便攜式衛(wèi)星圖像接收終端的研究

鄧珍珠，劉鵬，王曉曼

（1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；

2.長春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

便攜式衛(wèi)星圖像接收終端的研究

鄧珍珠1，劉鵬2，王曉曼1

（1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；

2.長春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭是信息化與電子化的時(shí)代，軍用手持終端日益受到軍方的重視。根據(jù)手持終端接收衛(wèi)星圖像的高效性，提出了士兵在野外作戰(zhàn)利用“北斗”定位系統(tǒng)獲取當(dāng)前三維信息，并且通過數(shù)傳電臺(tái)將三維信息發(fā)送回指揮中心同時(shí)通過指揮中心獲取當(dāng)前位置的衛(wèi)星圖像，從而準(zhǔn)確獲取當(dāng)前作戰(zhàn)地理形勢(shì)。提出利用ARM+Linux架構(gòu)，設(shè)計(jì)一款用于接收衛(wèi)星圖像的手持終端。其中基于S5PV210處理器和BDS定位模塊為便攜式衛(wèi)星圖像接收終端的核心。實(shí)現(xiàn)具有圖像預(yù)覽、無線數(shù)據(jù)傳輸和BDS定位等特點(diǎn)的硬件平臺(tái)。

S5PV210；接收終端；BDS；嵌入式

世界新軍事正在不斷變革，同時(shí)現(xiàn)代信息化、電子化的程度也在逐步提高，目前來看，嵌入式系統(tǒng)的研究是國際軍事上普遍的側(cè)重點(diǎn)，數(shù)字化協(xié)同作戰(zhàn)已經(jīng)是未來軍事發(fā)展的主要路線將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的作戰(zhàn)方式［1］。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字化協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展成為由指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)等組成的多元化技術(shù)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)將最前沿的技術(shù)綜合在一起，采用衛(wèi)星通信等技術(shù)對(duì)語音及圖像等多種信息編碼，通過信息的高速傳遞，將戰(zhàn)場(chǎng)中各個(gè)部門連接在一起。數(shù)字化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是充分的利用了網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，能夠及時(shí)掌握作戰(zhàn)情況，提高了各部門的工作效率并提高了作戰(zhàn)能力?，F(xiàn)存軍用手持終端大多都有離線地圖功能，士兵在野外作戰(zhàn)，利用離線地圖可以清楚的知道各個(gè)區(qū)域的地形，對(duì)于士兵前期偵查和整個(gè)作戰(zhàn)部署都具有重要意義。但是現(xiàn)有離線地圖存在一個(gè)缺陷，由于手持終端士兵是在野外使用，大多情況由于地理位置等原因不能直接聯(lián)網(wǎng)獲取信息，都是將地圖信息打包以后存入終端設(shè)備，使用時(shí)直接調(diào)取資料?，F(xiàn)有地圖的精確度最高也只有10米左右，所以不能獲取更加精確的地理位置信息，同時(shí)離線存儲(chǔ)資料可能長時(shí)間不能及時(shí)更新會(huì)存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。那么如果士兵想要獲取更加精確的位置信息離線地圖是做不到的。

本文將嵌入式軟硬件技術(shù)和BDS定位系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款用于接收衛(wèi)星圖像的手持終端，可完成士兵在野外通過BDS定位系統(tǒng)獲取自己的三維信息發(fā)送回指揮中心，指揮中心通過所獲得的三維信息將當(dāng)前地區(qū)衛(wèi)星圖像轉(zhuǎn)發(fā)回給手持終端。士兵從而可以獲得最為精確的地理位置信息。

1 硬件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星圖像手持終端由電源管理模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、BDS定位模塊和數(shù)傳電臺(tái)模塊組成，如圖1所示。人機(jī)交互模塊主要由S5PV210處理器和人機(jī)交互接口模塊組成。人機(jī)交互模塊主要由LCD顯示屏和TFT觸摸屏構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、衛(wèi)星圖像和BDS定位三維信息顯示的功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要有SDRAM、Flash和SD卡模塊，SDRAM主要存儲(chǔ)執(zhí)行程序以及產(chǎn)生的代碼等，SDRAM掉電后，數(shù)據(jù)會(huì)丟失，但是SDRAM的執(zhí)行速度比NOR Flash執(zhí)行速度快一些。所以會(huì)把存儲(chǔ)在Flash中的程序復(fù)制到SDRAM中去執(zhí)行。此外，在程序啟動(dòng)第一階段引導(dǎo)代碼是在Flash中執(zhí)行，主要完成硬件初始化的同時(shí)將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)拷貝到SDRAM中。第二階段將跳轉(zhuǎn)到SDRAM中去執(zhí)行，本階段主要完成初始化系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，同時(shí)掛載根文件系統(tǒng)。SD卡主要用于所接收衛(wèi)星圖像的存儲(chǔ)。數(shù)傳電臺(tái)的主要作用是用于遠(yuǎn)距離傳輸，將三維信息發(fā)送給指揮中心同時(shí)接收指揮中心的衛(wèi)星圖像。

便攜式衛(wèi)星圖像接收終端工作原理：當(dāng)S5PV210處理器啟動(dòng)以后，BDS定位模塊會(huì)自動(dòng)搜索并接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從而獲取當(dāng)前的經(jīng)緯度以及高度信息。通過觸摸屏將解析的三維信息通過數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送給指揮中心，指揮中心將相應(yīng)衛(wèi)星圖像通過數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送回給手持終端，SD卡對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)的同時(shí)利用觸摸屏進(jìn)行衛(wèi)星圖像的顯示。

1.1 S5PV210處理器

S5PV210處理器是韓國SAMSUNG公司所生產(chǎn)的16/32位的RISC微處理器，是為移動(dòng)通信終端所設(shè)計(jì)的，有著低成本、低功耗、高性能等特點(diǎn)。由于高端通信服務(wù)要求必須有高存儲(chǔ)器帶寬，所以S5PV210還配備了優(yōu)化后的外部存儲(chǔ)器接口以供使用，存儲(chǔ)器系統(tǒng)有兩個(gè)外部存儲(chǔ)器接口：DRAM和Flash/ROM接口，可以支持外接NANA-Flash和SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)代碼和運(yùn)行代碼。

1.2 電源管理模塊

軍用PDA大多用于野外等環(huán)境較為惡劣的地方，那么就存在一個(gè)重要的問題，電池的續(xù)航能力。為了解決這一問題，提出了兩種具體方案，第一、采用容量較大的電池，第二、采用電源管理芯片擔(dān)負(fù)起對(duì)電能的轉(zhuǎn)換、分配、檢測(cè)及其他電能管理的職責(zé)，高效節(jié)能［2］。電池采用103450-2P/3800mAh/3.7V的先進(jìn)鋰電池。對(duì)于電源管理芯片的選擇主要從低成本、高性能、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)等方面進(jìn)行選擇，最終選取TPS70348芯片。電源管理總體方案如圖2所示。

圖2 電源管理方案

TPS70348支持鋰離子電池充電。它是一個(gè)集成的電池管理模塊，當(dāng)有USB或者直流電源接入時(shí)，TPS70348就會(huì)充電。考慮到USB充電與鋰電池供電之間的沖突，選擇使用正向?qū)ǖ男ぬ鼗O管IN5819，當(dāng)USB充電時(shí)，二極管D2將處于截止?fàn)顟B(tài)；而USB不充電時(shí)，二極管D1不會(huì)對(duì)USB產(chǎn)生影響，鋰電池開始對(duì)系統(tǒng)供電，如圖3所示。

圖3 鋰電池供電示意圖

1.3 BDS模塊設(shè)計(jì)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)是手持終端不可缺少的功能，本文結(jié)合和芯星通UM220“北斗”定位模塊實(shí)現(xiàn)這一功能?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDCMSS）是我國自主研究、投入建設(shè)、由我國獨(dú)自可靠運(yùn)作的全球性的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)［3］。UM220模塊所接收數(shù)據(jù)與S5PV210處理器之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，需要通過串口方式進(jìn)行同訊，設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 北斗設(shè)計(jì)框圖

手持終端打開后，UM220模塊會(huì)自動(dòng)搜索衛(wèi)星信號(hào)并接收相應(yīng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，串口協(xié)議使用NMEA0183協(xié)議，傳輸出一串符合NMEA0183協(xié)議的ASCII碼字符流。解析字符流，就可以獲得實(shí)時(shí)的“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在解析字符流時(shí)，主要注意兩個(gè)格式協(xié)議，即：BDRMC和BDGGA，它們分別存儲(chǔ)了地理信息的經(jīng)緯度，高度等信息數(shù)據(jù)。在NMEA0183協(xié)議中，對(duì)于所接受數(shù)據(jù)的解析存在優(yōu)先級(jí)區(qū)別。在信息處理流程中，按字符次序依次處理，需要注意BDRMC協(xié)議中，接收狀態(tài)為A時(shí)為有效數(shù)據(jù)，如果為V則為無效。如果BDRMC接收狀態(tài)的數(shù)據(jù)為無效，則其他類型格式協(xié)議也都為無效。所以協(xié)議必須先處理BDRMC格式協(xié)議，判斷數(shù)據(jù)是否有效然后再處理BDGGA格式協(xié)議。NMEA0183信息流處理流程如圖5所示。

圖5 BDS數(shù)據(jù)信息解析流程

1.4 數(shù)傳電臺(tái)的選取

傳統(tǒng)的通信方式有無線通信和有線通信。利用導(dǎo)線傳輸信息的通信方式稱為有線通信［4］，將聲音、文字、數(shù)據(jù)和圖像等信息通過無線電波傳輸?shù)姆绞椒Q為無線通信。便攜式衛(wèi)星圖像手持接收終端主要用于野外等作戰(zhàn)環(huán)境，選擇無線數(shù)傳電臺(tái)通信。它可以在比如專網(wǎng)等特定條件下，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信號(hào)的實(shí)時(shí)可靠傳輸，并且具有低成本、安置維護(hù)便捷、靈活組建、覆蓋范圍遠(yuǎn)等特點(diǎn)，非常適合地域分散，條件復(fù)雜多變的情況下使用。

2 手持終端軟件設(shè)計(jì)

手持終端軟件設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)部分：嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用層程序。

pSOS、VxWorks、Windows CE和Linux等是當(dāng)前主流的操作系統(tǒng)［5］，本課題采用具有支持多用戶、多進(jìn)程、多線程、實(shí)時(shí)性強(qiáng)并且系統(tǒng)穩(wěn)定的開源Linux操作系統(tǒng)。Linux因?yàn)槠洫?dú)特的特性，在手持終端設(shè)備領(lǐng)域中已經(jīng)流行很久，可以根據(jù)不同的硬件設(shè)備與需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的裁剪，從而得到合適的操作系統(tǒng)。本次系統(tǒng)需要開發(fā)一個(gè)高可靠性、體積小、移植方便、裁剪性強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)無疑是最合適不過的選擇。Linux系統(tǒng)移植之前有一個(gè)引導(dǎo)代碼Bootloader的移植，UBoot是Bootloader啟動(dòng)代碼比較通用的一種，已經(jīng)成功移植到Power PC、ARM、X86、MIPS體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)板中，所以，本文選擇SAMSUNG公司提供的U-Boot1.3.4進(jìn)行移植，圖6為Bootloader移植成功提示界面。Linux內(nèi)核移植指的是對(duì)Linux內(nèi)核源代碼進(jìn)行裁剪和配置，使其控制衛(wèi)星圖像接收終端的核心處理器結(jié)構(gòu)和其他外圍設(shè)備，本設(shè)計(jì)選用Linux 3.8.3進(jìn)行內(nèi)核裁剪、移植操作，進(jìn)行內(nèi)核源代碼的編譯、制作成二進(jìn)制文件，最后下載到手持終端上，圖7為kernel移植成功提示界面。Linux的核心部分是內(nèi)核，但用戶和操作系統(tǒng)交互主要依賴的方式卻是文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件、內(nèi)核代碼的映像文件保存。系統(tǒng)內(nèi)核初始啟動(dòng)時(shí)必須要掛載根文件系統(tǒng)，否則內(nèi)核無法啟動(dòng)，所以Linux系統(tǒng)必須有文件系統(tǒng)的存在，本文選取Busy?Box-1.21.1進(jìn)行文件系統(tǒng)移植。根據(jù)硬件平臺(tái)的要求，本系統(tǒng)需要開發(fā)的硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序有：USB驅(qū)動(dòng)模塊、LCD驅(qū)動(dòng)、BDS驅(qū)動(dòng)程序等。

圖6 Bootloader移植成功提示

圖7 kernel移植成功提示

圖8 Qt/Embedded圖形界面系統(tǒng)開發(fā)流程

對(duì)于應(yīng)用層軟件開發(fā)工具使用的是Qt/Em?bedded，Qt/Embedded是一個(gè)完整的包含GUI和基于Linux的嵌入式平臺(tái)開發(fā)工具。主要用于對(duì)GUI和非GUI程序的開發(fā)。Qt/Embedded可以不依賴與X Window而直接在底層操作framebuffer，圖8所示為Qt/Embedded圖形界面系統(tǒng)開發(fā)流程。

3 仿真結(jié)果

利用Qt/Embedded圖形界面設(shè)計(jì)手持終端的圖形化界面，從界面我們可以獲取由BDS定位系統(tǒng)所提取的當(dāng)前位置經(jīng)緯度信息，同時(shí)可以顯示發(fā)送信息與接收衛(wèi)星圖像時(shí)間。圖9為手持終端主界面。

圖9 手持終端顯示界面

4 結(jié)論

本文提出了士兵野外作戰(zhàn)可以實(shí)時(shí)獲取衛(wèi)星圖像，從而得到高分辨率的地理位置地圖，其中基于S5PV210處理器和BDS定位模塊為便攜式衛(wèi)星圖像接收終端的核心。該便攜式終端的設(shè)計(jì)為未來戰(zhàn)爭士兵作戰(zhàn)獲取分辨率更高、更加精確、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的地理位置信息提供一個(gè)有效方案。該設(shè)計(jì)具有便于攜帶、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

［1]郭泓宇.單兵作戰(zhàn)手持終端設(shè)備的設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2010.

［2]莫智.基于ARM嵌入式系統(tǒng)多傳感器手持終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2006.

［3]錢成越，薛原.基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的移動(dòng)導(dǎo)航定位終端設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2010，32（6）：165-167.

［4]王士強(qiáng)，侯妍.衛(wèi)星通信技術(shù)研究及未來發(fā)展趨勢(shì)［J］.通信與信息技術(shù)，2009，28（17）：39-46.

［5]蘇麗華，趙可萍，崔胡.基于嵌入式ARM-Linux的GPS智能終端設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與技術(shù)，2009，45（12）：25-27.

Research on the Portable Satellite Image Receiving Terminal

DENG Zhenzhu1，LIU Peng2，WANG Xiaoman2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Fundammontal Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

With the development of economy and technology，modern warfare has arrived the era of information and electronic technology，more and more attention to military handheld terminal has been received from the military.According to the efficiency of the handheld terminal receiving the satellite image，the soldiers in combat with the"Big Dipper"positioning system is put for?ward to obtain the current three-dimensional information，and transmit 3D information back to the command center through the radio satellite image and get the current position through the command center，so as to obtain the current operational Geographic situation.Using ARM+Linux architecture，a hand-held terminal for receiving satellite images is designed，which based on S5PV210 processor and BDS positioning module for portable satellite image receiving terminal core.The image preview，wire?less data transmission and BDS positioning，such as the characteristics of the hardware platform are realized.

S5PV210；receiving terminal；BDS；embedded

TN92

A

1672-9870（2017）02-0086-04

2016-11-02

某基地靶場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目（KYC-XZ-XM-2016-013）

鄧珍珠（1992-），女，碩士研究生，E-mail：1078989249@qq.com

王曉曼（1956-），女，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：wmftys@126.com