基于北斗二代系统的船载定位终端

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第33 卷第3 期
2012 年9 月
上海海事大学学报
Journal of Shanghai Maritime University
Vol． 33 No． 3
Sept． 2012
文章编号: 1672 － 9498( 2012) 03-0001-04
基于北斗二代系统的船载定位终端
应士君，王坤，刘卫，邹绪平
( 上海海事大学商船学院，上海201306)
摘要: 为确保船舶航行安全，利用北斗二代卫星导航技术，设计船载定位终端． 该终端以S3C2440
ARM 处理器和Windows CE 6． 0 嵌入式系统为核心，以外围电路为辅，采用最小二乘算法，实现船
舶的导航定位． 通过MATLAB 软件对可见卫星数目和水平精度因子进行计算和分析，论证方案的
可行性和可靠性，进一步推动北斗船载终端在航行中的应用．
关键词: 船载定位终端; ARM; Windows CE 6． 0; 北斗二代系统
中图分类号: U666． 134; TP277． 2 文献标志码: A
Shipborne positioning terminal based on Beidou-2
YING Shijun，WANG Kun，LIU Wei，ZOU Xuping
( Merchant Marine College，Shanghai Maritime Univ． ，Shanghai 201306，China)
Abstract: In order to guarantee the ship navigation safety，the shipborne positioning terminal was designed
based on the Beidou-2 satellite navigation system． The S3C2440 ARM processor and the Windows
CE 6． 0 embedded system were taken as the core parts of the terminal which is assisted by the peripheral
circuit． And the least square algorithm was used to realize the ship navigation and positioning． Then，the
numbers of visible satellites and horizontal dilution of precision were calculated and analyzed by using the
MATLAB software． The results show that the design is feasible and reliable，which can further promote
the application of the Beidou shipborne terminal in the ship navigation．
Key words: shipborne positioning terminal; ARM; Windows CE 6． 0; Beidou-2
收稿日期: 2012-01-09 修回日期: 2012-05-17
基金项目: 国家科技支撑计划( 2009BAG18B04) ; 国家自然科学基金青年基金( 61105097)
作者简介: 应士君( 1966—) ，男，江苏宜兴人，副教授，硕导，博士，研究方向为船舶导航与安全技术，( E-mail) sjying@ shmtu． edu． cn
0 引言
北斗卫星导航系统( Compass Navigation Satellite
System，CNSS) 是我国正在实施、具有自主知识产权
的卫星导航定位系统． 该系统由空间段、地面段和各
类北斗用户组成，集导航、定位、授时功能于一体; 分
3 个阶段进行建设，分别为北斗一代( 区域有源双星
定位，已完成) 、北斗二代( 区域无源定位，建设中，
记为BD-2) 、全球覆盖阶段． 截至目前共有11 颗
BD-2 卫星在轨，具有覆盖中国及周边地区，2
4 h 全
天候服务，高强度加密设计，安全、可靠、稳定等特
点． 随着远洋、内河航运产业发展和船舶通信导航及
各类电子控制设备的日益完善，实现对船舶的全方
位定位导航，及时掌握船舶在航行中的实际情况，快
速了解船舶的动态数据，成为提升船舶管理水平的
新标志． ［1］因此，基于BD-2 的船载定位终端设计，
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对确保船舶的航行安全具有重要意义．
在北斗卫星导航系统的发展前景下，国内主要
由神州天鸿、北斗星通、东方联星、华力创通等公司
从事北斗接收机研发设计，在船舶监控［1］和海洋渔
业［2］上均有应用． 然而，此类应用主要建立在北斗
一代船载接收机的基础上，市面上现存的BD-2 接
收机主要是少量的测试机、手持机，而成品民用船载
机尚在研发阶段．
鉴于此，本文设计基于BD-2 的船载定位终端，
主要有硬件平台搭建、定位解算算法、软件架构设计
等几个方面，通过测试实验验证该方法的可行性．
1 硬件平台搭建
该设计中基于ARM 和Windows CE 6． 0
( WINCE 6． 0) 的BD-2 船载定位终端硬件平台采用
模块化设计方法，所有部件尽量采用成熟电子元器
件． 该系统硬件主要由BD-2 导航模块、时钟模块、
电源管理模块、数据通信接口和PVT( ARM) 解算模
块等组成． ［3］系统硬件结构见图1．
图1 系统硬件结构
BD-2 导航模块主要由射频模块、A/D 采样模
块、基带信号处理模块组成． 射频模块分为2 个通
道，其中一个通道专门将B3 频点射频信号变频为
中频信号，而另一通道则通过切换方式将B1 或者
L1 频点射频信号变频为中频信号． 双通道A/D 将
模拟中频信号数字化并作为基带信号处理模块信号
输入，同时射频模块输出62 MHz 参考信号，本地时
钟信号作为ADC 的转换时钟，并且输入至基带信号
处理模块作为信号跟踪基准时钟． 基带信号处理模
块完成信号的捕获、跟踪、解调，输出原始观测量．
PVT( ARM) 解算模块主要由极低功耗的ARM9 处
理器S3C2440，SDRAM，NAND Flash 等硬件构成．
PVT( ARM) 解算模块完成对基带信号处理模块的控
制，并将基带信号处理模块得到的观测量提取出来
加以解算，得到解算结果，同时对整个系统的运行进
行处理． 数据通信接口部分设计CAN 总线接口、RS-
485 接口等，便于与雷达、ECDIS 和AIS 等设备互
联，实现综合导航．
2 定位解算算法流程
硬件电路BD-2 导航模块设计中，基带信号处
理模块主要采用的是北京华力创通科技有限公司的
HwaNavchip-1 北斗GPS 多频精密导航基带芯片． 该
芯片可同时接收BD-2 的B3 和B1 频点信号( 本文
主要是利用B1 频点进行导航定位解算) ，输出原始
观测量; 具有16 bit 的并行数据总线接口，3
2 bit 的
ARM 微处理器S3C2440 通过该接口可对HwaNavchip-
1 进行配置，得到导航电文、集成电路工作状态
等信息． 通过ARM 开发工具ADS( ARM Developer
Suit) 对ARM 进行调试，使其解算用户位置、速度、
时间等信息． 该设计中采用基于伪距定位的最小二
乘算法［4-5］，定位解算算法流程见图2．
图2 定位解算算法流程
2 上海海事大学学报第33 卷
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该算法通过伪距计算用户的位置: 第1 步初始
化用户位置作为地球中心; 第2 步计算用户到卫星
的距离及其信号传输时间; 第3 步根据地球自转效
应修正卫星位置，并将卫星位置更新为以用户为中
心的坐标系; 第4 步根据相关参数进行修正; 第5 步
进行迭代运算; 最后计算DOP，并将ECEF 坐标系转
化为CGCS2000 坐标系，保存结果．
3 软件开发平台
WINCE 6． 0 是模块化、可延展、实时性能好、通
信功能强大、支持多种CPU 的嵌入式操作系统，与
Windows 系列有较好的兼容性，支持WIN 32 API，便
于快速开发产品，具有多线程、多任务等特点． ［6］因
此，该设计选用WINCE 6． 0 嵌入式操作系统． 设计
中软件架构主要包括WINCE 6． 0 系统的定制、移植
和定位应用程序的开发．
建立基本WINCE 6． 0 系统平台的一般过程是:
设置系统平台; 建立操作系统镜像; 将平台传输到目
标设备; 调试系统平台． 通过Platform Builder 应用程
序可以方便地设置平台，建立操作系统镜像． 定制
WINCE 6． 0 的一般步骤见图3．
图3 定制操作系统的过程
在进行WINCE 6． 0 定位应用程序设计开发时，
开发语言采用的是Visual Studio 2008． 开发的应用
程序首先在模拟器中进行调试，调试成功之后下载
到硬件设备中． 实验时给出BD-2 卫星的串口输出
协议，设计定位导航显示界面程序［7］，目的是查看
船舶当前定位信息．
4 主要功能设计
按照船用接收机软件需求分析，主要功能模块
见图4． 定位功能用于显示当前船舶的位置及时间
信息; 导航功能为船舶当前的航线进行导航及设定
航迹偏差报警; 报警功能对不合法操作及遇险报警．
图4 功能模块
5 测试实验及分析
5． 1 串口输出协议分析
通过对BD-2 串口输出协议的理解，可以更好
地提取导航定位信息: $ BDGGA，$ BDRMC［8］等．
以$ BDRMC 语句为例分析串口输出协议:
$ BDRMC，＜ 1 ＞ ，＜ 2 ＞ ，＜ 3 ＞ ，＜ 4 ＞ ，＜ 5 ＞ ，
＜ 6 ＞ ，＜ 7 ＞ ，＜ 8 ＞ ，＜ 9 ＞ ，＜ 10 ＞ ，＜ 11 ＞ ，＜ 12 ＞
* ＜ 13 ＞
协议中: ＜ 1 ＞ 为定位时间( UTC) ，hhmmss 格式;
＜ 2 ＞ 为定位状态，A 表示有效，V 表示无效; ＜ 3 ＞
为纬度，ddmm． mmm 格式; ＜ 4 ＞ 为纬度方向，N 或
S; ＜ 5 ＞ 为经度，ddmmm． mmmm 格式; ＜ 6 ＞ 为经度
方向，E 或W; ＜ 7 ＞ 为速度; ＜ 8 ＞ 为速度方向;
＜ 9 ＞ 为当前UTC 日期，ddmmyy 格式; ＜ 10 ＞ 为磁
偏角; ＜ 11 ＞ 为磁偏角方向; ＜ 12 ＞ 为定位状态，A
表示有效，V 表示无效; ＜ 13 ＞ 为校验和．
5． 2 部分测试实验界面
通过天线采样获得真实的导航定位信息，采样
时间为2012 年3 月14 日． 以下测试结果只是初步
设计要求，目的在于论证方案的可行性． 下一步将按
照船载定位导航需求，进行相应的应用开发，满足船
舶日常航行需求． 测试和导航界面见图5．
图5 测试实验界面
5． 3 VSN 和HDDP
本次测试时间段为2012 年3 月15 日至2012
年3 月16 日，共24 h，采样时间间隔为1 s; 地点为
上海地区; BD-2 和GPS 星座使用当天广播星历计
算卫星位置; 用MATLAB 软件对接收到的数据进行
第3 期 应士君，等: 基于北斗二代系统的船载定位终端 3
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分析处理． 可见卫星数( Visible Satellite Number，
VSN) 见图6．
图6 可见卫星数
水平精度因子( Horizontal Dilution of Precision，
HDOP) 描述的是卫星几何形态对平面定位的影
响． ［9-10］HDOP 分布见图7．
图7 HDOP 分布
由图6 和7 归纳出的信息见表1．
6 结束语
主要论证基于BD-2 的船载定位终端设计的可
表1 BD-2 与GPS 的VSN 和HDOP 值对照
系统名称VSN( 95%) HDOP( 95%)
最大值最小值平均值最大值最小值平均值
BD-2 7 4 5． 137 43 5． 4 1． 5 2． 860 22
GPS 11 5 7． 459 67 2． 6 0． 7 1． 143 64
行性和可靠性，在系统应用扩展方面未给出具体方
案． 综上得到:
( 1) 在ARM 和WINCE 6． 0 基础上设计基于
BD-2 的船载定位终端的思路可行、方法正确，可推
动北斗卫星导航系统在海洋领域的应用，促进海洋
经济的发展．
( 2) 受BD-2 卫星在轨数目的客观限制，目前其
VSN 低于GPS． 尽管VSN 少，但可以保证我国及少
数周边地区的定位导航．
( 3) 当前阶段BD-2 船载定位终端的HDOP 保
持在1． 5 ～ 5． 4 之间，与GPS 的HDOP 值0． 7 ～ 2． 6
相比较大，这是由当前阶段5 颗GEO 卫星、4 颗
MEO 卫星及3 颗IGSO 卫星的几何构型所决定的．
根据误差( 1σ) = 1 × RMS 值× DOP 值［8］，此时RMS
值为2 m( 统计值) ，则误差( 1σ) 的范围在3． 0 ～
10． 8 m．
( 4) 本设计在电子器件选择、定位算法、导航软
件界面丰富和软件扩展方面仍有不足之处，有待进
一步提高．
参考文献:
［1］ 李晶，刘建，卢红洋． 基于北斗卫星导航系统的船舶监控中心的设计与实现［J］． 数字通信世界，2011( S1) : 68-71．
［2］ 胡刚，马昕，范秋燕． 北斗卫星系统在海洋渔业上的应用［J］． 渔业现代化，2010，37( 1) : 60-62．
［3］ 应士君，邹绪平，刘卫，等． 基于北斗二代系统的船用导航仪硬件设计及关键算法研究［J］． 科学技术与工程，2012，12( 9) : 223．
［4］ 彭丛林． 北斗导航系统定位算法仿真研究［D］． 成都: 西南交通大学，2009．
［5］ 武英洁． 船用北斗/GPS 联合导航终端的研究［D］． 大连: 大连海事大学，2010．
［6］ 华清远见嵌入式培训中心． Windows CE 嵌入式开发标准教程［M］． 北京: 人民邮电出版社，2010: 5-8．
［7］ 汪兵． Windows CE 嵌入式高级编程及其实例详解［M］． 北京: 中国水利水电出版社，2008: 360-377．
［8］ 王艳军，王晓峰． AIS 和北斗终端组合在船舶动态监控中的应用［J］． 上海海事大学学报，2011，32( 4) : 17-21．
［9］ 让-马利佐格． GPS 卫星导航基础［M］． 北京: 航空工业出版社，2011: 80-81．
［10］ 杨元喜，李金龙，徐君毅，等． 中国北斗卫星导航系统对全球PNT 用户的贡献［J］． 科学通报，2011，56( 21) : 1734-1740．
( 编辑贾裙平)
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2014-10-1 07:54 上传

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