作者：席志紅，耿更飛，付存利

前期實際北斗模塊定位誤差統計分析中得出了北斗模塊的定位誤差分布服從正態分布，根據北斗模塊定位誤差分布的規律，利用在同一塊電路板上的雙天線模塊接收北斗定位信號，將定位信息傳給TMS320F28335DSP芯片，DSP對北斗模塊給出的定位信息做實時算法處理，并將處理后的定位信息傳給嵌入式ARM芯片，ARM芯片在TFT液晶屏上更新定位信息，同時根據用戶要求來設置北斗模塊的工作模式。在接收不到北斗定位信息時DSP利用UKF濾波算法，將預測定位信息發送給ARM芯片，并標記為預測信息，且顯示在TFT液晶屏上。

北斗定位系統是我國自主開發的全球定位系統，目前北斗定位系統在軌運行衛星已達16顆，截止2012年12月27日，我國的北斗定位系統空間信號接口控制文件正式版已公布，北斗定位導航業務正式對亞太地區提供無源定位、導航及授時服務。該系統可為汽車、客機和輪船等常用交通工具提供定位服務，為精確制導武器提供定位導航服務，其對我國軍事國防事業擺脫對國外GPS系統依賴有著重要意義，另外對農牧業、漁業生產也有著重要意義。

在眾多實際應用背景下，如何提高衛星定位導航系統的定位精度就顯得尤為重要。本文提出一種基于雙天線結構的構想，以提高北斗定位模塊的定位精度為目的，在嵌入式ARM+DSP系統上實現北斗定位系統。

1 系統設計思想

在衛星定位系統眾多應用中，常用于描述衛星定位精度的參數主要有水乎均方根誤差（Distance Root-Mean-Square，DRMS）、圓概率誤差（Circular Error Probable，CEP）和球概率誤差（Spherical Error Probable，SEP）等，這些參數被廣泛用于測量和各種定位系統中，其計算和準確性與定位誤差的三維分布特征密切相關。文獻證明在一般情況下，定位誤差的三維分布呈橢球狀，被稱為誤差橢球。其幾何特征主要包括橢球的軸方向、軸長和軸比。軸方向是橢球的3個主軸所在的方向，軸長是定位誤差在橢球軸方向上的標準差，軸比是橢球3個軸長之間的比值。誤差橢球的軸比決定了真實位置落在DRMS圓上的概率。

在對文獻分析后，進行單點100組連續北斗模塊定位測試，統計誤差分布規律，經實際測試、統計分析得出北斗模塊的實際定位誤差近似服從正態分布，北斗定位模塊的水平定位誤差依91%的概率收斂于8～10 m之間，其中9 m處的分布概率為82%，如圖1所示。

圖1 北斗模塊測試統計情況

DRMS值為9.0 m，記作R，在實際測量中北斗模塊給出一組定位數據（a1，b1），記作A，a1、b1分別表示經度和緯度信息，則以（a1，b1）為圓心的DRMS圓如圖2所示。

圖2 北斗定位二維DRMS圓示意圖

在同一塊電路板上使用雙天線模塊接收北斗定位導航信息，由于將兩個天線并排安放，所以在任意時刻兩個北斗定位模塊相對于北斗衛星的通信鏈路相同，兩個北斗定位模塊可見星情況和接收到的前端衛星定位信息也相同。假定某一時刻兩個模塊接收到的定位信息分別為（a1，b1）和（a2，b2），以（a1，b1）和（a2，b2）為圓心，R為半徑的DRMS圓，兩圓記為A、B，則真實點依大概率收斂于兩個圓交點中（a3，b3）、（a4，b4）。根據前一時刻的位置信息和速度信息可排除其中一個交點（a3，b3）或（a4，b4），則剩下的點就為真實位置的最大概率分布點。

圖3 北斗雙天線真實點分布示意圖

2 系統硬件設計

系統使用DSP+ARM雙芯片結構，DSP主要負責接收北斗模塊的定位信息和算法處理功能，ARM芯片負責與DSP芯片通信、控制TFT液晶屏的顯示功能。硬件設計主要包括電源部分、ARM部分、DSP部分、網絡部分、TFT液晶屏部分以及北斗模塊多部分的設計。

2.1 系統硬件結構框圖

圖4 系統硬件框圖

2.2 電源部分

系統使用較為常見的12 V電壓作為總的電源輸入，經LM2596芯片得到5 V電壓作為DSP模塊和TFT液晶屏的電源，5 V電壓經ASM1117得到3.3 V電壓作為ARM模塊和網絡部分以及TF卡的電源。

2.3 ARM部分設計

ARM芯片使用意法半導體公司的STM32F103VET6芯片，該芯片為32位Cortex—M3內核微處理器，主頻最高可達72 MHz，封裝為LQFP100，減小了PCB板的面積。另外，還支持IO管腳的重映射配置，降低了PCB布線的難度，且支持JTAG、SWD兩種調試/下載模式，方便用戶使用市面上較為常見的調試工具J-LINK調試/下載程序，因此使用方便。

2.4 DSP部分說明

DSP部分使用的芯片為TI公司的新型數字信號處理器TMS320F28335，該款芯片最高主頻達150 MHz，采用哈佛流水線結構，并具有片內硬件乘法器，完成一次浮點數的乘加運算只需10個機器周期，故可進行高速數據運算。

2.5 網絡部分說明

網絡部分主要提供了一個可選功能，當條件滿足時可將系統的定位信息發送到以太網上，供遠端的用戶訪問、查詢。

系統使用美國微星公司的ENC28J60網絡芯片，該芯片為IEEE802.3兼容的以太網控制器，支持全/半雙工模式，工作電壓兼容TTL電平和CMOS電平，可編程會在發生沖突時自動重發，可編程填充和CRC生成，用于快速發送數據的內部FIFO、DMA以及硬件支持的IP校驗和計算。其封裝為SSOP28，與微處理器的鏈接方式為SPI總線，因此控制方便，最高速度可達10 Mbit·s-1。

2.6 TFT液晶屏部分說明

TFT液晶屏的每個像點均是由集成在像素點后面的薄膜晶體管來驅動的，從而可做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息，是目前最佳的LCD彩色顯示設備之一，其效果接近CRT顯示器，是現在筆記本電腦和臺式機上的主流顯示設備。

系統使用16 bit真彩色，320×240分辨率TFT液晶屏。STM32F103ARM芯片負責TFT液晶屏的驅動，STM32F103ARM芯片與TFT液晶屏之間使用FSMC總線通信，以完成對該液晶屏的初始化和顯示控制。

2.7 北斗模塊部分說明

北斗模塊部分使用北京和芯星通公司的UM220北斗定位芯片，其可同時支持BD2 B1、GPS L1兩個頻點，輸出數據方式為USART，數據協議為NMEA 0183，默認通信波特率為9 600 bit·s-1，并可根據用戶需要自行設定最高支持波特率為230 400 bit·s-1，其輸入/輸出信號類型均為LVTTL電平。

UM220通過串口與DSP連接，DSP通過串口完成對北斗模塊的配置，并接收其定位信息。

3 系統工作流程

3.1 系統總體工作流程

系統采用DSP+ARM雙核結構，DSP與ARM各司其職。在系統上電后，DSP、ARM芯片完成上電復位，DSP通過USART接收北斗定位模塊的定位信息，在不失星的情況下進行北斗雙天線定位算法計算。而DSP在進行北斗雙天線定位算法計算后，通過串口將計算后的北斗定位信息發送給ARM芯片。若處于失星的情況下，進行UKF算法軌跡預測，并將得到的預測結果通過串口發送給ARM芯片，ARM芯片接收到北斗定位信息后，通過FSMC總線將定位信息更新到TFT液晶屏上，如圖5所示。

圖5 系統程序流程圖

3.2 軌跡預測算法設計

系統采用無跡卡爾曼濾波（UKF）做為失星情況下的軌跡預測算法。無跡卡爾曼濾波（UKF）是一種基于最小方差估計準則的非線性狀態估計器，其以非線性最優高斯濾波器作為基本理論框架。UKF采用UT變換技術，即采用確定的樣本點（Sigma點）來完成狀態變量統計特性沿時間的傳播，改進了擴展卡爾曼濾波（EKF）不能求解雅可比矩陣以及泰勒級數線性化只具有一階的低精度問題，其逼近精度可達二階或二階以上。U KF算法實現過程如下

Step1

（1）

式中，x為未失星前時刻北斗雙天線定位所得定位經、緯度信息;px是x的協方差;n表示系統狀態維數;北斗應用中n取值為2;λ是微調參數，其可控制樣本點到均值的距離。

step2 根據系統狀態方程求樣本點傳遞值

（4）

Step5 獲得定位誤差均值和協方差

4 系統測試

4.1 北斗雙天線定位測試

該測試需對北斗雙天線定位思想設計進行驗證，對系統的定位精度進行實際測試。在晴天的情況下，單北斗模塊定位精度約在9 m，雙天線北斗模塊定位精度約為3.3 m，GPS的定位精度約在10 m，這說明使用雙天線結構大幅提升了北斗定位模塊的定位精度，如表1所示。

表1 北斗雙天線測試數據對比

4.2 軌跡預測測試

軌跡預測測試選定在晴天情況下，首先沿固定路線運動，然后重新沿固定路線運動，在特定時刻經北斗雙天線定位模塊的天線取下，然后對比路線軌跡與軌跡預測算法得到的軌跡數據。如圖6所示。

圖6 軌跡預測算法實際測試

圖中橫軸坐標為經度坐標，標定到“分”，均為東經126°xx分，xx為圖中橫軸標定坐標值;縱軸坐標為緯度坐標，標定到“分”，均為北緯45°xx分，xx為圖中縱坐標值。實線軌跡data1為在谷歌地圖上標定的真實運動路線，星點狀軌跡data2為得到實際運動路線后，精確到重新測定運動軌跡失星時刻前后的運動路線。兩次軌跡對比結果表明，在失星情況下采用UKF算法所進行軌跡預測得到臨近時刻定位數據的定位精度大約在10 m，介于單模塊北斗定位精度和GPS定位精度之間，但隨著失星時間的增長，軌跡預測的誤差將會增大，在20個采樣點后，軌跡預測得到數據的誤差將增大至50 m以上。

5 結束語

定位精度是本系統的關鍵，經實際測試在晴天的情況下北斗雙天線定位思想設計可大幅度提高北斗定位模塊的定位精度。而在其他的定位系統上，若兩個定位模塊精度相差較小時，也可應用雙天線定位思想，提高系統的定位精度。

此外，系統還可使用性能更好的嵌入式處理器，如TI的DM37XX系列芯片，內嵌有“DSP+ARM”雙核，既可以做復雜運算，也可進行復雜控制，這樣便可減小系統的體積與芯片使用數量，從而簡化系統設計，使系統更加便于使用。

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