基于北斗II/GPS车载定位终端的研究与实现

凌涛

摘要：为了减少车辆对于单一导航系统的依赖性，对北斗/GPS组成的双模导航系统进行了研究。主要做了以下工作：首先，是根据双模导航终端的需求建立了嵌入式硬件和软件平台。硬件平台包括对系统中各模块的连接与系统的搭建，通过了解接收模块的电气特性进行相应设计，实现硬件电路部分的搭建。软件平台里搭建Android开发环境；二是通过研究分析北斗二号和GPS的数据传输协议以及.Android系统的串口通信技术，针对北斗/GPS双模模块数据传输特点，完成数据的接收与解析模块的设计、实现。提出的设计方案和解决方案均已得到实验验证，该系统的研制有助于很好地推动我国北斗导航的民用化。

关键词：北斗；GPS；双模导航；Android

国内城镇化进程加快，城镇道路建设日新月异，机动车数量增幅明显，为及时掌握路况信息，缓解交通拥挤压力以及解决各国汽车高速发展带来的诸多问题，车载导航系统已成为了首要方案。卫星技术实现导航则是目前世界上广泛采用的车载导航技术。卫星导航系统由于拥有其独特的使用价值，可以为用户提供定位、导航和授时服务，且精度高，受自然条件影响小等特点，被世界各国广泛应用于军民领域。目前世界上较为著名的是美国的GPS、欧盟的Galileo及俄罗斯的Glonass。我国虽然起步较晚，但发展迅速，北斗二代作为我国自主研发的卫星导航系统，经过最近几年发展已经逐渐成熟。北斗二代定位原理与GPS等一样，均采用了单向测距三维导航。目前北斗导航系统也分为民用和军用两种版本。民用版本精度是10米，军用版本精度是5-6米，测速精度是0.2m/s，授时精度50ns。

目前国内市场上的导航系统大多为单一定位模式，本文设计的是一种可以同时接收两种卫星导航系统的信号，通过将两种信号组合进行定位，从而减少对单一导航系统的依赖性。

1定位系统的总体设计

1.1系统设计方案

本文设计思路是利用Android系统在Cortex-A8微处理器平台上开发，集成车载导航系统所需的各功能模块，并编写配套的硬件驱动，利用北斗/GPS双模导航模块接收定位数据，通过串口接口把定位数据传递到系统内部，在系统内部将处理过的数据通过终端实现定位功能。可以减少单星导航情况下可能会出现的信号衰减等情况。图1为硬件平台框图。

1.2硬件模块

本文设计的车载导航定位系统采用三星公司的S5PV210芯片作为主处理器，这是一款基于Cortex-A8处理器，运行主频1GHz，拥有512M DDR2 SDRAM及1GB SLC NAND Flash。外接7英寸的显示屏，便于人工操作。北斗/GPS双模导航模块采用了和芯星通科技（北京）有限公司的UM220芯片，通过RS-232接口与系统相连。该UM220芯片具有集成度高，功耗低，价格低等特点，比较适合现阶段应用在导航系统中。

2软件设计流程

随着Android系统的普及化，现在大部分人对该系统都操作熟练，本文所设计系统也定位在Android系统之上，便于操作，亦方便日后对系统进行完善增加其他功能。所以该系统首先搭建Android开发平台，然后在平台内对数据进行相应的解析处理。数据的处理是按照信号的接收一处理的这一流程来进行整体设计的。

2.1Android开发环境的搭建

由于嵌入式系统是针对具体应用，嵌入式设备资源不足以支撑软件开发的资源，所以需要用到交叉开发模式。所以需要安装交叉编译器，在此基础知识之上再制作根文件系统和An-droid应用环境搭建。环境搭建好以后就可以对Android源码进行相应的编译并对开发环境进行搭建。搭建好以后即可以对整个系统进行软件实现。

2.2北斗/GPS模块

本文选用的北斗/GPS接收模块也是遵循着NMEA-0183v3.0制造的，只是为了北斗信号的接收，增加了一些北斗二号协议。由美国国家海洋电子协会（National Marine ElectronicsAssociation）为海用电子设备制定的NEMA-0183协议，目前已经成为了GPS导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commis-sion for Maritime services）标准协议。

该协议采用ASCII码，帧格式形如：Saaccc，fff，fff…，fff*hh

由于NEMA-0183协议里的数据帧，大致划分起来就是帧头、数据及帧尾三大部分，故我们在进行数据处理时，一般可以通过帧头先行进行判断。

2.3定位系统移植

由于北斗/GPS双模系统的工作原理与Android源码提供的GPS模拟器定位模式基本一致，所以我们参考Android的源码来对北斗/GPS接收模块进行移植工作。

在这里，所要解决的是Android的驱動部分与HAL（硬件抽象层）两个部分的源码进行修改。由于这里采用的北斗/GPS接收模块是采用串口通信，而Android源码内本身也提供了串口驱动，所以这个部分无需做过多修改，只要使串口通信模式与北斗/GPS接收模块保持一致即可。然而对于HAL层的实现则比较繁琐，这也是Android系统自身的特点所在。

2.4北斗/GPS实现

系统中所用的双模信号接收模块，其自身是输出NEMA数据，接口实现较易，直接将其与串口对接，系统即可直接处理数据。在Android系统中，串口的对接，通常是直接设置串口，本系统当中将串口设置为/dev/serial3。

Android系统中的HAL层，主要包括对串口设备的初始化，接收到的卫星数据大都在此处进行解析等工作。由于Android系统中默认是GPS，而系统增加了对北斗信号的处理，所以在这里要进行一些修改，使Android也能解析北斗信号。

接下來是建gps.c

这里首先是需要初始化，然后对接收到NEMA数据，采用“获取一解析一上报”的解析方式。在GpsInterface.init的实现中，完成对北斗/GPS接收模块的初始化。接下来打开接收模块，系统确认模块以及正常工作。初始化工作完成后，通常会启动一个polling线程，用来循环监听接收模块上状态的变化，判断是否发送控制命令或是产生了NEMA的数据信息。Gpsln-terrace里的开始和停止命令此时将控制这个线程的进行与停止。如果接收模块产生了NEMA数据后，立即对数据进行解析，然后把数据存放到GpsLocation中，将解析过后的数据通过GpsCallbacks上报给上层应用。

北斗/GPS接收模块采用的是NMEA-0813标准，接收到的“GNGGA”、“GNGLL”、“GNGSA”、“GPGSV”、“BDGSV”、“GN-RMC”这几种语句内，真正用到的是GNRMC。“GPGSV”、“BDGSV”是可视卫星数量，如若进行单独导航时，则也相对关键。所以在这里，将重点对这三组数据进行解析。

首先是对“GPGSV”、“BDGSV”这两组解析。下面给出关键部分代码。

3系统测试运行

为验证本文导航系统数据处理的正确性和有效性，这里采用串口工具，将其采集到的双模导航的数据显示出来，以便观察和分析数据。图2展示了系统接收到的双模数据信息。

图3是双模导航系统进行工作所得到的经纬度。在实验中测得的坐标为，纬度：北纬31，5328056，经度：东经117.1833574，与实际坐标基本相符。通过以上测试表面，双模导航数据处理程序能够正常运行，准确接收并且解析北斗/GPS所获得的导航数据，且数据完整。

另外对系统进行三种模式定位所需时间进行了粗略记录。如表1所示。

4测试结果分析

通过上述测试，该终端基本可以达到预定的设计要求，系统实现了两种卫星定位信号的收能力。终端使用电子地图的情况下，初步达到了车载导航定位系统所应有的基本功能。

在本次测试中，由于导航终端所处位置建筑密度较大，受周边建筑影响。定位时，仅有两颗北斗二号卫星（如图4所示），但由于同时有至少4颗的GPS卫星存在，所以依然未影响定位，且定位较为准确。由此可以看出双模导航的优越性，以往单模卫星定位时，在受外部环境的影响下会由于定位卫星数量不足，而导致无法定位。在本系统里，恰恰由于是采用了双模定位，可见双模导航系统可以大大减少空间的“盲区”，增加了车载导航的实用性与便捷性。等到北斗二号在2020年正式投人使用时，将显著提高当前导航终端的定位精度和实用性。

本文研究的定位终端系统的实验结果达到设计预期。通过提取北斗/GPS双模导航模块接收到的卫星数据进行解析，得以实现具有双重卫星接收状态的车载导航终端。特别是在GPS搜星效果不佳的情况下，加入了北斗信号后，大大提高了定位速度，从而保证了用户在使用该终端时，可以在任何时间、空间都可以接收到卫星定位服务，使用户行车得到最大的保障。