2024年9月17日发(作者：漆雕开诚)
第３３卷第３期
２０１２年９月
上海海事大学 学报
Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．３
Ｓｅｐｔ．２０１２
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
文章编号：１６７２—９４９８（２０１２）０３—０００１．０４
基于北斗二代系统的船载定位终端
应士君，王坤，刘卫，邹绪平
（上海海事大学商船学院，上海２０１３０６）
摘要：为确保船舶航行安全，利用北斗二代卫星导航技术，设计船载定位终端．该终端以Ｓ３Ｃ２４４０
ＡＲＭ处理器和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ ６．０嵌入式系统为核心，以外围电路为辅，采用最小二乘算法，实现船
舶的导航定位．通过ＭＡＴＬＡＢ软件对可见卫星数目和水平精度因子进行计算和分析，论证方案的
可行性和可靠性，进一步推动北斗船栽终端在航行中的应用．
关键词：船载定位终端；ＡＲＭ；Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ ６．０；北斗二代系统
中图分类号：Ｕ６６６．１３４；ＴＰ２７７．２ 文献标志码：Ａ
Ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｅｉｄｏｕ－２
ＹＩＮＧ Ｓｈｉｊｕｎ，ＷＡＮＧ Ｋｕｎ，ＬＩＵ Ｗｅｉ，ＺＯＵ Ｘｕｐｉｎｇ
（Ｍｅｒｃｈａｎｔ Ｍａｒｉｎｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ，ｔｈｅ ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｗａｓ ｄｅ－
ｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｅｉｄｏｕ－２ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ￥３ Ｃ２４４０ ＡＲＭ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ Ｗｉｎｄｏｗｓ
ＣＥ ６．０ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ
ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ
ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｖｉｓｉｂｌｅ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｍｏｔｅ
ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｅｉｄｏｕ ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ；ＡＲＭ；Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ ６．０；Ｂｅｉｄｏｕ一２
０ 引 言
北斗卫星导航系统（Ｃｏｍｐａｓｓ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ
Ｓｙｓｔｅｍ，ＣＮＳＳ）是我国正在实施、具有自主知识产权
的卫星导航定位系统．该系统由空间段、地面段和各
类北斗用户组成，集导航、定位、授时功能于一体；分
记为ＢＤ．２）、全球覆盖阶段．截至目前共有１１颗
ＢＤ－２卫星在轨，具有覆盖中国及周边地区，２４ ｈ全
天候服务，高强度加密设计，安全、可靠、稳定等特
点．随着远洋、内河航运产业发展和船舶通信导航及
各类电子控制设备的日益完善，实现对船舶的全方
位定位导航，及时掌握船舶在航行中的实际情况，快
速了解船舶的动态数据，成为提升船舶管理水平的
新标志．¨ 因此，基于ＢＤ一２的船载定位终端设计，
３个阶段进行建设，分别为北斗一代（区域有源双星
定位，已完成）、北斗二代（区域无源定位，建设中，
收稿日期：２０１２－Ｏ１一ｏ９修回日期：２０１２—０５—１７
基金项目：国家科技支撑计划（２００９ＢＡＧ１８Ｂ０４）；国家自然科学基金青年基金（６１１０５０９７）
作者简介：应士君（１９６６一），男，江苏宜兴人，副教授，硕导，博士，研究方向为船舶导航与安全技术，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｓｊｙｉｎｇ＠ｓｈｍｔｕ．ｅｄｕ．ａｎ
２ 上海海事大学 学报 第３３卷
对确保船舶的航行安全具有重要意义．
在北斗卫星导航系统的发展前景下，国内主要
等几个方面，通过测试实验验证该方法的可行性
由神州天鸿、北斗星通、东方联星、华力创通等公司
从事北斗接收机研发设计，在船舶监控 和海洋渔
业 上均有应用．然而，此类应用主要建立在北斗
一
１硬件平台搭建
该设计中基于ＡＲＭ和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ ６．０
代船载接收机的基础上，市面上现存的ＢＤ－２接 （ＷＩＮＣＥ ６．０）的ＢＤ．２船载定位终端硬件平台采用
模块化设计方法，所有部件尽量采用成熟电子元器
件．该系统硬件主要由ＢＤ一２导航模块、时钟模块、
收机主要是少量的测试机、手持机，而成品民用船载
机尚在研发阶段．
鉴于此，本文设计基于ＢＤ一２的船载定位终端，
电源管理模块、数据通信接口和ＰＶＴ（ＡＲＭ）解算模
块等组成． 系统硬件结构见图１．
主要有硬件平台搭建、定位解算算法、软件架构设计
图１系统硬件结构
ＢＤ－２导航模块主要由射频模块、Ａ／Ｄ采样模
块、基带信号处理模块组成．射频模块分为２个通
道，其中一个通道专门将Ｂ３频点射频信号变频为
中频信号，而另一通道则通过切换方式将Ｂ１或者
Ｌ１频点射频信号变频为中频信号．双通道Ａ／Ｄ将
模拟中频信号数字化并作为基带信号处理模块信号
芯片可同时接收ＢＤ一２的Ｂ３和Ｂ１频点信号（本文
主要是利用Ｂ１频点进行导航定位解算），输出原始
观测量；具有１６ ｂｉｔ的并行数据总线接口，３２ ｂｉｔ的
ＡＲＭ微处理器￥３Ｃ２４４０通过该接口可对ＨｗａＮａｖ．
ｃｈｉｐ－１进行配置，得到导航电文、集成电路工作状态
等信息．通过ＡＲＭ开发工具ＡＤＳ（ＡＲＭ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ
Ｓｕｉｔ）对ＡＲＭ进行调试，使其解算用户位置、速度、
时间等信息．该设计中采用基于伪距定位的最小二
乘算法 ，定位解算算法流程见图２．
开始
——
输入，同时射频模块输出６２ ＭＨｚ参考信号，本地时
钟信号作为ＡＤＣ的转换时钟，并且输入至基带信号
处理模块作为信号跟踪基准时钟．基带信号处理模
块完成信号的捕获、跟踪、解调，输出原始观测量．
ＰＶＴ（ＡＲＭ）解算模块主要由极低功耗的ＡＲＭ９处
理器￥３Ｃ２４４０，ＳＤＲＡＭ，ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ等硬件构成．
ＰＶＴ（ＡＲＭ）解算模块完成对基带信号处理模块的控
初始化用户位置
作为地球中
制，并将基带信号处理模块得到的观测量提取出来
加以解算，得到解算结果，同时对整个系统的运行进
行处理．数据通信接口部分设计ＣＡＮ总线接口、ＲＳ．
计算用户位王到
卫星的距离
二二＝］＝二
二二＝］［二
———Ｔ一
计算信号传输时间
根据地球自转效
应修正用户位置
把卫星位置更新为
用户中心的坐标系
幸－．１璺 竺兰Ｉ
◇
Ｅ 堇五口
４８５接口等，便于与雷达、ＥＣＤＩＳ和ＡＩＳ等设备互
联，实现综合导航．
２定位解算算法流程
硬件电路ＢＤ－２导航模块设计中，基带信号处
理模块主要采用的是北京华力创通科技有限公司的
ＨｗａＮａｖｃｈｉｐ．１北斗ＧＰＳ多频精密导航基带芯片．该
◇
匝壶
二二＝］＝二＝
计算对流层修正
图２定位解算算法流程
第３期 应士君，等：基于北斗二代系统的船载定位终端 ３
该算法通过伪距计算用户的位置：第１步初始
化用户位置作为地球中心；第２步计算用户到卫星
的距离及其信号传输时间；第３步根据地球自转效
应修正卫星位置，并将卫星位置更新为以用户为中
心的坐标系；第４步根据相关参数进行修正；第５步
进行迭代运算；最后计算ＤＯＰ，并将ＥＣＥＦ坐标系转
化为ＣＧＣＳ２０００坐标系，保存结果．
３软件开发平台
ＷＩＮＣＥ ６．０是模块化、可延展、实时性能好、通
信功能强大、支持多种ＣＰＵ的嵌人式操作系统，与
Ｗｉｎｄｏｗｓ系列有较好的兼容性，支持ＷＩＮ ３２ ＡＰＩ，便
于快速开发产品，具有多线程、多任务等特点．＿６ 因
此，该设计选用ＷＩＮＣＥ ６．０嵌入式操作系统．设计
中软件架构主要包括ＷＩＮＣＥ ６．０系统的定制、移植
和定位应用程序的开发．
建立基本ＷＩＮＣＥ ６．０系统平台的一般过程是：
设置系统平台；建立操作系统镜像；将平台传输到目
标设备；调试系统平台．通过Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｂｕｉｌｄｅｒ应用程
序可以方便地设置平台，建立操作系统镜像．定制
ＷＩＮＣＥ ６．０的一般步骤见图３．
图３定制操作系统的过程
在进行ＷＩＮＣＥ ６．０定位应用程序设计开发时，
开发语言采用的是Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００８．开发的应用
程序首先在模拟器中进行调试，调试成功之后下载
到硬件设备中．实验时给出ＢＤ－２卫星的串口输出
协议，设计定位导航显示界面程序 ，目的是查看
船舶当前定位信息．
４主要功能设计
按照船用接收机软件需求分析，主要功能模块
见图４．定位功能用于显示当前船舶的位置及时间
信息；导航功能为船舶当前的航线进行导航及设定
航迹偏差报警；报警功能对不合法操作及遇险报警．
导航软件ｌ
● ＋ ● ●
定位 ｌ 导航 Ｉ 航迹管理 后期处理
ｌ
。 １ 上 上 ｊｌ
Ｊ
＿ 上 上 上
Ｉ
．
．ｊＬ ．． １
Ｊ
定 基 航 当 导 输 偏 航 导
住 太 路 前 航 航 航 差 路 航
数 状 航 位 拳 入 路 路 报 航 参
据 态 迹 王 数 航 显 修 警 迹 数
显 信 显 显 显 路 改 显 重
息 币 点 现 现
图４功能模块
５测试实验及分析
５．１串口输出协议分析
通过对ＢＤ．２串口输出协议的理解，可以更好
地提取导航定位信息：￥ＢＤＧＧＡ，￥ＢＤＲＭＣｌ８ 等．
以￥ＢＤＲＭＣ语句为例分析串口输出协议：
￥ＢＤＲＭＣ，＜１＞，＜２＞，＜３＞，＜４＞，＜５＞，
＜６＞，＜７＞，＜８＞，＜９＞，＜１０＞，＜１１＞，＜１２＞
木＜１３＞
协议中：＜１＞为定位时间（ＵＴＣ），ｈｈｍｍｓｓ格式；
＜２＞为定位状态，Ａ表示有效，Ｖ表示无效；＜３＞
为纬度，ｄｄｍｍ．ｍｌＴｌｍ格式；＜４＞为纬度方向，Ｎ或
Ｓ；＜５＞为经度，ｄｄｍｍｍ．ｍｍｍｌＴｌ格式；＜６＞为经度
方向，Ｅ或Ｗ；＜７＞为速度；＜８＞为速度方向；
＜９＞为当前ＵＴＣ Ｅｌ期，ｄｄｍｍｙｙ格式；＜１０＞为磁
偏角；＜１１＞为磁偏角方向；＜１２＞为定位状态，Ａ
表示有效，Ｖ表示无效；＜１３＞为校验和．
５．２部分测试实验界面
通过天线采样获得真实的导航定位信息，采样
时间为２０１２年３月１４日．以下测试结果只是初步
设计要求，目的在于论证方案的可行性．下一步将按
照船载定位导航需求，进行相应的应用开发，满足船
舶日常航行需求．测试和导航界面见图５．
目口
（ａ）测试界面 （ｂ）导航界面
图５测试实验界面
５．３ ＶＳＮ和ＨＤＤＰ
本次测试时间段为２０１２年３月１５ Ｅｔ至２０１２
年３月１６ Ｅｌ，共２４ ｈ，采样时间间隔为１ ｓ；地点为
上海地区；ＢＤ－２和ＧＰＳ星座使用当天广播星历计算
卫星位置；用ＭＡＴＬＡＢ软件对接收到的数据进行分
ｈ￡ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｍｕｉｏｕｒｌ＇ｌａ￣．ｃｎ
４ 上海海事大学 学报 第３３卷
析处理．可见卫星数（Ｖｉｓｉｂｌｅ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｎｕｍｂｅｒ，ＶＳＮ） 表１ ＢＤ一２与ＧＰＳ的ＶＳＮ和ＨＤＯＰ值对照
见图６．厂—］—— 而 —］——
ｌ
ｊ
２ ３
４
ｊ
５ ６
７
１
８ ９●
）
蚕
６
５
００墨
行性和可靠性，在系统应用扩展方面未给出具体方
时间ｍ 时间／ｈ
案．综上得到：
（ａ）ＢＤ－２ （ｂ）ＧＰＳ
（１）在ＡＲＭ和ＷＩＮＣＥ ６．０基础上设计基于
ＢＤ一２的船载定位终端的思路可行、方法正确，可推
００｝Ｉ
图６可见卫星数
水平精度因子（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，
动北斗卫星导航系统在海洋领域的应用，促进海洋
经济的发展．
ＨＤＯＰ）描述的是卫星几何形态对平面定位的影
响．［ ｍ ＨＤＯＰ分布见图７．
５ ５
５ Ｏ
４ ５
４ ０
３ ５
３ ０
２ ５
２ ０
ｌ ５
Ｏ ４ ８ １２ １６ ２Ｏ ２４
２ ６
（２）受ＢＤ－２卫星在轨数目的客观限制，目前其
ＶＳＮ低于ＧＰＳ．尽管ＶＳＮ少，但可以保证我国及少
数周边地区的定位导航．
（３）当前阶段ＢＤ一２船载定位终端的ＨＤＯＰ保
持在１．５～５．４之间，与ＧＰＳ的ＨＤＯＰ值０．７～２．６
相比较大，这是由当前阶段５颗ＧＥＯ卫星、４颗
ＭＥＯ卫星及３颗ＩＧＳＯ卫星的几何构型所决定的．
根据误差（１仃）＝１ Ｘ ＲＭＳ值×ＤＯＰ值 ，此时ＲＭＳ
：
２ ２
１ ８
１ ４
１ ０
Ｏ６
Ｏ ４ ８ １２ １６ ２Ｏ ２４
＿ Ｉ Ｉ ｌ
１１
时间／｝１
时间／Ｉ１
（ａ）ＢＤ一２
图７ ＨＤＯＰ分布
值为２ ｍ（统计值），则误差（１盯）的范围在３．０～
１０．８ ｍ．
由图６和７归纳出的信息见表１
６ 结束语
主要论证基于ＢＤ－２的船载定位终端设计的可
参考文献：
（４）本设计在电子器件选择、定位算法、导航软
件界面丰富和软件扩展方面仍有不足之处，有待进
一
步提高．
李晶，刘建，卢红洋．基于北斗卫星导航系统的船舶监控中心的设计与实现［Ｊ］．数字通信世界，２０１１（Ｓ１）：６８－７１．
胡刚，马昕，范秋燕．北斗卫星系统在海洋渔业上的应用［Ｊ］．渔业现代化，２０１０，３７（１）：６０－６２．
应士君，邹绪平，刘卫，等．基于北斗二代系统的船用导航仪硬件设计及关键算法研究［Ｊ］．科学技术与工程，２０１２，１２（９）：２２３．
彭丛林．北斗导航系统定位算法仿真研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００９．
武英洁．船用北斗／ＧＰＳ联合导航终端的研究［Ｄ］．大连：大连海事大学，２０１０．
华清远见嵌入式培训中心．Ｗｉｎｄｏｗｓ ｃＥ嵌入式开发标准教程［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２０１０：５－８．
汪兵．Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ嵌入式高级编程及其实例详解［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００８：３６０．３７７
王艳军，王晓峰．ＡＩＳ和北斗终端组合在船舶动态监控中的应用［Ｊ］．上海海事大学学报，２０１１，３２（４）：１７－２１．
让一马利佐格．ＧＰＳ卫星导航基础［Ｍ］．北京：航空工业出版社，２０１１：８０．８１．
］杨元喜，李金龙，徐君毅，等．中国北斗卫星导航系统对全球ＰＮＴ用户的贡献［Ｊ］．科学通报，２０１１，５６（２１）：１７３４．１７４０．
（编辑贾裙平）
ｈｔｔｐ：／／ｗｖ￣ｖ．ｓｍｕｊｏｕｒｎａ１．ＣＩ１
2024年9月17日发(作者：漆雕开诚)
第３３卷第３期
２０１２年９月
上海海事大学 学报
Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．３
Ｓｅｐｔ．２０１２
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
文章编号：１６７２—９４９８（２０１２）０３—０００１．０４
基于北斗二代系统的船载定位终端
应士君，王坤，刘卫，邹绪平
（上海海事大学商船学院，上海２０１３０６）
摘要：为确保船舶航行安全，利用北斗二代卫星导航技术，设计船载定位终端．该终端以Ｓ３Ｃ２４４０
ＡＲＭ处理器和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ ６．０嵌入式系统为核心，以外围电路为辅，采用最小二乘算法，实现船
舶的导航定位．通过ＭＡＴＬＡＢ软件对可见卫星数目和水平精度因子进行计算和分析，论证方案的
可行性和可靠性，进一步推动北斗船栽终端在航行中的应用．
关键词：船载定位终端；ＡＲＭ；Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ ６．０；北斗二代系统
中图分类号：Ｕ６６６．１３４；ＴＰ２７７．２ 文献标志码：Ａ
Ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｅｉｄｏｕ－２
ＹＩＮＧ Ｓｈｉｊｕｎ，ＷＡＮＧ Ｋｕｎ，ＬＩＵ Ｗｅｉ，ＺＯＵ Ｘｕｐｉｎｇ
（Ｍｅｒｃｈａｎｔ Ｍａｒｉｎｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ，ｔｈｅ ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｗａｓ ｄｅ－
ｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｅｉｄｏｕ－２ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ￥３ Ｃ２４４０ ＡＲＭ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ Ｗｉｎｄｏｗｓ
ＣＥ ６．０ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ
ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ
ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｖｉｓｉｂｌｅ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｍｏｔｅ
ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｅｉｄｏｕ ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ；ＡＲＭ；Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ ６．０；Ｂｅｉｄｏｕ一２
０ 引 言
北斗卫星导航系统（Ｃｏｍｐａｓｓ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ
Ｓｙｓｔｅｍ，ＣＮＳＳ）是我国正在实施、具有自主知识产权
的卫星导航定位系统．该系统由空间段、地面段和各
类北斗用户组成，集导航、定位、授时功能于一体；分
记为ＢＤ．２）、全球覆盖阶段．截至目前共有１１颗
ＢＤ－２卫星在轨，具有覆盖中国及周边地区，２４ ｈ全
天候服务，高强度加密设计，安全、可靠、稳定等特
点．随着远洋、内河航运产业发展和船舶通信导航及
各类电子控制设备的日益完善，实现对船舶的全方
位定位导航，及时掌握船舶在航行中的实际情况，快
速了解船舶的动态数据，成为提升船舶管理水平的
新标志．¨ 因此，基于ＢＤ一２的船载定位终端设计，
３个阶段进行建设，分别为北斗一代（区域有源双星
定位，已完成）、北斗二代（区域无源定位，建设中，
收稿日期：２０１２－Ｏ１一ｏ９修回日期：２０１２—０５—１７
基金项目：国家科技支撑计划（２００９ＢＡＧ１８Ｂ０４）；国家自然科学基金青年基金（６１１０５０９７）
作者简介：应士君（１９６６一），男，江苏宜兴人，副教授，硕导，博士，研究方向为船舶导航与安全技术，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｓｊｙｉｎｇ＠ｓｈｍｔｕ．ｅｄｕ．ａｎ
２ 上海海事大学 学报 第３３卷
对确保船舶的航行安全具有重要意义．
在北斗卫星导航系统的发展前景下，国内主要
等几个方面，通过测试实验验证该方法的可行性
由神州天鸿、北斗星通、东方联星、华力创通等公司
从事北斗接收机研发设计，在船舶监控 和海洋渔
业 上均有应用．然而，此类应用主要建立在北斗
一
１硬件平台搭建
该设计中基于ＡＲＭ和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ ６．０
代船载接收机的基础上，市面上现存的ＢＤ－２接 （ＷＩＮＣＥ ６．０）的ＢＤ．２船载定位终端硬件平台采用
模块化设计方法，所有部件尽量采用成熟电子元器
件．该系统硬件主要由ＢＤ一２导航模块、时钟模块、
收机主要是少量的测试机、手持机，而成品民用船载
机尚在研发阶段．
鉴于此，本文设计基于ＢＤ一２的船载定位终端，
电源管理模块、数据通信接口和ＰＶＴ（ＡＲＭ）解算模
块等组成． 系统硬件结构见图１．
主要有硬件平台搭建、定位解算算法、软件架构设计
图１系统硬件结构
ＢＤ－２导航模块主要由射频模块、Ａ／Ｄ采样模
块、基带信号处理模块组成．射频模块分为２个通
道，其中一个通道专门将Ｂ３频点射频信号变频为
中频信号，而另一通道则通过切换方式将Ｂ１或者
Ｌ１频点射频信号变频为中频信号．双通道Ａ／Ｄ将
模拟中频信号数字化并作为基带信号处理模块信号
芯片可同时接收ＢＤ一２的Ｂ３和Ｂ１频点信号（本文
主要是利用Ｂ１频点进行导航定位解算），输出原始
观测量；具有１６ ｂｉｔ的并行数据总线接口，３２ ｂｉｔ的
ＡＲＭ微处理器￥３Ｃ２４４０通过该接口可对ＨｗａＮａｖ．
ｃｈｉｐ－１进行配置，得到导航电文、集成电路工作状态
等信息．通过ＡＲＭ开发工具ＡＤＳ（ＡＲＭ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ
Ｓｕｉｔ）对ＡＲＭ进行调试，使其解算用户位置、速度、
时间等信息．该设计中采用基于伪距定位的最小二
乘算法 ，定位解算算法流程见图２．
开始
——
输入，同时射频模块输出６２ ＭＨｚ参考信号，本地时
钟信号作为ＡＤＣ的转换时钟，并且输入至基带信号
处理模块作为信号跟踪基准时钟．基带信号处理模
块完成信号的捕获、跟踪、解调，输出原始观测量．
ＰＶＴ（ＡＲＭ）解算模块主要由极低功耗的ＡＲＭ９处
理器￥３Ｃ２４４０，ＳＤＲＡＭ，ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ等硬件构成．
ＰＶＴ（ＡＲＭ）解算模块完成对基带信号处理模块的控
初始化用户位置
作为地球中
制，并将基带信号处理模块得到的观测量提取出来
加以解算，得到解算结果，同时对整个系统的运行进
行处理．数据通信接口部分设计ＣＡＮ总线接口、ＲＳ．
计算用户位王到
卫星的距离
二二＝］＝二
二二＝］［二
———Ｔ一
计算信号传输时间
根据地球自转效
应修正用户位置
把卫星位置更新为
用户中心的坐标系
幸－．１璺 竺兰Ｉ
◇
Ｅ 堇五口
４８５接口等，便于与雷达、ＥＣＤＩＳ和ＡＩＳ等设备互
联，实现综合导航．
２定位解算算法流程
硬件电路ＢＤ－２导航模块设计中，基带信号处
理模块主要采用的是北京华力创通科技有限公司的
ＨｗａＮａｖｃｈｉｐ．１北斗ＧＰＳ多频精密导航基带芯片．该
◇
匝壶
二二＝］＝二＝
计算对流层修正
图２定位解算算法流程
第３期 应士君，等：基于北斗二代系统的船载定位终端 ３
该算法通过伪距计算用户的位置：第１步初始
化用户位置作为地球中心；第２步计算用户到卫星
的距离及其信号传输时间；第３步根据地球自转效
应修正卫星位置，并将卫星位置更新为以用户为中
心的坐标系；第４步根据相关参数进行修正；第５步
进行迭代运算；最后计算ＤＯＰ，并将ＥＣＥＦ坐标系转
化为ＣＧＣＳ２０００坐标系，保存结果．
３软件开发平台
ＷＩＮＣＥ ６．０是模块化、可延展、实时性能好、通
信功能强大、支持多种ＣＰＵ的嵌人式操作系统，与
Ｗｉｎｄｏｗｓ系列有较好的兼容性，支持ＷＩＮ ３２ ＡＰＩ，便
于快速开发产品，具有多线程、多任务等特点．＿６ 因
此，该设计选用ＷＩＮＣＥ ６．０嵌入式操作系统．设计
中软件架构主要包括ＷＩＮＣＥ ６．０系统的定制、移植
和定位应用程序的开发．
建立基本ＷＩＮＣＥ ６．０系统平台的一般过程是：
设置系统平台；建立操作系统镜像；将平台传输到目
标设备；调试系统平台．通过Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｂｕｉｌｄｅｒ应用程
序可以方便地设置平台，建立操作系统镜像．定制
ＷＩＮＣＥ ６．０的一般步骤见图３．
图３定制操作系统的过程
在进行ＷＩＮＣＥ ６．０定位应用程序设计开发时，
开发语言采用的是Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００８．开发的应用
程序首先在模拟器中进行调试，调试成功之后下载
到硬件设备中．实验时给出ＢＤ－２卫星的串口输出
协议，设计定位导航显示界面程序 ，目的是查看
船舶当前定位信息．
４主要功能设计
按照船用接收机软件需求分析，主要功能模块
见图４．定位功能用于显示当前船舶的位置及时间
信息；导航功能为船舶当前的航线进行导航及设定
航迹偏差报警；报警功能对不合法操作及遇险报警．
导航软件ｌ
● ＋ ● ●
定位 ｌ 导航 Ｉ 航迹管理 后期处理
ｌ
。 １ 上 上 ｊｌ
Ｊ
＿ 上 上 上
Ｉ
．
．ｊＬ ．． １
Ｊ
定 基 航 当 导 输 偏 航 导
住 太 路 前 航 航 航 差 路 航
数 状 航 位 拳 入 路 路 报 航 参
据 态 迹 王 数 航 显 修 警 迹 数
显 信 显 显 显 路 改 显 重
息 币 点 现 现
图４功能模块
５测试实验及分析
５．１串口输出协议分析
通过对ＢＤ．２串口输出协议的理解，可以更好
地提取导航定位信息：￥ＢＤＧＧＡ，￥ＢＤＲＭＣｌ８ 等．
以￥ＢＤＲＭＣ语句为例分析串口输出协议：
￥ＢＤＲＭＣ，＜１＞，＜２＞，＜３＞，＜４＞，＜５＞，
＜６＞，＜７＞，＜８＞，＜９＞，＜１０＞，＜１１＞，＜１２＞
木＜１３＞
协议中：＜１＞为定位时间（ＵＴＣ），ｈｈｍｍｓｓ格式；
＜２＞为定位状态，Ａ表示有效，Ｖ表示无效；＜３＞
为纬度，ｄｄｍｍ．ｍｌＴｌｍ格式；＜４＞为纬度方向，Ｎ或
Ｓ；＜５＞为经度，ｄｄｍｍｍ．ｍｍｍｌＴｌ格式；＜６＞为经度
方向，Ｅ或Ｗ；＜７＞为速度；＜８＞为速度方向；
＜９＞为当前ＵＴＣ Ｅｌ期，ｄｄｍｍｙｙ格式；＜１０＞为磁
偏角；＜１１＞为磁偏角方向；＜１２＞为定位状态，Ａ
表示有效，Ｖ表示无效；＜１３＞为校验和．
５．２部分测试实验界面
通过天线采样获得真实的导航定位信息，采样
时间为２０１２年３月１４日．以下测试结果只是初步
设计要求，目的在于论证方案的可行性．下一步将按
照船载定位导航需求，进行相应的应用开发，满足船
舶日常航行需求．测试和导航界面见图５．
目口
（ａ）测试界面 （ｂ）导航界面
图５测试实验界面
５．３ ＶＳＮ和ＨＤＤＰ
本次测试时间段为２０１２年３月１５ Ｅｔ至２０１２
年３月１６ Ｅｌ，共２４ ｈ，采样时间间隔为１ ｓ；地点为
上海地区；ＢＤ－２和ＧＰＳ星座使用当天广播星历计算
卫星位置；用ＭＡＴＬＡＢ软件对接收到的数据进行分
ｈ￡ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｍｕｉｏｕｒｌ＇ｌａ￣．ｃｎ
４ 上海海事大学 学报 第３３卷
析处理．可见卫星数（Ｖｉｓｉｂｌｅ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｎｕｍｂｅｒ，ＶＳＮ） 表１ ＢＤ一２与ＧＰＳ的ＶＳＮ和ＨＤＯＰ值对照
见图６．厂—］—— 而 —］——
ｌ
ｊ
２ ３
４
ｊ
５ ６
７
１
８ ９●
）
蚕
６
５
００墨
行性和可靠性，在系统应用扩展方面未给出具体方
时间ｍ 时间／ｈ
案．综上得到：
（ａ）ＢＤ－２ （ｂ）ＧＰＳ
（１）在ＡＲＭ和ＷＩＮＣＥ ６．０基础上设计基于
ＢＤ一２的船载定位终端的思路可行、方法正确，可推
００｝Ｉ
图６可见卫星数
水平精度因子（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，
动北斗卫星导航系统在海洋领域的应用，促进海洋
经济的发展．
ＨＤＯＰ）描述的是卫星几何形态对平面定位的影
响．［ ｍ ＨＤＯＰ分布见图７．
５ ５
５ Ｏ
４ ５
４ ０
３ ５
３ ０
２ ５
２ ０
ｌ ５
Ｏ ４ ８ １２ １６ ２Ｏ ２４
２ ６
（２）受ＢＤ－２卫星在轨数目的客观限制，目前其
ＶＳＮ低于ＧＰＳ．尽管ＶＳＮ少，但可以保证我国及少
数周边地区的定位导航．
（３）当前阶段ＢＤ一２船载定位终端的ＨＤＯＰ保
持在１．５～５．４之间，与ＧＰＳ的ＨＤＯＰ值０．７～２．６
相比较大，这是由当前阶段５颗ＧＥＯ卫星、４颗
ＭＥＯ卫星及３颗ＩＧＳＯ卫星的几何构型所决定的．
根据误差（１仃）＝１ Ｘ ＲＭＳ值×ＤＯＰ值 ，此时ＲＭＳ
：
２ ２
１ ８
１ ４
１ ０
Ｏ６
Ｏ ４ ８ １２ １６ ２Ｏ ２４
＿ Ｉ Ｉ ｌ
１１
时间／｝１
时间／Ｉ１
（ａ）ＢＤ一２
图７ ＨＤＯＰ分布
值为２ ｍ（统计值），则误差（１盯）的范围在３．０～
１０．８ ｍ．
由图６和７归纳出的信息见表１
６ 结束语
主要论证基于ＢＤ－２的船载定位终端设计的可
参考文献：
（４）本设计在电子器件选择、定位算法、导航软
件界面丰富和软件扩展方面仍有不足之处，有待进
一
步提高．
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（编辑贾裙平）
ｈｔｔｐ：／／ｗｖ￣ｖ．ｓｍｕｊｏｕｒｎａ１．ＣＩ１