基于北斗二代系统的船载定位终端概要.docx

1、基于北斗二代系统的船载定位终端概要http :/wwwsmujournalcn第33卷第3期2012年9月上海海事大学学报Journal of Shanghai Maritime UniversityVol33No3Sept2012文章编号:16729498(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S3C2440ARM 处理器和Windows CE 60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MATLA

2、B 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 ;Windows CE 60;北斗二代系统中图分类号:U666134;TP2772文献标志码:AShipborne positioning terminal based on Beidou-2YING Shijun ,WANG Kun ,LIU Wei ,ZOU Xuping(Merchant Marine College ,Shanghai Maritime Univ,Shanghai 201306,China Abstract :In order

3、to guarantee the ship navigation safety ,the shipborne positioning terminal was de-signed based on the Beidou-2satellite navigation systemThe S3C2440ARM processor and the Windows CE 60embedded system were taken as the core parts of the terminal which is assisted by the peripheral circuitAnd the leas

4、t square algorithm was used to realize the ship navigation and positioningThen ,the numbers of visible satellites and horizontal dilution of precision were calculated and analyzed by using the MATLAB softwareThe results show that the design is feasible and reliable ,which can further promote the app

5、lication of the Beidou shipborne terminal in the ship navigationKey words :shipborne positioning terminal ;ARM ;Windows CE 60;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-mail sjyingshmtueducn0引言北斗卫星导航系统(Compa

6、ss Navigation Satellite System ,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

7、管理水平的新标志1因此,基于BD-2的船载定位终端设计,http :/wwwsmujournalcn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Windows CE

8、60(WINCE 60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

9、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 ,NAND Flash 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HwaNavch

10、ip-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 (ARM Developer Suit 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http :/wwwsmujournalcn该算法通过

11、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WINCE 60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WIN 32API ,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WINCE 60嵌入式操作系统设计中软件架构主要包括WINCE 60系

12、统的定制、移植和定位应用程序的开发建立基本WINCE 60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Platform Builder 应用程序可以方便地设置平台,建立操作系统镜像定制WINCE 60的一般步骤见图 3图3定制操作系统的过程在进行WINCE 60定位应用程序设计开发时,开发语言采用的是Visual Studio 2008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

13、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51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,ddmmmmm 格式;4为纬度方向,N 或S ;5为经度,ddmmmmmmm 格式;6为经度方向,E 或W

14、 ;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52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53VSN 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MATL

15、AB 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http :/wwwsmujournalcn分析处理可见卫星数(Visible Satellite Number ,VSN 见图6图6可见卫星数水平精度因子(Horizontal Dilution of Precision ,HDOP 描述的是卫星几何形态对平面定位的影响9-10HDOP 分布见图 7图7HDOP 分布由图6和7归纳出的信息见表16结束语主要论证基于BD-2的船载定位终端设计的可表1BD-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

16、均值BD-2745137435415286022GPS1157459672607114364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WINCE 60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15 54之间,与GPS 的HDOP 值07 26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

17、所决定的根据误差(1=1RMS 值DOP 值8,此时RMS 值为2m (统计值,则误差(1的范围在30 108m(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(S1:68-712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(1:60-623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(9:2234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

18、学,20095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,20106华清远见嵌入式培训中心Windows CE 嵌入式开发标准教程M 北京:人民邮电出版社,2010:5-87汪兵Windows CE 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,2008:360-3778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(4:17-219让-马利佐格GPS 卫星导航基础M 北京:航空工业出版社,2011:80-8110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