基于人防应用的北斗用户机系统设计与实现

2022-12-02张威

通信电源技术 2022年14期

张威

（深圳市远东华强导航定位有限公司石家庄分公司，河北石家庄 050200）

1 北斗系统在人防领域应用需求分析

1.1 应用需求

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）包括4大体系，即全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、格洛纳斯（Global Navigation Satellite System，GLONASS）和伽利略卫星导航系统（Galileo Satellite Navigation System，GALILEO）。全球卫星定位系统在全球范围内具有举足轻重的作用，其在全球范围内的发展也日益受到重视。2015年，我国在北斗领域获得了巨大的阶段性成功。2016年2月，北斗卫星5号成功发射，并与此前四颗北斗高轨卫星一同进行了星间链路、新一代的原子钟时钟同步等技术的测试与确认。2020年，北斗导航定位系统建设基本完成，其中包括30颗低轨卫星、5颗同步轨道高轨卫星，可以在世界范围内为使用者提供地理信息服务[1]。

1.2 主要技术及功能

本文的研究工作就是围绕北斗卫星导航系统进行研究。汽车用户的控制系统主要包括软件和硬件2个方面。系统的硬件设计主要是针对汽车用户终端和汽车终端的硬件进行了详细的设计。在系统软件的设计上，本文以μC/OS-Ⅱ操作系统为核心，实现了μC/OS-Ⅱ平台上的系统软件的开发与设计[2]。

2 北斗导航系统应用概述

北斗导航系统是中国自行研发的世界范围内的卫星导航和通信体系，是美国 GPS和俄罗斯GLONASS后世界上第3个较为完善的卫星导航体系。地面部分包括北京的测控中心，以及遍布国内的各种标准站点，包括对各种类型的规定、时间基准的设置和维护。其中，用户部分包括大量的各种类型的客户端终端设备，用于获取接收和发送通信信息。现主要为国内和亚太地区的一些国家服务，业务包括通信、定位、导航和时间授时服务[3]。

3 北斗用户机系统设计

3.1 产品概述

本文所研究的北斗车载用户机系统就是针对人防应用系统的需求而开发的，其主要目的是实现对车辆的定位、通信、导航等方面的功能[4]。

3.2 产品业务功能

北斗车载用户端能够接收、显示、存储和转发使用者的位置信息，用户机是否能够准确、及时地为使用者的位置信息服务将直接影响到汽车使用者的服务质量。在此方案中，北斗终端所要完成的定位主要包括BD1定位、BD2定位、GPS定位和相容性定位。北斗短报文通信是我国北斗定位系统独有的一项重要技术，GPS、GLONASS等定位系统都没有这种能力。

3.3 硬件概述

3.3.1 天线单元主要技术及设计

卫星无线电定位系统（Radio Determination Satellite System，RDSS）天线是一种由天线和通道前端组成的系统，是一种用于汽车用户与北斗系统的无线电通信系统。在 RDSS天线系统的接收端，包括 S频段接收天线、前置带通滤波器、低噪声放大器、隔离层等。

S频段的接收天线具有在10°～75°的竖直上和在水平面上没有定向（0～360°），可以保证当车辆处于水平位置时，平稳地从2个卫星发送来的北斗出站信号。

为了保证汽车用户的接收率，液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）是一个重要的器件，该器件包括1个多层的放大器，该电路的一阶部分使用了1个具有较小的噪声因子的 FET，从而保证了系统的性能和功能。

前置滤波是1种带通预选滤波，其功能是选取所要接受的信号及阻抗值，这种滤波方法可以在 L波段内对干扰进行抑制。本文提出1种具有与 S频带接收天线相似的波带传输天线，该高频功放的输入信号是通过射频信号（Radio Frequency，RF）信号处理模组的1个发送信号通道所供给，它的功能是把信号从RF端子传送到一个特定的功率级。

3.3.2 主机数据处理单元主要技术设计

在车载客户系统中，基带信号的处理是整个系统的核心，它承担着各种信号和协议的处理工作。

决策支持系统（Decision Support System，DSS）信息处理系统按功能分为接收链路和发射链路，详细的设计如下文所述。

（1）接收链路要由 AD转换和数字信号处理设备组成。北斗卫星发射系统接收到的 S波段发射信号首先经过 RF信号处理，转换后得到 I.Q这2个正交型的中频信号。通过对2个中频信号进行放大、低通滤波等相关处理，得到一个带宽约4 MHz、电平约0 dBm的中频信号，中频信号的频率为12.24 MHz。通过 AD转换，将中频信号转换为两个正交型数字信号，然后输入到基带芯片中[5]。

（2）传输连接的设计。发射链路的设计方案是直接数字调制和调制。发射链路的电路主要分为发射控制、IC信息加密解密等2个部分，其中 MOS管为控制核心，以保证射频功率放大器的供电。IC数据加密和解密处理部分的电路设计是利用由北斗星中心统一配发的 IC卡芯片实现的。IC卡存储有用户 ID和密码，用于解密出站信息，并对输入信息进行加密。该 IC卡采用了温度控制芯片，可以在较低的温度下工作。

3.3.3 主机接口及电源主要技术设计

北斗车载终端的任务是从车载终端接收到卫星定位信号，并对其进行相应的处理。在完成了对定位通信信息数据的判定和处理后，将所处理的信息传输给相应的附属单元，包括车载计算机、视频监控、GPRS等单元。图1是汽车用户机主机的主控面板的设计方框图。

系统的电源管理模块采用24 V DC-DC模块WDH100-24S24W，该模块的功率达到了30 W，具有9～32 V的高电压输出，可实现约85%的能量转换，并具有过流及过电压的功能，充分地适应了客户的新要求。

3.4 系统嵌入式软件设计

在完成了北斗车载用户机的硬件部分后，就是对嵌入式系统进行软件的开发。鉴于公司的具体工程需要，结合产品的特性和价格因素，本文选用了μC/OS-Ⅱ系统为系统的开发平台，并在STM32上实现了μC/OS-Ⅱ的微处理器，并进行了μC/OS-Ⅱ的嵌入式系统的开发与设计。

3.4.1 μC/OS-Ⅱ操作系统概述

μC/OS-Ⅱ是1992年 Jean J.Labrosse先生开发的一种基于抢占的、嵌入的多任务的多功能操作系统，最初名为微C/OS，之后十余年的改进与发展，Jean J.Labrosse于1999年发布了最新的μC/OS-Ⅱ。该体系结构可靠、性能稳定，可广泛应用于各类8位、16位、32位的微机中。它包括实时内核，任务管理、任务间通信和存储管理等。

3.4.2 μC/OS-Ⅱ操作系统移植

所谓的“移植”，指的是让一个可以在其他的微处理器上工作的即时核心。μC/OS-Ⅱ是一种很容易被使用的操作系统，它的大多数的编程都是使用 ANSIC编程，而与它有关的一些应用则使用了汇编。该体系结构具有良好的可移植能力，可以在8位、16位和32位的单片机中工作。μC/OS-Ⅱ的迁移与4个文件紧密相连，这4个文件分别是汇编文件OS CPU_A.ASM、C语言文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C以及相关配置文件OS_CFG.H。本文针对汽车客户机的主机板，选用了STM32单片机ARMCortex-M3为核心。本系统的移植工作主要是在STM32单片机上进行了移植。根据移植的需求，可以把μC/OS-Ⅱ的源码分成2大类：无需更改和需要更改。在这些文件中，有要求对源码进行更改的文件有头文件OS_CPU.H、C语言文件OS_CPU_C.C以及汇编格式文件OS_CPU_A.ASM。

4 北斗人防应用系统

4.1 北斗人防应用系统构成

北斗车载用户系统的最大作用是为汽车终端用户提供准确的定位、通信、导航等服务。汽车用户机的各项功能都是通过 ARM软件来完成的，而嵌入式软件的设计与实现则与PC软件的设计有很大的关系。本文所涉及的硬件模块有ARM核心处理器、北斗天线单元、GPRS通信模块、Wi-Fi通信模块、LED指示灯、按键切换等。因此，本系统的软件设计由 ARM和北斗天线的交互模块组成，其主要任务是完成北斗/GPS的通信控制。

4.2 数据交互及数据交互接口

ARM和北斗系统的交互性主要通过 ARM芯片本身的串行接口来完成。ARM芯片模块共有5个串行接口，2个串行接口用作车载用户机主机和北斗天线的接口，4个接口用作外部设备的应用接口。图2显示了整个软件的设计方框图。

图2的方框图从软件实施的功能性角度进行了划分，使所有的功能都可以在嵌入式系统中正常工作。在整个系统周期内，系统的各主要功能单元按照不同的工作模式循环操作，以达到系统的总体性能。

4.3 应用系统软件

4.3.1 功能实现

嵌入式软件的设计和软件的功能有着紧密的联系，尤其是 ARM晶片本身的性能，更是影响到了整个软件的性能。在软件设计时，将 ARM的时钟设定为初始性，并对 ARM的 I/O管脚进行初始化，随后进行 ARM的中断控制，并将所要用到的功能总线进行配置。

4.3.2 数据存储调用

我国商用北斗的时频基本是60 s。当车上的使用者将自己的坐标报告给指挥部时，至少要花60 s的时间来回报。此时，一辆汽车在60 s内就跑出了1～2 km，而指挥中心接收到的位置数据存在着很大的滞后，无法将整个线路都标注出来。因此，在汽车客户机的硬件设计中加入了 GPRS通信功能，通过此软件可以秒级地完成对汽车的定位，并通过中央的软件来完成对汽车的实时跟踪和调度。

GPRS通信系统可以利用 AT的命令来实现与TCP的通信。AT的命令集含有一组特定的规范，其形式是有规定的。也就是说，每个命令的前缀都应该是“AT”或者“at”，然后是“CR”。