基于BD／GPS的雙模船載導航系統設計

引言

北斗衛星導航系統(BDS)是我國正在實(shí)施的自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統。有著(zhù)集定位、授時(shí)、短報文通信及用戶(hù)檢測于一體的優(yōu)勢，然而目前北斗衛星導航系統的實(shí)際應用并不理想，用戶(hù)終端設備價(jià)格偏高且研發(fā)滯后，應用規模不大。尤其在航海領(lǐng)域，許多與衛星導航有關(guān)的先進(jìn)設備、先進(jìn)技術(shù)(如電子海圖導航系統)暫不支持北斗衛星導航服務(wù)，目前船載衛星導航系統中使用最普遍的仍是GPS系統。

本文利用現有的電子海圖導航系統，在其基礎之上同時(shí)加載北斗及GPS導航定位信息，選用泰斗微電子科技有限公司推出的支持BD2/GPS的雙模授時(shí)定位模組實(shí)現北斗/GPS衛星導航信息的接收，選用具有雙串口的一款單片機負責系統的控制、信息采集、傳輸，最終實(shí)現電子海圖導航系統與北斗衛星導航系統的對接，對北斗衛星在航海領(lǐng)域的民用推廣有一定意義。

1 總體結構與功能

本系統將導航信息進(jìn)行解析轉換，通過(guò)串口傳遞給上位機，最終在電子海圖顯示系統中顯示定位導航。按照功能要求，可將系統分為單片機控制模塊、BD/GPS雙模接收模塊、串口通信模塊、存儲系統、電源模塊等，如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 北斗/GPS雙模接收模塊

TD3017芯片是北斗/GPS雙模接收模塊的核心，它是一款支持BD2 B1/GPS L1的雙模授時(shí)定位模組，內部整合了雙?；鶐酒透咝阅芸膳渲玫碾p模雙通道射頻芯片，提供高精度、高靈敏度、低功耗、低成本的BD2/GPS雙模導航、授時(shí)服務(wù)，且具備天線(xiàn)狀態(tài)檢測及天線(xiàn)短路保護功能，支持休眠工作模式，支持軟件升級等功能。

通常情況下，北斗/GPS雙模接收模塊通過(guò)外接BD2B1/GPS L1有源天線(xiàn)，可接收到北斗B1頻段(即1561.098±2.046 MHz)及GPS的L1頻段(即1575.42±1.023MHz)內的衛星導航信號。有源天線(xiàn)接收到高頻衛星信號后，經(jīng)過(guò)TD3017A模組內射頻芯片完成對信號的放大、變頻得到中頻模擬信號;再經(jīng)濾波、解調、A/D轉換等操作，實(shí)現微弱射頻信號到數字中頻信號的轉換;然后再通過(guò)TD3017A模組內基帶芯片進(jìn)行捕獲和跟蹤、定位結算等一系列算法處理后，解譯出北斗以及GPS的導航電文;最后輸出NMEA格式的定位數據和1PPS授時(shí)信號。

模塊上電完成初始自檢后，自動(dòng)接收來(lái)自天線(xiàn)的射頻信號，解析出導航電文，最后由串口輸出NMEA-0831數據。TD3017的串口引腳通過(guò)MA X232電平轉換芯片，可直接與上位機串口連接通信，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的跳線(xiàn)連接與單片機系統進(jìn)行串口通信，硬件電路圖如圖2所示。

2.2 串口通信模塊

STC12C5A60S2單片機是一款低功耗、高性能、抗干擾能力強、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強的CMOS 8位微控制器，指令代碼完全兼容傳統8051，片上集成1280字節RAM，具有串口1(RxD/P3.0及TxD/P3.1和串口2(RxD2/P1.2，可通過(guò)寄存器設置到P4.2;TxD2/P1.3可通過(guò)寄存器設置到P4.3)雙串口。

單片機與上位機可通過(guò)電平轉換電路實(shí)現RS232格式通信;單片機與BD/GPS信號接收模塊間，可經(jīng)由MAX232進(jìn)行電平轉換實(shí)現RS232通信，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的跳線(xiàn)鏈接進(jìn)行串口通信。

2.3 電源模塊

電源部分電路如圖3所示，其中AS1117—3.3是一款低壓差線(xiàn)性穩壓器，它能提供完善的過(guò)流保護和過(guò)熱保護功能，確保芯片和電源系統的穩定性。

3 系統程序設計

上位機的電子海圖系統選用OpenCPN，它是一個(gè)開(kāi)源代碼的簡(jiǎn)潔電子海圖導航軟件，支持GPS/GPDS定位信息輸入、BSB柵格圖表顯示、S57 Vector ENChart Display、AIS輸入解碼、Waypoint Autopilot Navigation等功能。單片機將從北斗/GPS信號接收模塊中接收到的BD2或GPS報文進(jìn)行解析、轉換后，得到NMEA標準格式的“$GPRMC”定位報文，通過(guò)串口傳遞給電子海圖加以顯示定位。整個(gè)程序可分為幾個(gè)部分，即主控程序、BD2/GPS定位解析程序、串口通信程序。

3.1 NMEA數據協(xié)議簡(jiǎn)單介紹

TD3017模塊輸出的消息語(yǔ)句符合NMEA—0183通信標準格式，基本格式定義如下：

$，data1，data2，…，*校驗和>

IDsss是語(yǔ)句類(lèi)型標識，它由兩部分組成：ID為語(yǔ)句標識符，SSS為語(yǔ)句格式符。語(yǔ)句標識符有BD、GP、GN、CC、P，分別代表BD2系統、GPS系統、GNSS系統、Computer Control語(yǔ)句、專(zhuān)用語(yǔ)句;而語(yǔ)句格式符分為輸入語(yǔ)句格式符(用于對TD3017模組進(jìn)行工作模式等的切換設置)，以及輸出語(yǔ)句格式符(有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、TXT，除了TXT是段文本信息的傳送，用于輸出天線(xiàn)檢測狀態(tài)或者輸出一些控制命令的響應以外，其余的與標準NMEA～0831協(xié)議一致)。

類(lèi)型標識符后為數據體，由若干數據字段(d1，d2，…，dn)組成;校驗和的計算是從$到*之間的所有字符;表示回車(chē)換行。例如：

$BDRMC，084300.00，A，2434.90608，N，11806.83229，E，0.067，，151014，，，A*77

本實(shí)驗中利用衛星接收模塊接收到其中一條信息一$BDRMC為幀頭，表明該語(yǔ)句為北斗RNC格式定位信息;字段1(084300.00)為UTC時(shí)間，hhmmss.sss為時(shí)分秒格式，即UTC時(shí)間8時(shí)43分0秒(北京時(shí)間16時(shí)43分0秒);字段2(A)表示狀態(tài)，A=定位，V=未定位;字段3(2434.90608)為緯度ddmm.mmmm，度分格式;字段4(N)表示N(北緯)或S(南緯);字段5(11805.83229)為經(jīng)度dddmm.mmmm，度分格式;字段6(E)表示E(東經(jīng))或W(西經(jīng));字段7(0.067)為速度，單位為節，Knots;字段9(151014)為UTC日期，DDMMYY格式，即14年10月15日。

3.2 北斗定位模塊程序設計

北斗/GPS信號接收模塊上電后會(huì )自動(dòng)不停地將接收到的數據通過(guò)串口發(fā)送出去，單片機系統由串口2接收這些數據，因而，在串口初始化(串口1及串口2都要初始化)后，等待串口2接收終端標志位置1，在串口2終端程序中，判斷串口2的接收緩沖寄存器S2BUF中的字符是否為“$”，若是則將其存入table[]數組中，并繼續將接下來(lái)接收到的字符逐個(gè)存入table[]數組中，直到接收滿(mǎn)63個(gè)字符，即一條NMEA信息中除“*”及回車(chē)換行以外的其他字符的總個(gè)數。暫時(shí)關(guān)閉串口2中斷，等待接下來(lái)的判斷，否則，重新判斷下一個(gè)接收到的字符是否為“$”。

回到主程序中判斷table[4]是否為“M”，若是則說(shuō)明該條信息是一條RMC格式的信息，否則丟棄該條信息重新開(kāi)始接收。接著(zhù)判斷table[17]為“A”，若是則說(shuō)明該條信息定位有效，否則丟棄該條信息重新開(kāi)始接收。

將table[]數組中的數據前3位修改為“$GP”后，將該數組中數據逐個(gè)發(fā)送給串口1的發(fā)送緩沖寄存器SBUF，由串口1發(fā)送給上位機電子海圖系統。程序流程如圖4所示。

3.3 串口通信子程序

串口通信包含兩部分：串口2從北斗/GPS信號接收模塊中接收衛星信號，再通過(guò)串口l將解析后的數據發(fā)送給上位機。源程序如下：

4 實(shí)驗結果

系統各模塊連接正確后，串口通信指示燈閃爍。圖5為上位機收到的北斗模塊直接輸出的ASCII信息，模塊默認接收GNSS，即北斗與GPS混合定位信息，圖6為單片機傳遞給上位機的ASCII信息，圖7為電子海圖系統中顯示的定位信息。

結語(yǔ)

我國北斗導航系統起步較晚，尤其海上民用中許多與衛星導航有關(guān)的先進(jìn)設備、先進(jìn)技術(shù)暫不提供北斗衛星導航服務(wù)。本文利用簡(jiǎn)單的單片機系統成功實(shí)現在現有電子海圖中顯示北斗衛星的船舶導航定位信息，對積極推廣北斗衛星導航系統在各種民用航海領(lǐng)域的應用有著(zhù)一定意義。在項目設計中，通過(guò)需求分析選用合適型號的單片機系統，制定合理的軟、硬件功能劃分，實(shí)現了所需的功能。