基于GPS/BDS的移动目标定位追踪系统设计
2022-06-09
张超，顾济华
（苏州大学物理与光电·能源学部，江苏苏州215006）
摘要：利用gps（全球卫星定位系统）和BDS（北斗卫星导航系统）联合定位技术，设计了一款针对移动目标的高精度定位与跟踪系统。系统主要包括移动目标通信终端、GSM网络、GIS电子地图等。其中，核心部分——移动目标通信终端硬件由ATGM331C单元、TC35I单元和STC12C5A60S2微处理器单元等构成；其软件设计主要包括：微处理器初始化、GPS/BDS解码、短信命令解码和AT命令控制等。实践测试结果表明：该系统运行稳定，且移动目标通信终端具有定位精度高、体积小、功耗低、操作简单方便等特点，应用前景广阔。
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关键词 ：移动目标；GPS/BDS；定位；追踪；ATGM331C；TC35I
中图分类号：TN967.1?34；TM910.2 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）17?0121?03
0 引言
我国自主研发的北斗卫星导航系统（BeiDou Navi?gation Satellite System，BDS）已成为继美国“GPS”、俄罗斯“GLONASS”、欧洲“GALILEO”之后的第四大卫星导航系统[1]，已在个人位置服务、精密授时、特殊货物运输监管、精细农业、应急救援、道路交通管理、海运与水运、航空运输及气象应用等领域发挥重要作用。北斗系统与其他卫星系统的兼容与互操作性使用户能够同时利用多系统观测数据，极大地改善了观测冗余度、提高了导航定位精度[2]。本文针对单一导航系统特定时间特定区域内可见卫星数量少所导致的盲区或死角、精度较低以及抗风险和抗异常误差能力差等问题，通过GPS 和BDS组合，以提高系统稳定性、定位精度和可靠性[3]。
1 系统原理
完整的移动目标定位跟踪系统由移动目标通信终端、GSM无线网络、GIS电子地图等组成。GIS电子地图的主要功能是实时显示被监控的移动目标的位置及轨迹、地理信息查询、地图的更新[4]。通过GPS/BDS联合卫星导航定位模块获得经纬度坐标值和时间等信息，借助于GSM 网络将被监控目标的位置信息匹配到GIS电子地图[5]，实现对移动目标的定位、跟踪、运动轨迹显示查询、速度显示等功能。
设计的系统中，核心部分——移动目标通信终端结构如图1所示，其主要由GPS/BDS双模卫星导航定位模块ATGM331C，GSM 模块TC35I，STC12C5A60S2 微处理器单元和电源模块等组成。
选用的ATGM331C 模块支持GPS 和BDS 单系统定位或双系统联合定位，包含32个跟踪通道，可以同时接收所有GPS和BDS可见卫星[6]，且具有定位精度高、高灵敏度、耗电量低、体积小、重量轻等特点。所用GSM模块TC35I工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.3~4.8 V。其电流消耗：休眠状态为3.5 mA；空闲状态为25 mA；发射状态为300 mA（平均）；峰值[7]为2.5 A。该模块带有充电引脚，可对外接锂电池进行充电。微处理器单元选用STC12C5A60S2 单片机作为主控芯片，其双串口可同时满足AT通信命令控制输入与导航数据输出应用需求，模块间通信电平匹配，且该微处理器还具有速度快、功耗低、抗干扰超强等优点。系统采用锂电池供电，通过宽电压输入（2.4~5.5 V）升降压芯LTC3441电路设计，获得系统所需的3.3 V稳定电压，其最大输出电流可达4 A，满足系统工作电流需求。
2 通信终端电路设计
所设计的移动目标通信终端具体硬件电路，如图2所示。
STC12C5A60S2微处理器单元核心与ATGM331C模块和TC35I模块相连，接收并解码ATGM331C模块获得的GPS/BDS 导航定位信息，经过数据处理后由GSM 模块TC35I发送到GIS电子地图等接收平台。
其中，需要注意：TC35I模块的IGT启动引脚在系统加电后，必须给IGT加一个大于100 ms的低电平脉冲，电平下降持续时间[8]不得超过1 ms，这样才能保证该模块正常工作。另外，TC35I模块自身具有锂电池充电功能，在其power引脚输入5 V直流电，将锂电池正极与TC35I模块VBATT+引脚相连接即可充电，其中R11 为负温度系数电阻，模块通过该电阻测量电池温度，当电池温度异常时就停止充电。
SIM 卡为移动目标通信终端接入GSM 网络的登记凭证，同时可在SIM 卡内进行用户信息存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等任务[9]。
SD 卡支持3.3 V 供电，采用SPI接口与微处理器相接，工作于从机状态，用于存储导航数据文件，拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性等特点[10]。
3 系统软件设计
本系统软件设计时，以Keil C51为开发编译环境，使用C语言进行系统应用程序编写。系统上电后，先完成ATGM331C 模块、TC35I 模块和STC12C5A60S2 微处理器单元初始化设置、握手通信及要求内容显示等，然后等待接收到的外部短信命令，进行单次或连续导航信息的提取和解码，根据通信协议将所要求数据发送到GIS电子地图等接收平台。
对于GPS/BDS导航信息解码，首先根据“$”字符判断出帧头，然后根据GNGGA，GNRMC，GNVTG，GPGSA，GPGSV，BDGSA，BDGSV 等不同语句，将其后数据提取出来后保存到相应数组中。
外面短信命令解码是应用程序设计中重要的子程序之一，主要包括对所接收到外部短信正确与否进行判断、提取命令字及要求回复电话号码等。本应用程序设计中规定，正确的导航信息发送短信命令为：*S#11 位数字（如13656208682）。其中，“*”和“#”为命令正确与否判断符，“S”为回复满足已制定通信协议要求的导航信息短信标志，“11位数字（如13656208682）”为要求回复到的手机号码。当向本系统移动目标通信终端发送符合以上格式的短信命令时，终端就会根据要求回复相应内容，而当所接收到的短信内容不符合设定的格式要求时，终端则不予响应并删除所接收到的短信内容，空出存储空间以便于等待保存下条正确的短信命令。具体程序流程如图3所示。
4 系统测试
系统测试时，采用GPS/BDS双模卫星导航模块配套和芯星通CDT（Control & Display Tool）调试软件，对串口接收到的GPS/BDS导航数据按照NMEA格式解码，并显示出相关数据，同时将保存后的数据文件转换成能被Google Earth识别的KML文件，在Google Earth卫星地图中直观显示出其位置信息。软件界面如图4所示。说明：NMEA0183格式以“$”开始，如果只将BD，GPS等卫星用于位置解算，传送标识符为BD，GP；如果使用了多个系统的卫星取得位置解算，传送标识符用GN[6]。
5 结语
本文所设计的移动目标定位追踪系统通过GPS/BDS双模导航模块接收移动目标位置信息，并通过GSM网络与客户端的信息传送，实现对移动目标的定位追踪。该系统终端体积小、携带方便，双模定位更加精确，不仅可以应用在移动车辆上面，也可以让儿童、老人随身携带，可以实时了解他们的位置信息，以防丢失，应用前景广阔。