“GPS+北斗”聯合支持下的移動定位系統設計研究

本研究分別分析了（Global Positioning System，GPS）和北斗兩大定位系統的基本特性與優勢，然后針對系統硬件，包括輸入電源選型以及多級降壓電源設計，通過核心器件JW5015A和低壓降輸出穩壓器SPX-5205實現電源的穩定轉換。最后通過采用ATGM332D-5N作為接收定位數據的模塊，實現對多種衛星導航系統的支持。在軟件設計部分，對系統運行流程和人機交互程序流程進行優化，確保系統的可靠性和穩定性，同時提高用戶使用體驗，實現了移動定位系統的靈活性和精確定位功能，對于實際應用具有較高的實際價值。

一、 引言

定位技術和移動系統設計已成為了生活和工作中不可或缺的一部分，從出行導航、無人駕駛，到物聯網中的設備追蹤，定位技術的使用范圍正在不斷擴大。其中，GPS和北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是目前廣泛使用并且精度高的衛星導航系統，它們各有優勢，如果能有效地聯合利用這兩個系統，可以提升定位的準確性和穩定性。首先，更高的定位精度，增加了可觀測衛星的數量，優化接收器的觀測幾何，降低由信號遮擋和反射引起的誤差。其次，更強的信號覆蓋性，由兩者衛星覆蓋范圍的結合，特別是在復雜地理環境下，如峽谷、叢林等，確保了更好的信號覆蓋。第三，提高系統的可靠性，任一系統若故障或信號不穩定，另一系統可以立即啟用，確保定位服務不受影響。

二、定位導航系統分析

（一） GPS定位系統

全球定位系統歷史上第一個實現全球范圍衛星導航的系統，是由美國國防部開發，旨在滿足軍事需求下對地理位置、速度和時間信息的全天候獲取。它的成立可追溯到20世紀70年代，設計之初即為提供全球覆蓋的定位與導航服務。GPS系統由24顆在地球軌道上運行的衛星構建成的星座系統提供支持，包括三顆作為備份的衛星，確保全球任意位置、任何時間均可至少觀察到4顆衛星，最多可觀察到12顆。該系統分為三個主要部分：空間系統是由24顆運行在外層空間的衛星組成，通過發送和接收信號以及存儲導航信息以實現導航功能；地面監控系統由全球分布的跟蹤站、主控站和地面天線構成，負責監測衛星數據并進行必要的計算，例如衛星軌跡、大氣修正等；用戶端設備則接收來自這些衛星的信號進行定位。GPS系統的獨特性在于其能力持續提供不受天氣影響的全球定位服務。

（二）北斗定位系統

北斗定位系統是中國自主研發的全球衛星導航系統，具有獨立性、高精度、全球覆蓋、多服務模式、安全性、兼容性和互操作性等優勢。作為中國完全獨立自主控制的衛星導航系統，北斗減少了中國在衛星導航方面對其他國家的依賴，增強了國家的科技實力和自主可控能力。北斗系統提供高精度的定位服務，尤其在中國及周邊地區，能夠提供與GPS相媲美甚至更優的定位精度。隨著北斗系統的全球組網完成，它能夠為全球用戶提供24小時不間斷的定位、導航和時間同步服務。此外，北斗系統提供多種服務，包括開放服務、授權服務和區域增強服務，能夠滿足不同用戶群體的需求。在設計時考慮了安全性，采取了多種措施來確保信號的可靠性和防止欺騙、干擾等安全威脅。北斗系統與國際上的其他衛星導航系統兼容，用戶可以同時使用多個系統的信號，提高定位的可靠性和準確性。

三、系統硬件設計

（一）輸入電源選型

考慮到設備主要應用移動裝置，供電單位的獨立性至關重要，即不能依賴于固定電源，如家庭電源。對于已有電源的裝置，設備具有獨立供電接口，只需對外部電源接口和設備供電輸入接口進行簡單連接。以無獨立電源提供的用戶為出發點，選擇18650電池作為系統供電單元，確保系統的移動性和靈活性。

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

（二）多級降壓電源設計

移動定位系統最大電壓為12V，因此輸入電源選用12V的電池。此外，采用兩級降壓電路設計，以滿足系統電源組對12V、5V、3.3V不同電壓級別的需求。

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

針對二級降壓電路，即5V轉3.3V的電路，采用低壓降輸出穩壓器（LDO）為核心的電路設計。因此，選用低噪聲LDO穩壓器SPX-5205，有效將5V電壓轉為3.3V，供給微控制單元（MCU）和其他需求3.3V電源的模塊。

（三）定位系統電路搭建

選擇ATGM332D-5N作為接收定位數據的模塊，該模塊是一類性能強大的BDS/GNSS全球定位導航模塊。包含對多種衛星導航系統的支持能力，如中國的BDS、GPS、GLONASS等，并且還可以支持包括WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS在內的衛星增強系統SBAS。AT6558是一款集成度極高的衛星導航定位芯片，內帶32個追蹤通道，可同時處理來自六個不同衛星導航系統的GNSS信號，實現聯合定位、導航和計時。

四、系統軟件設計

（一）系統運行流程

移動定位系統需要對其可能出現的異常行為進行評估，并制定適當的預防措施。設計的程序在系統啟動的每一個環節都預設了異常工作狀態的提示。如果在某個環節，如未能正確識別SIM卡出現異常，系統將在OLED屏上呈現相應的錯誤信息。當定位系統在接收衛星信號受阻的室內環境或衛星檢測不足時，系統可以發出警示信息，并同時清零數據端口。而在時間管理上，通過4G端口獲取網絡授時，系統將時間信息自動更新至MCU的RTC實時時鐘中，不僅保證了系統時間的精準度，而且消除了反復訪問4G網絡更新時間的需要，從根本上降低了成本。

（二）人機交互程序流程

人機交互程序采用高效、直觀且易于理解的使用環境，以便用戶無阻礙地快速使用設備。人機交互程序以用戶為中心，其功能針對用戶需求和便利性進行定制。因此，系統采用周期性巡查方案，此動態檢測機制確保系統的可靠性和穩定性，允許用戶隨時無障礙地進行設備交互。在按鍵檢測環節，系統添加按鍵消抖功能，避免系統在用戶未按下按鍵時的誤讀，減低操作失誤的可能性，提升使用體驗。針對避免將單次按鍵操作誤讀為連續輸入，系統設置按鍵釋放檢測，確保更精準的操作識別和響應。在交互程序中，系統通過識別特定的按鍵輸入，觸發相應的指令，后續調用相關功能函數，實現用戶對設備的智能控制。

五、結語

GPS和北斗兩種衛星導航定位系統具有全球覆蓋、高精度、多服務模式等優勢。本文從硬件角度，設計了移動定位系統，并借助多級降壓電源設計滿足系統的多元電壓需求。同時，選擇高性能的ATGM332D-5N定位模塊，實現對多種衛星導航系統的支持。最后，從軟件角度，設計了完善的系統運行流程和人機交互流程，提升設備的穩定性和用戶體驗。

作者單位：東港股份有限公司