基于北斗2代的定位跟踪系统

夏永平，夏 牟，韩留军(中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035)

基于北斗2代的定位跟踪系统

夏永平，夏 牟，韩留军
(中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035)

摘 要：主要描述了基于北斗2代卫星的定位跟踪系统的实现，该系统由北斗卫星系统、CDMA通信网络、信标终端、服务器和监控中心组成。信标终端启动时间小于45 s，语音拾取范围2～3 m，定位精度小于10 m。具有精度更好、通信速度更快、安全性更高的特点，并具备CDMA信号丢失下的信息自动存储、信号恢复后的信息补传功能，能够完整地还原目标的整个运动轨迹。

关键词：北斗2代；定位跟踪；CDMA

1　引言

我国现有的各种定位跟踪通信设备绝大部分是基于GPS全球定位系统来实现。这种严重依赖国外导航的状况，一方面不利于国产技术的普及发展，另一方面也存在安全隐患，可能影响国家的利益和安全。

如今，我国自主研发的“北斗二代”(BD2)系统已开始正式运营并提供区域服务。本项目以“北斗二代”系统为依托，设计了一套性能强大、工作可靠、成本低廉的定位跟踪通信系统，该系统不仅能够应用于通用场合的定位跟踪，更满足了一些弱信号场合的定位要求。

2　系统构成

如图1所示，本定位系统主要由北斗卫星系统、通讯网络、服务器、监控中心和信标终端 5部分组成。

北斗卫星导航是我国自主研发的卫星定位和通讯系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力；数据通讯网络系统主要完成主控手机与信标终端间的控制指令传输，信标终端定位数据回传，语音数据回传；监控中心主要完成对信标终端的配置、系统配置管理、用户管理、认证鉴权管理，统计分析报表，实时定位监控、实时路径追踪、历史行车轨迹回放和响应终端的应急报警；信标终端是整个系统的关键器件，肩负定位数据回传、语音实时侦听、语音录制上传、震动检测、数据销毁、电压检测、定位及语音数据存储功能。

图1 跟踪定位系统结构图

3　信标终端设计

3.1硬件设计

图2 信标终端结构框图

信标终端硬件设计如图2所示，硬件部分由主控制器、数据存储器、震动传感器、电源管理部分、时钟模块及定位模块、CDMA通讯模块、拾音器、定位天线及3G天线组成。当MCU检测到震动信号时，MCU将信标开机并告知监控平台；同时在短信控制下，信标具备实时语言侦听与定位数据报告功能；当信标无法检测到震动时，系统将进入关机休眠状态；MCU在收到CDMA短信销毁指令或者间隔特定时间后将数据存储器数据销毁；当MCU检测到电池供电电压过低时，将自动通过CDMA发送短信提醒或通过监控平台报警；MCU将定位模块采集的数据（经纬度与时间）每隔一定时间写入数据存储器，同时完成数据加密功能。

主要模块的硬件选型如下。

（1）核心控制模块

主控芯片主要完成各模块间的通信，对接收到的数据进行解码和处理。对发送的数据进行编码，并实时响应短信指令及外部中断，是信标终端的核心部分。意法半导体公司Cortex-M4处理器，具有32位RISC内核，工作频率高达168 MHz，外部接口丰富，终端可扩展性高，具有一套完整的DSP指令和内存保护单元，同时具备低功耗、低成本等优点，满足系统的整体需求。

（2）北斗定位模块

北斗定位模块主要由射频前端、A/D转换器、基带信号处理和导航解算部分组成。射频前端接收卫星的射频信号，经前置放大器放大后，将信号下变频为中频信号；A/D转换器采样中频信号，把模拟信号量化编码为数字信号；基带数字信号处理部分主要功能为卫星信号的二维捕获、载波相位和码相位的跟踪，并且测算出伪距；最后导航解算部分采用一定的算法消除模型误差，求解伪距方程，解析出卫星接收机天线的地理位置，从而实现卫星定位，北斗定位模块主要用来接收北斗卫星信号。本系统终端采用locosys模块，该模块体积仅为10 mm×10 mm，标准NMEA0183数据输出，数据刷新率1 Hz；跟踪灵敏度可达-165 dBm，开阔条件下热启动定位时间小于1 s，冷启动定位时间小于45 s，满足用户特殊场合定位和快速定位的要求。

（3）CDMA模块

CDMA模块选用中兴MC8630模块，该模块采用CDMA 1X EVDO 通信技术，使用CDMA进行指令的发送和数据的回传。CDMA 是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，具有抗干扰性好、抗多径衰落、保密安全性高等特点。前向峰值数据速率可达3.1 Mbit/s，反向峰值数据速率1.8 Mbit/s，可以为用户提供经济型高速互联网接入和无线数据等业务。

3.2软件设计

3.2.1 软件设计思想

软件总体分为物理层、系统层和应用层。物理层包括各通信模块的硬件和物理接口，以及各自所遵循的通信协议；系统层指嵌入式UCOS II操作系统，集成了各个模块的驱动，负责完成系统各模块的初始化任务；应用层实现信息处理和模块间通信。应用程序采用多线程的设计思想。对每个通信模块采用独立线程的方式可以避免程序陷入死循环，提高程序的运行效率。

软件根据产品功能划分成多个模块，各模块组成情况如图3所示，其中每个方块表示一个模块，每个模块包含一个独立的线程和相应的资源，相对独立地完成某个功能，这样做的优点在于提高软件的内聚性，降低功能之间的耦合，使得软件能很方便地修改已有功能或扩展新功能，对于今后同类产品也能做到代码重用，降低开发成本，缩短开发周期。

图3 软件组成框图

3.2.2 关键软件模块设计

系统层指嵌入式UCOS II操作系统，集成了各个模块的驱动，主要结构如图4所示。

（1）BD模块控制

BD定位模块软件部分主要包括定位模块的初始化、复位、休眠、唤醒、定位数据的获取等部分。获取数据为NEMA格式的导航电文。从电文中可提取出经纬度、实时时间、速度信息。主要信息从GGA语句中提取。

（2）CDMA模块控制

CDMA模块软件部分包括CDMA模块的初始化、复位或者通信状态、拨打电话、短信的收发等部分。通信采用AT指令，该模块在设计时又细分了“通用AT指令收发层”和“AT指令处理层”，目的是提高代码可维护性。在处理AT指令的时候又分为同步指令处理和异步指令处理，提高响应速度。

（3）录音控制

录音控制软件部分主要由文件的查找、记录、读取和删除组成。为了提高存储卡的利用率，同时减少文件传输时间，降低功耗，在不影响录音质量的前提下对音频文件采用了ADPCM算法，录音文件大小减小到了原来的1/8，从而减少了录音文件存储所占用的存储空间，也加快了文件传输的速度。

3.3外形设计

图5 整体外形结构图

产品外形设计小巧，壳体上集成开关机按键、开关机指示灯、充电接口和充电指示灯，使用简单。外壳底部附有强力磁铁，安装简易，不用连线，吸附车体即可使用。

4　上位机软件界面演示效果图

上位机软件可使用离线地图或者百度、GOOGLE在线地图显示信标位置。在线地图精度更高，离线地图方便在没有网络的情况下使用。信标终端定位显示界面如图6所示，信标终端轨迹回放功能如图7所示。

图6 信标终端定位显示界面

图7 信标终端轨迹回放界面

5　总结

信标终端经过测试启动时间小于45 s，语音拾取范围2～3 m，定位精度小于10 m，待机电流7 mA，待机时间可达23天，吸附力大于5 kg。具备自动开机、自动休眠、文件补传、文件加密、位置补充等功能特点，已成功通过用户的测试试验，并完成了样品的交付、评审。

参考文献：

[1] 劭贝贝. 嵌入式实时操作系统uCOS-II[J]. 2003，05.

[2] 鲁郁. GPS全球定位接收机——原理与软件实现[J]. 2009，06.

[3] 付先国. GPS测量应用中常用标准数据格式分析与说明[J]. 2010，2.

[4] 张妤. 车载GPS接收机与PC机间串行通讯的实现[J]. 2009，1.

[5] 贾楠. 基于嵌入式linux的GPS系统设计[J].

The Realization of a Positioning and Tracking System Based on BD2 Satellite

XIA Yongping, XIA Mou, HAN Liujun
(China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China)

Abstract:The realization of a positioning and tracking system based on BD2 satellite is described in this paper. The system is consisted by BD satellite system, CDMA communication network, beacon terminals, server and monitoring centre. Beacon start time less than 45 seconds, monitoring scope 2～3 meters, positioning accuracy is less than 10 meters, performer better in accuracy, communication speed and security level, meanwhile this system have the function of automatic data storing in the situation of dropping CDMA signal and data resending after that, which makes the recurrences of whole target movement track possible. Keywords: BD2; positioning and tracking; CDMA

收稿日期：2015-7-6

作者简介：

夏永平（1973—），男，高级工程师，毕业于南京理工大学电子工程专业，现从事射频电路设计方面的研究工作。