謝劍鋒，胡鋼，馬勝

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

引 言

Android移動(dòng)終端操作系統(tǒng)自2007年發(fā)布以來(lái)，由于其開(kāi)放性、應(yīng)用程序無(wú)界限、高級(jí)圖形顯示、簡(jiǎn)單控制操作等性能已經(jīng)被越來(lái)越多的用戶所接受，在Android平臺(tái)上開(kāi)發(fā)車載導(dǎo)航應(yīng)用，有利于開(kāi)發(fā)人員理解平臺(tái)框架，降低設(shè)備終端的成本。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以ARM11內(nèi)核的S3C6410為中央處理器，配置7英寸觸摸顯示屏，外圍設(shè)備還包括北斗／GPS接收模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、輸入／輸出模塊等。設(shè)計(jì)思路是先開(kāi)發(fā)Boothloader引導(dǎo)程序，然后下載Android文件系統(tǒng)，將裁剪過(guò)的Android操作系統(tǒng)內(nèi)核成功移植到開(kāi)發(fā)板后，進(jìn)行北斗／GPS模塊驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)，最后在Android平臺(tái)上通過(guò)編寫(xiě)的導(dǎo)航應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗／GPS模塊接收到的經(jīng)緯度信息的提取。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和解析獲得所需的定位信息，并且通過(guò)電子地圖配合Android系統(tǒng)軟件的API接口，將定位的信息在地圖上實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 北斗／GPS導(dǎo)航系統(tǒng)框圖

北斗／GPS定位信號(hào)的接收采用的是和芯通公司的UM220雙系統(tǒng)導(dǎo)航／授時(shí)模塊，能夠支持BD2B1、GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)，其集成度高，功耗低，重量輕，體積小，非常適合北斗系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。

2 GPS定位和北斗／GPS雙模式定位

2.1 GPS定位的基本原理

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力［2］，其定位的基本原理是：應(yīng)用無(wú)線電測(cè)距交會(huì)的原理，衛(wèi)星不斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶在收到該信號(hào)之后采用空間距離后方交會(huì)的方法，計(jì)算出接收機(jī)的三維位置，用戶就在以該發(fā)射信號(hào)衛(wèi)星為圓心，用戶到衛(wèi)星的距離為半徑的球面上。原理上若用戶同時(shí)接收來(lái)自3 個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)，就能確定用戶的位置，但由于衛(wèi)星接收機(jī)的時(shí)鐘差，還需要第4顆衛(wèi)星對(duì)時(shí)間進(jìn)行更正，故GPS定位至少需要4顆以上的衛(wèi)星。圖2是以4顆衛(wèi)星為例的GPS定位原理圖，由圖可確定下列方程組：

圖2 GPS定位原理圖

式（1）中已知的數(shù)據(jù)有衛(wèi)星的空間坐標(biāo)（xi，yi，zi），信號(hào)傳播速度c，用戶到衛(wèi)星的距離di以及衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)的時(shí)間ti，ti為各衛(wèi)星時(shí)間，t為用戶接收時(shí)間。通過(guò)最小二乘法解以上非線性方程組可以計(jì)算出用戶的坐標(biāo)（x，y，z，t），從而實(shí)現(xiàn)定位。

2.2 北斗定位的基本原理

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有快速定位、簡(jiǎn)短通信和精密授時(shí)的三大功能，采用3球交會(huì)測(cè)星原理進(jìn)行定位，分別以2顆定位衛(wèi)星和地心為球心，當(dāng)用戶定位時(shí)，需要向兩顆衛(wèi)星發(fā)送申請(qǐng)服務(wù)的信息，衛(wèi)星再將用戶的申請(qǐng)信息轉(zhuǎn)發(fā)到地面控制中心，地面控制中心解調(diào)出用戶信號(hào)，并解算出用戶到這兩顆衛(wèi)星的距離。

以這兩顆衛(wèi)星為球心，到用戶的距離為半徑作兩個(gè)球面，由于衛(wèi)星軌道面與赤道面重合，所以用戶必定在球面相交的圓上，且相交圓和赤道面垂直。再以地心為球心，到地球表面高度為半徑得到一個(gè)非均勻的球面，該球面和相交圓在地球南北半球各有一個(gè)交點(diǎn)，我國(guó)處于北半球，所以北半球的交點(diǎn)即是用戶的位置。這樣就解算出用戶的三維坐標(biāo)，地面控制中心將解算出的坐標(biāo)信息通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

2.3 北斗／GPS雙模式定位的基本原理

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)雖然是不同的兩個(gè)系統(tǒng)，但它們之間仍有許多共性，這就為它們可以兼容成雙模式導(dǎo)航系統(tǒng)提供了依據(jù)。相同點(diǎn)如下：

①兩個(gè)系統(tǒng)的組成相同，都是由空間部分、地面中心控制系統(tǒng)、用戶終端組成的。

②編碼方式相同，北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)都是采用碼分多址編碼方式。

③定位原理相同，都是通過(guò)測(cè)量用戶和衛(wèi)星之間的偽距，解算出定位結(jié)果。

④發(fā)送的載波信號(hào)頻率相近，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)分別在1 159～1 610 MHz、1 209～1 300 MHz兩個(gè)頻段發(fā)送無(wú)線電載波信號(hào)，GPS則在1 575 MHz和1 227 MHz發(fā)送信號(hào)［4］。

北斗／GPS雙模式定位原理如圖3所示。

圖3 北斗／GPS雙模式定位原理圖

UM220終端接收來(lái)自北斗和GPS兩種頻率的衛(wèi)星信號(hào)，既可以北斗或GPS單系統(tǒng)定位，又可以北斗和GPS聯(lián)合定位。在系統(tǒng)接收不到北斗信號(hào)或GPS信號(hào)時(shí)，采用的是單系統(tǒng)定位。當(dāng)能接收到兩種信號(hào)時(shí)，采用的是聯(lián)合定位。

聯(lián)合定位時(shí)將接收到的北斗信號(hào)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成GPS數(shù)據(jù)格式，用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出直接校正GPS系統(tǒng)的輸出。模塊通過(guò)相關(guān)器、快速傅里葉變換FFT（Fast Fourier Transform）和匹配濾波器混合應(yīng)用以及算法優(yōu)化，使系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境下保持出色的跟蹤能力和快速定位TTFF（Time To First Fix）功能；先進(jìn)的多路徑抑制技術(shù)，確保了定位導(dǎo)航的精度。

2.4 GPS定位和北斗／GPS雙模式定位對(duì)比

考慮到目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)而言并未成熟覆蓋全球且用戶容量的限制等因素，本設(shè)計(jì)采用聯(lián)合定位而不采用北斗單獨(dú)定位，作為車載導(dǎo)航設(shè)計(jì)的過(guò)渡階段。圖4是在PC 機(jī)上通過(guò)Unicore Control信號(hào)測(cè)試軟件分別測(cè)試GPS模塊和北斗／GPS模塊的定位情況。GPS定位的接收模塊采用SIRF StarⅢ芯片組，測(cè)試定位的位置是固定的。

圖4 GPS定位和聯(lián)合定位對(duì)比

從圖4（a）、（b）中用戶的歷史定位軌跡可以看出GPS定位的歷史軌跡沒(méi)有北斗／GPS聯(lián)合定位集中，說(shuō)明GPS單獨(dú)定位的誤差較高；從圖（c）、（d）可以看出，北斗／GPS聯(lián)合定位相對(duì)于GPS定位除垂直精度因子（VDOP）、較高外，時(shí)間精度因子（HDOP）位置精度因子（PDOP）都有明顯減小，而精度因子越小說(shuō)明定位精度越高，北斗／GPS雙模式定位精度相對(duì)于GPS定位有明顯的改善。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體構(gòu)架

設(shè)計(jì)是以Android操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在此平臺(tái)上開(kāi)發(fā)導(dǎo)航應(yīng)用程序要通過(guò)Android SDK 中提供的代碼和工具進(jìn)行，而且還要搭建合適的開(kāi)發(fā)環(huán)境。Android應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)通常使用Google提供的集成了編譯器、調(diào)試器和模擬器的Android SDK 工具集，由于它是基于JAVA 底層的操作系統(tǒng)，因此需要JAVA 開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持，一般情況下使用Eclipse和ADT 插件作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，能方便快捷地開(kāi)發(fā)所要求的應(yīng)用軟件。圖5是北斗／GPS導(dǎo)航的軟件功能結(jié)構(gòu)圖。

3.2 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 查詢功能的實(shí)現(xiàn)

圖5 北斗／GPS導(dǎo)航軟件功能結(jié)構(gòu)圖

查詢功能包括周邊查詢和駕車路線查詢。周邊查詢可以是查詢當(dāng)前位置附近的餐廳、加油站、景點(diǎn)、酒店、超市等信息。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶輸入的關(guān)鍵詞在周邊搜索，并將結(jié)果標(biāo)記在地圖上。所用的函數(shù)是百度地圖提供的MKSearch函數(shù)。例如要搜索當(dāng)前位置附近的餐廳，調(diào)用MKSearch.poiSearchInCity（editCity.getText（）.toString（），editSearchKey.getText（）.toString（））即可。圖6是查詢結(jié)果。

圖6 查詢周邊結(jié)果圖

路線查詢和查詢周圍相似，所用的函數(shù)仍然是MKSearch，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶輸入的起點(diǎn)和終點(diǎn)，按時(shí)間最短的原則為用戶尋找最優(yōu)路徑，并標(biāo)注在地圖上。如起點(diǎn)輸入“常州”，終點(diǎn)輸入“南京”，調(diào)用mSearch.driving-Search可得到常州到南京的時(shí)間最短線路。圖7是查詢的結(jié)果。

3.2.2 一鍵回家功能的實(shí)現(xiàn)

所謂一鍵回家，即只要一按鍵系統(tǒng)就能自動(dòng)找到最優(yōu)回家的路線。在已經(jīng)設(shè)置目的地——家的經(jīng)緯度基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前用戶所處的位置為起點(diǎn)，家的位置為終點(diǎn)，自動(dòng)為用戶尋找最優(yōu)的回家線路。要實(shí)現(xiàn)該功能首先要確定終點(diǎn)家的位置。家的位置可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢家的經(jīng)緯度信息，手動(dòng)輸入并保存到Android自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果不知道家的經(jīng)緯度信息，也可以利用系統(tǒng)自動(dòng)輸入，在家的位置處系統(tǒng)軟件可以定位得到家的位置信息，用戶可以根據(jù)提示保存家的位置，完成終點(diǎn)確定。

圖7 查詢路線結(jié)果圖

其次要確定起點(diǎn)，即當(dāng)前定位的位置，由系統(tǒng)自動(dòng)完成。根據(jù)起始點(diǎn)，完成路線標(biāo)注。主要代碼如下：

4 系統(tǒng)的運(yùn)行及測(cè)試分析

測(cè)試UM220模塊的可用性，采用的是Unicore Control信號(hào)測(cè)試軟件，通過(guò)串口將其連接到PC 上。圖8是軟件顯示的效果。

左上是接收的北斗衛(wèi)星的個(gè)數(shù)和信號(hào)強(qiáng)度，左下是GPS衛(wèi)星的個(gè)數(shù)和信號(hào)強(qiáng)度，中間是衛(wèi)星的星座圖，顯示接收機(jī)當(dāng)前跟蹤的所有衛(wèi)星，右邊是軌跡及精度因子。圖中顯示的當(dāng)前經(jīng)度為119.978 684 000，緯度為31.818 590 00，對(duì)應(yīng)的是常州某高校實(shí)驗(yàn)室的位置。

將導(dǎo)航應(yīng)用程序下載安裝到OK6410開(kāi)發(fā)板，保證開(kāi)發(fā)板網(wǎng)絡(luò)連通，程序運(yùn)行效果略——編者注。通過(guò)驗(yàn)證，“查詢周圍”、“查詢路線”、“一鍵回家”、“地圖切換”、“重新定位”等功能基本達(dá)到了預(yù)定的工作效果，實(shí)現(xiàn)了雙模式衛(wèi)星定位的功能。

但也發(fā)現(xiàn)很多需要改進(jìn)的地方，如定位精度沒(méi)有理想的準(zhǔn)確；由于地圖數(shù)據(jù)涵蓋范圍的局限，使查詢功能有一定的限制；路徑選擇的精度也需要提高。

圖8 UM220模塊在Unicore Control測(cè)試結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

將北斗和GPS結(jié)合起來(lái)服務(wù)于我國(guó)的車載導(dǎo)航事業(yè)，對(duì)于發(fā)展我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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