一种多系统兼容导航接收机的实现

王康，李欣

（哈尔滨理工大学 黑龙江 哈尔滨 150076）

随着我国北斗卫星导航系统的建立，我国卫星导航事业面临着巨大变化[1-2]，传统GPS导航系统其高精度、全天候、多功能、操作简单、应用广泛将受到剧烈的冲击，北斗卫星导航系统除了能够提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，还保留了北斗卫星导航试验系统的短报文通信、差分服务和完好性服务特色其开放性的服务将为大众提供高可靠性的定位、测速和受时服务，定位精度10 m，测速精度0.2 m/s，授时精度10 ns；授权服务面向专业用户提供更高精度的定位、测速、授时、短报文通信、差分服务以及系统完好性信息服务。针对目前GPS导航系统仍旧占据主流市场的状态，而北斗系统又面临重大发展机遇的情况，文中提出解决多导航系统兼容性接收机的解决方案，而其关键在于兼容性导航芯片的选择，文中以北京东方联星科技有限公司出产的OTrack-32多系统兼容卫星导航芯片为例，提出一种同时可以接受北斗二号、GPS、GLONASS卫星信号，显示多系统联合导航精度定位、测速和授时。OTrack-32作为国内首款成熟的多系统兼容高性能卫星导航芯片，采用高速信号处理引擎技术，满足高性能应用各项指标，并且配以控制芯片，搭配相关显示及控制电路，从而实现多平台系统兼容的导航接收机。

1 整体分析

多系统兼容导航接收机的设计主要在于硬件部分兼容导航芯片的选择和软件部分系统兼容性设计。针对当前导航接收机的主流市场，仍然采用嵌入式处理器，并且搭配以操作系统，实现各种智能控制和良好的用户界面[3]。

嵌入式系统包含了硬件和软件2个方面，其中硬件主要由嵌入式处理器、存储器、I/O端口以及相关外围器件和电路组成，软件部分主要由嵌入式操作系统及相应的应用软件系统组成。 应用程序（包括某些第3方软件包）控制着整个系统的运作和行为；而操作系统对各个任务（应用程序）进行调度，协调各个任务同步地对硬件进行控制，实现软硬件结合，达到预定的各项功能。

文中以嵌入式平台STM-32为平台，搭配前端多系统兼容性导航OTrack-32，用于控制提取相关卫星导航信息，监测GPS和北斗二号导航卫星信号，对2个系统的卫星信号分别进行检测、识别、处理、比较并进行相关数据处理实现多系统卫星导航的关键处理。而通过嵌入式处理器，配以操作系统，对前方采集到的信号进行对比和运算，完成用户和系统的交互式处理，并由LCD显示到当前屏幕中给予导航的相关指导信息，从而实现一种多功能兼容性导航接收机。

2 总体设计

多系统兼容维系导航机主要考虑整个系统的兼容问题，选择相关接收都系统导航卫星的芯片[3]，通过传统接收机的实现，在软件上再进行相关处理。

在本系统中主要采用国产导航芯片OTrack-32多系统导航芯片实现的接收多颗卫星系统，由于此芯片对北斗和GPS信号能进行高效的信号处理，配以高效嵌入式处理平台及LCD显示模块和无线通信模块实现接收机现场显示和无线数据的收发。系统的整体原理硬件设计框图如图1所示。

图1 整体硬件系统框图Fig.1 Block diagram of hardware system

3 系统硬件设计

联星公司OTrack-32多系统兼容卫星导航芯片，采用Host-Base架构设计，可根据需要，配合不同性能的CPU组成适应多种载体应用的接收机。OTrack-32可兼容支持ARM、MIPS等多种处理器类型，支持高达4路的RF信号输入，目前可兼容接收北斗二号/GPS/GLONASS信号，未来可扩展支持Galileo信号。OTrack-32芯片采用了一种新的基于匹配滤波器的捕获结构，该结构在功耗和面积方面明显优于传统结构，能够同时对多颗卫星信号进行快速捕获。OTrack-32芯片的跟踪模块具有32个独立的跟踪通道，能够分别对BD2、GPS或LONASS进行稳定跟踪，通道之间完全独立，互不影响，具有很好的灵活性，在不同的应用背景下可以通过不同的参数配置来实现不同的跟踪策略，从而保证即便在弱信号的情况下依然稳定的跟踪。

联星公司基于OTrack-32的优异性能[3]，配合在卫星导航领域的深厚积淀，突破了一批关键技术，形成了成熟、系统的高性能卫星导航接收机设计方案，可适应具有不同运动特性的各类载体的应用要求。基于OTrack-32芯片的多模接收机设计应用解决方案具有较好的接口适应性，可灵活接驳外部存储、通信、显示等接口，可经简单集成形成多种卫星导航应用终端。

OTrack-32应用电路如图2所示。

图2 OTrack-32应用配置电路Fig.2 OTrack-32 application configuration circuit

3.1 电平转换电路

由于多系统导航芯片接收并处理相关导航卫星信号[4]，将处理结果要传送到相关微处理器进行相关运算和实现交互通信，因此从硬件上实现芯片通信引脚间的电平转换。

图3为通信电平转换的工作原理图。

首先，通过数据传送引脚TXD将串行数据通过TTL电平传送到专用电平转换芯片SP3232接收端RXD引脚上，通过相关内部转换电路实现TTL电平到RS232电平间的转换，再由其输出端引脚将其电平转换为232输出到串口平台。

图3 电平转换工作原理图Fig.3 Level conversion working principle diagram

3.2 LCD显示电路

实时显示控制领域中，实现数据的显示是非常重要的，用户对实时数据的要求和智能性的要求，一般采用LCD12864显示屏通过平行总线方式实时显示，由于IO口存余量较大因此，并行IO可以通过相关实现采用总线控制方式实时显示，相比较串行实现方式，并行显示方式能够对大规模、高速率的数据快速显示而不影响其通信速度，而串行显示，往往需要在软件中考虑实时和通信速率的因素其优势正逐渐减少。

3.3 无线数据传输电路

STM32-110作为一种32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器。普遍应用于工业控制[5]、消费类电子产品、通信系统、无线系统等产品，内部集成了DMA控制器。本文采用嵌入式主板ARM自带的DMA控制器，实现数据的传输，控制芯片GPRS通信芯片，对于那些需要将远程数据通过已经有的3G网络发送到网路中去，实现网络化功能[6]，对于一个智能化的产品更加具有通用性。

4 系统软件设计

本文的软件设计主要是与系统相关的任务设计以及输入输出显示任务设计，包括GPS导航任务、数据传输任务、图形显示任务和键盘动作处理任务。系统的整体软件设计流程如图4所示。

对输入的导航数据首先进行预处理，使输入数据进行内部处理包括采样、滤波、运算、分析，而后进行两个导航系统相互兼容性数据的处理功能。数据的处理功能是将采集到的数据转换为电压数据后一方面用于显示，另一方面用于发送到无线网络，为了防止过多占用平台内存，选择将数据写入到文件保存方式，保存到ARMSTM32自带的NAND Flash中。从而实现导航数据的显示和处理。

5 结 论

图4 整体软件设计流程图Fig.4 The whole software design flow chart

文中采用片内集成了大量外设的嵌入式系统设计了多系统导航接收机的电路，该硬件设计包含了导航电路、电平转换电路、LCD显示电路、无线数据收发、电源电路、复位电路等硬件电路，因此是一种成本的设计方案。

由于OTrack-32集成芯片具有多导航系统的兼容信号处理能力并且实时嵌入式处理器和操作系统的高效性，使得该导航系统具有性能高、扩展性能好、兼容性能好等优势。

[1]杨希锐.车辆定位与导航系统Vehicle location and navigation system[J].汽车与配件，2010，9（5）：26-27.

YANG Xi-rui.Vehicle location and navigation system[J].Automotive&Electronics，2010，9（5）：26-27.

[2]曹颖鹏.基于嵌入式Linux驱动程序的研究与设计 [D].西安：西安电子科技大学，2010.

[3]付超，郭松龄.基于GPS的低成本车载导航设备的研究和实现[J].计算机应用技术，2007，14（2）：249-251.

FU Chao，GUO Song-ling.GPS based low cost vehicle navigation equipmentresearch and implementation[J].Computer Application Technology，2007，14（2）：349-251.

[4]王黎明，陈双桥.ARM9嵌入式开发系统与实践[M].南京：江南大学，2008.

[5]王黎明，陈双桥，李东明，等.基于ARM的多路高速数据采集系统设计[J].电子测量技术，2007，30（12）：66-69.

WANG Li-ming，CHEN Shuang-qiao，LI Dong-ming，et al.Design for multi-channel high speed data acquisition system basedon Labwindows/CVI[J].ElectronicMeasurement Technology，2007，30（12）：66-69.

[6]关萍萍，翟正军，姜红梅，等.基于GPS测控系统通用报表的设计与实现[J].计算机工程与设计， 2010，31（1）：196-198.

GUAN Ping-ping，ZHAI Zheng-jun，JIANG Hong-mei，et al.Design and implementation of universal control system report based on GPS[J].Computer Engineering and Design，2010，31（1）：196-198.