北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的移動導(dǎo)航定位終端設(shè)計分析

唐永泉

摘要：衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)目前應(yīng)用極為廣泛，與人民生活息息相關(guān)，在手機定位、精準(zhǔn)授時、汽車導(dǎo)航、智能交通、智能監(jiān)控、智能家居、國際救援等等領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟。文章介紹了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的移動導(dǎo)航定位終端的分類和北斗定位基本原理、結(jié)構(gòu)；設(shè)計了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的移動導(dǎo)航定位終端，給出了設(shè)計的結(jié)構(gòu)、硬件電路以及操作系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星定位；北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；移動定位終端；設(shè)計

1.移動終端定位導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與分析

目前，多是按照移動終端使用范圍對移動終端定位導(dǎo)航系統(tǒng)進行分類，主要包括室外定位和室內(nèi)定位。室外定位技術(shù)可分為衛(wèi)星定位技術(shù)與慣性導(dǎo)航器定位技術(shù)兩種。室內(nèi)定位系統(tǒng)多采用無線移動通信網(wǎng)絡(luò)進行定位可分為超聲波、紅外、藍牙、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），WiFi、超寬帶定位技術(shù)等。

根據(jù)定位策略可把定位技術(shù)分為網(wǎng)絡(luò)定位和移動終端定位技術(shù)兩種。網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)包括接收信號方向定位（AOA）、場強信號定位（RSS）、信號傳播時間定位（TOA等），這些技術(shù)主要依靠強大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，在網(wǎng)絡(luò)端接收移動終端發(fā)射的信號，利用算法估算移動終端的定位信息，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)把其位置信號再發(fā)送給移動終端系統(tǒng)。移動終端定位技術(shù)包括基站定位（Cell ID）、衛(wèi)星定位，通過移動終端接收基站發(fā)射的帶有基站位置等特征信息的信號，按照約定的算法估算出移動終端的定位等信息。

而根據(jù)定位原理又可分為臨近關(guān)系定位、三角測量定位和場景分析定位等定位技術(shù)。三角測量定位技術(shù)又可細分為傳播時間定位、能量衰減定位、角度定位等。

2.北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位原理

衛(wèi)星定位技術(shù)依據(jù)同一坐標(biāo)系空間內(nèi)己知的多個點的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用空間距離交會的方法計算未知點的坐標(biāo)值，實現(xiàn)定位、導(dǎo)航功能。2000年，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用中國大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System，CGCS2000），CGCS200C唑標(biāo)系以地球質(zhì)心作為原點，x軸指向國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)機構(gòu)制定的參考子午面和垂直于z軸的赤道面交點的方向，z軸也是由x軸、Y軸利用右手法則確定，指向國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)機構(gòu)指定的地球參考極方向。如圖1所示。

公式（2）中，δt_u表示移動終端的接收時間差，p表示誤差修正系數(shù)。根據(jù)數(shù)學(xué)計算要求，在衛(wèi)星數(shù)n≥4時，可以計算出δt_u的值以及A點的準(zhǔn)確定位坐標(biāo)（z、y、z），從而實現(xiàn)衛(wèi)星定位及導(dǎo)航功能。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為空間段、地面段、用戶段三部分?？臻g段由5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星，共計35顆衛(wèi)星構(gòu)成。其中，中地球軌道衛(wèi)星約在21600km高度運行；靜止軌道衛(wèi)星在約為35810km高度運行，定點分布在赤道面的58.75°E，80°E，110.5°E，140°E，160°E位置上，27顆中地球軌道衛(wèi)星均勻分布在3個軌道面上，相鄰軌道面之間的夾角為120°；3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星約在35900km高度運行，且分布在3個軌道面上。空間段衛(wèi)星主要接收地面段注入站注入的導(dǎo)航電文、衛(wèi)星星歷、差分完好性等信號信息，計算處理為北斗衛(wèi)星信號，并持續(xù)不斷地把這些信號發(fā)送給地面接收端。

地面段由主控站、注入站、監(jiān)測站組成。主控站時系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)管理和控制北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其功能是從監(jiān)測站接收地面環(huán)境參數(shù)，進行計算處理后生成北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航電文及差分完好性信息，最后發(fā)送給注入站。注入站負(fù)責(zé)發(fā)送導(dǎo)航電文、差分完好性信息等給北斗衛(wèi)星，控制管理北斗衛(wèi)星的正常工作。監(jiān)測站負(fù)責(zé)跟蹤、監(jiān)測、接收北斗衛(wèi)星信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給地面主控站，同時提供北斗衛(wèi)星時間同步參考。用戶段即移動北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航終端，負(fù)責(zé)接收、處理北斗衛(wèi)星信號，獲得用戶需要的高度、經(jīng)緯度、速度、時間等定位、導(dǎo)航信息。

3.北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)移動導(dǎo)航定位終端設(shè)計

3.1北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)移動導(dǎo)航定位終端結(jié)構(gòu)

北斗定位導(dǎo)航終端采用移動式設(shè)計開發(fā)，采用獨立的操作系統(tǒng)和良好人機界面設(shè)計，其特點為體積小、重量輕、交互友好、安全性高，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候準(zhǔn)確定位、通信等。子模塊功能包括用戶界面、通信、定位、地圖顯示、地圖搜索、電子地圖、系統(tǒng)加密、系統(tǒng)維護等。用戶界面采用表單或字符輸入方式接收用戶指令，并以圖形、文字等方式返回數(shù)據(jù)。通信功能主要是接收衛(wèi)星信號，向主控模塊傳遞信息等。根據(jù)用戶選擇的定位方式得到移動終端所出的準(zhǔn)確坐標(biāo)。地圖顯示可以提供區(qū)域地圖、用戶當(dāng)前位置地圖等地圖信息，在用戶進行方向選擇、動態(tài)移動、拉近拉遠等操作時，實時動態(tài)進行信息變化；系統(tǒng)可以根據(jù)用戶輸入的某一地點的信息，搜索該點位置并精準(zhǔn)顯示，在用戶輸入出發(fā)地和目的地后，通過路由算法找到最短路徑，提供導(dǎo)航地圖。電子地圖模塊在于存儲地圖文件等信息。系統(tǒng)可以使用AES等算法對發(fā)送數(shù)據(jù)進行加密，確保數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶需要對導(dǎo)航終端進行必要的設(shè)置，定期備份、更新地圖數(shù)據(jù)，提供所有的地圖文件下載接口，設(shè)置用戶各種操作權(quán)限，在軟件出現(xiàn)新版本時出現(xiàn)版本更新提示等等。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要包括射頻信號處理模塊、數(shù)字基帶信號處理模塊和天線接口。射頻信號處理模塊由射頻信號處理芯片電路、噪聲放大器（LNA）電路、溫補晶振（TCXO）和聲表面波濾波器（SAW）電路等電路組成。射頻信號處理芯片與溫補晶振電路對衛(wèi)星高頻信號進行放大、混頻、濾波、ADC轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字中頻信號；噪聲放大器實現(xiàn)對衛(wèi)星信號功率放大；聲表面波濾波器電路濾除帶外干擾等雜散信號。數(shù)字基帶信號處理模塊主要由數(shù)字基帶信號處理芯片、串行接口電路、RTC晶振電路等構(gòu)成，接收上一級數(shù)字中頻信號并進行解調(diào)，獲得衛(wèi)星的偽距、載波相位、導(dǎo)航電文等信息，通過算法進行計算，輸出符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)據(jù)信息；衛(wèi)星天線接口負(fù)責(zé)連接北斗衛(wèi)星信號的接收天線。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3操作系統(tǒng)設(shè)計

導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)操作系統(tǒng)采用Linux網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有兼容性、可移植性、開放性、精簡性、可定制等特點。嵌入式Linux系統(tǒng)通過引導(dǎo)程序、Linux微內(nèi)核、初始化進程等進行系統(tǒng)初始化，通過下載源碼、建立交義編譯環(huán)境，配置編譯內(nèi)核，制作文件系統(tǒng)，下載和調(diào)試內(nèi)核LS等環(huán)節(jié)，方便地將嵌入式Linux移植到硬件平臺上，實時動態(tài)進行操作系統(tǒng)更新和操作。

4.結(jié)語

本文設(shè)計的基于北斗衛(wèi)星移動導(dǎo)航定位終端具備良好的人機界面環(huán)境，采用路由算法和有源/無源定位滿足客戶定位、導(dǎo)航的需要，用戶可自由選擇終端工作模式，功能齊全，操作簡便。