基于北斗2代的定位跟蹤系統(tǒng)

夏永平，夏 牟，韓留軍(中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035)

基于北斗2代的定位跟蹤系統(tǒng)

夏永平，夏 牟，韓留軍
(中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035)

摘 要：主要描述了基于北斗2代衛(wèi)星的定位跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)由北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、CDMA通信網(wǎng)絡(luò)、信標(biāo)終端、服務(wù)器和監(jiān)控中心組成。信標(biāo)終端啟動時間小于45 s，語音拾取范圍2～3 m，定位精度小于10 m。具有精度更好、通信速度更快、安全性更高的特點(diǎn)，并具備CDMA信號丟失下的信息自動存儲、信號恢復(fù)后的信息補(bǔ)傳功能，能夠完整地還原目標(biāo)的整個運(yùn)動軌跡。

關(guān)鍵詞：北斗2代；定位跟蹤；CDMA

1　引言

我國現(xiàn)有的各種定位跟蹤通信設(shè)備絕大部分是基于GPS全球定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。這種嚴(yán)重依賴國外導(dǎo)航的狀況，一方面不利于國產(chǎn)技術(shù)的普及發(fā)展，另一方面也存在安全隱患，可能影響國家的利益和安全。

如今，我國自主研發(fā)的“北斗二代”(BD2)系統(tǒng)已開始正式運(yùn)營并提供區(qū)域服務(wù)。本項(xiàng)目以“北斗二代”系統(tǒng)為依托，設(shè)計(jì)了一套性能強(qiáng)大、工作可靠、成本低廉的定位跟蹤通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠應(yīng)用于通用場合的定位跟蹤，更滿足了一些弱信號場合的定位要求。

2　系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，本定位系統(tǒng)主要由北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、監(jiān)控中心和信標(biāo)終端 5部分組成。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星定位和通訊系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力；數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要完成主控手機(jī)與信標(biāo)終端間的控制指令傳輸，信標(biāo)終端定位數(shù)據(jù)回傳，語音數(shù)據(jù)回傳；監(jiān)控中心主要完成對信標(biāo)終端的配置、系統(tǒng)配置管理、用戶管理、認(rèn)證鑒權(quán)管理，統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，實(shí)時定位監(jiān)控、實(shí)時路徑追蹤、歷史行車軌跡回放和響應(yīng)終端的應(yīng)急報(bào)警；信標(biāo)終端是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，肩負(fù)定位數(shù)據(jù)回傳、語音實(shí)時偵聽、語音錄制上傳、震動檢測、數(shù)據(jù)銷毀、電壓檢測、定位及語音數(shù)據(jù)存儲功能。

圖1 跟蹤定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　信標(biāo)終端設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

圖2 信標(biāo)終端結(jié)構(gòu)框圖

信標(biāo)終端硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，硬件部分由主控制器、數(shù)據(jù)存儲器、震動傳感器、電源管理部分、時鐘模塊及定位模塊、CDMA通訊模塊、拾音器、定位天線及3G天線組成。當(dāng)MCU檢測到震動信號時，MCU將信標(biāo)開機(jī)并告知監(jiān)控平臺；同時在短信控制下，信標(biāo)具備實(shí)時語言偵聽與定位數(shù)據(jù)報(bào)告功能；當(dāng)信標(biāo)無法檢測到震動時，系統(tǒng)將進(jìn)入關(guān)機(jī)休眠狀態(tài)；MCU在收到CDMA短信銷毀指令或者間隔特定時間后將數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)銷毀；當(dāng)MCU檢測到電池供電電壓過低時，將自動通過CDMA發(fā)送短信提醒或通過監(jiān)控平臺報(bào)警；MCU將定位模塊采集的數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度與時間）每隔一定時間寫入數(shù)據(jù)存儲器，同時完成數(shù)據(jù)加密功能。

主要模塊的硬件選型如下。

（1）核心控制模塊

主控芯片主要完成各模塊間的通信，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和處理。對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并實(shí)時響應(yīng)短信指令及外部中斷，是信標(biāo)終端的核心部分。意法半導(dǎo)體公司Cortex-M4處理器，具有32位RISC內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz，外部接口豐富，終端可擴(kuò)展性高，具有一套完整的DSP指令和內(nèi)存保護(hù)單元，同時具備低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，滿足系統(tǒng)的整體需求。

（2）北斗定位模塊

北斗定位模塊主要由射頻前端、A/D轉(zhuǎn)換器、基帶信號處理和導(dǎo)航解算部分組成。射頻前端接收衛(wèi)星的射頻信號，經(jīng)前置放大器放大后，將信號下變頻為中頻信號；A/D轉(zhuǎn)換器采樣中頻信號，把模擬信號量化編碼為數(shù)字信號；基帶數(shù)字信號處理部分主要功能為衛(wèi)星信號的二維捕獲、載波相位和碼相位的跟蹤，并且測算出偽距；最后導(dǎo)航解算部分采用一定的算法消除模型誤差，求解偽距方程，解析出衛(wèi)星接收機(jī)天線的地理位置，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位，北斗定位模塊主要用來接收北斗衛(wèi)星信號。本系統(tǒng)終端采用locosys模塊，該模塊體積僅為10 mm×10 mm，標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)刷新率1 Hz；跟蹤靈敏度可達(dá)-165 dBm，開闊條件下熱啟動定位時間小于1 s，冷啟動定位時間小于45 s，滿足用戶特殊場合定位和快速定位的要求。

（3）CDMA模塊

CDMA模塊選用中興MC8630模塊，該模塊采用CDMA 1X EVDO 通信技術(shù)，使用CDMA進(jìn)行指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的回傳。CDMA 是由擴(kuò)頻、多址接入、蜂窩組網(wǎng)和頻率復(fù)用等幾種技術(shù)結(jié)合而成，具有抗干擾性好、抗多徑衰落、保密安全性高等特點(diǎn)。前向峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)3.1 Mbit/s，反向峰值數(shù)據(jù)速率1.8 Mbit/s，可以為用戶提供經(jīng)濟(jì)型高速互聯(lián)網(wǎng)接入和無線數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。

3.2軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件設(shè)計(jì)思想

軟件總體分為物理層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。物理層包括各通信模塊的硬件和物理接口，以及各自所遵循的通信協(xié)議；系統(tǒng)層指嵌入式UCOS II操作系統(tǒng)，集成了各個模塊的驅(qū)動，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)各模塊的初始化任務(wù)；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)信息處理和模塊間通信。應(yīng)用程序采用多線程的設(shè)計(jì)思想。對每個通信模塊采用獨(dú)立線程的方式可以避免程序陷入死循環(huán)，提高程序的運(yùn)行效率。

軟件根據(jù)產(chǎn)品功能劃分成多個模塊，各模塊組成情況如圖3所示，其中每個方塊表示一個模塊，每個模塊包含一個獨(dú)立的線程和相應(yīng)的資源，相對獨(dú)立地完成某個功能，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于提高軟件的內(nèi)聚性，降低功能之間的耦合，使得軟件能很方便地修改已有功能或擴(kuò)展新功能，對于今后同類產(chǎn)品也能做到代碼重用，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

圖3 軟件組成框圖

3.2.2 關(guān)鍵軟件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)層指嵌入式UCOS II操作系統(tǒng)，集成了各個模塊的驅(qū)動，主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（1）BD模塊控制

BD定位模塊軟件部分主要包括定位模塊的初始化、復(fù)位、休眠、喚醒、定位數(shù)據(jù)的獲取等部分。獲取數(shù)據(jù)為NEMA格式的導(dǎo)航電文。從電文中可提取出經(jīng)緯度、實(shí)時時間、速度信息。主要信息從GGA語句中提取。

（2）CDMA模塊控制

CDMA模塊軟件部分包括CDMA模塊的初始化、復(fù)位或者通信狀態(tài)、撥打電話、短信的收發(fā)等部分。通信采用AT指令，該模塊在設(shè)計(jì)時又細(xì)分了“通用AT指令收發(fā)層”和“AT指令處理層”，目的是提高代碼可維護(hù)性。在處理AT指令的時候又分為同步指令處理和異步指令處理，提高響應(yīng)速度。

（3）錄音控制

錄音控制軟件部分主要由文件的查找、記錄、讀取和刪除組成。為了提高存儲卡的利用率，同時減少文件傳輸時間，降低功耗，在不影響錄音質(zhì)量的前提下對音頻文件采用了ADPCM算法，錄音文件大小減小到了原來的1/8，從而減少了錄音文件存儲所占用的存儲空間，也加快了文件傳輸?shù)乃俣取?/p>

3.3外形設(shè)計(jì)

圖5 整體外形結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)小巧，殼體上集成開關(guān)機(jī)按鍵、開關(guān)機(jī)指示燈、充電接口和充電指示燈，使用簡單。外殼底部附有強(qiáng)力磁鐵，安裝簡易，不用連線，吸附車體即可使用。

4　上位機(jī)軟件界面演示效果圖

上位機(jī)軟件可使用離線地圖或者百度、GOOGLE在線地圖顯示信標(biāo)位置。在線地圖精度更高，離線地圖方便在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下使用。信標(biāo)終端定位顯示界面如圖6所示，信標(biāo)終端軌跡回放功能如圖7所示。

圖6 信標(biāo)終端定位顯示界面

圖7 信標(biāo)終端軌跡回放界面

5　總結(jié)

信標(biāo)終端經(jīng)過測試啟動時間小于45 s，語音拾取范圍2～3 m，定位精度小于10 m，待機(jī)電流7 mA，待機(jī)時間可達(dá)23天，吸附力大于5 kg。具備自動開機(jī)、自動休眠、文件補(bǔ)傳、文件加密、位置補(bǔ)充等功能特點(diǎn)，已成功通過用戶的測試試驗(yàn)，并完成了樣品的交付、評審。

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The Realization of a Positioning and Tracking System Based on BD2 Satellite

XIA Yongping, XIA Mou, HAN Liujun
(China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China)

Abstract:The realization of a positioning and tracking system based on BD2 satellite is described in this paper. The system is consisted by BD satellite system, CDMA communication network, beacon terminals, server and monitoring centre. Beacon start time less than 45 seconds, monitoring scope 2～3 meters, positioning accuracy is less than 10 meters, performer better in accuracy, communication speed and security level, meanwhile this system have the function of automatic data storing in the situation of dropping CDMA signal and data resending after that, which makes the recurrences of whole target movement track possible. Keywords: BD2; positioning and tracking; CDMA

收稿日期：2015-7-6

作者簡介：

夏永平（1973—），男，高級工程師，畢業(yè)于南京理工大學(xué)電子工程專業(yè)，現(xiàn)從事射頻電路設(shè)計(jì)方面的研究工作。