基于BD／GPS的雙模船載導航系統(tǒng)設計＊

許培培，楊國豪，徐軼群

（集美大學輪機工程學院，廈門361021）

引 言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）是我國正在實施的自主建設、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。有著集定位、授時、短報文通信及用戶檢測于一體的優(yōu)勢，然而目前北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實際應用并不理想，用戶終端設備價格偏高且研發(fā)滯后，應用規(guī)模不大。尤其在航海領域，許多與衛(wèi)星導航有關的先進設備、先進技術（如電子海圖導航系統(tǒng)）暫不支持北斗衛(wèi)星導航服務，目前船載衛(wèi)星導航系統(tǒng)中使用最普遍的仍是GPS系統(tǒng)。

本文利用現(xiàn)有的電子海圖導航系統(tǒng)，在其基礎之上同時加載北斗及GPS導航定位信息，選用泰斗微電子科技有限公司推出的支持BD2／GPS的雙模授時定位模組實現(xiàn)北斗／GPS衛(wèi)星導航信息的接收，選用具有雙串口的一款單片機負責系統(tǒng)的控制、信息采集、傳輸，最終實現(xiàn)電子海圖導航系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的對接，對北斗衛(wèi)星在航海領域的民用推廣有一定意義。

1 總體結構與功能

本系統(tǒng)將導航信息進行解析轉換，通過串口傳遞給上位機，最終在電子海圖顯示系統(tǒng)中顯示定位導航。按照功能要求，可將系統(tǒng)分為單片機控制模塊、BD／GPS雙模接收模塊、串口通信模塊、存儲系統(tǒng)、電源模塊等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 硬件設計

2.1 北斗／GPS雙模接收模塊

TD3017芯片是北斗／GPS雙模接收模塊的核心，它是一款支持BD2B1／GPS L1的雙模授時定位模組，內部整合了雙?；鶐酒透咝阅芸膳渲玫碾p模雙通道射頻芯片，提供高精度、高靈敏度、低功耗、低成本的BD2／GPS雙模導航、授時服務，且具備天線狀態(tài)檢測及天線短路保護功能，支持休眠工作模式，支持軟件升級等功能［1]。

通常情況下，北斗／GPS雙模接收模塊通過外接BD2 B1／GPS L1有源天線，可接收到北斗B1頻段（即1561.098±2.046MHz）及GPS的L1頻段（即1575.42±1.023 MHz）內的衛(wèi)星導航信號。有源天線接收到高頻衛(wèi)星信號后，經過TD3017A模組內射頻芯片完成對信號的放大、變頻得到中頻模擬信號；再經濾波、解調、A／D轉換等操作，實現(xiàn)微弱射頻信號到數字中頻信號的轉換；然后再通過TD3017A模組內基帶芯片進行捕獲和跟蹤、定位結算等一系列算法處理后，解譯出北斗以及GPS的導航電文［2]；最后輸出NMEA格式的定位數據和1PPS授時信號。

模塊上電完成初始自檢后，自動接收來自天線的射頻信號，解析出導航電文，最后由串口輸出NMEA－0831數據。TD3017的串口引腳通過MAX232電平轉換芯片，可直接與上位機串口連接通信，也可以通過簡單的跳線連接與單片機系統(tǒng)進行串口通信［3]，硬件電路圖如圖2所示。

圖2 TD3017硬件接口電路

2.2 串口通信模塊

STC12C5A60S2單片機是一款低功耗、高性能、抗干擾能力強、價格低廉、操作簡單、實用性強的CMOS 8位微控制器，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，片上集成1280字節(jié)RAM，具有串口1（RxD／P3.0及TxD／P3.1和串口2（RxD2／P1.2，可通過寄存器設置到P4.2；TxD2／P1.3可通過寄存器設置到P4.3）雙串口［4]。

單片機與上位機可通過電平轉換電路實現(xiàn)RS232格式通信；單片機與BD／GPS信號接收模塊間，可經由MAX232進行電平轉換實現(xiàn)RS232通信，也可以通過簡單的跳線鏈接進行串口通信。

2.3 電源模塊

電源部分電路如圖3所示，其中AS1117－3.3是一款低壓差線性穩(wěn)壓器，它能提供完善的過流保護和過熱保護功能，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性［5]。

圖3 電源電路

3 系統(tǒng)程序設計

上位機的電子海圖系統(tǒng)選用OpenCPN，它是一個開源代碼的簡潔電子海圖導航軟件，支持GPS／GPDS定位信息輸入、BSB柵格圖表顯示、S57Vector ENChart Display、AIS輸入解碼、Waypoint Autopilot Navigation等功能［6]。單片機將從北斗／GPS信號接收模塊中接收到的BD2或GPS報文進行解析、轉換后，得到NMEA標準格式的“＄GPRMC”定位報文，通過串口傳遞給電子海圖加以顯示定位。整個程序可分為幾個部分，即主控程序、BD2／GPS定位解析程序、串口通信程序。

3.1 NMEA數據協(xié)議簡單介紹

TD3017模塊輸出的消息語句符合NMEA－0183通信標準格式，基本格式定義如下：

IDsss是語句類型標識，它由兩部分組成：ID為語句標識符，sss為語句格式符。語句標識符有BD、GP、GN、CC、P，分別代表BD2系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、GNSS系統(tǒng)、Computer Control語句、專用語句；而語句格式符分為輸入語句格式符（用于對TD3017模組進行工作模式等的切換設置），以及輸出語句格式符（有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、TXT，除了TXT是段文本信息的傳送，用于輸出天線檢測狀態(tài)或者輸出一些控制命令的響應以外，其余的與標準NMEA－0831協(xié)議一致）。

類型標識符后為數據體，由若干數據字段（d1，d2，…，dn）組成；校驗和的計算是從＄到＊之間的所有字符；＜CR＞＜LF＞表示回車換行。例如：

本實驗中利用衛(wèi)星接收模塊接收到其中一條信息—＄BDRMC為幀頭，表明該語句為北斗RMC格式定位信息；字段1（084300.00）為UTC時間，hhmmss.sss為時分秒格式，即UTC時間8時43分0秒（北京時間16時43分0秒）；字段2（A）表示狀態(tài)，A＝定位，V＝未定位；字段3（2434.90608）為緯度ddmm.mmmm，度分格式；字段4（N）表示N（北緯）或S（南緯）；字段5（11805.83229）為經度dddmm.mmmm，度分格式；字段6（E）表示E（東經）或W（西經）；字段7（0.067）為速度，單位為節(jié)，Knots；字段9（151014）為UTC日期，DDMMYY格式，即14年10月15日［7]。

3.2 北斗定位模塊程序設計

北斗／GPS信號接收模塊上電后會自動不停地將接收到的數據通過串口發(fā)送出去，單片機系統(tǒng)由串口2接收這些數據，因而，在串口初始化（串口1及串口2都要初始化）后，等待串口2接收終端標志位置1，在串口2終端程序中，判斷串口2的接收緩沖寄存器S2BUF中的字符是否為“＄”，若是則將其存入table［] 數組中，并繼續(xù)將接下來接收到的字符逐個存入table［] 數組中，直到接收滿63個字符，即一條NMEA信息中除“＊”及回車換行以外的其他字符的總個數。暫時關閉串口2中斷，等待接下來的判斷，否則，重新判斷下一個接收到的字符是否為“＄”。

回到主程序中判斷table［4] 是否為“M”，若是則說明該條信息是一條RMC格式的信息，否則丟棄該條信息重新開始接收。接著判斷table［17] 為“A”，若是則說明該條信息定位有效，否則丟棄該條信息重新開始接收［]。

將table［] 數組中的數據前3位修改為“＄GP”后，將該數組中數據逐個發(fā)送給串口1的發(fā)送緩沖寄存器SBUF，由串口1發(fā)送給上位機電子海圖系統(tǒng)。程序流程如圖4所示。

圖4 定位模塊流程圖

3.3 串口通信子程序

串口通信包含兩部分：串口2從北斗／GPS信號接收模塊中接收衛(wèi)星信號，再通過串口1將解析后的數據發(fā)送給上位機。源程序如下：

4 實驗結果

系統(tǒng)各模塊連接正確后，串口通信指示燈閃爍。圖5為上位機收到的北斗模塊直接輸出的ASCII信息，模塊默認接收GNSS，即北斗與GPS混合定位信息，圖6為單片機傳遞給上位機的ASCII信息，圖7為電子海圖系統(tǒng)中顯示的定位信息。

圖5 北斗與GPS混合定位信息

圖6 單片機輸出信息

圖7 電子海圖系統(tǒng)顯示界面

結 語

我國北斗導航系統(tǒng)起步較晚，尤其海上民用中許多與衛(wèi)星導航有關的先進設備、先進技術暫不提供北斗衛(wèi)星導航服務。本文利用簡單的單片機系統(tǒng)成功實現(xiàn)在現(xiàn)有電子海圖中顯示北斗衛(wèi)星的船舶導航定位信息，對積極推廣北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在各種民用航海領域的應用有著一定意義。在項目設計中，通過需求分析選用合適型號的單片機系統(tǒng)，制定合理的軟、硬件功能劃分，實現(xiàn)了所需的功能。

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