基于北斗二代系统的船载定位终端概要.docx

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基于北斗二代系统的船载定位终端概要

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第33卷第3期2012年9月

上海海事大学学报JournalofShanghaiMaritimeUniversity

Vol．33No．3Sept．2012

文章编号:

1672－9498（201203-0001-04

基于北斗二代系统的船载定位终端

应士君,王坤,刘卫,邹绪平

（上海海事大学商船学院,上海201306

摘要:

为确保船舶航行安全,利用北斗二代卫星导航技术,设计船载定位终端．该终端以S3C2440

ARM处理器和WindowsCE6．0嵌入式系统为核心,以外围电路为辅,采用最小二乘算法,实现船舶的导航定位．通过MATLAB软件对可见卫星数目和水平精度因子进行计算和分析,论证方案的可行性和可靠性,进一步推动北斗船载终端在航行中的应用．关键词:

船载定位终端;ARM;WindowsCE6．0;北斗二代系统中图分类号:

U666．134;TP277．2

文献标志码:

A

ShipbornepositioningterminalbasedonBeidou-2

YINGShijun,WANGKun,LIUWei,ZOUXuping

（MerchantMarineCollege,ShanghaiMaritimeUniv．,Shanghai201306,China

Abstract:

Inordertoguaranteetheshipnavigationsafety,theshipbornepositioningterminalwasde-signedbasedontheBeidou-2satellitenavigationsystem．TheS3C2440ARMprocessorandtheWindowsCE6．0embeddedsystemweretakenasthecorepartsoftheterminalwhichisassistedbytheperipheralcircuit．Andtheleastsquarealgorithmwasusedtorealizetheshipnavigationandpositioning．Then,thenumbersofvisiblesatellitesandhorizontaldilutionofprecisionwerecalculatedandanalyzedbyusingtheMATLABsoftware．Theresultsshowthatthedesignisfeasibleandreliable,whichcanfurtherpromotetheapplicationoftheBeidoushipborneterminalintheshipnavigation．Keywords:

shipbornepositioningterminal;ARM;WindowsCE6．0;Beidou-2

收稿日期:

2012-01-09

修回日期:

2012-05-17

基金项目:

国家科技支撑计划（2009BAG18B04;国家自然科学基金青年基金（61105097

作者简介:

应士君（1966—,男,江苏宜兴人,副教授,硕导,博士,研究方向为船舶导航与安全技术,（E-mailsjying@shmtu．edu．cn

0引言

北斗卫星导航系统（CompassNavigationSatelliteSystem,

CNSS是我国正在实施、具有自主知识产权的卫星导航定位系统．该系统由空间段、地面段和各类北斗用户组成,集导航、定位、授时功能于一体;分3个阶段进行建设,分别为北斗一代（区域有源双星定位,已完成、北斗二代（区域无源定位,建设中,

记为BD-2、全球覆盖阶段．截至目前共有11颗BD-2卫星在轨,具有覆盖中国及周边地区,24h全天候服务,高强度加密设计,安全、可靠、稳定等特点．随着远洋、

内河航运产业发展和船舶通信导航及各类电子控制设备的日益完善,实现对船舶的全方位定位导航,及时掌握船舶在航行中的实际情况,快速了解船舶的动态数据,成为提升船舶管理水平的新标志．[1]因此,基于BD-2的船载定位终端设计,

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对确保船舶的航行安全具有重要意义．

在北斗卫星导航系统的发展前景下,国内主要由神州天鸿、北斗星通、东方联星、华力创通等公司从事北斗接收机研发设计,在船舶监控

[1]

和海洋渔

业[2]上均有应用．然而,

此类应用主要建立在北斗一代船载接收机的基础上,市面上现存的BD-2接收机主要是少量的测试机、手持机,而成品民用船载机尚在研发阶段．

鉴于此,本文设计基于BD-2的船载定位终端,主要有硬件平台搭建、定位解算算法、软件架构设计

等几个方面,通过测试实验验证该方法的可行性．

1硬件平台搭建

该设计中基于ARM和WindowsCE6．0

（WINCE6．0的BD-2船载定位终端硬件平台采用模块化设计方法,所有部件尽量采用成熟电子元器件．该系统硬件主要由BD-2导航模块、时钟模块、电源管理模块、数据通信接口和PVT（ARM解算模块等组成．[3]系统硬件结构见图

1．

图1系统硬件结构

BD-2导航模块主要由射频模块、A/D采样模块、

基带信号处理模块组成．射频模块分为2个通道,其中一个通道专门将B3频点射频信号变频为中频信号,而另一通道则通过切换方式将B1或者L1频点射频信号变频为中频信号．双通道A/D将模拟中频信号数字化并作为基带信号处理模块信号输入,同时射频模块输出62MHz参考信号,本地时钟信号作为ADC的转换时钟,并且输入至基带信号处理模块作为信号跟踪基准时钟．基带信号处理模块完成信号的捕获、跟踪、解调,输出原始观测量．PVT（ARM解算模块主要由极低功耗的ARM9处理器S3C2440,SDRAM,NANDFlash等硬件构成．PVT（ARM解算模块完成对基带信号处理模块的控制,并将基带信号处理模块得到的观测量提取出来加以解算,得到解算结果,同时对整个系统的运行进行处理．数据通信接口部分设计CAN总线接口、RS-485接口等,便于与雷达、ECDIS和AIS等设备互联,实现综合导航．

2定位解算算法流程

硬件电路BD-2导航模块设计中,基带信号处

理模块主要采用的是北京华力创通科技有限公司的HwaNavchip-1北斗GPS多频精密导航基带芯片．该

芯片可同时接收BD-2的B3和B1频点信号（本文主要是利用B1频点进行导航定位解算,输出原始观测量;具有16bit的并行数据总线接口,32bit的ARM微处理器S3C2440通过该接口可对HwaNav-chip-1进行配置,得到导航电文、集成电路工作状态等信息．通过ARM开发工具ADS（ARMDeveloperSuit对ARM进行调试,使其解算用户位置、速度、时间等信息．该设计中采用基于伪距定位的最小二乘算法[4-5],定位解算算法流程见图

2．

图2

定位解算算法流程

2上海海事大学学报第33卷

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该算法通过伪距计算用户的位置:

第1步初始化用户位置作为地球中心;第2步计算用户到卫星的距离及其信号传输时间;第3步根据地球自转效应修正卫星位置,并将卫星位置更新为以用户为中心的坐标系;第4步根据相关参数进行修正;第5步进行迭代运算;最后计算DOP,并将ECEF坐标系转化为CGCS2000坐标系,保存结果．

3软件开发平台

WINCE6．0是模块化、可延展、实时性能好、通

信功能强大、支持多种CPU的嵌入式操作系统,与Windows系列有较好的兼容性,支持WIN32API,便于快速开发产品,具有多线程、多任务等特点．[6]因此,该设计选用WINCE6．0嵌入式操作系统．设计中软件架构主要包括WINCE6．0系统的定制、移植和定位应用程序的开发．

建立基本WINCE6．0系统平台的一般过程是:

设置系统平台;建立操作系统镜像;将平台传输到目标设备;调试系统平台．通过PlatformBuilder应用程序可以方便地设置平台,建立操作系统镜像．定制WINCE6．0的一般步骤见图

3．

图3定制操作系统的过程

在进行WINCE6．0定位应用程序设计开发时,开发语言采用的是VisualStudio2008．开发的应用程序首先在模拟器中进行调试,调试成功之后下载到硬件设备中．实验时给出BD-2卫星的串口输出协议,设计定位导航显示界面程序[7],目的是查看船舶当前定位信息．

4主要功能设计

按照船用接收机软件需求分析,主要功能模块

见图4．定位功能用于显示当前船舶的位置及时间信息;导航功能为船舶当前的航线进行导航及设定航迹偏差报警;报警功能对不合法操作及遇险报警

．

图4功能模块

5

测试实验及分析

5．1

串口输出协议分析

通过对BD-2串口输出协议的理解,可以更好

地提取导航定位信息:

$BDGGA,$BDRMC[8]等．以$BDRMC语句为例分析串口输出协议:

$BDRMC,＜1＞,＜2＞,＜3＞,＜4＞,＜5＞,＜6＞,＜7＞,＜8＞,＜9＞,＜10＞,＜11＞,＜12＞*＜13＞

协议中:

＜1＞为定位时间（UTC,hhmmss格式;＜2＞为定位状态,A表示有效,V表示无效;＜3＞为纬度,ddmm．mmm格式;＜4＞为纬度方向,N或S;＜5＞为经度,ddmmm．mmmm格式;＜6＞为经度方向,E或W;＜7＞为速度;＜8＞为速度方向;＜9＞为当前UTC日期,ddmmyy格式;＜10＞为磁偏角;＜11＞为磁偏角方向;＜12＞为定位状态,A表示有效,V表示无效;＜13＞为校验和．5．2

部分测试实验界面

通过天线采样获得真实的导航定位信息,采样时间为2012年3月14日．以下测试结果只是初步设计要求,目的在于论证方案的可行性．下一步将按照船载定位导航需求,进行相应的应用开发,满足船舶日常航行需求．测试和导航界面见图

5．

图5

测试实验界面

5．3VSN和HDDP

本次测试时间段为2012年3月15日至2012

年3月16日,共24h,采样时间间隔为1s;地点为上海地区;BD-2和GPS星座使用当天广播星历计算卫星位置;用MATLAB软件对接收到的数据进行

3

第3期应士君,等:

基于北斗二代系统的船载定位终端

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分析处理．可见卫星数（VisibleSatelliteNumber,VSN见图6．

图6

可见卫星数

水平精度因子（HorizontalDilutionofPrecision,HDOP描述的是卫星几何形态对平面定位的影响．[9-10]HDOP分布见图

7．

图7HDOP分布

由图6和7归纳出的信息见表1．

6结束语

主要论证基于BD-2的船载定位终端设计的可

表1

BD-2与GPS的VSN和HDOP值对照

系统名称VSN（95%

HDOP（95%

最大值最小值平均值最大值最小值平均值BD-2745．137435．41．52．86022GPS

11

5

7．45967

2．6

0．7

1．14364

行性和可靠性,在系统应用扩展方面未给出具体方案．综上得到:

（1在ARM和WINCE6．0基础上设计基于

BD-2的船载定位终端的思路可行、方法正确,可推动北斗卫星导航系统在海洋领域的应用,促进海洋经济的发展．

（2受BD-2卫星在轨数目的客观限制,目前其VSN低于GPS．尽管VSN少,但可以保证我国及少数周边地区的定位导航．

（3当前阶段BD-2船载定位终端的HDOP保持在1．55．4之间,与GPS的HDOP值0．72．6相比较大,这是由当前阶段5颗GEO卫星、4颗MEO卫星及3颗IGSO卫星的几何构型所决定的．根据误差（1σ=1ˑRMS值ˑDOP值[8],此时RMS值为2m（统计值,则误差（1σ的范围在3．010．8m．

（4本设计在电子器件选择、定位算法、导航软件界面丰富和软件扩展方面仍有不足之处,有待进一步提高．

参考文献:

[1]李晶,刘建,卢红洋．基于北斗卫星导航系统的船舶监控中心的设计与实现[J]．数字通信世界,2011（S1:

68-71．[2]胡刚,马昕,范秋燕．北斗卫星系统在海洋渔业上的应用[J]．渔业现代化,2010,37（1:

60-62．

[3]应士君,邹绪平,刘卫,等．基于北斗二代系统的船用导航仪硬件设计及关键算法研究[J]．科学技术与工程,2012,12（9:

223．[4]彭丛林．北斗导航系统定位算法仿真研究[D]．成都:

西南交通大学,2009．[5]武英洁．船用北斗/GPS联合导航终端的研究[D]．大连:

大连海事大学,2010．

[6]华清远见嵌入式培训中心．WindowsCE嵌入式开发标准教程[M]．北京:

人民邮电出版社,2010:

5-8．[7]汪兵．WindowsCE嵌入式高级编程及其实例详解[M]．北京:

中国水利水电出版社,2008:

360-377．

[8]王艳军,王晓峰．AIS和北斗终端组合在船舶动态监控中的应用[J]．上海海事大学学报,2011,32（4:

17-21．[9]让-马利佐格．GPS卫星导航基础[M]．北京:

航空工业出版社,2011:

80-81．

[10]杨元喜,李金龙,徐君毅,等．中国北斗卫星导航系统对全球PNT用户的贡献[J]．科学通报,2011,56（21:

1734-1740．

（编辑贾裙平

4上海海事大学学

报第33卷