北斗衛(wèi)星在漁船定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉　娜

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yīng)用

劉娜

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xiǎn)船長難以根據(jù)定位系統(tǒng)報(bào)告自身位置，給救助帶來了不便。GPS完全受美國軍方控制，經(jīng)常在接收區(qū)域里增加干擾并降低準(zhǔn)確度。針對這種情況，本文設(shè)計(jì)了成本低的北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)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(dú)特的三頻信號(hào)、短報(bào)文通信服務(wù)、高定位精度等特點(diǎn)，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(xiǎn)，可以通知離其最近的漁船參與救援，提高了安全性。

關(guān)鍵詞：漁船；北斗衛(wèi)星；實(shí)時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制，世界上第三個(gè)投入運(yùn)營的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它具有雙向通信、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、精密授時(shí)等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防、通信、經(jīng)濟(jì)生活多個(gè)領(lǐng)域。之前全球衛(wèi)星定位技術(shù)作為監(jiān)控實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)都被美國壟斷。我國每年僅在購買GPS衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備方面都要花費(fèi)大量的外匯。另外在很多涉及到信息技術(shù)的產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域，需要擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支撐。因此，北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(shè)計(jì)了一個(gè)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(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，目前已經(jīng)發(fā)射了20顆。隨時(shí)有4顆衛(wèi)星就可以對目標(biāo)進(jìn)行定位。眾多電子產(chǎn)品正將北斗系統(tǒng)應(yīng)用于交通運(yùn)輸、水文監(jiān)測、氣象測報(bào)、森林防火、電力調(diào)度、通信授時(shí)、減災(zāi)救災(zāi)等諸多領(lǐng)域?，F(xiàn)在正在服役的“北斗一號(hào)”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(shè)，包括空間段、北斗地面段和用戶終端三部分組成?？臻g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(jì)算中心等，主要用來控制和校正衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)，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(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。

在實(shí)際應(yīng)用中，用戶終端收到軌道衛(wèi)星的信號(hào)后，經(jīng)過解調(diào)輸出標(biāo)準(zhǔn)格式的定位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理后才能在LCD屏幕上顯示。本系統(tǒng)主要是關(guān)于用戶終端的設(shè)計(jì)，由單片機(jī)、LCD顯示模塊、北斗定位模塊、串口模塊、報(bào)警模塊等組成。能實(shí)時(shí)顯示經(jīng)緯度、時(shí)間和橢球高等信息[2]。

2北斗衛(wèi)星顯示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jī)模塊、液晶顯示模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、北斗模塊和電源模塊等組成。系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)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(shè)計(jì)報(bào)警區(qū)，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警情況時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，并且將報(bào)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(chǎn)的，包括導(dǎo)航、監(jiān)控應(yīng)用功能的BDS/GPS雙模定位模塊。它是該系列模塊的第三代產(chǎn)品，是目前市場上尺寸最小、完全國產(chǎn)化的BDS/GPS模塊，集成度高、低功耗，易于應(yīng)用，具有出色的導(dǎo)航、定位和授時(shí)功能，非常適合車輛監(jiān)控、氣象探測和電信電力授時(shí)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求[3]。

(1)模塊特點(diǎn)：

模塊有兩種定位模式：DB2或GPS系統(tǒng)單獨(dú)定位，BD2與GPS系統(tǒng)混合定位；2個(gè)頻點(diǎn)BD2 B1和GPS L1；有UART、事件輸入、SPI、1PPS和I2C接口；定位時(shí)間重捕獲<1s，冷啟動(dòng)為35s ,熱啟動(dòng)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(gè)可以配置的串口，默認(rèn)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(rèn)狀態(tài)下是GPS和BD2雙系統(tǒng)衛(wèi)星聯(lián)合定位，所以模塊數(shù)據(jù)輸出格式兼容國家海洋電子協(xié)會(huì)的NEMA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式。數(shù)據(jù)以ASCII碼格式輸出，速率可以設(shè)置。

輸出的消息語句包括GGA、GLL、GSA、GSV 、RMC、VGT等，在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)主要采集RMC和GGA消息語句，從中解析出經(jīng)緯度、時(shí)間、橢球高等信息進(jìn)行顯示。當(dāng)進(jìn)入到用戶設(shè)置的報(bào)警區(qū)，進(jìn)行聲光報(bào)警。下面以GGA語句為例，詳細(xì)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(shù)1>…<參數(shù)13>*hh。

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

例如實(shí)時(shí)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(shí)間為01時(shí)01分23秒，北緯31°42.184723′，東經(jīng)118°52.797414′，單點(diǎn)定位，參與衛(wèi)星數(shù)量8顆，橢圓高為23.640M，校驗(yàn)和為5BH。

系統(tǒng)主要提供三種服務(wù)：定位，通信，授時(shí)。

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(gè)串口，通過串口2連接單片機(jī)的串口，單片機(jī)接收UM220的信息，經(jīng)過解析后在LCD屏幕上顯示[4]。

2.2電源模塊

整個(gè)系統(tǒng)需要3.3V電壓，電源轉(zhuǎn)換芯片按照供電要求采用7136-1芯片，該芯片可通過調(diào)整輸出3.3V電壓，輸出最大電流達(dá)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(gè)USB總線轉(zhuǎn)串口的芯片，具有硬件全雙工串口，內(nèi)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(zhuǎn)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(jī)軟件后，可以通過USB對UM220進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)測UM220輸出的實(shí)時(shí)信息，轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6　USB串口轉(zhuǎn)換電路

2.4液晶模塊

顯示屏為內(nèi)嵌中文字庫的12864液晶顯示屏，單片機(jī)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(jī)的P0口。12864液晶顯示采用并行控制方式，LCD_RS為數(shù)據(jù)/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(fù)位端?？烧{(diào)電阻RX1和電阻R1、R2為調(diào)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(jī)模塊

圖7　液晶電路原理圖

單片機(jī)控制模塊完成系統(tǒng)的控制處理功能，主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)字外設(shè)的控制、將北斗導(dǎo)航接收模塊接收到的定位信息進(jìn)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(shí)時(shí)顯示定位信息。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)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(shù)據(jù)RAM。

該芯片可以使用X2方式的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，選擇X2方式可在相同時(shí)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(shí)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(jī)控制，通過串行口進(jìn)入計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)的虛擬機(jī)中使用嵌入式linux，使用QT軟件設(shè)計(jì)北斗顯示系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)畫面。通過程序移植到G6410ARM實(shí)驗(yàn)板，可以放在任何需要定位的環(huán)境。

3系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

程序分單片機(jī)部分和計(jì)算機(jī)顯示部分。其中單片機(jī)的系統(tǒng)軟件工作流程：系統(tǒng)初始化，顯示開機(jī)畫面，串行接收北斗模塊數(shù)據(jù)，從接收的數(shù)據(jù)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件工作流程如圖8所示。系統(tǒng)初始化，顯示開機(jī)畫面，串行接收北斗模塊數(shù)據(jù)，從接收的數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

單片機(jī)控制北斗模塊，通過串行口將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)需要成功搭建嵌入式系統(tǒng)軟平臺(tái)，使用的是嵌入式Linux，裝載北斗驅(qū)動(dòng)程序、在QT圖形界面的設(shè)計(jì)北斗/GPS定位程序。QT是嵌入式Linux主流的GUI設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)用程序的開發(fā)過程是新建項(xiàng)目文件，使用QT Designer設(shè)計(jì)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(dòng)器和顯示圖標(biāo)，最后編譯與仿真。

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

計(jì)算機(jī)里QT軟件制作的北斗系統(tǒng)，程序可以移植到ARM6410實(shí)驗(yàn)板中，顯示界面如圖12所示。

圖10北斗定位顯示界面

實(shí)驗(yàn)證明，北斗系統(tǒng)顯示當(dāng)前位置的經(jīng)度是101.7652，緯度是24.1875。谷歌地球顯示當(dāng)前位置是經(jīng)度:101.7443;緯度:24.2121。因此本設(shè)計(jì)的北斗顯示系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王寶平,余江鑫,陳衛(wèi)強(qiáng).北斗二代導(dǎo)航接收機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(shè)計(jì)[D].青島：中國海洋大學(xué)碩士論文，2013：24-36.

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

(責(zé)任編輯：劉學(xué)偉)

中圖分類號(hào)：TN967.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-2080(2016)01-0083-04

作者簡介：劉娜(1967-)，女，遼寧丹東人，遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，工程碩士。

基金項(xiàng)目：遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年度院級(jí)教研課題“基于電子產(chǎn)品的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)與研究”。

收稿日期：2016-01-04

doi：10.3969/j.issn.1009-2080.2016.01.021