高精度定位数据移动采集系统设计

罗磊，陶庭叶，贺祎侃，方嘉浩，赵琳钰

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

北斗导航系统是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，现正从亚太地区的区域化服务逐步走向全球性导航服务。在国内，随着北斗导航系统部署逐步完善，北斗软硬件应用市场进一步扩大，北斗导航系统将向开放化、自主化、通用化和网络化方向发展[1]，智能北斗终端的研究将逐步成为热点[2]。

随着安卓移动端的广泛使用，安卓系统已经占有移动终端的大部分市场份额，其具有的开放性使移动端在安装相应的APP后便可以实现各种功能的扩展。安卓系统基于个性化的设置以及开放化的应用开发环境，在未来移动市场中将会获得较为长远的发展[3]。

现在国内对北斗应用的研究不断与我们的生活贴近，有研究设计定位追踪系统为老人和儿童等弱势群体提供保护[4]；有研究提出将北斗应用于可穿戴设备[5]；有研究提出基于WiFi的北斗通讯网关及通讯系统[8]等。为实现数据的远程监控记录，本文基于安卓，设计并实现了一套具有蓝牙、WiFi、GPRS多种数据传输方式的北斗导航定位软硬件系统。

2 系统介绍

2.1 总体设计

系统主要分为硬件模块、服务器和移动控制端三部分。移动控制端使用安卓手机进行操控，摆脱了专用PDA的限制，携带更便捷，使用更方便。通讯部分采用蓝牙、WiFi、4G网络等无线通讯，实现不同距离的实时无线通讯、监控、记录。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总框架

2.2 硬件设计

硬件系统框架如图2所示，由北斗接收器、蓝牙、WiFi、GPRS、电源模块等组成。北斗模块负责接收、调解和处理卫星发来的定位信息，通过Bluetooth、WiFi、GPRS等三种通讯进行数据传输。硬件自主设计制作，实现了卫星接收机基本功能，拓展传统仪器的通讯方式，如图3所示。

图2 硬件系统框架

图3 硬件实体图

(1)北斗模块

北斗接收器采用北天BD/GPS双模的BN-280模块，芯片为u-blox U8，输出数据格式遵循NMEA-0183协议。北斗模块多频段接收数据，通过使用BD/GPS双模提高定位精度[6]。水平定位精度优于 2 m。该模块集北斗天线与处理模块于一体，具有体积小，功耗低、支持热启动等特点。

(2)数据发送模块

数据发送模块，通过蓝牙、WiFi、GPRS等方式将北斗模块的定位数据实时发送，同时也可以接收外部指令来控制北斗硬件的工作方式。蓝牙模块使用HC05，实现短距离(10 m)无线通讯，蓝牙通讯方式稳定，传输效率高。WiFi采用USR-WiFi232-T模块，实现短中距离(100 m以内)通讯，也可以通过无线路由上传服务器。基于WiFi的北斗导航具有很高的应用价值和广阔的应用前景[7～9]。GPRS模块采用USR-GPRS232-7S3嵌入式GPRS模块，具有4G数据透传、短信透传、基站定位等多种功能。GPRS模块配合后台服务器实现远距离云端监控，使数据监控不受距离限制。

2.3 服务器端设计

(1)功能设计

系统使用4G网络进行数据通讯时，需要使用服务器作为数据中转，调控数据流向，进行数据监控。本系统以Socket通讯为基础，实现多用户登录、通讯通道搭建、数据存储等功能。移动控制端与仪器通过服务器可以实现一对一、一对多、多对一等多种通讯。

(2)内网透传

当通过自动拨号或联接路由器等常用方式上网时，IP地址不固定。而服务器需要使用固定IP进行长时间在线服务。针对此问题，本系统使用花生壳软件，它具有内网与公网双向透传，自动IP保持，端口映射等功能。该软件可以实现对外域名和端口固定，且与内网动态IP实时跟踪透传，从而实现我们的功能需求。

图4 服务器软件

2.4 安卓移动端设计

本系统监控控制软件基于安卓系统开发，用户可直接使用自己的安卓移动设备(手机、平板等)进行监控，避免了传统测绘仪器需要购买专用PDA的弊端。并且可以根据不同应用场景需求，进行软件程序开发，使系统具有较强的可拓展性。

移动控制软件分为：基础模块，民用模块和工程应用模块三部分。基础模块分为数据通讯、数据处理、数据管理和存储等功能，实现基础的数据管理。民用模块利用百度地图API进行地图显示、路径规划等应用，满足日常场景需求。工程应用模块主要面向一般精度测量工作，分为工程管理、单点采集、差分放样、数据管理等模块，解决一些测量仪器高端低用的现状。框架模型如图5所示。

图5 Android移动端软件框架

(1)数据通讯

数据通讯模块是整个软件的基石，用于传输基础定位数据。数据通讯分为三种方式：蓝牙通讯、WiFi通讯和GPRS通讯。两台设备建立蓝牙通讯，必须满足服务器端和客户端的机制。服务器端打开Server Socket，客户端发起链接请求，当两端在同一个RFCOMM信道上时，才可建立通讯通道，每个设备可获得一个输入输出流进行数据传输。WiFi通讯有两种工作模式：AP和STA。AP模式即无线接入点，做无线网络的中心节点。STA模式即无线站点，是一个无线网络的终端。GPRS通讯需要服务器的域名(或IP)和端口，进行通讯连接。以上三种方式同是基于Socket进行通讯，Android系统提供丰富的接口函数，使用比较方便。

在进行差分定位时，一般采用GPRS通讯方式。通过服务器，将移动控制端与仪器建立一对一或一对多的多种通讯通道，将定位信息进行仪器编码标识，标定不同仪器定位数据。在移动控制端通过数据解码解析区分不同仪器，设定基准站和流动站，进而进行差分定位。

(2)数据处理

数据通讯获取的定位数据遵循NMEA-0183格式，是导航设备统一的RTCM标准协议。其采用ASCII编码，语句标识符有BD(北斗)、GP(GPS)、GN(GNSS)等，输出语句的格式符有定位信息(GGA)、PRN数据(GSA)、卫星状态信息(GSV)、速度信息(VTG)、坐标信息(GLL)、运输定位数据(RMC)等多种信息，以满足不同场景需求[10]。

许多有关测量工程实践中，经常要用到各种坐标系转换，坐标系转换匹配是测量工作进行的前提。本系统中设计实现了同一椭球下大地经纬度和空间直角坐标系的相互转换，不同椭球下大地经纬度之间的相互转换以及常用的投影算法——高斯正反算。系统使用的椭球包含了4种常用的椭球，克拉索夫斯基椭球、1975国际椭球、WGS84椭球、CGCS2000椭球。同时，程序设计具有较强的可拓展性，可以很方便地加入新椭球，满足不同工程应用的需求。

(3)地图显示

本文采用百度地图的在线地图作为基础底图，并使用百度地图API接口，进行导航、路径规划等功能应用实现，满足日常生活需求。使用百度地图进行开发，首先在百度地图API网站申请密钥(KEY)，并下载相应的SDK导入到应用中，然后在应用中进行配置相关密钥，进行权限申请等工作。

3 结 语

本文设计并实现了一种基于安卓的北斗导航定位系统，辅以蓝牙、WiFi、GPRS等多种通讯方式，实现实时监控的功能，使得定位与监控摆脱了空间的束缚。在硬件上，本系统使用的安卓移动端设备进行监控，提供了更加灵活的测量手段，具有成本低、实用性强、便携等优点。经测试，本系统可以精确定位，实时监控，各项性能表现良好，可以广泛应用于民用导航定位和一般精度的测量工作。在未来的研究中，将研究利用高精度定位硬件与本系统硬件相连接，使本系统也可以进行高精度的远程监控测量工作。

[1] 陈洪卿. 北斗系统与中国PNT应用平台[J]. 电子测量与仪器学报，2010，24(12)：1075～1078.

[2] 路振民，缪峰，符庆森等. 基于AM335X和Android的北斗二代接收机设计[J]. 国外电子测量技术，2015(35)：82～86.

[3] 严伟中. 安卓系统手机应用的趋势研究[J]. 信息安全与技术，2014(5)：11～13.

[4] 张怡，李辰，王喜斌等. 基于安卓平台的智能定位追踪系统研究[J]. 电视技术，2016，40(4)：48～51.

[5] 吴丽淳，樊爽. 基于安卓平台的手机定位软件开发[J]. 计算机与现代化，2014(9)：95～98.

[6] 陈浩，许长辉，高井祥等. BDS、GPS及其组合系统伪距单点定位精度分析[J]. 山东科技大学学报，2015(2)：72～78.

[7] 陈巧萍，林长川. 基于WI-FI的北斗卫星导航客户端关键技术[J]. 集美大学学报·自然科学版，2016，21(2)：115～119.

[8] 张毅. A Wi-Fi Compass based communication gateways and communication [P]. 中国，CN203675339. 2014-06-25.

[9] 李茂源，王直杰，马琳等. 基于WiFi和北斗卫星导航系统的灾后应急基站[J]. 电子科技，2014，27(12)：81～89.

[10] 韦江华，张晴，秦文东等. 基于飞思卡尔平台的北斗GPS定位系统设计[J]. 中国市场，2016(6)：65～67.