便携式卫星图像接收终端的研究

邓珍珠，刘鹏，王晓曼

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；

2.长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022）

便携式卫星图像接收终端的研究

邓珍珠1，刘鹏2，王晓曼1

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；

2.长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022）

随着经济技术的发展，现代战争是信息化与电子化的时代，军用手持终端日益受到军方的重视。根据手持终端接收卫星图像的高效性，提出了士兵在野外作战利用“北斗”定位系统获取当前三维信息，并且通过数传电台将三维信息发送回指挥中心同时通过指挥中心获取当前位置的卫星图像，从而准确获取当前作战地理形势。提出利用ARM+Linux架构，设计一款用于接收卫星图像的手持终端。其中基于S5PV210处理器和BDS定位模块为便携式卫星图像接收终端的核心。实现具有图像预览、无线数据传输和BDS定位等特点的硬件平台。

S5PV210；接收终端；BDS；嵌入式

世界新军事正在不断变革，同时现代信息化、电子化的程度也在逐步提高，目前来看，嵌入式系统的研究是国际军事上普遍的侧重点，数字化协同作战已经是未来军事发展的主要路线将代替传统的作战方式［1］。随着科技的发展，现代数字化协同作战系统发展成为由指挥、控制、通信、计算机等组成的多元化技术结构。该系统将最前沿的技术综合在一起，采用卫星通信等技术对语音及图像等多种信息编码，通过信息的高速传递，将战场中各个部门连接在一起。数字化系统的优势是充分的利用了网络信息技术，能够及时掌握作战情况，提高了各部门的工作效率并提高了作战能力。现存军用手持终端大多都有离线地图功能，士兵在野外作战，利用离线地图可以清楚的知道各个区域的地形，对于士兵前期侦查和整个作战部署都具有重要意义。但是现有离线地图存在一个缺陷，由于手持终端士兵是在野外使用，大多情况由于地理位置等原因不能直接联网获取信息，都是将地图信息打包以后存入终端设备，使用时直接调取资料。现有地图的精确度最高也只有10米左右，所以不能获取更加精确的地理位置信息，同时离线存储资料可能长时间不能及时更新会存在数据错误。那么如果士兵想要获取更加精确的位置信息离线地图是做不到的。

本文将嵌入式软硬件技术和BDS定位系统相结合，设计一款用于接收卫星图像的手持终端，可完成士兵在野外通过BDS定位系统获取自己的三维信息发送回指挥中心，指挥中心通过所获得的三维信息将当前地区卫星图像转发回给手持终端。士兵从而可以获得最为精确的地理位置信息。

1 硬件设计

卫星图像手持终端由电源管理模块、人机交互模块、数据存储模块、BDS定位模块和数传电台模块组成，如图1所示。人机交互模块主要由S5PV210处理器和人机交互接口模块组成。人机交互模块主要由LCD显示屏和TFT触摸屏构成，主要负责人机交互、卫星图像和BDS定位三维信息显示的功能。数据存储模块主要有SDRAM、Flash和SD卡模块，SDRAM主要存储执行程序以及产生的代码等，SDRAM掉电后，数据会丢失，但是SDRAM的执行速度比NOR Flash执行速度快一些。所以会把存储在Flash中的程序复制到SDRAM中去执行。此外，在程序启动第一阶段引导代码是在Flash中执行，主要完成硬件初始化的同时将内核映像和根文件系统拷贝到SDRAM中。第二阶段将跳转到SDRAM中去执行，本阶段主要完成初始化系统、设备驱动等，同时挂载根文件系统。SD卡主要用于所接收卫星图像的存储。数传电台的主要作用是用于远距离传输，将三维信息发送给指挥中心同时接收指挥中心的卫星图像。

便携式卫星图像接收终端工作原理：当S5PV210处理器启动以后，BDS定位模块会自动搜索并接收卫星数据，从而获取当前的经纬度以及高度信息。通过触摸屏将解析的三维信息通过数传电台发送给指挥中心，指挥中心将相应卫星图像通过数传电台发送回给手持终端，SD卡对图像进行存储的同时利用触摸屏进行卫星图像的显示。

1.1 S5PV210处理器

S5PV210处理器是韩国SAMSUNG公司所生产的16/32位的RISC微处理器，是为移动通信终端所设计的，有着低成本、低功耗、高性能等特点。由于高端通信服务要求必须有高存储器带宽，所以S5PV210还配备了优化后的外部存储器接口以供使用，存储器系统有两个外部存储器接口：DRAM和Flash/ROM接口，可以支持外接NANA-Flash和SDRAM存储系统代码和运行代码。

1.2 电源管理模块

军用PDA大多用于野外等环境较为恶劣的地方，那么就存在一个重要的问题，电池的续航能力。为了解决这一问题，提出了两种具体方案，第一、采用容量较大的电池，第二、采用电源管理芯片担负起对电能的转换、分配、检测及其他电能管理的职责，高效节能［2］。电池采用103450-2P/3800mAh/3.7V的先进锂电池。对于电源管理芯片的选择主要从低成本、高性能、集成度高、抗干扰能力强等方面进行选择，最终选取TPS70348芯片。电源管理总体方案如图2所示。

图2 电源管理方案

TPS70348支持锂离子电池充电。它是一个集成的电池管理模块，当有USB或者直流电源接入时，TPS70348就会充电。考虑到USB充电与锂电池供电之间的冲突，选择使用正向导通的肖特基二极管IN5819，当USB充电时，二极管D2将处于截止状态；而USB不充电时，二极管D1不会对USB产生影响，锂电池开始对系统供电，如图3所示。

图3 锂电池供电示意图

1.3 BDS模块设计

卫星定位系统是手持终端不可缺少的功能，本文结合和芯星通UM220“北斗”定位模块实现这一功能。“北斗”卫星导航系统（BDCMSS）是我国自主研究、投入建设、由我国独自可靠运作的全球性的导航卫星系统［3］。UM220模块所接收数据与S5PV210处理器之间不能直接进行数据传递，需要通过串口方式进行同讯，设计框图如图4所示。

图4 北斗设计框图

手持终端打开后，UM220模块会自动搜索卫星信号并接收相应卫星数据，串口协议使用NMEA0183协议，传输出一串符合NMEA0183协议的ASCII码字符流。解析字符流，就可以获得实时的“北斗”导航卫星数据。在解析字符流时，主要注意两个格式协议，即：BDRMC和BDGGA，它们分别存储了地理信息的经纬度，高度等信息数据。在NMEA0183协议中，对于所接受数据的解析存在优先级区别。在信息处理流程中，按字符次序依次处理，需要注意BDRMC协议中，接收状态为A时为有效数据，如果为V则为无效。如果BDRMC接收状态的数据为无效，则其他类型格式协议也都为无效。所以协议必须先处理BDRMC格式协议，判断数据是否有效然后再处理BDGGA格式协议。NMEA0183信息流处理流程如图5所示。

图5 BDS数据信息解析流程

1.4 数传电台的选取

传统的通信方式有无线通信和有线通信。利用导线传输信息的通信方式称为有线通信［4］，将声音、文字、数据和图像等信息通过无线电波传输的方式称为无线通信。便携式卫星图像手持接收终端主要用于野外等作战环境，选择无线数传电台通信。它可以在比如专网等特定条件下，实现监控信号的实时可靠传输，并且具有低成本、安置维护便捷、灵活组建、覆盖范围远等特点，非常适合地域分散，条件复杂多变的情况下使用。

2 手持终端软件设计

手持终端软件设计主要有两个部分：嵌入式操作系统及应用层程序。

pSOS、VxWorks、Windows CE和Linux等是当前主流的操作系统［5］，本课题采用具有支持多用户、多进程、多线程、实时性强并且系统稳定的开源Linux操作系统。Linux因为其独特的特性，在手持终端设备领域中已经流行很久，可以根据不同的硬件设备与需求对系统进行有效的裁剪，从而得到合适的操作系统。本次系统需要开发一个高可靠性、体积小、移植方便、裁剪性强的嵌入式操作系统，Linux操作系统无疑是最合适不过的选择。Linux系统移植之前有一个引导代码Bootloader的移植，UBoot是Bootloader启动代码比较通用的一种，已经成功移植到Power PC、ARM、X86、MIPS体系结构的开发板中，所以，本文选择SAMSUNG公司提供的U-Boot1.3.4进行移植，图6为Bootloader移植成功提示界面。Linux内核移植指的是对Linux内核源代码进行裁剪和配置，使其控制卫星图像接收终端的核心处理器结构和其他外围设备，本设计选用Linux 3.8.3进行内核裁剪、移植操作，进行内核源代码的编译、制作成二进制文件，最后下载到手持终端上，图7为kernel移植成功提示界面。Linux的核心部分是内核，但用户和操作系统交互主要依赖的方式却是文件系统，文件系统主要用于存储数据文件、内核代码的映像文件保存。系统内核初始启动时必须要挂载根文件系统，否则内核无法启动，所以Linux系统必须有文件系统的存在，本文选取Busy⁃Box-1.21.1进行文件系统移植。根据硬件平台的要求，本系统需要开发的硬件平台驱动程序有：USB驱动模块、LCD驱动、BDS驱动程序等。

图6 Bootloader移植成功提示

图7 kernel移植成功提示

图8 Qt/Embedded图形界面系统开发流程

对于应用层软件开发工具使用的是Qt/Em⁃bedded，Qt/Embedded是一个完整的包含GUI和基于Linux的嵌入式平台开发工具。主要用于对GUI和非GUI程序的开发。Qt/Embedded可以不依赖与X Window而直接在底层操作framebuffer，图8所示为Qt/Embedded图形界面系统开发流程。

3 仿真结果

利用Qt/Embedded图形界面设计手持终端的图形化界面，从界面我们可以获取由BDS定位系统所提取的当前位置经纬度信息，同时可以显示发送信息与接收卫星图像时间。图9为手持终端主界面。

图9 手持终端显示界面

4 结论

本文提出了士兵野外作战可以实时获取卫星图像，从而得到高分辨率的地理位置地图，其中基于S5PV210处理器和BDS定位模块为便携式卫星图像接收终端的核心。该便携式终端的设计为未来战争士兵作战获取分辨率更高、更加精确、实时性更强的地理位置信息提供一个有效方案。该设计具有便于携带、实时性强等特点。

［1]郭泓宇.单兵作战手持终端设备的设计［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2010.

［2]莫智.基于ARM嵌入式系统多传感器手持终端的设计与实现［D］.南京：南京理工大学，2006.

［3]钱成越，薛原.基于北斗导航系统的移动导航定位终端设计［J］.现代计算机，2010，32（6）：165-167.

［4]王士强，侯妍.卫星通信技术研究及未来发展趋势［J］.通信与信息技术，2009，28（17）：39-46.

［5]苏丽华，赵可萍，崔胡.基于嵌入式ARM-Linux的GPS智能终端设计［J］.计算机应用与技术，2009，45（12）：25-27.

Research on the Portable Satellite Image Receiving Terminal

DENG Zhenzhu1，LIU Peng2，WANG Xiaoman2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Fundammontal Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

With the development of economy and technology，modern warfare has arrived the era of information and electronic technology，more and more attention to military handheld terminal has been received from the military.According to the efficiency of the handheld terminal receiving the satellite image，the soldiers in combat with the"Big Dipper"positioning system is put for⁃ward to obtain the current three-dimensional information，and transmit 3D information back to the command center through the radio satellite image and get the current position through the command center，so as to obtain the current operational Geographic situation.Using ARM+Linux architecture，a hand-held terminal for receiving satellite images is designed，which based on S5PV210 processor and BDS positioning module for portable satellite image receiving terminal core.The image preview，wire⁃less data transmission and BDS positioning，such as the characteristics of the hardware platform are realized.

S5PV210；receiving terminal；BDS；embedded

TN92

A

1672-9870（2017）02-0086-04

2016-11-02

某基地靶场测试项目（KYC-XZ-XM-2016-013）

邓珍珠（1992-），女，硕士研究生，E-mail：1078989249@qq.com

王晓曼（1956-），女，教授，博士生导师，E-mail：wmftys@126.com