STM32单片机在北斗导航卫星定位系统中的应用

陆源　李元庆

【摘要】我国自主研发的新一代北斗卫星导航定位系统，在我国的政治经济领域、社会生活领域、农业领域、国防军事领域中发挥了不可替代的作用。北斗导航系统的应用，为全球用户提供了高精度、全天时、全天候的定位导航服务;本文简要介绍了STM32单片机在北斗导航卫星定位系统中的设计应用过程。

【关键词】单片机  定位系统  应用

一、引言

卫星导航技术的快速发展对社会经济的发展和现代战争都发挥着不可替代的作用，北斗导航系统可应用于航天、陆地、海洋等多个领域，对于我国导航领域技术的发展具有非常重要的意义，它对我国多个领域事业的发展起了很好的带动效果，要想利用好北斗系统，就必须有一套能够接收北斗系统的信号数据系统，并将数据实时显示在液晶显示屏上，在液晶显示屏上显示出定位的信息，比如：测量目的地的经纬度、地区时间等。

基于STM32 单片机在北斗导航系统信号接收器的原理定位模块，包括：定位模块收集经纬度、时间和日期等信息，采用 STM32单片机经过电路转化成电平，再将北斗导航定位模块接收的信息转化成数据连接到所准备好的显示器上。在显示器上查看和显示出实时时间、日期、经纬度等信息，经过最终的测试结果实现提取北斗导航定位模块收集到的信息数据并顺利在显示器上显示，完成实时定位功能。

二、北斗卫星定位系统的工作原理

我国的北斗卫星定位系统采用与美欧、俄罗斯类似的坐标系WGS-84 地心坐标定位体系，即：定位坐标的原点定在地球的质心，Z 轴 指向 BIH1984.0 定义协议。X 轴指向本初零子午面和赤道中，其中 X 轴、Y 轴、Z 轴三者之间相互两两垂直，共同构成了定位坐标系。再以地球上空的定位卫星做基础建立起坐标参考系统，在后期我国也建立了自主研发的坐标系，但整体上变化不大。定位系统原理如图一所示，由图的空间几何解析可以得到，在一个三维坐标中，在坐标系中的任何一个点都可以由建立的三个坐标轴 XYZ 来确定。在理论情况下，我们只需通过计算获取所需要點的 X Y Z 轴三个坐标值的数据后，空间上的任何一个点就可通过坐标的计算得到准确的数据，但是在实际的卫星信号传输过程中，仅仅得到三个坐标的数据是远远不够的，由于存在多种信号干扰，需要加入一个新的变量 t，由 t 建立起一个三个未知数的方程组，再经过几何解析可得到点 XYZ 坐标的数据，通过精确计算得到具体的位置。

目前的北斗卫星定位在设计上也是应用这个原理，由于运行在太空中的卫星位置相对于地球来说是静止不动的，用户不管在地球的哪一个地方至少可以接收到三颗卫星信号，并能测量出到这三颗卫星的距离，通过以上的方法可以计算出自身的具体坐标，其前提是需要太空中的卫星网络合理分布布局。北斗卫星的大致分布和计算原理如下图二所示。

北斗导航信息接收模块经过信息接收天线接收浮在太空的卫星信号，可以做到对视野内目标的跟踪、锁定及测量。在获得卫星信息和距离卫星的数据后，可以计算出天线所在的位置坐标，并显示出所需要定位的定位信息。

如选择使用 STM32f103c8t6 单片机作为设计器件的处理器，单片机的串口接收北斗信号，通过软件显示定位的数据信息，最后通过单片机的并行接口输出到12864液晶显示屏上显示坐标数据。

该装置硬件电路的组成有：

①信息接收部分：以 u-BI0x为核心的信息接收机。

②数据处理器：微处理器采用STM32f103c8t6 单片机，控制卫星数据信号。

③显示部分：12864 液晶显示屏。

④其他部分：电源电路、程序控制等。图三所示为其系统拓扑结构图，它由电源、北斗接收模块、显示器、单片机构成。

三、基于单片机的北斗软件设计流程

北斗导航设计的核心部分是北斗接收模块与STM32 单片机的信息通讯，与STM32 单片机强接收到的信息筛选并编排好顺序送到12864液晶显示模块显示出来。通常采用的设计思路是模块化，它利于后期软件的调试，并为软件的移植提供了方便，通过改变相应的软件模块，可以在不同的硬件平台上运行软件。软件模块的设计分为三个部分：LCD 模块、北斗接收模块和 STM32 模块。设计的程序流程图如图四所示：当模块接收到数据时，会将接收到的时间、模块天线、所在地址、经度纬度等信息显示在 LCD 液晶显示屏上。

四、软硬件的调试及测试

硬件的设计与制作及软件的编程完成后，要想能够按照人们设计的思路运行，需要对硬件和软件进行调试和测试。

（1）硬件调试：为了避免可能存在的硬件故障隐患，我们需要对硬件部分进行调试，避免可能存在的设计失误及焊接作业时的失误。调试的步骤分为五步：

①用万用表进行点对点检查，排除导线可能存在的短路或开路故障。

② 测试电源能否顺利接入电路中。给模块提供电源，检查按钮是否可以正常使用、连接是否正确。

③检查芯片与对应脚的导通情况。

④将用软件进行仿真后产生的新文件，导入 STM32f103c8t6 单片机之中。

⑤将单片机准确插入到已经焊接好的单片机管座之中，仔细查看显示器的显示内容是否符合本课题设计的要求。

（2）软件调试。利用开发工具对软件进行调试，可以避免软件设计方面的错误，并且还可以进一步发现硬件设计部分有没有出现错误。首先看各个子程序是否能实现预设的功能，最后扩大到整个程序，最后查看各个模块之间能否进行正常参数传递。具体操作：

①查看液晶显示模块程序，看是否可以显示预计的字符。

②查看单片机的初始化模块，检测单片机的初始化参数，单片机可不可以顺利的进入数据接收。

③观察液晶显示器上面的显示信息。

五、结语

近年来随着卫星导航技术的不断应用和普及，国内外对卫星导航技术需求强劲，应用STM32 单片机设计导航定位的目的是让人们更好地了解北斗导航系统的定位原理，熟悉接收机的工作原理和接收机的工作流程，它对促进导航定位领域的应用领域及未来发展意义重大。

作者简介：陆源（1993.12-），男，广西防城港人，广西城市职业大学智能工程学院专任教师，主要研究方向：北斗导航系统的研究。李元庆（1960.11-），男，广西城市职业大学教授，福建龙岩人，主要研究方向：智能制造及电气自动化应用技术。