“GPS+北斗”聯(lián)合支持下的移動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

本研究分別分析了（Global Positioning System，GPS）和北斗兩大定位系統(tǒng)的基本特性與優(yōu)勢(shì)，然后針對(duì)系統(tǒng)硬件，包括輸入電源選型以及多級(jí)降壓電源設(shè)計(jì)，通過(guò)核心器件JW5015A和低壓降輸出穩(wěn)壓器SPX-5205實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。最后通過(guò)采用ATGM332D-5N作為接收定位數(shù)據(jù)的模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的支持。在軟件設(shè)計(jì)部分，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流程和人機(jī)交互程序流程進(jìn)行優(yōu)化，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)提高用戶使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)定位系統(tǒng)的靈活性和精確定位功能，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有較高的實(shí)際價(jià)值。

一、 引言

定位技術(shù)和移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為了生活和工作中不可或缺的一部分，從出行導(dǎo)航、無(wú)人駕駛，到物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備追蹤，定位技術(shù)的使用范圍正在不斷擴(kuò)大。其中，GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是目前廣泛使用并且精度高的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它們各有優(yōu)勢(shì)，如果能有效地聯(lián)合利用這兩個(gè)系統(tǒng)，可以提升定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。首先，更高的定位精度，增加了可觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量，優(yōu)化接收器的觀測(cè)幾何，降低由信號(hào)遮擋和反射引起的誤差。其次，更強(qiáng)的信號(hào)覆蓋性，由兩者衛(wèi)星覆蓋范圍的結(jié)合，特別是在復(fù)雜地理環(huán)境下，如峽谷、叢林等，確保了更好的信號(hào)覆蓋。第三，提高系統(tǒng)的可靠性，任一系統(tǒng)若故障或信號(hào)不穩(wěn)定，另一系統(tǒng)可以立即啟用，確保定位服務(wù)不受影響。

二、定位導(dǎo)航系統(tǒng)分析

（一） GPS定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)歷史上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球范圍衛(wèi)星導(dǎo)航的系統(tǒng)，是由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)，旨在滿足軍事需求下對(duì)地理位置、速度和時(shí)間信息的全天候獲取。它的成立可追溯到20世紀(jì)70年代，設(shè)計(jì)之初即為提供全球覆蓋的定位與導(dǎo)航服務(wù)。GPS系統(tǒng)由24顆在地球軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星構(gòu)建成的星座系統(tǒng)提供支持，包括三顆作為備份的衛(wèi)星，確保全球任意位置、任何時(shí)間均可至少觀察到4顆衛(wèi)星，最多可觀察到12顆。該系統(tǒng)分為三個(gè)主要部分：空間系統(tǒng)是由24顆運(yùn)行在外層空間的衛(wèi)星組成，通過(guò)發(fā)送和接收信號(hào)以及存儲(chǔ)導(dǎo)航信息以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能；地面監(jiān)控系統(tǒng)由全球分布的跟蹤站、主控站和地面天線構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)并進(jìn)行必要的計(jì)算，例如衛(wèi)星軌跡、大氣修正等；用戶端設(shè)備則接收來(lái)自這些衛(wèi)星的信號(hào)進(jìn)行定位。GPS系統(tǒng)的獨(dú)特性在于其能力持續(xù)提供不受天氣影響的全球定位服務(wù)。

（二）北斗定位系統(tǒng)

北斗定位系統(tǒng)是中國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有獨(dú)立性、高精度、全球覆蓋、多服務(wù)模式、安全性、兼容性和互操作性等優(yōu)勢(shì)。作為中國(guó)完全獨(dú)立自主控制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗減少了中國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航方面對(duì)其他國(guó)家的依賴，增強(qiáng)了國(guó)家的科技實(shí)力和自主可控能力。北斗系統(tǒng)提供高精度的定位服務(wù)，尤其在中國(guó)及周邊地區(qū)，能夠提供與GPS相媲美甚至更優(yōu)的定位精度。隨著北斗系統(tǒng)的全球組網(wǎng)完成，它能夠?yàn)槿蛴脩籼峁?4小時(shí)不間斷的定位、導(dǎo)航和時(shí)間同步服務(wù)。此外，北斗系統(tǒng)提供多種服務(wù)，包括開(kāi)放服務(wù)、授權(quán)服務(wù)和區(qū)域增強(qiáng)服務(wù)，能夠滿足不同用戶群體的需求。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了安全性，采取了多種措施來(lái)確保信號(hào)的可靠性和防止欺騙、干擾等安全威脅。北斗系統(tǒng)與國(guó)際上的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，用戶可以同時(shí)使用多個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)，提高定位的可靠性和準(zhǔn)確性。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）輸入電源選型

考慮到設(shè)備主要應(yīng)用移動(dòng)裝置，供電單位的獨(dú)立性至關(guān)重要，即不能依賴于固定電源，如家庭電源。對(duì)于已有電源的裝置，設(shè)備具有獨(dú)立供電接口，只需對(duì)外部電源接口和設(shè)備供電輸入接口進(jìn)行簡(jiǎn)單連接。以無(wú)獨(dú)立電源提供的用戶為出發(fā)點(diǎn)，選擇18650電池作為系統(tǒng)供電單元，確保系統(tǒng)的移動(dòng)性和靈活性。

該電池包括各種安全防護(hù)功能，包括過(guò)充保護(hù)（防止電池充滿后未能及時(shí)拔除充電器而導(dǎo)致過(guò)度充電）、過(guò)放保護(hù)（防止電池過(guò)度放電而降低電池性能）、短路保護(hù)（防止用戶誤將電極接反導(dǎo)致短路）、溫度控制（防止電池過(guò)度放電）、低壓保護(hù)（防止放電電壓超出設(shè)定電壓）、過(guò)流保護(hù)（防止用戶連接工作功率不符的設(shè)備導(dǎo)致放電電流過(guò)大），這些功能共同保證了電池的安全使用。

（二）多級(jí)降壓電源設(shè)計(jì)

移動(dòng)定位系統(tǒng)最大電壓為12V，因此輸入電源選用12V的電池。此外，采用兩級(jí)降壓電路設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)電源組對(duì)12V、5V、3.3V不同電壓級(jí)別的需求。

在一級(jí)降壓電路中，采用寬電壓輸入范圍的電流模式降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器JW5015A作為核心器件。該器件內(nèi)建兩個(gè)n通道MOSFET，具有高效率的內(nèi)部同步電源開(kāi)關(guān)，輕負(fù)載下工作頻率低以維持高效能和低紋波。JW5015A以多重保護(hù)方式確保穩(wěn)定輸出。需要5V電源的元件如4G模組、定位模組等，在保證電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性的同時(shí)，必須考慮電路負(fù)載承受能力。

針對(duì)二級(jí)降壓電路，即5V轉(zhuǎn)3.3V的電路，采用低壓降輸出穩(wěn)壓器（LDO）為核心的電路設(shè)計(jì)。因此，選用低噪聲LDO穩(wěn)壓器SPX-5205，有效將5V電壓轉(zhuǎn)為3.3V，供給微控制單元（MCU）和其他需求3.3V電源的模塊。

（三）定位系統(tǒng)電路搭建

選擇ATGM332D-5N作為接收定位數(shù)據(jù)的模塊，該模塊是一類性能強(qiáng)大的BDS/GNSS全球定位導(dǎo)航模塊。包含對(duì)多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的支持能力，如中國(guó)的BDS、GPS、GLONASS等，并且還可以支持包括WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS在內(nèi)的衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS。AT6558是一款集成度極高的衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片，內(nèi)帶32個(gè)追蹤通道，可同時(shí)處理來(lái)自六個(gè)不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航和計(jì)時(shí)。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)運(yùn)行流程

移動(dòng)定位系統(tǒng)需要對(duì)其可能出現(xiàn)的異常行為進(jìn)行評(píng)估，并制定適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。設(shè)計(jì)的程序在系統(tǒng)啟動(dòng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都預(yù)設(shè)了異常工作狀態(tài)的提示。如果在某個(gè)環(huán)節(jié)，如未能正確識(shí)別SIM卡出現(xiàn)異常，系統(tǒng)將在OLED屏上呈現(xiàn)相應(yīng)的錯(cuò)誤信息。當(dāng)定位系統(tǒng)在接收衛(wèi)星信號(hào)受阻的室內(nèi)環(huán)境或衛(wèi)星檢測(cè)不足時(shí)，系統(tǒng)可以發(fā)出警示信息，并同時(shí)清零數(shù)據(jù)端口。而在時(shí)間管理上，通過(guò)4G端口獲取網(wǎng)絡(luò)授時(shí)，系統(tǒng)將時(shí)間信息自動(dòng)更新至MCU的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘中，不僅保證了系統(tǒng)時(shí)間的精準(zhǔn)度，而且消除了反復(fù)訪問(wèn)4G網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間的需要，從根本上降低了成本。

（二）人機(jī)交互程序流程

人機(jī)交互程序采用高效、直觀且易于理解的使用環(huán)境，以便用戶無(wú)阻礙地快速使用設(shè)備。人機(jī)交互程序以用戶為中心，其功能針對(duì)用戶需求和便利性進(jìn)行定制。因此，系統(tǒng)采用周期性巡查方案，此動(dòng)態(tài)檢測(cè)機(jī)制確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，允許用戶隨時(shí)無(wú)障礙地進(jìn)行設(shè)備交互。在按鍵檢測(cè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)添加按鍵消抖功能，避免系統(tǒng)在用戶未按下按鍵時(shí)的誤讀，減低操作失誤的可能性，提升使用體驗(yàn)。針對(duì)避免將單次按鍵操作誤讀為連續(xù)輸入，系統(tǒng)設(shè)置按鍵釋放檢測(cè)，確保更精準(zhǔn)的操作識(shí)別和響應(yīng)。在交互程序中，系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別特定的按鍵輸入，觸發(fā)相應(yīng)的指令，后續(xù)調(diào)用相關(guān)功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)設(shè)備的智能控制。

五、結(jié)語(yǔ)

GPS和北斗兩種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有全球覆蓋、高精度、多服務(wù)模式等優(yōu)勢(shì)。本文從硬件角度，設(shè)計(jì)了移動(dòng)定位系統(tǒng)，并借助多級(jí)降壓電源設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)的多元電壓需求。同時(shí)，選擇高性能的ATGM332D-5N定位模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的支持。最后，從軟件角度，設(shè)計(jì)了完善的系統(tǒng)運(yùn)行流程和人機(jī)交互流程，提升設(shè)備的穩(wěn)定性和用戶體驗(yàn)。

作者單位：東港股份有限公司