王賽云，王冠宇，黃智丹，曲洪斌

(北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在人們的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，人們?cè)谌粘５某鲂兄幸搽x不了導(dǎo)航技術(shù)，目前世界上有四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，分別是GPS、GLONASS、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS 是在美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)；GLONASS 是由原蘇聯(lián)國(guó)防部獨(dú)立研制和控制的第二代軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其中，GPS 在國(guó)內(nèi)的使用較為廣泛，但這一技術(shù)始終屬于國(guó)外技術(shù)，它的使用要受到國(guó)外技術(shù)的限制，因此研發(fā)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被提上日程，它是中國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012 年12 月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)放運(yùn)行，開(kāi)始為我國(guó)及周邊區(qū)域全天候全天時(shí)提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)及短報(bào)文通信服務(wù)[1]。

基于北斗信息及移動(dòng)互聯(lián)的綜合網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)管平臺(tái)的研究，采用北斗GIS 的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，集合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，前端數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)等共同構(gòu)建。此平臺(tái)可應(yīng)用于政府的在線指揮監(jiān)管或者企業(yè)的移動(dòng)監(jiān)控，在電子地圖上可以對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控或監(jiān)管對(duì)象實(shí)施定位，使用PC 客戶(hù)端，手機(jī)終端即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤服務(wù)。具備多層管理機(jī)制，功能強(qiáng)大，在此平臺(tái)下進(jìn)行二次應(yīng)用開(kāi)發(fā)，可針對(duì)不同行業(yè)、不同部門(mén)快速實(shí)現(xiàn)功能定制等。是政府、企業(yè)在現(xiàn)代信息技術(shù)社會(huì)中第一時(shí)間掌握信息的最好平臺(tái)。利用現(xiàn)代通信技術(shù)、電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)設(shè)計(jì)基于北斗的數(shù)據(jù)探測(cè)前端，重點(diǎn)研究電路的抗干擾技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及數(shù)據(jù)通信技術(shù)；利用普及的手機(jī)終端，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的APP 軟件，自行下載應(yīng)用，構(gòu)建基于北斗信息的監(jiān)控應(yīng)用平臺(tái)，重點(diǎn)研究多用戶(hù)數(shù)據(jù)算法；利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及服務(wù)器應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛人員的實(shí)時(shí)定位、跟蹤平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)研究多用戶(hù)的數(shù)據(jù)管理以及大數(shù)據(jù)的處理技術(shù)。

我國(guó)自主的北斗衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用是解決依賴(lài)GPS 的關(guān)鍵，研制開(kāi)發(fā)基于嵌入式的北斗數(shù)據(jù)應(yīng)用終端，并結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建基于北斗信息的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái)，應(yīng)用于政府的在線指揮監(jiān)管或者企業(yè)的移動(dòng)監(jiān)控，在電子地圖上可以對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控或監(jiān)管對(duì)象實(shí)施定位，使用PC 客戶(hù)端，手機(jī)終端即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤服務(wù)。

2 北斗定位算法

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研制并投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可分為有源（主動(dòng)式）和無(wú)源（被動(dòng)式）兩種，北斗一號(hào)采用的有源定位方式，即當(dāng)有定位導(dǎo)航的需要時(shí)，用戶(hù)還需要將信號(hào)主動(dòng)發(fā)送給衛(wèi)星，這就存在極大的隱患，在信號(hào)傳送給衛(wèi)星過(guò)程中極易被他人獲取，從而暴露自己的位置，北斗二號(hào)則采用被動(dòng)式定位方式，在進(jìn)行定位時(shí)無(wú)需發(fā)送信號(hào)，只需要接收不少于4 顆來(lái)自北斗衛(wèi)星發(fā)送的定位信息就可以計(jì)算出各種參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精確定位[2-3]。

本課題需要首先研究基于北斗數(shù)據(jù)的研究和處理，然后設(shè)計(jì)研發(fā)基于北斗的數(shù)據(jù)探測(cè)前端，北斗通過(guò)天線進(jìn)行信號(hào)接收，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)傳輸經(jīng)信號(hào)解算模塊將位置信息進(jìn)行解讀，組成圖如圖1 所示。

圖1 北斗信號(hào)接收裝置基本組成結(jié)構(gòu) Fig.1 Basic structure of Beidou signal receiving device

通過(guò)天線接收到的信號(hào)傳輸?shù)缴漕l模塊，射頻模塊將信號(hào)進(jìn)行放大，再通過(guò)基帶模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，處理好的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，最后通過(guò)定位解算模塊經(jīng)有用信息提取出來(lái)。

3 設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)共分為三部分，通過(guò)建設(shè)包括由系統(tǒng)服務(wù)端、定位信號(hào)設(shè)備終端和移動(dòng)控制終端構(gòu)成的定位監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)終端定位設(shè)備的跟蹤和管理。系統(tǒng)服務(wù)端的內(nèi)部有提前建立好的數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以接收來(lái)自于定位設(shè)備信號(hào)發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)還可以將這些數(shù)據(jù)再發(fā)送給移動(dòng)控制終端，定位信號(hào)設(shè)備終端設(shè)備由被監(jiān)測(cè)人員佩戴，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備定位的功能，能夠接收以短信形式的喚醒，能夠通過(guò)socket 協(xié)議，持續(xù)發(fā)送本設(shè)備的標(biāo)示信息、位置信息和時(shí)間信息給服務(wù)端。能夠接收以短信形式的休眠命令，休眠期間不對(duì)外發(fā)送定位信息。具備服務(wù)器地址修改功能。一旦服務(wù)器地址發(fā)生改變，可通過(guò)短信形式向終端發(fā)送，終端接收到改寫(xiě)短信后，可按照短信提示的服務(wù)器地址進(jìn)行更改；移動(dòng)控制終端接受來(lái)自系統(tǒng)服務(wù)端的坐標(biāo)信息然后在地圖上進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)定位終端實(shí)時(shí)位置的確定。圖2 表示的是系統(tǒng)的整體框圖。本文主要就定位信號(hào)設(shè)備終端的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

圖2 系統(tǒng)框圖 Fig.2 System block diagram

4 定位信號(hào)設(shè)備終端

定位終端的功能就是對(duì)實(shí)時(shí)的地理位置和時(shí)間等信息進(jìn)行采集，采集之后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析然后發(fā)送給通信模塊，通過(guò)通信模塊將信息發(fā)送出來(lái)，定位終端的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，電路設(shè)計(jì)包括北斗定位模塊、北斗天線、供電電路、通信模塊以及各種外圍電路。

圖3 定位終端的結(jié)構(gòu)框圖 Fig.3 Structure block diagram of positioning terminal

在進(jìn)行定位時(shí)用戶(hù)點(diǎn)擊“定位”功能按鈕向定位終端發(fā)送定位指令，指令以短信格式發(fā)送給終端，終端收到指令后啟動(dòng)北頭定位模塊，并將經(jīng)緯度坐標(biāo)、方向、時(shí)間和終端SIM 卡號(hào)發(fā)送到指定服務(wù)器。定位終端可按一定時(shí)間規(guī)律向指定服務(wù)器發(fā)送經(jīng)緯度坐標(biāo)、方向、時(shí)間信息，并且周期時(shí)間可以通過(guò)用戶(hù)手機(jī)向定位終端發(fā)送命令字短信設(shè)定。

4.1 定位模塊

通過(guò)北斗定位模塊獲取位置的準(zhǔn)確信息是系統(tǒng)得以運(yùn)行的根本，接收信息模塊選用的是芯星通公司的UM220，這款模塊可以以1Hz 的數(shù)據(jù)更新率不斷發(fā)送NMEA-0183 通信協(xié)議的單行報(bào)文[4-5]。UM220是針對(duì)車(chē)輛監(jiān)控/導(dǎo)航、手持設(shè)備等應(yīng)用推出的北斗/GPS 雙系統(tǒng)模塊。模塊尺寸小、重量輕，具有超低功耗，因此特別適合應(yīng)用在對(duì)尺寸、功耗要求高的北斗規(guī)模應(yīng)用。

北斗衛(wèi)星發(fā)射來(lái)的信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)行接收，由于接收到的信號(hào)比較混雜，因此需要通過(guò)射頻前端將無(wú)用波段濾除，然后通過(guò)低噪聲放大器將信號(hào)放大，再通過(guò)變頻器使信號(hào)混頻，之后經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)量變?yōu)閿?shù)字信號(hào)量，信號(hào)經(jīng)過(guò)上述處理后還需要經(jīng)過(guò)基帶信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤和測(cè)量，通過(guò)這些處理信號(hào)會(huì)被傳送到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，最后通過(guò)解算模塊對(duì)定位位置信息進(jìn)行解算。

4.2 控制模塊

控制模塊的運(yùn)行處理速度對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著極為重要的作用，本系統(tǒng)無(wú)需太大的計(jì)算量，因此選用ARM 公司的STM32F103CBT6 芯片，這款產(chǎn)品集72MHz 的工作頻率、512K 的Flash 存儲(chǔ)容量和64K 的SRAM 容量于一身，用戶(hù)可根據(jù)需要開(kāi)發(fā)外設(shè)。

在前文中提到過(guò)，控制模塊既要接收來(lái)自定位模塊的定位信息，又要將信息發(fā)送給通信模塊，控制器有三個(gè)串口可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在本設(shè)計(jì)中，串口1 用來(lái)實(shí)現(xiàn)與通信模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，串口2 用來(lái)實(shí)現(xiàn)與定位模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，其外圍電路還包括各種指示電路、最小系統(tǒng)和電源部分；電路原理圖如圖4 所示。

圖4 控制模塊電路原理圖 Fig.4 Circuit schematic diagram of control module

4.3 通信模塊

通信模塊采用M35 芯片，M35 模塊的外圍電路包括串口通信電路、天線部分、供電電路和無(wú)線通信電路，M35 模塊通過(guò)與SIM 卡的連接搭乘GPRS 網(wǎng)絡(luò)與外界實(shí)現(xiàn)聯(lián)系，將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)服務(wù)端，如果所應(yīng)用的場(chǎng)合所需要的傳輸速率要求更高時(shí)，可以根據(jù)要求改用3G、4G 或者WIFI 通信模塊。此外，M35 芯片外圍還連有兩個(gè)音頻通道，分別用來(lái)模擬揚(yáng)聲器模式和聽(tīng)筒模式，SIM 卡按照引腳說(shuō)明與通信模塊進(jìn)行連接。

通信模塊M35 可直接與系統(tǒng)服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)一系列的指令可實(shí)現(xiàn)通信，如表1 所示：

表1 指令功能表 Table 1 Instruction Function Table

電路在工作過(guò)程中，為保證處于有效工作狀態(tài)，在外圍電路中設(shè)置了工作指示燈，其中LED1 表示的是UM220 工作指示燈，LED2 表示的是開(kāi)關(guān)機(jī)工作指示燈，當(dāng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)操作時(shí)，指示燈同時(shí)閃爍表示此操作在進(jìn)行，LED3 表示的是系統(tǒng)工作指示燈。以上功能的實(shí)現(xiàn)都必須保證電路處于通電狀態(tài)，系統(tǒng)采用鋰電池為電路供電，為滿足不同模塊的電壓需求，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路分出不同的壓降，定位信號(hào)設(shè)備終端最終的PCB 圖如圖5 所示。

圖5 設(shè)備終端PCB 圖 Fig.5 Device Terminal PCB Diagram

在系統(tǒng)工作之前，首先需要判斷能否進(jìn)行有效連接，即判斷GPRS 是否可以附著成功，能否實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，流程圖如圖6 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

圖6 連接流程圖 Fig.6 Connection flow chart

本文是基于北斗信息及移動(dòng)互聯(lián)的綜合網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)管平臺(tái)的研究，采用的是北斗定位模塊和GPRS通信模塊組合，通過(guò)定位終端將信息發(fā)送給系統(tǒng)服務(wù)端，然后再將信息傳送給控制終端，本文只是對(duì)定位終端的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行闡述，對(duì)系統(tǒng)服務(wù)端的設(shè)置和移動(dòng)控制端APP 的開(kāi)發(fā)沒(méi)有做更詳細(xì)的闡述。本課題將北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)和嵌入式處理技術(shù)等諸多技術(shù)結(jié)合起來(lái)研制和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，使用了高性能嵌入式處理單元，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證基于北斗衛(wèi)星信息終端數(shù)據(jù)的收發(fā)的數(shù)學(xué)模型；在計(jì)算機(jī)算法中將大數(shù)據(jù)融合技術(shù)、模糊邏輯與查表技術(shù)想結(jié)合，應(yīng)用于北斗信息及移動(dòng)互聯(lián)的綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，提高了系統(tǒng)精度；大數(shù)據(jù)的融合及多用戶(hù)同步運(yùn)行的算法實(shí)現(xiàn)。這款平臺(tái)經(jīng)二次開(kāi)發(fā)可以適用于個(gè)人位置服務(wù)、道路交通管理、應(yīng)急救援等不同的領(lǐng)域，通用性較強(qiáng)，且易攜帶，能夠?qū)崿F(xiàn)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位，具有較高的實(shí)用性。