基于北斗二代系统的船载定位终端

应士君，王坤，刘卫，邹绪平

(上海海事大学商船学院，上海 201306)

0 引言

北斗卫星导航系统(Compass Navigation Satellite System，CNSS)是我国正在实施、具有自主知识产权的卫星导航定位系统.该系统由空间段、地面段和各类北斗用户组成，集导航、定位、授时功能于一体;分3个阶段进行建设，分别为北斗一代(区域有源双星定位，已完成)、北斗二代(区域无源定位，建设中，记为BD－2)、全球覆盖阶段.截至目前共有11颗BD－2卫星在轨，具有覆盖中国及周边地区，24 h全天候服务，高强度加密设计，安全、可靠、稳定等特点.随着远洋、内河航运产业发展和船舶通信导航及各类电子控制设备的日益完善，实现对船舶的全方位定位导航，及时掌握船舶在航行中的实际情况，快速了解船舶的动态数据，成为提升船舶管理水平的新标志.［1］因此，基于 BD－2的船载定位终端设计，对确保船舶的航行安全具有重要意义.

在北斗卫星导航系统的发展前景下，国内主要由神州天鸿、北斗星通、东方联星、华力创通等公司从事北斗接收机研发设计，在船舶监控［1］和海洋渔业［2］上均有应用.然而，此类应用主要建立在北斗一代船载接收机的基础上，市面上现存的BD－2接收机主要是少量的测试机、手持机，而成品民用船载机尚在研发阶段.

鉴于此，本文设计基于BD－2的船载定位终端，主要有硬件平台搭建、定位解算算法、软件架构设计等几个方面，通过测试实验验证该方法的可行性.

1 硬件平台搭建

该设计中基于ARM和Windows CE 6.0(WINCE 6.0)的BD－2船载定位终端硬件平台采用模块化设计方法，所有部件尽量采用成熟电子元器件.该系统硬件主要由BD－2导航模块、时钟模块、电源管理模块、数据通信接口和PVT(ARM)解算模块等组成.［3］系统硬件结构见图1.

图1 系统硬件结构

BD－2导航模块主要由射频模块、A/D采样模块、基带信号处理模块组成.射频模块分为2个通道，其中一个通道专门将B3频点射频信号变频为中频信号，而另一通道则通过切换方式将B1或者L1频点射频信号变频为中频信号.双通道A/D将模拟中频信号数字化并作为基带信号处理模块信号输入，同时射频模块输出62 MHz参考信号，本地时钟信号作为ADC的转换时钟，并且输入至基带信号处理模块作为信号跟踪基准时钟.基带信号处理模块完成信号的捕获、跟踪、解调，输出原始观测量.PVT(ARM)解算模块主要由极低功耗的ARM9处理器 S3C2440，SDRAM，NAND Flash等硬件构成.PVT(ARM)解算模块完成对基带信号处理模块的控制，并将基带信号处理模块得到的观测量提取出来加以解算，得到解算结果，同时对整个系统的运行进行处理.数据通信接口部分设计CAN总线接口、RS－485接口等，便于与雷达、ECDIS和 AIS等设备互联，实现综合导航.

2 定位解算算法流程

硬件电路BD－2导航模块设计中，基带信号处理模块主要采用的是北京华力创通科技有限公司的HwaNavchip－1北斗GPS多频精密导航基带芯片.该芯片可同时接收BD－2的B3和B1频点信号(本文主要是利用B1频点进行导航定位解算)，输出原始观测量;具有16 bit的并行数据总线接口，32 bit的ARM微处理器S3C2440通过该接口可对HwaNavchip－1进行配置，得到导航电文、集成电路工作状态等信息.通过ARM开发工具ADS(ARM Developer Suit)对ARM进行调试，使其解算用户位置、速度、时间等信息.该设计中采用基于伪距定位的最小二乘算法［4－5］，定位解算算法流程见图 2.

图2 定位解算算法流程

该算法通过伪距计算用户的位置:第1步初始化用户位置作为地球中心;第2步计算用户到卫星的距离及其信号传输时间;第3步根据地球自转效应修正卫星位置，并将卫星位置更新为以用户为中心的坐标系;第4步根据相关参数进行修正;第5步进行迭代运算;最后计算DOP，并将ECEF坐标系转化为CGCS2000坐标系，保存结果.

3 软件开发平台

WINCE 6.0是模块化、可延展、实时性能好、通信功能强大、支持多种CPU的嵌入式操作系统，与Windows系列有较好的兼容性，支持WIN 32 API，便于快速开发产品，具有多线程、多任务等特点.［6］因此，该设计选用WINCE 6.0嵌入式操作系统.设计中软件架构主要包括WINCE 6.0系统的定制、移植和定位应用程序的开发.

建立基本WINCE 6.0系统平台的一般过程是:设置系统平台;建立操作系统镜像;将平台传输到目标设备;调试系统平台.通过Platform Builder应用程序可以方便地设置平台，建立操作系统镜像.定制WINCE 6.0的一般步骤见图3.

图3 定制操作系统的过程

在进行WINCE 6.0定位应用程序设计开发时，开发语言采用的是Visual Studio 2008.开发的应用程序首先在模拟器中进行调试，调试成功之后下载到硬件设备中.实验时给出BD－2卫星的串口输出协议，设计定位导航显示界面程序［7］，目的是查看船舶当前定位信息.

4 主要功能设计

按照船用接收机软件需求分析，主要功能模块见图4.定位功能用于显示当前船舶的位置及时间信息;导航功能为船舶当前的航线进行导航及设定航迹偏差报警;报警功能对不合法操作及遇险报警.

图4 功能模块

5 测试实验及分析

5.1 串口输出协议分析

通过对BD－2串口输出协议的理解，可以更好地提取导航定位信息:$BDGGA，$BDRMC［8］等.以$BDRMC语句为例分析串口输出协议:

协议中:＜1＞为定位时间(UTC)，hhmmss格式;＜2＞为定位状态，A表示有效，V表示无效;＜3＞为纬度，ddmm.mmm格式;＜4＞为纬度方向，N或S;＜5＞为经度，ddmmm.mmmm格式;＜6＞为经度方向，E或 W;＜7＞为速度;＜8＞为速度方向;＜9＞为当前UTC日期，ddmmyy格式;＜10＞为磁偏角;＜11＞为磁偏角方向;＜12＞为定位状态，A表示有效，V表示无效;＜13＞为校验和.

5.2 部分测试实验界面

通过天线采样获得真实的导航定位信息，采样时间为2012年3月14日.以下测试结果只是初步设计要求，目的在于论证方案的可行性.下一步将按照船载定位导航需求，进行相应的应用开发，满足船舶日常航行需求.测试和导航界面见图5.

图5 测试实验界面

5.3 VSN和HDDP

本次测试时间段为2012年3月15日至2012年3月16日，共24 h，采样时间间隔为1 s;地点为上海地区;BD－2和GPS星座使用当天广播星历计算卫星位置;用MATLAB软件对接收到的数据进行分析处理.可见卫星数(Visible Satellite Number，VSN)见图6.

图6 可见卫星数

水平精度因子(Horizontal Dilution of Precision，HDOP)描述的是卫星几何形态对平面定位的影响.［9－10］HDOP 分布见图 7.

图7 HDOP分布

由图6和7归纳出的信息见表1.

6 结束语

主要论证基于BD－2的船载定位终端设计的可行性和可靠性，在系统应用扩展方面未给出具体方案.综上得到:

表1 BD－2与GPS的VSN和HDOP值对照

(1)在ARM和WINCE 6.0基础上设计基于BD－2的船载定位终端的思路可行、方法正确，可推动北斗卫星导航系统在海洋领域的应用，促进海洋经济的发展.

(2)受BD－2卫星在轨数目的客观限制，目前其VSN低于GPS.尽管VSN少，但可以保证我国及少数周边地区的定位导航.

(3)当前阶段BD－2船载定位终端的HDOP保持在1.5～5.4之间，与GPS的HDOP值0.7～2.6相比较大，这是由当前阶段5颗 GEO卫星、4颗MEO卫星及3颗IGSO卫星的几何构型所决定的.根据误差(1σ)=1×RMS值 ×DOP值［8］，此时 RMS值为2 m(统计值)，则误差(1σ)的范围在3.0～10.8 m.

(4)本设计在电子器件选择、定位算法、导航软件界面丰富和软件扩展方面仍有不足之处，有待进一步提高.

［1］李晶，刘建，卢红洋.基于北斗卫星导航系统的船舶监控中心的设计与实现［J］.数字通信世界，2011(S1):68－71.

［2］胡刚，马昕，范秋燕.北斗卫星系统在海洋渔业上的应用［J］.渔业现代化，2010，37(1):60－62.

［3］应士君，邹绪平，刘卫，等.基于北斗二代系统的船用导航仪硬件设计及关键算法研究［J］.科学技术与工程，2012，12(9):223.

［4］彭丛林.北斗导航系统定位算法仿真研究［D］.成都:西南交通大学，2009.

［5］武英洁.船用北斗/GPS联合导航终端的研究［D］.大连:大连海事大学，2010.

［6］华清远见嵌入式培训中心.Windows CE嵌入式开发标准教程［M］.北京:人民邮电出版社，2010:5－8.

［7］汪兵.Windows CE嵌入式高级编程及其实例详解［M］.北京:中国水利水电出版社，2008:360－377.

［8］王艳军，王晓峰.AIS和北斗终端组合在船舶动态监控中的应用［J］.上海海事大学学报，2011，32(4):17－21.

［9］让－马利 佐格.GPS卫星导航基础［M］.北京:航空工业出版社，2011:80－81.

［10］杨元喜，李金龙，徐君毅，等.中国北斗卫星导航系统对全球PNT用户的贡献［J］.科学通报，2011，56(21):1734－1740.