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【摘要】针对我国正逐步推广具有自主知识产权的北斗导航定位系统这一现状，设计了一种北斗/GPS（全球定位系统）多模定位接收机。这种接收机采用STC82C51RC单片机作为数据处理部分，能将CC50-BG北斗/GPS接收模块接收到的卫星定位信息处理后显示在LCD1602液晶屏上。通过对接收数据的分析可以发现北斗的定位值比GPS精确5米左右，误差放大倍数（精度因子）比GPS大了1.5左右，并推出测量得到的卫星与接收机间距离的误差（伪距误差）比GPS小。
【关键词】全球定位系统；北斗-2；接收机
1.引言
我国的北斗卫星定位系统由“北斗一号”卫星定位试验系统和“北斗二号”卫星定位系统这两部分组成。1994年我国正式开始了“北斗一号”卫星导航试验系统的研发。2000年到2003年我国总共发射了4颗“北斗一号”导航实验卫星，分别定位于东经80度和东经140度，公转周期T=24小时，轨道高度H=36000km。这标志着我国成为继美国GPS和俄罗斯的GLONASS后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家。由于“北斗一号”只能覆盖中国本土，在实时性，用户容量，生存能力等方面都有严重的缺陷，2007年“北斗二号”开始正式建设。2009-2012我国已经成功地将16颗“北斗二号”卫星送入太空，完成了卫星布置以组成区域导航系统，形成了我国及周边地区的覆盖能力。预计在2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力[2-3]。完整的北斗导航定位系统拥有35颗卫星，占用3个频段，比GPS多出11颗卫星，一个频段。且它具有短报文能力这是GPS所不具有的。目前北斗普通用户的定位精度为10米，特殊用户定位精度为1米，而GPS为20米和2米。
2.北斗导航定位系统的定位原理
随着北斗导航定位系统的发展，该系统兼容了“北斗一号”的短报文功能，在30颗非静止轨道卫星进行无源定位的同时，利用5颗静止轨道卫星协助增强定位精度。其无源定位的原理与GPS定位原理类似，通过将快速运动的卫星瞬时坐标作为起始计算的数据，利用卫星自身的时间及星历信息，通过空间距离的后方交会法，确定接收机的三维的时间，方向，位置及速度信息。这种方法也称伪距测量法[4]。
每一个要求定位的点都包含有4个未知数：经度，纬度，高程和卫星接收机的时钟差，因此要求北斗2号定位至少用4颗卫星来进行观测计算。图1中所示可以确定4个方程式：
以上四个方程式中的待测点坐标x，y，z， vt0为未知参数，c为GPS信号的传播速度即为光速。d1～d4是卫星1-4到定位点的距离，其值可通过信号从卫星到达定位点的时间乘以电波速度得到即di=cΔti （i=1，2，3，4）。
（xi，yj，zk）是每个卫星的星历参数，即卫星的轨道坐标（i=1，2，3，4；j=l，2，3，4；k=1，2，3，4）这个参数主要依赖于卫星导航电文。
vti（i=1，2，3，4）分别为卫星1到卫星4的卫星钟钟差，这是靠卫星星历决定的。
vt0为接收机钟差。
由（1.1）的四个方程可以解出被测点的坐标x、y、z和接收机的钟差vt0。
3.系统设计
本研究使用东方联星生产的CC50-BG卫星导航模块作为卫星信号的接收部分，单片机选用简单方便的STC89C52RC来进行接收数据的处理和提取，液晶屏则采用LCD1602，直观有效地显示经纬度及时间信息。如图2为所设计接收机的系统概念图。
（1）定位信号接收部分
如图3.2CC50-BG采用GPS的L1和BD2的B1频率，捕获时间≤2s，水平位置精度为5m，垂直位置精度为10m，速度精度为0.1m/s，PPS精度为200ns。其有两个串口，用于输出解算得到的定位信息。以3.0V的LVTTL标准来传输信号，其串口通信的默认波特率为9600（可在2400-115200间配置），采用标准NMEA0183通信协议中的语句格式实现异步通信，它有1位起始位，8位数据位，1位停止位，无校验。RF_IN为CC50-BG提供的射频输入引脚。
（2）定位信号处理部分
如图3为系统电路图，系统主要用到的端口为P0端口和P3端口。VCC接电源5V，P0.0～P0.7接一10K的排阻作为上拉，再接LCD1602的D0到D7。RST为复位口，接外围复位电路。RXD，TXD分别为输入和输出数据接口对应于CC50-BG的输出输入口。T0作为使能端，T1接RS数据命令选择端，为其提供一个电平信号。XTAL1和XTAL2外接晶振电路，GND与LCD1602以及CC50-BG共地。同时在RD处加上开关用于切换不同定位模式。
（3）定位信号显示部分
系统用到1602液晶，它是一种专门用来显示数字、字母、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X11或者5X7（下转第72页）（上接第67页）等点阵字符位组成，每个点阵字符位显示一个字符。每位之间以及每行之间都有间隔达到了字符间距和行间距的效果，因此图形无法用其显示。它由5V电压驱动，蓝色背光能够同时显示16x02即32个字符。内置含128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行接口。
4.程序设计
程序的设计主要包括LCD1602的显示以及卫星数据的接收。接收中断所起到的作用即是依据标准NMENMEA0183通信协议将主要定位及时间信息提取，软件流程图如图3所示。
5.数据分析
利用卫星导航后端处理软件SuperView对该定位装置进行定位精度的分析以及寻找影响定位精度的因素。测量的数据有三组，第一组为北斗/GPS综合定位的数据，如图4所示；第二组为北斗单独定位的数据，如图5所示；第三组为GPS单独定位的数据，如图6所示。已知综合定位的精度最高，因此以北斗/GPS综合定位的数据为标准进行比较，利用多点均值的方法得出，北斗单独定位在纬度上相差0.000006，经度相差0.000019，高程相差6.15米。GPS单独定位在纬度上相差0.000013，精度相差0.000036，高程相差11.1米。从而可以发现北斗导航定位系统的普通用户的定位值要比GPS普通用户的定位值来的准确。而通过对各图中高程精度因子（Vdop），空间三维精度因子（Pdop），水平精度因子（Hdop）的比较发现，综合定位的三种精度因子最小，北斗单独定位时，三种精度因子最大，由此综合上面的分析可以得出三个结论：（1）北斗/GPS联合定位的误差较小；（2）GPS单独定位在减小精度因子上的问题上做的比北斗好，北斗系统需要极力减少精度因子的大小；（3）北斗单独定位时其伪距测量误差较小这点比GPS做的好。原因：由公式（1）（2）（3）可得Vdop、Pdop、Hdop相应的高程误差、三维误差，水平误差分别为σV、σP、σH。由于误差的大小与精度因子成正比，所以当σ0（伪距误差）一定时，精度因子越小误差越小。而由上面的分析可知北斗单独定位要比GPS单独定位要准确，因此可以得出GPS单独定位的伪距误差要大于北斗单独定位。总的来说综合定位相比两者单独定位来的更准确，北斗导航定位系统还需极力减小精度因子的大小。 6.结论
基于单片机的北斗/GPS定位装置简单便携，定位准确，能在北斗、GPS、以及综合定位这三种模式间相互切换，并可以进行更多的拓展。同时通过对定位数据的分析验证了北斗定位比GPS定位更为精确，但由于北斗卫星导航系统是由三种卫星组成，且三种卫星所在的轨道高度也不同，因此不能简单的用精度因子来衡量北斗的定位精度。虽然这种不同轨道高度的卫星测量导致精度因子过大，但伪距误差却相对减小。
参考文献
[1]Huang Y S，Tsai M L.The impact of Compass/Beidou-2 on future GNSS：A perspective from Asia[C].//Proceedings of the 21st International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation（ION GNSS 2008）.2001：2227-2238.
[2]Sun F P，Liu S，Zhu X H，et al.Research and progress of Beidou satellite navigation system[J].Science China Information Sciences，2012，55（12）：2899-2907.
[3]郝燕玲，祖秉法，黄平.“北斗二号”B2频段信号直接多普勒频移估计[J].华中科技大学学报：自然科学版，2010，38（6）：15-18.
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[5]黄少锋，张尊泉，邓斌，等.基于单片机采集与显示GPS定位信息系统的设计[J].空军雷达学院学报，2007，21 （1）：37-39.
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作者简介：沈达（1967—），男，工程师，现供职于南通醋酸纤维有限公司，研究方向：项目研发。
