1、1基于北斗导航系统的移动导航定位终端的设计作者：钱成越 2 薛原 1 张彦峰 2 卢争超 3指导老师：付建红 2（1.武汉大学计算机学院，湖北 武汉 430072；2.武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430072；3.武汉大学电子信息学院，湖北 武汉 430072）摘要随着空间信息技术的发展，卫星导航系统的运用日益深入。同时，计算机硬件技术与通讯技术的进步，对导航终端的信息处理能力、便携性以及交互性提出了更高的要求。当前，市面上的主流导航定位终端大多基于 GPS 系统，对他国依赖程度很高；而基于北斗导航系统的终端由于体积大、能耗高、价格贵等影响，推广应用并不理想。针对这一问题，本文提出了
2、在嵌入式操作系统基础上，利用北斗导航系统实现定位，设计了一种移动导航定位终端。该移动导航终端由通讯模块、定位模块、地图显示、地图搜索、电子地图以及系统维护模块组成，可实现定位、地图查询、路径选择等多种功能。终端采用嵌入式主板 ARM8010 作为设计母板，搭载 Samsung 公司的 S3C2410 处理器作为主控芯片。在此基础上，采用威科姆科技的北斗接收模块 BD-7700 和 Fidelix 公司的 CDMA 通信模块 FD810，用于获取卫星信号和网络通讯。通过各个模块的处理软件设计，实现终端的完整功能。关键词北斗导航系统，嵌入式系统，Linux，无源定位，Dijkstra 算法Abst
3、ractWith the development of spatial information technology, the application of satellite navigation system deepens increasingly. Meanwhile, as the computer hardware technology and communication technology advance, higher demand has been set for the ability of information processing, portability and
4、interactivity on navigation terminal. Currently, the mainstream navigation terminals are most based on GPS that are highly dependent on other country. Besides, the existing navigation terminals based Beidou(COMPASS) Navigation Satellite System are suffering from large volume, high energy consumption
5、 and high price, so the popularization and application are still not satisfactory. Aiming at such problem, a mobile navigation terminal is now designed based on embedded operating system and Beidou(COMPASS) Navigation Satellite System.The mobile navigation terminal consists of communication module,
6、locating module, map display module, map searching module, electronic map and system maintenance module，can realize the function of locating, map query and routes selection. The terminal is based on main board ARM8010 equipped with Samsung S3C2410 processor as main processor. On the basis, the acqui
7、sition of satellite signals and network communication are accomplished by VCOM BD-7700 receiver module and Fidelix FD810 communication module. And other functions are achieved by the software design, thus making a integrated mobile navigation terminal.Key WordBeidou(COMPASS) Navigation Satellite Sys
8、tem, embedded system, Linux, passive location, Dijkstra algorithm1 背景及意义 2自 20 世纪 90 年代以来，全球卫星导航系统以其速度快、效率高、测量定位精度高等一系列特点，深受各个行业数据采集和资源监测人员的青睐。卫星导航系统的出现，解决了大范围、全球性以及高精度快速定位的问题。其应用范围已经渗透至国民经济和社会发展的各部门、各领域、各行业 1。目前正朝着集成度不断提高、用户更加广泛、使用更加便捷的方向发展。但是国内使用基于 GPS 的定位导航系统将受制于美国的 GPS 政策，一旦在紧要关头特别是在战时， 美国有针对性地限
9、制或关闭对我国的应用， 后果将不堪设想。2000 年底，我国自主研制的“北斗导航试验系统” （第一代系统）建成，标志着我国成为世界上第三个拥有自主知识产权卫星定位导航系统的国家。它打破了美国等发达国家垄断卫星定位导航技术的局面，大大推进了我国信息基础设施建设，提高了我国的经济社会和军事信息化的水平。从 2007 年至今，我国又陆续发射了 3 颗北斗导航卫星，第二代北斗导航系统的组网工作正稳步进行。但是，由于目前北斗导航卫星的数量限制，需采用有源定位才能获得较高的精度，而有源定位则需要向地面控制中心发送定位请求，其隐蔽性、实时性差。此外，现有的基于北斗导航系统的终端由于体积大、能耗高、价格贵等影
10、响，推广应用并不理想。为此，目前有很多学者提出了相应的解决办法。本论文在参考和总结众多研究成果的基础上，提出了根据用户要求（如精度优先或者隐蔽性优先）实施不同的定位方式的设想，利用三星无源定位算法解决有源定位隐蔽性差、实时性差的问题，用嵌入式操作系统和北斗定位系统结合，最终开发出一套基于北斗的具有双模式（无源和有源）定位导航功能的用户终端。2 设计方案2.1 总体规划该导航定位终端针对移动式应用而开发，具有重量轻、体积小、交互友好、安全性高等特点，具有独立的操作系统和图形化的人机界面，可以进行全天候的准确定位和安全通信。其系统结构图如图 1。子模块主控模块用户界面输入 输出 通讯 定位 地图显
11、示 地图检索 电子地图 用户界面 系统维护图 1 移动导航定位终端系统结构图（1）用户界面：此模块以表单或字符输入方式接受用户指令，并以图形或文字方式返回数据。（2）通讯：向总部发送信息，接收卫星信号。（3）定位：根据用户选择的定位方式得到当前坐标。（4）地图显示：显示区域地图、用户当前所在位置。当用户进行方向选择、动态移动、拉近拉远等动作时，进行相应的变化。（5）地图搜索：根据用户输入的某一地点的信息，找到该点并将显示其出来，或者在3用户输入出发地和目的地后，通过路由算法找到最短路径，并在地图上显示。（6）电子地图：存储地图文件。（7）加密：使用 AES 算法对发送数据进行加密。（7）系统维
12、护：对导航终端所进行总体设置，定期备份、更新地图数据，提供所有的地图文件下载接口，设置用户各种操作权限，在软件出现新版本是出现版本更新提示。2.2 硬件设计作为核心的主控制器需要应对实时路径规划、数据定位处理等实时性的大量的计算任务，同时为了实现人机交互功能，主控制器需要具备丰富的 I/O 接口 2。根据这些要求，选择Samsung 公司的 S3C2410 处理器。S3C2410 处理器是基于 ARM 公司的 ARM920T 处理器核，是一款 Samsung 公司为手持终端设计的低价格、低功耗、高性能的处理器，处理器运行频率可达 203MHz，支持 TFT 的 LCD 控制器，NAND 闪存控
13、制器，具有 3 路 UART，Touch Screen 接口， SD 主机和 MMC 接口，4 路 DMA 等丰富的 I/O 接口。S3C2410 的串口 UART2 和 UART3 分别与 CDMA 模块、北斗卫星接收模块通信 34，在实际通信时两路连接都加有 LVTTL 电平到 RS 232 电平的转换电路。外围扩展的 Flash存储器可用于存放嵌入式 Linux 操作系统及应用程序代码，扩展的 SDRAM 主要用作系统的内存。CDMA 模块是整个系统的通信基础，在设计中采用 Fidelix 公司的 CDMA 通信模块FD810。该模块符合 IS-95A/B 与 CDMA2000 1x-R
14、TT 技术规范，支持 CDMA2000 1X 无线数据传输。高速上下行速率与大缓存，数据传输速率高达 153.6 Kb/s，可通过 AT 命令远程控制内置 TCP/IP 协议堆栈。 DTGS-800 与 AT91RM9200 通过串口 UART2 实现数据的收发和AT 指令的操作。卫星信号的接收采用威科姆科技的 BD-7700 北斗接收模块，其功耗低、重量轻、尺寸小，可跟踪 3 颗卫星，处理 6 个波束数据，捕获时间小于 2s，授时精度优于 30ns，可输出时间信息、精度、纬度、高程以及接收状态信息。此外，通过 S3C2410 处理器的其他接口，完成显示屏、键盘、存储设备的接入，其硬件结构如图
15、 2S3C2410 嵌入式系统触摸显示屏存储设备键盘等控制设备卫星信号采集模块 CDMA 通信模块音频输入输出设备摄像头其它扩展功能模块图 2 移动导航定位终端硬件结构图2.3 操作系统设计Linux 是一个成熟而稳定的网络操作系统，具有开放性、兼容性、可定制、精简高效等诸多优点。因而，选择 Linux 作为该导航定位终端的操作系统。嵌入式 Linux 系统只需引导程序、Linux 微内核、初始化进程 3 个基本元素。移植嵌入式 Linux，就是使实时内核能在其他处理器(CPU)或微控制器(MCU)上运行。将嵌入式 Linux移植到 S3C2410 平台上，需要 4 个步骤：下载源码和建立交叉
16、编译环境，配置编译内核，制作文件系统，下载和调试内核 56。43 理论设计计算3.1 无源定位算法目前，北斗卫星系统的组网工作还未完成，仅有三个卫星组成，从理论上可进行无源定位。首先，利用接收机终端同时接收来自三颗卫星的测距码信息，得到测站点到三颗卫星的伪距 D1、D 2、D 3， 并用测高仪量测测站点的海拔高度 H0，设观测值矢量为 l=（D 1，D 2，D 3） ，待定点坐标为 r=（x，y， z） ，待定点初始坐标 r0=（X 0，Y 0，Z 0） ，卫星 1 的坐标为r1=（X s1，Y s1，Z s1） ，卫星 2 的坐标为 r2=（X s2， Ys2，Z s2） ，卫星 3 坐标为
17、r2=（X s3，Y s3，Z s3） ，利用接收机终端进行自主定位，必须要考虑接收机时钟和卫星时钟的差值，设差值为t，则根据测距码所得到的距离（i=1,2,3） tcZYi sisisi 222)()()(（1） 00coxLBHNsin)(y002)1ze202)(sinBaN（2）注：a 0 为参考椭球体长半轴，e 为参考椭球体第一偏心率， xytnL00cos)(cosLHNxe（3）根据以上分析，需要求解四个未知数：X，Y，Z 和t ，而实际可以得到 3 个伪距观测值和一个高程值，因此可以求得这四个未知数。具体解算时，可先利用（2）式把（1）式中坐标转换成经纬度和高程表示，同时把用测
18、高仪量测的高程数据代入方程，并与（3）式联立。然后进行迭代计算，即可求出测站的坐标，最后再利用（3）式便可以把坐标转换成测站的经纬度值 7。3.2 路由选择算法在地图文件的节点信息已知的情况下，采用 Dijkstra 算法计算最短路径，其基本思想是按照路径长度递增的方式，利用贪心策略，求得从起始地点到目标节点的最短路径。针对嵌入式系统处理器运算能力有限的缺陷，采取空间换时间的思想，进行改进。首先在内存中建立一个有序表 T，用来记录节点的编号和距离，在传统算法进行到第二步时，将已取得标记的节点和其相连的节点（包括存储在 T 表中的节点）的距离 L 计入到有序表 T 中，进行临时性标记，直到所有相
19、连节点都扫描完成。然后将有序表中的第一项记录（即距离最短节点）作为永久标记节点 8，并将其从表 T 内删除。然后在没有标记的节点中按照上述步骤继续搜索。这样就大大减少了重复计算未标记节点所带来的巨大计算量。4 工作原理及性能分析4.1 工作原理（1）初始化系统各功能部件，如果发现异常则报警提示并退出；5（2）选择定位模式。如选择有源模式，终端在不断收到控制站出站信号的前提下，以出站信号中的帧时标为发射启动时间基准，根据指定协议发射定位申请等入站信号；入站信号经卫星转发到控制站，控制站进行定位处理之后，把定位数据由卫星发往终端，从而实现定位功能。在无源定位模式下，终端通过北斗卫星的接收模块获取卫
20、星信号，根据卫星的测距码信息，由终端自带的定位模块解算当前位置。（3）启用地图导航。通过有源或无源模式获取当前终端位置信息后，坐标数据传递到地图显示模块。地图显示模块调用地图文件，将坐标数据载入，显示当前终端所在位置。当用户选择地图查询功能时，地图搜索模块根据用户输入的地名信息，在地图文件中检索。如地图匹配成功，则在地图显示界面上予以标识，并漫游至此处；如未能找到，则返回并告知用户。当用户选择路径查找功能时，地图搜索模块根据起始点信息，通过路由算法进行最短路径计算，并将路径显示于地图上；如果由于信息不足无法完成，则返回告知用户。（4）在此过程中，用户可选择是否向服务器返回当前位置信息。如果选择
21、返回终端位置信息，则终端将信号加密后，通过发送接收模块向网络发送坐标数据，告知总控制台当前终端位置。4.2 性能分析在综合考虑硬件运算和软件算法设计的情况下，拟定终端的工作基本要求。（1）初始化：从启动终端到显示用户界面的响应时间拟定为 5s；（2）定位：在无源模式下，通过终端自身解算，精度在纬度方向达到 58m，经度方向达到 4.3m 9； （3）地图显示：用户进行方向选择或拉近拉远操作要求地图和操作基本同步，响应时间拟定为 5ms；（4）路径搜索：用户搜索路径的响应时间拟定为 20s；（5）发送：从启动通讯模块到向服务器发送完毕当前位置信息时间小于 10s；（6）系统维护：对地图数据进行备
22、份时间小于 5min。目前，已在移动导航定位终端上实现了地图显示、路径搜索以及电子地图存储功能，在微机上实现了无源定位算法。实验表明，地图显示、搜索响应时间已达到设计要求，而无源定位的精度则远未达到设计要求，有待进一步改进，并需移植入终端。在终端的功能集成方面，仍有大量工作等待完成。5 创新点及应用5.1 创新点（1）定位方式：提供有源定位和无源定位两种方式。在有源模式下，终端向地面控制站发送定位请求，由地面控制站根据终端发送的信号解算终端所在位置，并向终端发送定位数据，定位具有较高的精度。在无源工作模式下，终端根据北斗卫星接收模块数据，使用自带的定位解算软件完成。无缘工作模式的精度低于有源模
23、式，但无需与控制站进行通讯，隐蔽性与时效性较好。正对不同的用途，用户可自由选择工作模式。（2）路径选择：在采用矢量地图数据的基础上，采用 Dijkstra 算法进行最短路径的计算，并针对嵌入式系统对该算法进行改进，能够快速为用户制定出出行路线，提供了更为强大的导航功能。（3）加密：AES 算法是当前加密算法中安全性很高，能抵抗现有己知的攻击方式。同时，其编码紧凑、设计简单、运算速度快，非常适合于嵌入式系统的数据加密工作。终端采用 AES 算法对用户向服务器的发送数据进行加密，可有效保证用户的数据安全 10。65.2 应用本文设计的移动导航定位终端在嵌入式操作系统的基础上集成北斗定位系统，同时发
24、挥有源定位和无源定位各自的特长以实现不同要求的定位，并利用了成熟的路由算法实现快速导航的功能，这样的用户终端更为人性化，用户可以根据自己的需要选择终端的工作模式把快速和精准结合起来，达到更高的效率。这样的终端由于集成了不同的算法，适用性更加广泛，很容易推广，可以用于大地测量、商业物流管理土建工程、考古、个人移动电话定位、城市管理、社会治安综合治理、电子商务、农林业管理、灾害和突发事件控制、通信行业的时间同步测控，也可以用于交通运输部门营建监控系统、公安和银行等营建紧急救援或报警系统。参考文献1http:/ Hollabaugh. Embedded Linux: Hardware, Softwa
25、re and Interfacing. Pearson Education, 2002.7-213苏丽华,赵可萍,崔胡.基于嵌入式 ARMLINUX 的 GPS 智能终端设计I.现代电子技术，2009(12) ：2527.4潘永才,鲁启华基于 S3C2410 的 GPS 通讯的实现J.现代电子技术.2006(15):157159.5邹思轶.嵌入式 Linux 设计与应用M.北京：清华大学出版社,20026马忠梅,李善平.ARM Linux 嵌入式系统教程M.北京：北京航空航天大学出版社，20057刘雅娟.北斗三星无源定位技术J. 无线电工程，2006， 36（2）：36398John CDatabase design and programming with access，SQL and visual CM.S1:The MacGrawHill Co.Ltd,20029方兆宝，夏哲仁，赵培海，等.北斗三星无源导航定位技术研究 J.海洋测绘,2007,27（2）：151710Joan Daemen,Vincent Aijme. The Design of Rijindael:AESthe Advanced Eneryption StandardJ.Springer Verlag,2003:5772
