張 威

（深圳市遠(yuǎn)東華強導(dǎo)航定位有限公司 石家莊分公司，河北 石家莊 050200）

1 北斗系統(tǒng)在人防領(lǐng)域應(yīng)用需求分析

1.1 應(yīng)用需求

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）包括4大體系，即全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、格洛納斯（Global Navigation Satellite System，GLONASS）和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo Satellite Navigation System，GALILEO）。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)具有舉足輕重的作用，其在全球范圍內(nèi)的發(fā)展也日益受到重視。2015年，我國在北斗領(lǐng)域獲得了巨大的階段性成功。2016年2月，北斗衛(wèi)星5號成功發(fā)射，并與此前四顆北斗高軌衛(wèi)星一同進(jìn)行了星間鏈路、新一代的原子鐘時鐘同步等技術(shù)的測試與確認(rèn)。2020年，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)建設(shè)基本完成，其中包括30顆低軌衛(wèi)星、5顆同步軌道高軌衛(wèi)星，可以在世界范圍內(nèi)為使用者提供地理信息服務(wù)[1]。

1.2 主要技術(shù)及功能

本文的研究工作就是圍繞北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研究。汽車用戶的控制系統(tǒng)主要包括軟件和硬件2個方面。系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是針對汽車用戶終端和汽車終端的硬件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計。在系統(tǒng)軟件的設(shè)計上，本文以μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)了μC/OS-Ⅱ平臺上的系統(tǒng)軟件的開發(fā)與設(shè)計[2]。

2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用概述

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研發(fā)的世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航和通信體系，是美國 GPS和俄羅斯GLONASS后世界上第3個較為完善的衛(wèi)星導(dǎo)航體系。地面部分包括北京的測控中心，以及遍布國內(nèi)的各種標(biāo)準(zhǔn)站點，包括對各種類型的規(guī)定、時間基準(zhǔn)的設(shè)置和維護。其中，用戶部分包括大量的各種類型的客戶端終端設(shè)備，用于獲取接收和發(fā)送通信信息。現(xiàn)主要為國內(nèi)和亞太地區(qū)的一些國家服務(wù)，業(yè)務(wù)包括通信、定位、導(dǎo)航和時間授時服務(wù)[3]。

3 北斗用戶機系統(tǒng)設(shè)計

3.1 產(chǎn)品概述

本文所研究的北斗車載用戶機系統(tǒng)就是針對人防應(yīng)用系統(tǒng)的需求而開發(fā)的，其主要目的是實現(xiàn)對車輛的定位、通信、導(dǎo)航等方面的功能[4]。

3.2 產(chǎn)品業(yè)務(wù)功能

北斗車載用戶端能夠接收、顯示、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)使用者的位置信息，用戶機是否能夠準(zhǔn)確、及時地為使用者的位置信息服務(wù)將直接影響到汽車使用者的服務(wù)質(zhì)量。在此方案中，北斗終端所要完成的定位主要包括BD1定位、BD2定位、GPS定位和相容性定位。北斗短報文通信是我國北斗定位系統(tǒng)獨有的一項重要技術(shù)，GPS、GLONASS等定位系統(tǒng)都沒有這種能力。

3.3 硬件概述

3.3.1 天線單元主要技術(shù)及設(shè)計

衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)（Radio Determination Satellite System，RDSS）天線是一種由天線和通道前端組成的系統(tǒng)，是一種用于汽車用戶與北斗系統(tǒng)的無線電通信系統(tǒng)。在 RDSS天線系統(tǒng)的接收端，包括 S頻段接收天線、前置帶通濾波器、低噪聲放大器、隔離層等。

S頻段的接收天線具有在10°～75°的豎直上和在水平面上沒有定向（0～360°），可以保證當(dāng)車輛處于水平位置時，平穩(wěn)地從2個衛(wèi)星發(fā)送來的北斗出站信號。

為了保證汽車用戶的接收率，液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）是一個重要的器件，該器件包括1個多層的放大器，該電路的一階部分使用了1個具有較小的噪聲因子的 FET，從而保證了系統(tǒng)的性能和功能。

前置濾波是1種帶通預(yù)選濾波，其功能是選取所要接受的信號及阻抗值，這種濾波方法可以在 L波段內(nèi)對干擾進(jìn)行抑制。本文提出1種具有與 S頻帶接收天線相似的波帶傳輸天線，該高頻功放的輸入信號是通過射頻信號（Radio Frequency，RF）信號處理模組的1個發(fā)送信號通道所供給，它的功能是把信號從RF端子傳送到一個特定的功率級。

3.3.2 主機數(shù)據(jù)處理單元主要技術(shù)設(shè)計

在車載客戶系統(tǒng)中，基帶信號的處理是整個系統(tǒng)的核心，它承擔(dān)著各種信號和協(xié)議的處理工作。

決策支持系統(tǒng)（Decision Support System，DSS）信息處理系統(tǒng)按功能分為接收鏈路和發(fā)射鏈路，詳細(xì)的設(shè)計如下文所述。

（1）接收鏈路要由 AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理設(shè)備組成。北斗衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)接收到的 S波段發(fā)射信號首先經(jīng)過 RF信號處理，轉(zhuǎn)換后得到 I.Q這2個正交型的中頻信號。通過對2個中頻信號進(jìn)行放大、低通濾波等相關(guān)處理，得到一個帶寬約4 MHz、電平約0 dBm的中頻信號，中頻信號的頻率為12.24 MHz。通過 AD轉(zhuǎn)換，將中頻信號轉(zhuǎn)換為兩個正交型數(shù)字信號，然后輸入到基帶芯片中[5]。

（2）傳輸連接的設(shè)計。發(fā)射鏈路的設(shè)計方案是直接數(shù)字調(diào)制和調(diào)制。發(fā)射鏈路的電路主要分為發(fā)射控制、IC信息加密解密等2個部分，其中 MOS管為控制核心，以保證射頻功率放大器的供電。IC數(shù)據(jù)加密和解密處理部分的電路設(shè)計是利用由北斗星中心統(tǒng)一配發(fā)的 IC卡芯片實現(xiàn)的。IC卡存儲有用戶 ID和密碼，用于解密出站信息，并對輸入信息進(jìn)行加密。該 IC卡采用了溫度控制芯片，可以在較低的溫度下工作。

3.3.3 主機接口及電源主要技術(shù)設(shè)計

北斗車載終端的任務(wù)是從車載終端接收到衛(wèi)星定位信號，并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理。在完成了對定位通信信息數(shù)據(jù)的判定和處理后，將所處理的信息傳輸給相應(yīng)的附屬單元，包括車載計算機、視頻監(jiān)控、GPRS等單元。圖1是汽車用戶機主機的主控面板的設(shè)計方框圖。

系統(tǒng)的電源管理模塊采用24 V DC-DC模塊WDH100-24S24W，該模塊的功率達(dá)到了30 W，具有9～32 V的高電壓輸出，可實現(xiàn)約85%的能量轉(zhuǎn)換，并具有過流及過電壓的功能，充分地適應(yīng)了客戶的新要求。

3.4 系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計

在完成了北斗車載用戶機的硬件部分后，就是對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行軟件的開發(fā)。鑒于公司的具體工程需要，結(jié)合產(chǎn)品的特性和價格因素，本文選用了μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)為系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并在STM32上實現(xiàn)了μC/OS-Ⅱ的微處理器，并進(jìn)行了μC/OS-Ⅱ的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計。

3.4.1 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)概述

μC/OS-Ⅱ是1992年 Jean J.Labrosse先生開發(fā)的一種基于搶占的、嵌入的多任務(wù)的多功能操作系統(tǒng)，最初名為微C/OS，之后十余年的改進(jìn)與發(fā)展，Jean J.Labrosse于1999年發(fā)布了最新的μC/OS-Ⅱ。該體系結(jié)構(gòu)可靠、性能穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于各類8位、16位、32位的微機中。它包括實時內(nèi)核，任務(wù)管理、任務(wù)間通信和存儲管理等。

3.4.2 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植

所謂的“移植”，指的是讓一個可以在其他的微處理器上工作的即時核心。μC/OS-Ⅱ是一種很容易被使用的操作系統(tǒng)，它的大多數(shù)的編程都是使用 ANSIC編程，而與它有關(guān)的一些應(yīng)用則使用了匯編。該體系結(jié)構(gòu)具有良好的可移植能力，可以在8位、16位和32位的單片機中工作。μC/OS-Ⅱ的遷移與4個文件緊密相連，這4個文件分別是匯編文件OS CPU_A.ASM、C語言文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C以及相關(guān)配置文件OS_CFG.H。本文針對汽車客戶機的主機板，選用了STM32單片機ARMCortex-M3為核心。本系統(tǒng)的移植工作主要是在STM32單片機上進(jìn)行了移植。根據(jù)移植的需求，可以把μC/OS-Ⅱ的源碼分成2大類：無需更改和需要更改。在這些文件中，有要求對源碼進(jìn)行更改的文件有頭文件OS_CPU.H、C語言文件OS_CPU_C.C以及匯編格式文件OS_CPU_A.ASM。

4 北斗人防應(yīng)用系統(tǒng)

4.1 北斗人防應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成

北斗車載用戶系統(tǒng)的最大作用是為汽車終端用戶提供準(zhǔn)確的定位、通信、導(dǎo)航等服務(wù)。汽車用戶機的各項功能都是通過 ARM軟件來完成的，而嵌入式軟件的設(shè)計與實現(xiàn)則與PC軟件的設(shè)計有很大的關(guān)系。本文所涉及的硬件模塊有ARM核心處理器、北斗天線單元、GPRS通信模塊、Wi-Fi通信模塊、LED指示燈、按鍵切換等。因此，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計由 ARM和北斗天線的交互模塊組成，其主要任務(wù)是完成北斗/GPS的通信控制。

4.2 數(shù)據(jù)交互及數(shù)據(jù)交互接口

ARM和北斗系統(tǒng)的交互性主要通過 ARM芯片本身的串行接口來完成。ARM芯片模塊共有5個串行接口，2個串行接口用作車載用戶機主機和北斗天線的接口，4個接口用作外部設(shè)備的應(yīng)用接口。圖2顯示了整個軟件的設(shè)計方框圖。

圖2的方框圖從軟件實施的功能性角度進(jìn)行了劃分，使所有的功能都可以在嵌入式系統(tǒng)中正常工作。在整個系統(tǒng)周期內(nèi)，系統(tǒng)的各主要功能單元按照不同的工作模式循環(huán)操作，以達(dá)到系統(tǒng)的總體性能。

4.3 應(yīng)用系統(tǒng)軟件

4.3.1 功能實現(xiàn)

嵌入式軟件的設(shè)計和軟件的功能有著緊密的聯(lián)系，尤其是 ARM晶片本身的性能，更是影響到了整個軟件的性能。在軟件設(shè)計時，將 ARM的時鐘設(shè)定為初始性，并對 ARM的 I/O管腳進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)行 ARM的中斷控制，并將所要用到的功能總線進(jìn)行配置。

4.3.2 數(shù)據(jù)存儲調(diào)用

我國商用北斗的時頻基本是60 s。當(dāng)車上的使用者將自己的坐標(biāo)報告給指揮部時，至少要花60 s的時間來回報。此時，一輛汽車在60 s內(nèi)就跑出了1～2 km，而指揮中心接收到的位置數(shù)據(jù)存在著很大的滯后，無法將整個線路都標(biāo)注出來。因此，在汽車客戶機的硬件設(shè)計中加入了 GPRS通信功能，通過此軟件可以秒級地完成對汽車的定位，并通過中央的軟件來完成對汽車的實時跟蹤和調(diào)度。

GPRS通信系統(tǒng)可以利用 AT的命令來實現(xiàn)與TCP的通信。AT的命令集含有一組特定的規(guī)范，其形式是有規(guī)定的。也就是說，每個命令的前綴都應(yīng)該是“AT”或者“at”，然后是“CR”。

5 結(jié) 論

綜上所述，我國北斗用戶機系統(tǒng)不論是在民用領(lǐng)域，還是在軍隊、安保、人防、應(yīng)急通信等軍事領(lǐng)域，都將起到不可替代的作用。特別是在我國自行研發(fā)的“北斗網(wǎng)絡(luò)”逐步成熟后，以“北斗”為核心的車載終端將逐步突破國際霸權(quán)。隨著移動通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的融合，北斗系統(tǒng)在人防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用將是未來發(fā)展的必然方向。