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。
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。
(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。
(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。
(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。
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