劉　娜

(遼寧機電職業(yè)技術學院 信息系，遼寧 丹東　118009)

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北斗衛(wèi)星在漁船定位系統(tǒng)中的應用

劉娜

(遼寧機電職業(yè)技術學院 信息系，遼寧 丹東118009)

摘要：漁船過去使用的是GPS衛(wèi)星定位，一旦遇險船長難以根據定位系統(tǒng)報告自身位置，給救助帶來了不便。GPS完全受美國軍方控制，經常在接收區(qū)域里增加干擾并降低準確度。針對這種情況，本文設計了成本低的北斗衛(wèi)星實時定位顯示系統(tǒng)，用于漁船定位，保障航行安全。北斗系統(tǒng)具有獨特的三頻信號、短報文通信服務、高定位精度等特點，漁港監(jiān)督部門可以非常直觀地了解到目前漁船所處的位置，一旦漁船遇險，可以通知離其最近的漁船參與救援，提高了安全性。

關鍵詞：漁船；北斗衛(wèi)星；實時定位；顯示系統(tǒng)

繼美國的全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯之后，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研制，世界上第三個投入運營的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它具有雙向通信、實時導航、精密授時等特點，已經廣泛應用于國防、通信、經濟生活多個領域。之前全球衛(wèi)星定位技術作為監(jiān)控實現的關鍵技術在相當長的一段時間內都被美國壟斷。我國每年僅在購買GPS衛(wèi)星導航終端設備方面都要花費大量的外匯。另外在很多涉及到信息技術的產業(yè)和領域，需要擁有自主知識產權的技術支撐。因此，北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)具有極其重要的戰(zhàn)略意義。本研究基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)設計了一個北斗衛(wèi)星顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)安裝在出海的漁船上，使用效果良好[1]。

1北斗衛(wèi)星顯示系統(tǒng)功能要求

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃由35顆衛(wèi)星組成，目前已經發(fā)射了20顆。隨時有4顆衛(wèi)星就可以對目標進行定位。眾多電子產品正將北斗系統(tǒng)應用于交通運輸、水文監(jiān)測、氣象測報、森林防火、電力調度、通信授時、減災救災等諸多領域?，F在正在服役的“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)的三顆衛(wèi)星都定位在距地面36000km的地球同步軌道上，而美國的GPS由24顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星距地面的高度均為20000km。

北斗定位系統(tǒng)由中國自主建設，包括空間段、北斗地面段和用戶終端三部分組成。空間段主要包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成。地面段主要包括主控站、測軌站和計算中心等，主要用來控制和校正衛(wèi)星運行參數，并完成對用戶定位信息的解算。用戶終端由北斗用戶終端或者GPS等其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端組成。

在實際應用中，用戶終端收到軌道衛(wèi)星的信號后，經過解調輸出標準格式的定位數據，該數據必須經過處理后才能在LCD屏幕上顯示。本系統(tǒng)主要是關于用戶終端的設計，由單片機、LCD顯示模塊、北斗定位模塊、串口模塊、報警模塊等組成。能實時顯示經緯度、時間和橢球高等信息[2]。

2北斗衛(wèi)星顯示系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)示意圖如圖1所示，用戶終端系統(tǒng)的框圖如圖2所示。系統(tǒng)硬件電路主要由單片機模塊、液晶顯示模塊、USB轉串口模塊、北斗模塊和電源模塊等組成。系統(tǒng)以MSP430單片機為核心控制器件，使用串口和北斗定位模塊UM220通信，接收北斗模塊輸出的信息，再將收到的信息處理后顯示到LCD上。通過鍵盤可以設計報警區(qū)，當出現報警情況時，進行聲光報警，并且將報警信息顯示在LCD屏幕上。

圖1　北斗衛(wèi)星顯示系統(tǒng)示意圖

圖2 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)硬件原理圖

2.1北斗定位模塊UM220簡介

UM200是和芯星通科技生產的，包括導航、監(jiān)控應用功能的BDS/GPS雙模定位模塊。它是該系列模塊的第三代產品，是目前市場上尺寸最小、完全國產化的BDS/GPS模塊，集成度高、低功耗，易于應用，具有出色的導航、定位和授時功能，非常適合車輛監(jiān)控、氣象探測和電信電力授時等領域的應用需求[3]。

(1)模塊特點：

模塊有兩種定位模式：DB2或GPS系統(tǒng)單獨定位，BD2與GPS系統(tǒng)混合定位；2個頻點BD2 B1和GPS L1；有UART、事件輸入、SPI、1PPS和I2C接口；定位時間重捕獲<1s，冷啟動為35s ,熱啟動1s；空位精度為3m；速度精度為0.1m/s；電壓為直流3.0-3.6V；功能350mW；天線輸入阻抗為50歐，增益為15-50dB。

(2) 模塊引腳定義

引腳如圖3所示，有3個可以配置的串口，默認波特率是9600bps。

圖3 北斗UM220模塊引腳圖

(3)UM220模塊輸出信息格式

UM220模塊默認狀態(tài)下是GPS和BD2雙系統(tǒng)衛(wèi)星聯合定位，所以模塊數據輸出格式兼容國家海洋電子協(xié)會的NEMA-0183通信標準格式。數據以ASCII碼格式輸出，速率可以設置。

輸出的消息語句包括GGA、GLL、GSA、GSV 、RMC、VGT等，在本設計中單片機主要采集RMC和GGA消息語句，從中解析出經緯度、時間、橢球高等信息進行顯示。當進入到用戶設置的報警區(qū)，進行聲光報警。下面以GGA語句為例，詳細說明語句含義。其它的語句說明參見UM220的軟件接口協(xié)議。

GGA消息語句的格式如下：

$——GGA，<參數1>…<參數13>*hh。

各參數說明如下：消息名為GGA；參數1：UTC時間格式；參數2：北緯或南緯指示；參數3：經度；參數4：經度；參數5：東經或西經；參數6：定位狀態(tài)標識；參數7：參與定位的衛(wèi)星數；參數8：水平精度因子；參數9：橢圓高；參數10：橢圓高單位；參數11：海平面分離度；參數12：海平面分離度單位，固定為M；參數13：差分校正時延，單位為秒，非差分定位時為空；參數14：參考站ID，非差分定位時為空；*hh為校驗和。

例如實時收到一條GGA消息如下：

$GNGGA，010123.000，3142.184723，N，11852.797414，E，1，08，1.217，23.640，M，0，M，，*5B

從這條消息可解析出的信息：系統(tǒng)為GPS和BD2混合定位模式，UTC時間為01時01分23秒，北緯31°42.184723′，東經118°52.797414′，單點定位，參與衛(wèi)星數量8顆，橢圓高為23.640M，校驗和為5BH。

系統(tǒng)主要提供三種服務：定位，通信，授時。

圖4UM220模塊原理圖

電路原理如圖4所示。北斗UM220定位模塊包括3個串口，通過串口2連接單片機的串口，單片機接收UM220的信息，經過解析后在LCD屏幕上顯示[4]。

2.2電源模塊

整個系統(tǒng)需要3.3V電壓，電源轉換芯片按照供電要求采用7136-1芯片，該芯片可通過調整輸出3.3V電壓，輸出最大電流達到3A，能滿足所有模塊的供電要求。電源原理圖如圖5所示。

圖5電源原理圖

2.3USB接口模塊

CH340G是一個USB總線轉串口的芯片，具有硬件全雙工串口，內置收發(fā)緩沖區(qū)，支持的通信波特率為50bps-2Mbps。通過外加電平轉換器，可以提供RS232、RS485、RS422等接口。支持5V和3.3V電源，原理圖如6所示。CH340G串口與UM220的串口1連接。電腦安裝了上位機軟件后，可以通過USB對UM220進行參數設置，同時也可實時監(jiān)測UM220輸出的實時信息，轉換電路如圖6所示。

圖6　USB串口轉換電路

2.4液晶模塊

顯示屏為內嵌中文字庫的12864液晶顯示屏，單片機和液晶顯示屏之間采用并行連接，液晶屏的引腳D0-D7連到單片機的P0口。12864液晶顯示采用并行控制方式，LCD_RS為數據/命令選擇端，LCD_RW為讀寫選擇端，LCD_EN為使能端，LCD_PSB為并行/串行選擇端，LCD_RST為復位端?？烧{電阻RX1和電阻R1、R2為調節(jié)液晶顯示背光和對比度。電路原理圖如圖7所示。

2.5單片機模塊

圖7　液晶電路原理圖

單片機控制模塊完成系統(tǒng)的控制處理功能，主要實現對數字外設的控制、將北斗導航接收模塊接收到的定位信息進行采集、處理并將其發(fā)送給液晶顯示模塊，控制液晶顯示模塊實時顯示定位信息。本設計的單片機控制模塊為80C51系統(tǒng)微控制器的P89V51RB2，包含16Flash和1024字節(jié)的數據RAM。

該芯片可以使用X2方式的時鐘頻率運行，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。

北斗系統(tǒng)由單片機控制，通過串行口進入計算機中。計算機的虛擬機中使用嵌入式linux，使用QT軟件設計北斗顯示系統(tǒng)接收數據畫面。通過程序移植到G6410ARM實驗板，可以放在任何需要定位的環(huán)境。

3系統(tǒng)控制程序設計

程序分單片機部分和計算機顯示部分。其中單片機的系統(tǒng)軟件工作流程：系統(tǒng)初始化，顯示開機畫面，串行接收北斗模塊數據，從接收的數據解析出所需要的信息，顯示更新。系統(tǒng)軟件由主程序、消息語句接收與處理子程序、顯示子程序組成。

3.1單片機軟件設計

系統(tǒng)軟件工作流程如圖8所示。系統(tǒng)初始化，顯示開機畫面，串行接收北斗模塊數據，從接收的數據解析出所需要的信息，顯示更新。系統(tǒng)軟件由主程序、消息語句接收與處理子程序、顯示子程序組成。消息語句接收流程圖如圖9。

3.2QT軟件設計

單片機控制北斗模塊，通過串行口將數據送入計算機中。計算機需要成功搭建嵌入式系統(tǒng)軟平臺，使用的是嵌入式Linux，裝載北斗驅動程序、在QT圖形界面的設計北斗/GPS定位程序。QT是嵌入式Linux主流的GUI設計系統(tǒng)，是專門為嵌入式系統(tǒng)設計圖形用戶界面的工具包。

圖8北斗定位顯示系統(tǒng)主程序框圖

圖9 消息語句接收流程圖

QT應用程序的開發(fā)過程是新建項目文件，使用QT Designer設計界面元素，然后切換到main.cpp文件中書寫源程序，發(fā)布執(zhí)行文件，新建北斗系統(tǒng)啟動器和顯示圖標，最后編譯與仿真。

4實驗數據

計算機里QT軟件制作的北斗系統(tǒng)，程序可以移植到ARM6410實驗板中，顯示界面如圖12所示。

圖10北斗定位顯示界面

實驗證明，北斗系統(tǒng)顯示當前位置的經度是101.7652，緯度是24.1875。谷歌地球顯示當前位置是經度:101.7443;緯度:24.2121。因此本設計的北斗顯示系統(tǒng)可以實現準確定位。

參考文獻：

[1] 夏文海.北斗衛(wèi)星在浙江省漁船安全救助信息系統(tǒng)中的應用[J]. 海洋信息，2009, 202(4): 5-8.

[2] 王寶平,余江鑫,陳衛(wèi)強.北斗二代導航接收機的衛(wèi)星導航系統(tǒng)設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2013,13(7):40-43.

[3] 耿大威.基于北斗_GPS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)的車載終端設計[D].青島：中國海洋大學碩士論文，2013：24-36.

[4] 郭錦富.應用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)建設南沙漁船船位監(jiān)控系統(tǒng)[J].衛(wèi)星與網絡,2008,74(7)：48-50.

(責任編輯：劉學偉)

中圖分類號：TN967.1

文獻標志碼：A

文章編號：1009-2080(2016)01-0083-04

作者簡介：劉娜(1967-)，女，遼寧丹東人，遼寧機電職業(yè)技術學院副教授，工程碩士。

基金項目：遼寧機電職業(yè)技術學院2016年度院級教研課題“基于電子產品的單片機實訓室建設與研究”。

收稿日期：2016-01-04

doi：10.3969/j.issn.1009-2080.2016.01.021