湖南工學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院：吳樂 孫長明 吳陽明 劉運(yùn)維

隨著城市的快速建設(shè)，人們的出行已經(jīng)越來越離不開定位導(dǎo)航系統(tǒng)，而汽車作為人們重要的出行工具，定位導(dǎo)航車載終端越來越被用戶所重視。近年來，出于交通安全考慮，客車、貨運(yùn)以及危險物品運(yùn)送等各種車輛都被要求安裝上了車載終端設(shè)備，對車輛的行駛狀態(tài)和軌跡進(jìn)行實時監(jiān)控，從而保證交通安全，減少事故發(fā)生。車輛監(jiān)控系統(tǒng)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了車載智能終端設(shè)備得到了更好的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

車載終端的定位導(dǎo)航多采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS，隨著我國自主研發(fā)的北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，也越來越多地用于車載終端系統(tǒng)中，從而更好為國家“一帶一路”戰(zhàn)略提供技術(shù)支持。北斗系統(tǒng)全球定位精度為10m，測速精度為0.2m/s，授時精度為20ns，除了具有導(dǎo)航、定位、授時功能外，還具有短報文通信功能。在臺風(fēng)、地震等災(zāi)害天氣通信基站被破壞或者普通移動通信信號不能覆蓋的情況下，終端可以通過短報文進(jìn)行雙向通信。目前短報文能發(fā)送10000漢字，并且能實現(xiàn)40漢字的全球短報文通信。

雖然GPS/北斗定位系統(tǒng)成本低、精度高，然而在復(fù)雜多變的環(huán)境下（隧道內(nèi)或信號受遮擋時），衛(wèi)星導(dǎo)航可能會在某一時間或地點失效，導(dǎo)航精度將不再可靠。因此可采用多源組合導(dǎo)航來提高導(dǎo)航的精度。本文設(shè)計了一個基于多源導(dǎo)航（BDS/GPS/INS）的車載終端系統(tǒng)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以通過衛(wèi)星定位，提供全局的定位信息，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是一種不依賴于外部環(huán)境，也不向外輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)，能有效利用INS短時的精度保持特性和GPS/北斗導(dǎo)航系統(tǒng)長時的精度保持特性，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，從而提供穩(wěn)定、可靠的導(dǎo)航服務(wù)。系統(tǒng)除了集成了多源組合定位導(dǎo)航功能外，還增加了北斗短報文通信功能和4G移動通信功能，除了為用戶提供日常的車輛定位導(dǎo)航、車速等信息外，還能在災(zāi)后、移動通信信號無覆蓋區(qū)，利用北斗短報文提供應(yīng)急通信功能；利用4G移動通信作為接入點，將多個行業(yè)領(lǐng)域交通運(yùn)輸工具智慧城市云平臺統(tǒng)一監(jiān)控管理，對于智慧交通的建設(shè)，將起到良好的推進(jìn)作用。

1.系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)計主要包括STM32F411RET6單片機(jī)主控模塊、供電模塊、組合導(dǎo)航模塊、北斗短報文通信模塊、4G無線通信模塊、USB通信模塊、存儲模塊、液晶顯示以及按鍵人機(jī)交互模塊等。其中：

（1）STM32F411RET6單片機(jī)主控模塊是智能定位導(dǎo)航車載終端系統(tǒng)設(shè)計的核心部分，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個模塊的正常工作和數(shù)據(jù)的接收、處理與轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）組合導(dǎo)航模塊：采用北斗/GPS/慣性組合導(dǎo)航，利用北斗/GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航全局性好和慣性導(dǎo)航不依賴外界環(huán)境的特點，取長補(bǔ)短、功能互補(bǔ)，可以有效的提高定位和導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和精確性。

（3）北斗短報文通信模塊：利用北斗特有的雙向通信功能，在災(zāi)情、事故求救或信息交互中能通過北斗短報文傳輸功能進(jìn)行定位和緊急信息傳遞。

（4）4G無線通信模塊將車輛所在位置、車速等信息發(fā)送到云端服務(wù)器上傳至管理中心，完成整個系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)發(fā)送功能，實現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（5）電源電路控制終端設(shè)備的電源，保證各個模塊不同的電源要求，使系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定工作；

（6）USB通信模塊：用于系統(tǒng)的串行調(diào)試，也可以用于STM32單片機(jī)和4G無線通信模塊之間的連接，發(fā)送AT命令；

（7）存儲模塊：用于數(shù)據(jù)存儲，保證數(shù)據(jù)的不丟失；

（8）人機(jī)交互模塊：液晶顯示模塊實現(xiàn)對定位數(shù)據(jù)、北斗短報文內(nèi)容和電量等的顯示，鍵盤輸入模塊實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、定位信息查看、一鍵緊急求救等功能。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 ：系統(tǒng)硬件原理框圖

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 STM32F411RET6主控電路設(shè)計

STM32F411RET6微控制器屬于STM32 Dynamic Efficiency系列，采用cotex-M4內(nèi)核，內(nèi)含3個I2C，3個串口，一個USB接口，功耗低。芯片內(nèi)集成了上電復(fù)位(POR)和掉電復(fù)位(BOR)電路，工作電壓1.8V-3.6V。因此單片機(jī)主控電路主要包括時鐘電路和電源電路。時鐘電路采用8MHZ的外部晶振電路和32.768KHZ的低速外部晶振。電源電路主要采用5V穩(wěn)壓電源，然后通過降壓芯片提供3.3V的STM32工作電壓和3.8V的4G通信模塊的工作電壓。

2.2 ATGM336H衛(wèi)星定位模塊接口電路設(shè)計

ATGM336H是小尺寸的高性能BDS/GNSS全星座定位導(dǎo)航模塊。該模塊是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片——AT6558，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、日本的 QZSS 以及衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) SBAS( WAAS、EGNOS、GAGAN、MSAS)。ATGM336H 模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢，適用于車載導(dǎo)航、手持定位、可穿戴設(shè)備。該模塊可聯(lián)合多種導(dǎo)航系統(tǒng)定位，定位的精度優(yōu)于單系統(tǒng)獨立定位。ATGM336H模塊通過串口1按照NMEA0183的協(xié)議格式輸出定位信息到STM32F411RET6單片機(jī)，單片機(jī)再按照NMEA0183的協(xié)議格式解析并獲取定位和授時等信息并使用。

2.3 慣性導(dǎo)航模塊電路設(shè)計

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是以陀螺儀和加速度計作為敏感器件的導(dǎo)航參數(shù)解算系統(tǒng)，能建立導(dǎo)航坐標(biāo)系、加速度計輸出解算出運(yùn)載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置。采用板載低功耗ICM20948芯片，內(nèi)含3軸加速度、3軸陀螺儀和3軸磁力計，并內(nèi)置數(shù)字運(yùn)動處理引擎，可減少復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)，減輕處理器的負(fù)荷，STM32單片機(jī)與ICM20948芯片通過I2C通信就能獲取10軸數(shù)據(jù)：包括加速度、角速度、電子羅盤、海拔高度等。供電范圍：3.3V-5V(內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓)。

2.4 北斗短報文通信模塊電路設(shè)計

北斗短報文通信RDSS（Radio Determination Satellite Service）是另一種衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)，其特點是在完成定位的同時，通過用戶應(yīng)答完成用戶位置向外部系統(tǒng)的報告，這是北斗系統(tǒng)的重要特色，即北斗短報文服務(wù)功能。當(dāng)用戶按下一鍵呼救按鍵時，北斗RDSS通信模塊受單片機(jī)控制啟動，并將接收到單片機(jī)送過來的打包和封裝好的短報文用戶定位信息進(jìn)行擴(kuò)頻、低中頻調(diào)制，然后轉(zhuǎn)換成大功率射頻信號輻射到北斗衛(wèi)星上去，再通過北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面救援中心，實現(xiàn)報警求救。本設(shè)計采用的是一款RD05W3035單模模塊，其內(nèi)部集成了北斗RDSS基帶芯片TD1100A、RDSS射頻收發(fā)芯片DT-A6、5W功放芯片LXK6618等電路，通過外接無源天線，即可實現(xiàn)北斗系統(tǒng)的短報文通信功能。RD05W3035單模模塊與STM32單片機(jī)之間采用串口2通信。

2.5 4G通信模塊電路設(shè)計

通信終端采用4G模塊通過高速移動網(wǎng)絡(luò)向管理監(jiān)控平臺傳送終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而對終端設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題。4G通信模塊的特點是通信速度快、靈活，網(wǎng)絡(luò)頻譜廣。在使用時需要插入相應(yīng)的SIM卡，通過4G移動網(wǎng)絡(luò)連接。4G模塊采用EC200核心板，成本低，支持上行/下行速率為100M/50Mbps，支持UDP、TCP、MQTT等協(xié)議，可以接入ONENET、阿里云等云服務(wù)器，從而用戶可以通過WEB網(wǎng)頁端或者手機(jī)端查看車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)。EC200核心板主要包括SIM卡電路、移動天線電路等，其與單片機(jī)之間通過串口3通信。

2.6 OLED液晶顯示模塊電路設(shè)計

OLED顯示技術(shù)具有自發(fā)光、廣視角、對比度極高、低功耗，反應(yīng)速度快等優(yōu)點，便于安裝，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍工等行業(yè)。通信終端采用0.96寸OLED液晶顯示屏，分辨率為128*64，工作電壓3.3V-5V，與STM32單片機(jī)采用I2C通信。

2.7 按鍵接口電路設(shè)計

通信終端采用獨立式按鍵設(shè)計，主要包括兩個按鍵，一個按鍵用于查看車輛的位置信息、時間，一個按鍵用于一鍵緊急求救，利用北斗短報文發(fā)送求救信息。

2.8 存儲模塊接口電路設(shè)計

存儲模塊采用SD存儲卡，SD存儲卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代存儲設(shè)備，有體積小、數(shù)據(jù)傳輸快、可熱插拔等特點，被廣泛用于便攜式裝置上。通信終端采用3.3V Micro SD卡(存儲大小<2G)讀寫模塊，通過文件系統(tǒng)及SPI接口驅(qū)動程序，STM32可以完成SD卡內(nèi)的文件進(jìn)行讀寫。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

首先對系統(tǒng)初始化（包括初始化延時函數(shù)、NVIC配置、串口和液晶屏初始化），啟動4G模塊、北斗/GPS衛(wèi)星定位模塊和慣導(dǎo)模塊，接著檢測各個模塊信息是否與單片機(jī)是否正常連接，如果正常連接，單片機(jī)對衛(wèi)星定位模塊和慣導(dǎo)模塊信息進(jìn)行讀取、解算并利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行融合處理后，得到用戶的位置、時間等定位信息存入指定的結(jié)構(gòu)體變量，通過oled液晶進(jìn)行信息的顯示，查詢單片機(jī)和4G模塊是否通信，如果正常通信，獲取SIM卡的序列號，判斷模塊是否準(zhǔn)備就緒（能否上網(wǎng)），如果就緒，則建立UDP連接，注冊阿里云，發(fā)送地理位置（經(jīng)度緯度）數(shù)據(jù)至阿里云服務(wù)器（發(fā)送數(shù)據(jù)前先通過阿里云添加4G設(shè)備并進(jìn)行配置）。當(dāng)遇到緊急情況，用戶通過按下一鍵求救按鍵，產(chǎn)生外部中斷，STM32單片機(jī)立刻響應(yīng)，啟動北斗短報文通信，向程序中已設(shè)置好的緊急聯(lián)系人或者緊急救護(hù)中心發(fā)送帶有車輛地理位置的求救短信，從而實現(xiàn)快速準(zhǔn)確救援。

3.2 多源組合導(dǎo)航程序設(shè)計

3.2.1 北斗/GPS定位程序設(shè)計

本系統(tǒng)中采用的北斗/GPS定位模塊采用的是ATGM336H芯片，它提供基于NMEA －0183協(xié)議(即美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式)的軟件接口和高精度的秒脈沖輸出。ATGM336H芯片其內(nèi)部硬件電路和處理軟件通過天線定位后對接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行解碼和處理，能從中提取并輸出兩種信號：

(1)時間間隔為 1s 的脈沖信號 1PPS(One Pulse Per Second)，該秒脈沖的寬度為 1ms，上升沿與協(xié)調(diào)世界時(UTC)同步，其精度為UTC±20ns。

(2) TXD1 引腳輸出 NMEA －0183 格式的衛(wèi)星定位信息，更新周期為 1 秒。ATGM336H上電初始化后，缺省輸出的NMEA－0183 格式信息包含 12 條專用語句，例如：

$BDGSA,A,3,10,08,13,12,07,,,,,,,,1.6,0.8,1.3*21$GPGSV,3,3,12,27,31,170,29,29,10,038,35,31,38,07 5,28,32,26,226,29*7E $GNRMC,085514.000,A,3413.6358,N,10858.9298,E,0.0 9,0.00,090813,,,A*7C

在上述數(shù)據(jù)幀中，傳送標(biāo)識符BD、GP分別是當(dāng)北斗、GPS衛(wèi)星用于單獨位置解算時的定位結(jié)果，傳送標(biāo)識符GN 是使用雙系統(tǒng)衛(wèi)星取得的聯(lián)合位置解算結(jié)果。常用的語句是$GNRMC語句。以上述$GNRMC 語句為例，解析的語句的主要內(nèi)容是：定位時刻：上午 8 點 55 分 14 秒，北緯 34 度 13.6358分，東經(jīng) 108 度 58.9298 分，對地速度 0.09 節(jié)，定位日期：2013年8月9日。從而從接收到的語句中，能得到日期、時間、終端設(shè)備所在的地理位置信息。

3.2.2 慣性導(dǎo)航程序設(shè)計

慣性導(dǎo)航是利用慣性元件測量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過積分和運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到對運(yùn)載體導(dǎo)航定位的目的。系統(tǒng)采用的慣性導(dǎo)航核心芯片是ICM20948，它包含的加速度計計算車輛的加速度和傾角，磁力計用于獲取車輛的方向信息，陀螺儀測量車輛的角度，進(jìn)行解算后得到車輛的位置和速度。

3.2.3 多源組合導(dǎo)航程序設(shè)計

在多傳感器融合定位系統(tǒng)中，采用卡爾曼濾波算法，根據(jù)上次定位信息，來估計下一次的定位信息，然后一直遞歸下去不斷地計算出下一次狀態(tài)的最優(yōu)估計。程序設(shè)計流程：

（1）卡爾曼算法初始化；（2）STM32通過ICM20948芯片采用IIC通信，獲取三軸加速度、陀螺儀和磁力計數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；（3）進(jìn)行慣性解算（4）卡爾曼預(yù)測更新，判斷是否有觀測結(jié)果，沒有輸出位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，有則對卡爾曼量測進(jìn)行更新，再計算后驗的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將狀態(tài)量清零，輸出位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)。

3.3 北斗短報文程序設(shè)計

北斗短報文協(xié)議，簡稱RDSS協(xié)議，在2015年前后推出了更加易用完善的2.1協(xié)議。RDSS 2.1協(xié)議的語句是以美元符號$開始，以英文字符,和*作為分隔符，以回車換行符 作為結(jié)束。RDSS 2.1協(xié)議的收發(fā)信息指令一般使用混合編碼模式和代碼編碼模式。用戶使用北斗短報文發(fā)送信息時，內(nèi)容既可以是英文數(shù)字，也可以是漢字，還可以是16進(jìn)制數(shù)。北斗2代最多可以發(fā)送78個進(jìn)制數(shù)/英文/數(shù)字，或者39個漢字。

當(dāng)單片機(jī)檢測到有鍵按下時，系統(tǒng)會啟動北斗短報文通信，程序設(shè)計流程如下：

（1）單片機(jī)通過串口2往北斗短報文（RD）模塊發(fā)送語句：$CCICA,0,00*7B ，讀取北斗卡號，等待RD模塊回復(fù)給單片機(jī)，如果沒有檢測到北斗卡，則RD模塊回復(fù)的語句是：$BDICI,0000000,00000000,0000000,0,0,0,N,0*0B,如果檢測到北斗卡，回復(fù)的是北斗卡號。

（2）讀取信號狀態(tài)，單片機(jī)往R D 模塊發(fā)送語句：$CCRMO,BSI,2,0*26 ，如果RD模塊回復(fù)的波速中有一個波速為4則表示信號較好，可以用于申請定位和發(fā)送消息。

(3)申請定位,由于RDSS定位屬于有源定位，精度只有100米。而衛(wèi)星的無源定位精度一般是5米內(nèi)。所以采用北斗/GPS衛(wèi)星定位。發(fā)送語句：$CCDWA,0000000,V,1,L,,0,,,0*65 ，RD模塊會回復(fù)單片機(jī)指令是否成功執(zhí)行，并回復(fù)定位信息給RD模塊，然后RD模塊輸出語句給單片機(jī)。

（4）發(fā)送信息，一般使用混合編碼模式和代碼編碼模式。以混合編碼模式為例，電文首字母固定為“A4”，按照先后順序?qū)⒚總€字符轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)大寫。英文用一個字節(jié)表示，漢字用兩個字節(jié)表示。英文采用的是ASCII碼，中文采用的是GB2312區(qū)位碼編碼。在程序中提前設(shè)置好要發(fā)送信息“help北斗”：發(fā)送語句：$CCTXA,0242286,1,2,A468656C70B1B1B6B 7*7F，RD模塊會回復(fù)單片機(jī)指令是否成功執(zhí)行，再發(fā)送當(dāng)前的位置信息。

3.4 4G無線通信程序設(shè)計

4G無線通信主要采用AT指令，與阿里云服務(wù)器采用MQTT協(xié)議通信，具體程序設(shè)計流程如下：

（1）當(dāng)4G模塊啟動初始化以后，先通過串口發(fā)送AT命令，與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺建立連接。

（2）當(dāng)發(fā)送命令成功后，則可以發(fā)送JSON數(shù)據(jù)：構(gòu)建好JSON數(shù)據(jù)，包括JSON的總長度、格式、需要發(fā)送的JSON數(shù)據(jù)，包括地理位置（經(jīng)度、緯度、海拔及坐標(biāo)系），換算成度分秒格式（阿里云上傳數(shù)據(jù)格式），然后通過串口發(fā)送JSON數(shù)據(jù)到阿里云，延時一段時間，發(fā)送結(jié)束符。

論文研究了基于北斗/GPS/慣性導(dǎo)航的多源組合導(dǎo)航智能通信終端的設(shè)計與實現(xiàn)。通過多源組合導(dǎo)航，使得通信終端可利用的衛(wèi)星數(shù)目顯著增加，衛(wèi)星幾何分布更加合理，系統(tǒng)的可靠性，安全性能等都得到了提升。尤其在各種惡劣條件(如地下停車場、隧道)提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性。智能通信終端基于STM32搭建了定位導(dǎo)航、4G通信、北斗短報文等硬件模塊，通過軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試，確保各硬件電路協(xié)同工作，實現(xiàn)了精準(zhǔn)授時、定位導(dǎo)航和無線通信功能。