何泓稼，劉培培，蔣艷麗，江智威

(成都理工大學 信息科學與技術學院(網絡安全學院、牛津布魯克斯學院)，四川 成都 610059)

0 引 言

導航在人類歷史的發(fā)展進程中一直起著相當重要的作用。早在20世紀60年代初期，美國政府機構就對三維定位的衛(wèi)星系統(tǒng)產生興趣，并于1964年成功開發(fā)世界上第一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)——子午衛(wèi)星系統(tǒng)。在這之后，世界各國相繼發(fā)展并不斷完善自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)、獨立運行的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，自20世紀70年代發(fā)展至今，現與GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)一起被譽為全球四GNSS。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間部分、地面運行控制部分和用戶終端部分組成。北斗導航終端設備已在多個領域有實際應用，并在近年的汶川、舟曲救災過程中發(fā)揮了關鍵作用。國內司南導航、華測導航和芯星通等多家單位不斷研究、開發(fā)新的北斗導航終端設備或接收機，并把各種新技術融入其中，使得北斗衛(wèi)導終端設備能夠適應各種應用需求。

北斗導航具有很好的精度，但是因為地理位置，海拔高低的不同而影響其工作的穩(wěn)定性。

文中以北斗衛(wèi)星導航終端設備為主進行分析與研究，在此基礎上分析并利用STM32進行實踐，并且使用最小二乘法減小所測經緯度的誤差，使最后的結果更加準確。

1 系統(tǒng)總體設計

北斗導航接收系統(tǒng)主要以STM32F103C8T6單片機為核心，以北斗衛(wèi)星接收模塊和LCD12864液晶屏為原器件。北斗導航接收系統(tǒng)框圖如圖1所示，具體方案為：當單片機上電時，接收到外界的指令需要輸出經度和緯度，調節(jié)相應的地理位置服務程序處理后，在顯示屏上得到輸出的目標。并且可以通過按鍵刷新經度與緯度的數據，同時顯示不同的海拔和時間。根據所要求的功能，可以顯示目標所在的經緯度，并且可以通過調試，系統(tǒng)測試之后精準顯示目標的位置[1]。

圖1 北斗接收系統(tǒng)框圖

2 硬件模塊介紹

2.1 STM32F103C8T6主控模塊

STM32F103C8T6內核——32位的微控制器系統(tǒng)，其容量為64 KB，ARM Cortex-M性能。啟動電壓為1.9 V～3.5 V，工作溫度為35 °C～75 °C。其引腳圖如圖2所示，相關參數如表1所示[2]。

圖2 STM32引腳

STM32F103是一種增強型系列，它是由名叫意法半導體的公司所發(fā)明的。這個集團使用了性能比較高的處理器，內核的工作頻率在69～73 MHz之間[3]。內核存在著高速存儲器，加速數據的處理。其中內核含有128K字節(jié)的閃存,同時含有20K字節(jié)的SRAM。內核的優(yōu)點是增強了I/O口的接觸性能以及到兩條APB總線的外設情況。這個類型的所有系列包括3個通用的16位計數/定時器、PWM定時器、兩個12位的ADC、多個通信接口、一個CAN、一個USB、三個USART和兩個SPI[4]。

STM32擁有的ARM核心，與世界上目前所有的ARM工具和軟件兼容。

表1 STM32數據參數

2.2 BD ATGM332D-5N 3X電路模塊

BD ATGM332D-5N 3X模塊是一塊北斗GPS雙模塊，在插上電，使用過后，模塊的主電源斷開，最特別的優(yōu)點是后備電池可以保存一個小時左右的北斗數據。這種性能的優(yōu)點是以此來支撐溫啟動和熱啟動，以至于在顯示上實現精確的定位。北斗導航模塊共有5個引腳，分別是VCC、GND、TXD、DXD、PPS，其功能如表2所示。

表2 北斗導航模塊引腳輸出

其中，PPS引腳的部分要求很嚴格。而且連接到模塊之后，在內部自身狀況好的情況下，自帶狀態(tài)指示燈：PPS，這種狀態(tài)指示燈對需求很嚴格，PPS對接BD ATGM332D-5N 3X的輸出端口，輸出端口叫TIMEPULSE端口，TIMEPULSE這個數據端口的性能很強，如其抗輸入特性很強。這種輸出特性對配置要求很高，通過程序進行默認設置[5]。可以顯示的狀態(tài)為：PPS(即引腳)。

PPS靜態(tài)的條件下，如出廠設置下，有2個狀態(tài)：

(1)持續(xù)亮，這個情況表示系統(tǒng)工作，工作但未實現定位。

(2)黃燈閃爍一段時間，約100 ms滅，900 ms亮。這時模塊為安全，表示定位成功。

這樣，通過PPS指示燈的專門特性，就可以很方便、及時地判斷模塊的當前狀態(tài)。

2.3 北斗和單片機連接線模塊

根據北斗導航模塊的引腳功能，設計出其與單片機的電路連接，BD ATGM332D上的接口逐一與相應的接口連接：TXD->RXD，RXD->TXD，GND->GND，VCC->VCC(5V)，如圖3所示。

圖3 北斗導航模塊與單片機電路連接圖

2.4 LCD12864液晶電路設計模塊

液晶顯示模塊可以大大降低數據的不清晰度，在上面顯示字母、數字。還有更加突出的中文字型及圖形的特點，可以呈現所需要呈現的大小圖。LCD12864共有20個引腳，但只需要4個引腳[6]。LCD12864性能參數如圖4所示。

漢字格式8×4個(16×16點陣)漢字格式(128(列)x 64(行))中文字型8 192個中文字型三種控制接口①8位微處理接口;②串行接口;③4位微處理接口ROM字型內置2M-位元中文字型ROM(CGROM)容量16K位的存儲容量繪圖區(qū)域64×256點圖形可以與文字混合

3 系統(tǒng)算法設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

通過Keil仿真軟件以及調試可以初步看到結果，顯示器上觀察。在Keil-uVision5平臺上，采用C語言編寫程序[7]。北斗導航接收系統(tǒng)采用模塊化程序設計，除主程序外，還包括BD ATGM332D-5N 3X接收模塊程序和LCD12864顯示模塊程序。北斗導航接收系統(tǒng)的主程序如圖5所示。單片機、串口、12864初始化之后，接收到傳過來的數據，顯示在液晶上[8]。

分析步驟如下：

(1)電源通電，系統(tǒng)對STM32單片機、串口、LCD12864進行初始化。

(2)STM32接收外界的指令需要輸出經度和緯度，調節(jié)相應地理位置服務程序處理后，在顯示屏上得到輸出目標。

圖5 主程序流程

(3)通過按鍵刷新經度與緯度的數據，同時顯示不同的海拔和時間。

(4)通過調試、系統(tǒng)測試之后精準顯示所需要的位置。

(5)將經度和緯度的測量結果進行加權計算，加權計算公式為：

Y=(1-M/100)×N1+(M/100)×N2

(1)

其中，Y為加權計算后的距離，M為定點到所測距離，N1為所測地理位置的經度，N2為所測地理位置的緯度。

(6)將加權計算后的距離帶入所求得的線性回歸模型，求出最終結果。

(7)最終結果的輸出包含多種形式，如可以通過LCD12864液晶顯示屏幕直接顯示所需要的經度和緯度。

LCD程序流程如圖6所示。

圖6 LCD程序流程

第一，把先前的LCD模塊的I/O口設定為輸出接口，設計到需要用哪些輸出設置接口，必須要根據之前所設計的電路圖和LCD設計的通信模式來確定。

第二，通過設定的初始化框圖的情況，對LCD類似的原器件進行初始化，以此來開啟LCD的液晶顯示，這么做是為以后的數字和字符顯示打下基礎。

第三，根據設計的程序框圖，將需要顯示的字符傳遞到LCD，這樣就可以正常顯示[9]。

3.2 最小二乘回歸校正算法

目前中國在實際的應用中多采用的是正常高，而頻繁使用的北斗導航定位技術所測量的數據基本上是大地高，對此需要將北斗導航的大地高轉換成正常高。比較傳統(tǒng)的多項式擬合法在高程擬合中應用較為廣泛，二次曲面擬合是經過大量實驗驗證并且靜度較好、使用場合最多的一種多項式擬合方法，但是傳統(tǒng)的二次曲面法是基于最小二乘LS(least square)原理的，并不能考慮到系數矩陣中的誤差[10]。為解決這一個問題，需要引入整體最小二乘法(total least square，TLS)和加權整體最小二乘法(weighted total least square，WTLS)[15]。二次曲面擬合的最小二乘法的數學模型為：

(2)

文中采用的是一階最小二乘回歸，故所求的回歸模型表達式為：

y(x)=jx+a

(3)

其中，y(x)為最小二乘回歸校正后的距離，x為經度與緯度之間的誤差經過加權計算后的距離，j、a為待確定系數。j、a的值滿足方差Z取值最小[11]。

(4)

其中，yi為實際距離，xi為測量距離。將式(4)分別對j、a求解偏微分，并令其為0，則j、a的求解公式為[12]：

(5)

利用所測得的數據，求出j、a并帶入式(3)，可以解得最小二乘回歸模型為：

y(x)=0.223 1x+0.090 2

(6)

4 北斗導航接收系統(tǒng)測試分析

對本地的經緯度測試完成后，對數據進行整理，當STM32單片機上電時，通過BD ATGM332D-5N 3X接收所在地的經度和緯度[13]，調節(jié)相應的地理位置服務程序處理后，在LCD12864顯示屏上得到輸出的經緯度[14]。用LCD12864顯示的經緯度作為測量數據，高德地圖查詢本地的最官方的經緯度數據為真實數據，最后用文中所提出的公式加以計算得出表3、表4的數據?，F實驗如下，以家為定點作為第一組，以學校為定點作為第二組，測量經緯度，對兩者數據進行加權，校正后觀察、記錄、統(tǒng)計和分析。

根據表3、表4，再對6次測量結果進行加取平均值，第一組經度的平均誤差為0.43%，緯度的平均誤差為0.14%。第二組經度的平均誤差為0.1%，緯度的平均誤差為0.09%。

表3 第一組結果記錄

表4 第二組結果記錄

利用式(6)繼續(xù)對兩組加權后的經度和緯度進行最小二乘回歸校正。校正后結果值如表3、4所示，對6次測量的誤差分別取平均值，第一組經度的平均誤差為0.30%，緯度的平均誤差為0.08%。第二組的經度平均誤差為0.08%，緯度平均誤差為0.05%。

由上述計算可以知道，經校正后的第一組經度誤差由0.43%降至0.30%，緯度誤差由0.14%降至0.08%。第二組經度誤差由0.1%降至0.08%，緯度誤差由0.09%降至0.05%。實驗結果表明，根據所處地理位置的不同而采用加權平均計算減小誤差的方法與現有的工具進行比較，可以看出，在目前原有的傳統(tǒng)工具的基礎上，有效地減小了因地理位置的不同而帶來的誤差，而且也是可行且有效的，使得結果更加具有穩(wěn)定性[15]。

5 結束語

通過實驗得出結論，實現北斗導航系統(tǒng)的設計與應用。通過多次測試，最終在這個設計上實現以STM32F103C8T6單片機為核心，通過C語言編程的方法可以得到定位系統(tǒng)的功能，基本上實現了實時定位的功能，最后在經過加權平均計算和最小二乘法回歸算法正確地處理數據，可以使得測量出來的誤差更小、更精準。目前北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在船舶運輸、公路交通、鐵路運輸、海上作業(yè)、漁業(yè)作業(yè)、森林火災預防、環(huán)境管理監(jiān)測等領域應用廣泛，覆蓋部隊、公安、海關等其他有特殊指揮調度要求的單位，產生了顯著的經濟效應和社會效應。北斗的應用規(guī)模和范圍也隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)功能和性能的不斷提高與完善，將逐漸擴大，前景可觀。當今世界，數字電子系統(tǒng)越來越先進，集成度越來越高。價格低廉，更好地顯示了圖像和數字，大大地簡化了制作的時間和成本。