應(yīng)士君，王坤，劉衛(wèi)，鄒緒平

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Compass Navigation Satellite System，CNSS)是我國正在實(shí)施、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng).該系統(tǒng)由空間段、地面段和各類北斗用戶組成，集導(dǎo)航、定位、授時(shí)功能于一體;分3個(gè)階段進(jìn)行建設(shè)，分別為北斗一代(區(qū)域有源雙星定位，已完成)、北斗二代(區(qū)域無源定位，建設(shè)中，記為BD－2)、全球覆蓋階段.截至目前共有11顆BD－2衛(wèi)星在軌，具有覆蓋中國及周邊地區(qū)，24 h全天候服務(wù)，高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì)，安全、可靠、穩(wěn)定等特點(diǎn).隨著遠(yuǎn)洋、內(nèi)河航運(yùn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和船舶通信導(dǎo)航及各類電子控制設(shè)備的日益完善，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的全方位定位導(dǎo)航，及時(shí)掌握船舶在航行中的實(shí)際情況，快速了解船舶的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，成為提升船舶管理水平的新標(biāo)志.［1］因此，基于 BD－2的船載定位終端設(shè)計(jì)，對(duì)確保船舶的航行安全具有重要意義.

在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展前景下，國內(nèi)主要由神州天鴻、北斗星通、東方聯(lián)星、華力創(chuàng)通等公司從事北斗接收機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)，在船舶監(jiān)控［1］和海洋漁業(yè)［2］上均有應(yīng)用.然而，此類應(yīng)用主要建立在北斗一代船載接收機(jī)的基礎(chǔ)上，市面上現(xiàn)存的BD－2接收機(jī)主要是少量的測試機(jī)、手持機(jī)，而成品民用船載機(jī)尚在研發(fā)階段.

鑒于此，本文設(shè)計(jì)基于BD－2的船載定位終端，主要有硬件平臺(tái)搭建、定位解算算法、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面，通過測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性.

1 硬件平臺(tái)搭建

該設(shè)計(jì)中基于ARM和Windows CE 6.0(WINCE 6.0)的BD－2船載定位終端硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，所有部件盡量采用成熟電子元器件.該系統(tǒng)硬件主要由BD－2導(dǎo)航模塊、時(shí)鐘模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)通信接口和PVT(ARM)解算模塊等組成.［3］系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

BD－2導(dǎo)航模塊主要由射頻模塊、A/D采樣模塊、基帶信號(hào)處理模塊組成.射頻模塊分為2個(gè)通道，其中一個(gè)通道專門將B3頻點(diǎn)射頻信號(hào)變頻為中頻信號(hào)，而另一通道則通過切換方式將B1或者L1頻點(diǎn)射頻信號(hào)變頻為中頻信號(hào).雙通道A/D將模擬中頻信號(hào)數(shù)字化并作為基帶信號(hào)處理模塊信號(hào)輸入，同時(shí)射頻模塊輸出62 MHz參考信號(hào)，本地時(shí)鐘信號(hào)作為ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，并且輸入至基帶信號(hào)處理模塊作為信號(hào)跟蹤基準(zhǔn)時(shí)鐘.基帶信號(hào)處理模塊完成信號(hào)的捕獲、跟蹤、解調(diào)，輸出原始觀測量.PVT(ARM)解算模塊主要由極低功耗的ARM9處理器 S3C2440，SDRAM，NAND Flash等硬件構(gòu)成.PVT(ARM)解算模塊完成對(duì)基帶信號(hào)處理模塊的控制，并將基帶信號(hào)處理模塊得到的觀測量提取出來加以解算，得到解算結(jié)果，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行處理.數(shù)據(jù)通信接口部分設(shè)計(jì)CAN總線接口、RS－485接口等，便于與雷達(dá)、ECDIS和 AIS等設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)綜合導(dǎo)航.

2 定位解算算法流程

硬件電路BD－2導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)中，基帶信號(hào)處理模塊主要采用的是北京華力創(chuàng)通科技有限公司的HwaNavchip－1北斗GPS多頻精密導(dǎo)航基帶芯片.該芯片可同時(shí)接收BD－2的B3和B1頻點(diǎn)信號(hào)(本文主要是利用B1頻點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航定位解算)，輸出原始觀測量;具有16 bit的并行數(shù)據(jù)總線接口，32 bit的ARM微處理器S3C2440通過該接口可對(duì)HwaNavchip－1進(jìn)行配置，得到導(dǎo)航電文、集成電路工作狀態(tài)等信息.通過ARM開發(fā)工具ADS(ARM Developer Suit)對(duì)ARM進(jìn)行調(diào)試，使其解算用戶位置、速度、時(shí)間等信息.該設(shè)計(jì)中采用基于偽距定位的最小二乘算法［4－5］，定位解算算法流程見圖 2.

圖2 定位解算算法流程

該算法通過偽距計(jì)算用戶的位置:第1步初始化用戶位置作為地球中心;第2步計(jì)算用戶到衛(wèi)星的距離及其信號(hào)傳輸時(shí)間;第3步根據(jù)地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)修正衛(wèi)星位置，并將衛(wèi)星位置更新為以用戶為中心的坐標(biāo)系;第4步根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正;第5步進(jìn)行迭代運(yùn)算;最后計(jì)算DOP，并將ECEF坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為CGCS2000坐標(biāo)系，保存結(jié)果.

3 軟件開發(fā)平臺(tái)

WINCE 6.0是模塊化、可延展、實(shí)時(shí)性能好、通信功能強(qiáng)大、支持多種CPU的嵌入式操作系統(tǒng)，與Windows系列有較好的兼容性，支持WIN 32 API，便于快速開發(fā)產(chǎn)品，具有多線程、多任務(wù)等特點(diǎn).［6］因此，該設(shè)計(jì)選用WINCE 6.0嵌入式操作系統(tǒng).設(shè)計(jì)中軟件架構(gòu)主要包括WINCE 6.0系統(tǒng)的定制、移植和定位應(yīng)用程序的開發(fā).

建立基本W(wǎng)INCE 6.0系統(tǒng)平臺(tái)的一般過程是:設(shè)置系統(tǒng)平臺(tái);建立操作系統(tǒng)鏡像;將平臺(tái)傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備;調(diào)試系統(tǒng)平臺(tái).通過Platform Builder應(yīng)用程序可以方便地設(shè)置平臺(tái)，建立操作系統(tǒng)鏡像.定制WINCE 6.0的一般步驟見圖3.

圖3 定制操作系統(tǒng)的過程

在進(jìn)行WINCE 6.0定位應(yīng)用程序設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，開發(fā)語言采用的是Visual Studio 2008.開發(fā)的應(yīng)用程序首先在模擬器中進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試成功之后下載到硬件設(shè)備中.實(shí)驗(yàn)時(shí)給出BD－2衛(wèi)星的串口輸出協(xié)議，設(shè)計(jì)定位導(dǎo)航顯示界面程序［7］，目的是查看船舶當(dāng)前定位信息.

4 主要功能設(shè)計(jì)

按照船用接收機(jī)軟件需求分析，主要功能模塊見圖4.定位功能用于顯示當(dāng)前船舶的位置及時(shí)間信息;導(dǎo)航功能為船舶當(dāng)前的航線進(jìn)行導(dǎo)航及設(shè)定航跡偏差報(bào)警;報(bào)警功能對(duì)不合法操作及遇險(xiǎn)報(bào)警.

圖4 功能模塊

5 測試實(shí)驗(yàn)及分析

5.1 串口輸出協(xié)議分析

通過對(duì)BD－2串口輸出協(xié)議的理解，可以更好地提取導(dǎo)航定位信息:$BDGGA，$BDRMC［8］等.以$BDRMC語句為例分析串口輸出協(xié)議:

協(xié)議中:＜1＞為定位時(shí)間(UTC)，hhmmss格式;＜2＞為定位狀態(tài)，A表示有效，V表示無效;＜3＞為緯度，ddmm.mmm格式;＜4＞為緯度方向，N或S;＜5＞為經(jīng)度，ddmmm.mmmm格式;＜6＞為經(jīng)度方向，E或 W;＜7＞為速度;＜8＞為速度方向;＜9＞為當(dāng)前UTC日期，ddmmyy格式;＜10＞為磁偏角;＜11＞為磁偏角方向;＜12＞為定位狀態(tài)，A表示有效，V表示無效;＜13＞為校驗(yàn)和.

5.2 部分測試實(shí)驗(yàn)界面

通過天線采樣獲得真實(shí)的導(dǎo)航定位信息，采樣時(shí)間為2012年3月14日.以下測試結(jié)果只是初步設(shè)計(jì)要求，目的在于論證方案的可行性.下一步將按照船載定位導(dǎo)航需求，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)，滿足船舶日常航行需求.測試和導(dǎo)航界面見圖5.

圖5 測試實(shí)驗(yàn)界面

5.3 VSN和HDDP

本次測試時(shí)間段為2012年3月15日至2012年3月16日，共24 h，采樣時(shí)間間隔為1 s;地點(diǎn)為上海地區(qū);BD－2和GPS星座使用當(dāng)天廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置;用MATLAB軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.可見衛(wèi)星數(shù)(Visible Satellite Number，VSN)見圖6.

圖6 可見衛(wèi)星數(shù)

水平精度因子(Horizontal Dilution of Precision，HDOP)描述的是衛(wèi)星幾何形態(tài)對(duì)平面定位的影響.［9－10］HDOP 分布見圖 7.

圖7 HDOP分布

由圖6和7歸納出的信息見表1.

6 結(jié)束語

主要論證基于BD－2的船載定位終端設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，在系統(tǒng)應(yīng)用擴(kuò)展方面未給出具體方案.綜上得到:

表1 BD－2與GPS的VSN和HDOP值對(duì)照

(1)在ARM和WINCE 6.0基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于BD－2的船載定位終端的思路可行、方法正確，可推動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.

(2)受BD－2衛(wèi)星在軌數(shù)目的客觀限制，目前其VSN低于GPS.盡管VSN少，但可以保證我國及少數(shù)周邊地區(qū)的定位導(dǎo)航.

(3)當(dāng)前階段BD－2船載定位終端的HDOP保持在1.5～5.4之間，與GPS的HDOP值0.7～2.6相比較大，這是由當(dāng)前階段5顆 GEO衛(wèi)星、4顆MEO衛(wèi)星及3顆IGSO衛(wèi)星的幾何構(gòu)型所決定的.根據(jù)誤差(1σ)=1×RMS值 ×DOP值［8］，此時(shí) RMS值為2 m(統(tǒng)計(jì)值)，則誤差(1σ)的范圍在3.0～10.8 m.

(4)本設(shè)計(jì)在電子器件選擇、定位算法、導(dǎo)航軟件界面豐富和軟件擴(kuò)展方面仍有不足之處，有待進(jìn)一步提高.

［1］李晶，劉建，盧紅洋.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.數(shù)字通信世界，2011(S1):68－71.

［2］胡剛，馬昕，范秋燕.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在海洋漁業(yè)上的應(yīng)用［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2010，37(1):60－62.

［3］應(yīng)士君，鄒緒平，劉衛(wèi)，等.基于北斗二代系統(tǒng)的船用導(dǎo)航儀硬件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵算法研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(9):223.

［4］彭叢林.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位算法仿真研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［5］武英潔.船用北斗/GPS聯(lián)合導(dǎo)航終端的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2010.

［6］華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心.Windows CE嵌入式開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)教程［M］.北京:人民郵電出版社，2010:5－8.

［7］汪兵.Windows CE嵌入式高級(jí)編程及其實(shí)例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:360－377.

［8］王艷軍，王曉峰.AIS和北斗終端組合在船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(4):17－21.

［9］讓－馬利 佐格.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2011:80－81.

［10］楊元喜，李金龍，徐君毅，等.中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)全球PNT用戶的貢獻(xiàn)［J］.科學(xué)通報(bào)，2011，56(21):1734－1740.