基于Android技术的北斗／GPS车载导航系统设计※

2013-08-27谢剑锋胡钢马胜

单片机与嵌入式系统应用 2013年10期

关键词：双模式导航系统北斗

谢剑锋，胡钢，马胜

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.常州市传感网与环境感知重点实验室）

引言

Android移动终端操作系统自2007年发布以来，由于其开放性、应用程序无界限、高级图形显示、简单控制操作等性能已经被越来越多的用户所接受，在Android平台上开发车载导航应用，有利于开发人员理解平台框架，降低设备终端的成本。

1 系统的整体结构

系统以ARM11内核的S3C6410为中央处理器，配置7英寸触摸显示屏，外围设备还包括北斗／GPS接收模块、电源模块、数据存储模块、输入／输出模块等。设计思路是先开发Boothloader引导程序，然后下载Android文件系统，将裁剪过的Android操作系统内核成功移植到开发板后，进行北斗／GPS模块驱动的开发，最后在Android平台上通过编写的导航应用程序，实现对北斗／GPS模块接收到的经纬度信息的提取。经过相应的数据处理和解析获得所需的定位信息，并且通过电子地图配合Android系统软件的API接口，将定位的信息在地图上实时、准确地显示。系统整体结构如图1所示。

图1 北斗／GPS导航系统框图

北斗／GPS定位信号的接收采用的是和芯通公司的UM220双系统导航／授时模块，能够支持BD2B1、GPS L1两个频点，其集成度高，功耗低，重量轻，体积小，非常适合北斗系统大规模应用的需求。

2 GPS定位和北斗／GPS双模式定位

2.1 GPS定位的基本原理

GPS导航系统具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力［2］，其定位的基本原理是：应用无线电测距交会的原理，卫星不断地发送自身的星历参数和时间信息，用户在收到该信号之后采用空间距离后方交会的方法，计算出接收机的三维位置，用户就在以该发射信号卫星为圆心，用户到卫星的距离为半径的球面上。原理上若用户同时接收来自3 个卫星的信号，就能确定用户的位置，但由于卫星接收机的时钟差，还需要第4颗卫星对时间进行更正，故GPS定位至少需要4颗以上的卫星。图2是以4颗卫星为例的GPS定位原理图，由图可确定下列方程组：

图2 GPS定位原理图

式（1）中已知的数据有卫星的空间坐标（xi，yi，zi），信号传播速度c，用户到卫星的距离di以及卫星发出信号的时间ti，ti为各卫星时间，t为用户接收时间。通过最小二乘法解以上非线性方程组可以计算出用户的坐标（x，y，z，t），从而实现定位。

2.2 北斗定位的基本原理

北斗导航系统具有快速定位、简短通信和精密授时的三大功能，采用3球交会测星原理进行定位，分别以2颗定位卫星和地心为球心，当用户定位时，需要向两颗卫星发送申请服务的信息，卫星再将用户的申请信息转发到地面控制中心，地面控制中心解调出用户信号，并解算出用户到这两颗卫星的距离。

以这两颗卫星为球心，到用户的距离为半径作两个球面，由于卫星轨道面与赤道面重合，所以用户必定在球面相交的圆上，且相交圆和赤道面垂直。再以地心为球心，到地球表面高度为半径得到一个非均匀的球面，该球面和相交圆在地球南北半球各有一个交点，我国处于北半球，所以北半球的交点即是用户的位置。这样就解算出用户的三维坐标，地面控制中心将解算出的坐标信息通过卫星转发给用户。

2.3 北斗／GPS双模式定位的基本原理

北斗导航系统和GPS导航系统虽然是不同的两个系统，但它们之间仍有许多共性，这就为它们可以兼容成双模式导航系统提供了依据。相同点如下：

①两个系统的组成相同，都是由空间部分、地面中心控制系统、用户终端组成的。

②编码方式相同，北斗系统和GPS系统都是采用码分多址编码方式。

③定位原理相同，都是通过测量用户和卫星之间的伪距，解算出定位结果。

④发送的载波信号频率相近，北斗导航系统分别在1 159～1 610 MHz、1 209～1 300 MHz两个频段发送无线电载波信号，GPS则在1 575 MHz和1 227 MHz发送信号［4］。

北斗／GPS双模式定位原理如图3所示。

图3 北斗／GPS双模式定位原理图

UM220终端接收来自北斗和GPS两种频率的卫星信号，既可以北斗或GPS单系统定位，又可以北斗和GPS联合定位。在系统接收不到北斗信号或GPS信号时，采用的是单系统定位。当能接收到两种信号时，采用的是联合定位。

联合定位时将接收到的北斗信号的数据格式转换成GPS数据格式，用北斗导航系统的输出直接校正GPS系统的输出。模块通过相关器、快速傅里叶变换FFT（Fast Fourier Transform）和匹配滤波器混合应用以及算法优化，使系统在各种复杂环境下保持出色的跟踪能力和快速定位TTFF（Time To First Fix）功能；先进的多路径抑制技术，确保了定位导航的精度。

2.4 GPS定位和北斗／GPS双模式定位对比

考虑到目前北斗导航系统相对于GPS导航系统而言并未成熟覆盖全球且用户容量的限制等因素，本设计采用联合定位而不采用北斗单独定位，作为车载导航设计的过渡阶段。图4是在PC 机上通过Unicore Control信号测试软件分别测试GPS模块和北斗／GPS模块的定位情况。GPS定位的接收模块采用SIRF StarⅢ芯片组，测试定位的位置是固定的。

图4 GPS定位和联合定位对比

从图4（a）、（b）中用户的历史定位轨迹可以看出GPS定位的历史轨迹没有北斗／GPS联合定位集中，说明GPS单独定位的误差较高；从图（c）、（d）可以看出，北斗／GPS联合定位相对于GPS定位除垂直精度因子（VDOP）、较高外，时间精度因子（HDOP）位置精度因子（PDOP）都有明显减小，而精度因子越小说明定位精度越高，北斗／GPS双模式定位精度相对于GPS定位有明显的改善。

3 系统软件设计

3.1 软件整体构架

设计是以Android操作系统为基础，在此平台上开发导航应用程序要通过Android SDK 中提供的代码和工具进行，而且还要搭建合适的开发环境。Android应用程序的开发通常使用Google提供的集成了编译器、调试器和模拟器的Android SDK 工具集，由于它是基于JAVA 底层的操作系统，因此需要JAVA 开发环境的支持，一般情况下使用Eclipse和ADT 插件作为集成开发环境，能方便快捷地开发所要求的应用软件。图5是北斗／GPS导航的软件功能结构图。

3.2 系统主要功能的实现

3.2.1 查询功能的实现

图5 北斗／GPS导航软件功能结构图

查询功能包括周边查询和驾车路线查询。周边查询可以是查询当前位置附近的餐厅、加油站、景点、酒店、超市等信息。系统可以根据用户输入的关键词在周边搜索，并将结果标记在地图上。所用的函数是百度地图提供的MKSearch函数。例如要搜索当前位置附近的餐厅，调用MKSearch.poiSearchInCity（editCity.getText（）.toString（），editSearchKey.getText（）.toString（））即可。图6是查询结果。

图6 查询周边结果图

路线查询和查询周围相似，所用的函数仍然是MKSearch，系统可以根据用户输入的起点和终点，按时间最短的原则为用户寻找最优路径，并标注在地图上。如起点输入“常州”，终点输入“南京”，调用mSearch.driving-Search可得到常州到南京的时间最短线路。图7是查询的结果。

3.2.2 一键回家功能的实现

所谓一键回家，即只要一按键系统就能自动找到最优回家的路线。在已经设置目的地——家的经纬度基础上，系统可以根据当前用户所处的位置为起点，家的位置为终点，自动为用户寻找最优的回家线路。要实现该功能首先要确定终点家的位置。家的位置可以通过网络查询家的经纬度信息，手动输入并保存到Android自带的SQLite数据库中，如果不知道家的经纬度信息，也可以利用系统自动输入，在家的位置处系统软件可以定位得到家的位置信息，用户可以根据提示保存家的位置，完成终点确定。