北斗導航系統的移動導航定位終端設計分析

唐永泉

摘要：衛星定位導航技術目前應用極為廣泛，與人民生活息息相關，在手機定位、精準授時、汽車導航、智能交通、智能監控、智能家居、國際救援等等領域應用比較成熟。文章介紹了北斗導航系統的移動導航定位終端的分類和北斗定位基本原理、結構；設計了北斗導航系統的移動導航定位終端，給出了設計的結構、硬件電路以及操作系統。

關鍵詞：衛星定位；北斗導航系統；移動定位終端；設計

1.移動終端定位導航系統的研究與分析

目前，多是按照移動終端使用范圍對移動終端定位導航系統進行分類，主要包括室外定位和室內定位。室外定位技術可分為衛星定位技術與慣性導航器定位技術兩種。室內定位系統多采用無線移動通信網絡進行定位可分為超聲波、紅外、藍牙、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），WiFi、超寬帶定位技術等。

根據定位策略可把定位技術分為網絡定位和移動終端定位技術兩種。網絡定位系統包括接收信號方向定位（AOA）、場強信號定位（RSS）、信號傳播時間定位（TOA等），這些技術主要依靠強大的網絡通信能力，在網絡端接收移動終端發射的信號，利用算法估算移動終端的定位信息，通過移動通信網絡把其位置信號再發送給移動終端系統。移動終端定位技術包括基站定位（Cell ID）、衛星定位，通過移動終端接收基站發射的帶有基站位置等特征信息的信號，按照約定的算法估算出移動終端的定位等信息。

而根據定位原理又可分為臨近關系定位、三角測量定位和場景分析定位等定位技術。三角測量定位技術又可細分為傳播時間定位、能量衰減定位、角度定位等。

2.北斗衛星定位系統定位原理

衛星定位技術依據同一坐標系空間內己知的多個點的位置坐標數據，利用空間距離交會的方法計算未知點的坐標值，實現定位、導航功能。2000年，北斗衛星定位系統采用中國大地坐標系（China Geodetic Coordinate System，CGCS2000），CGCS200C唑標系以地球質心作為原點，x軸指向國際地球自轉服務機構制定的參考子午面和垂直于z軸的赤道面交點的方向，z軸也是由x軸、Y軸利用右手法則確定，指向國際地球自轉服務機構指定的地球參考極方向。如圖1所示。

公式（2）中，δt_u表示移動終端的接收時間差，p表示誤差修正系數。根據數學計算要求，在衛星數n≥4時，可以計算出δt_u的值以及A點的準確定位坐標（z、y、z），從而實現衛星定位及導航功能。

北斗衛星定位系統結構分為空間段、地面段、用戶段三部分。空間段由5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星和3顆傾斜同步軌道衛星，共計35顆衛星構成。其中，中地球軌道衛星約在21600km高度運行；靜止軌道衛星在約為35810km高度運行，定點分布在赤道面的58.75°E，80°E，110.5°E，140°E，160°E位置上，27顆中地球軌道衛星均勻分布在3個軌道面上，相鄰軌道面之間的夾角為120°；3顆傾斜同步軌道衛星約在35900km高度運行，且分布在3個軌道面上?？臻g段衛星主要接收地面段注入站注入的導航電文、衛星星歷、差分完好性等信號信息，計算處理為北斗衛星信號，并持續不斷地把這些信號發送給地面接收端。

地面段由主控站、注入站、監測站組成。主控站時系統的核心，負責管理和控制北斗定位導航系統，其功能是從監測站接收地面環境參數，進行計算處理后生成北斗衛星的導航電文及差分完好性信息，最后發送給注入站。注入站負責發送導航電文、差分完好性信息等給北斗衛星，控制管理北斗衛星的正常工作。監測站負責跟蹤、監測、接收北斗衛星信號，并轉發給地面主控站，同時提供北斗衛星時間同步參考。用戶段即移動北斗衛星定位導航終端，負責接收、處理北斗衛星信號，獲得用戶需要的高度、經緯度、速度、時間等定位、導航信息。

3.北斗定位導航系統移動導航定位終端設計

3.1北斗定位導航系統移動導航定位終端結構

北斗定位導航終端采用移動式設計開發，采用獨立的操作系統和良好人機界面設計，其特點為體積小、重量輕、交互友好、安全性高，能夠實現全天候準確定位、通信等。子模塊功能包括用戶界面、通信、定位、地圖顯示、地圖搜索、電子地圖、系統加密、系統維護等。用戶界面采用表單或字符輸入方式接收用戶指令，并以圖形、文字等方式返回數據。通信功能主要是接收衛星信號，向主控模塊傳遞信息等。根據用戶選擇的定位方式得到移動終端所出的準確坐標。地圖顯示可以提供區域地圖、用戶當前位置地圖等地圖信息，在用戶進行方向選擇、動態移動、拉近拉遠等操作時，實時動態進行信息變化；系統可以根據用戶輸入的某一地點的信息，搜索該點位置并精準顯示，在用戶輸入出發地和目的地后，通過路由算法找到最短路徑，提供導航地圖。電子地圖模塊在于存儲地圖文件等信息。系統可以使用AES等算法對發送數據進行加密，確保數據的安全性。系統能夠根據用戶需要對導航終端進行必要的設置，定期備份、更新地圖數據，提供所有的地圖文件下載接口，設置用戶各種操作權限，在軟件出現新版本時出現版本更新提示等等。

3.2系統硬件設計

本文設計的硬件系統主要包括射頻信號處理模塊、數字基帶信號處理模塊和天線接口。射頻信號處理模塊由射頻信號處理芯片電路、噪聲放大器（LNA）電路、溫補晶振（TCXO）和聲表面波濾波器（SAW）電路等電路組成。射頻信號處理芯片與溫補晶振電路對衛星高頻信號進行放大、混頻、濾波、ADC轉換，輸出數字中頻信號；噪聲放大器實現對衛星信號功率放大；聲表面波濾波器電路濾除帶外干擾等雜散信號。數字基帶信號處理模塊主要由數字基帶信號處理芯片、串行接口電路、RTC晶振電路等構成，接收上一級數字中頻信號并進行解調，獲得衛星的偽距、載波相位、導航電文等信息，通過算法進行計算，輸出符合標準協議的數據信息；衛星天線接口負責連接北斗衛星信號的接收天線。硬件電路結構如圖2所示。

3.3操作系統設計

導航定位終端系統操作系統采用Linux網絡系統，具有兼容性、可移植性、開放性、精簡性、可定制等特點。嵌入式Linux系統通過引導程序、Linux微內核、初始化進程等進行系統初始化，通過下載源碼、建立交義編譯環境，配置編譯內核，制作文件系統，下載和調試內核LS等環節，方便地將嵌入式Linux移植到硬件平臺上，實時動態進行操作系統更新和操作。

4.結語

本文設計的基于北斗衛星移動導航定位終端具備良好的人機界面環境，采用路由算法和有源/無源定位滿足客戶定位、導航的需要，用戶可自由選擇終端工作模式，功能齊全，操作簡便。