔ)、執(zhí)行鑒權(quán)算法和產(chǎn)生加密密鑰等任務(wù)[9]。

SD卡支持3.3 V供電，采用SPI接口與微處理器相接，工作于從機(jī)狀態(tài)，用于存儲(chǔ)導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件，擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性等特點(diǎn)[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，以Keil C51為開發(fā)編譯環(huán)境，使用C語言進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用程序編寫。系統(tǒng)上電后，先完成ATGM331C模塊、TC35I模塊和STC12C5A60S2微處理器單元初始化設(shè)置、握手通信及要求內(nèi)容顯示等，然后等待接收到的外部短信命令，進(jìn)行單次或連續(xù)導(dǎo)航信息的提取和解碼，根據(jù)通信協(xié)議將所要求數(shù)據(jù)發(fā)送到GIS電子地圖等接收平臺(tái)。

對(duì)于GPS/BDS導(dǎo)航信息解碼，首先根據(jù)“$”字符判斷出幀頭，然后根據(jù)GNGGA，GNRMC，GNVTG，GPGSA，GPGSV，BDGSA，BDGSV等不同語句，將其后數(shù)據(jù)提取出來后保存到相應(yīng)數(shù)組中。

外面短信命令解碼是應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中重要的子程序之一，主要包括對(duì)所接收到外部短信正確與否進(jìn)行判斷、提取命令字及要求回復(fù)電話號(hào)碼等。本應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中規(guī)定，正確的導(dǎo)航信息發(fā)送短信命令為：*S#11位數(shù)字（如13656208682）。其中，“*”和“#”為命令正確與否判斷符，“S”為回復(fù)滿足已制定通信協(xié)議要求的導(dǎo)航信息短信標(biāo)志，“11位數(shù)字（如13656208682）”為要求回復(fù)到的手機(jī)號(hào)碼。當(dāng)向本系統(tǒng)移動(dòng)目標(biāo)通信終端發(fā)送符合以上格式的短信命令時(shí)，終端就會(huì)根據(jù)要求回復(fù)相應(yīng)內(nèi)容，而當(dāng)所接收到的短信內(nèi)容不符合設(shè)定的格式要求時(shí)，終端則不予響應(yīng)并刪除所接收到的短信內(nèi)容，空出存儲(chǔ)空間以便于等待保存下條正確的短信命令。具體程序流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，采用GPS/BDS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航模塊配套和芯星通CDT（Control & Display Tool）調(diào)試軟件，對(duì)串口接收到的GPS/BDS導(dǎo)航數(shù)據(jù)按照NMEA格式解碼，并顯示出相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)將保存后的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成能被Google Earth識(shí)別的KML文件，在Google Earth衛(wèi)星地圖中直觀顯示出其位置信息。軟件界面如圖4所示。說明：NMEA0183格式以“$”開始，如果只將BD，GPS等衛(wèi)星用于位置解算，傳送標(biāo)識(shí)符為BD，GP；如果使用了多個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星取得位置解算，傳送標(biāo)識(shí)符用GN[6]。

通過Control & Display Tool轉(zhuǎn)換過后的KML文件，在Google Earth衛(wèi)星地圖中的定位情況如圖5所示，圖中黃色標(biāo)注處即為定位位置。

5 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)目標(biāo)定位追蹤系統(tǒng)通過GPS/BDS雙模導(dǎo)航模塊接收移動(dòng)目標(biāo)位置信息，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)與客戶端的信息傳送，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位追蹤。該系統(tǒng)終端體積小、攜帶方便，雙模定位更加精確，不僅可以應(yīng)用在移動(dòng)車輛上面，也可以讓兒童、老人隨身攜帶，可以實(shí)時(shí)了解他們的位置信息，以防丟失，應(yīng)用前景廣闊。

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