基于北斗的高精度定位车载导航系统的设计

董亚波　车凯　张涛　董章

【摘 要】随着导航系统的发展，车载导航系统的装配量越来越大，用户和市场对导航系统的定位精度要求越来越高。本文设计了基于北斗高精度定位车载导航系统，装配了具有强大处理能力的处理器和适合航位推算的传感器模块。不仅采用高精度定位模块提高了定位精确度，而且从软件方面也可以提高定位精确度，例如采用提高定位精确度的成熟算法，例如卡尔曼滤波、航位推算及地图匹配等。可以达到车道级定位精确度。

【关键词】导航系统；高精度定位；车道级定位

Design of High-Precision Location Vehicular navigation System Based on Beidou

DONG Ya-bo1 CHEN Kai2 DONG Zhang2 ZHANG Tao2

（1.College of Computer Science and Technology， Zhejiang University， Hangzhou 310027，China；

2.School of Electrical and Information Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002，China）

【Abstract】With the development of navigation system， the loading capacity of vehicle navigation system is getting bigger and bigger， and the positioning accuracy of navigation system is getting higher and higher for users and market. This paper designed a vehicle navigation system based on the high-precision positioning module of the BDS. It assembles a processor with strong processing capability and a sensor module suitable for the dead reckoning. Not only the use of high-precision positioning module to improve the positioning accuracy， but also from the software can also improve the positioning accuracy， such as the use of improved positioning accuracy of the mature algorithm， such as Kalman filter， dead reckoning and map matching.It can achieves lane-level positioning accuracy.

【Key words】Navigation system； High precision positioning； Lane level positioning

0 引言

目前国内车载导航系统发展火热，几乎成为轿车的标准配置，但是大多数采用GPS定位导航系统，但随着我国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）完成对亚太地区的完全覆盖，在定位、导航、授时、通信等各个方面都已形成一定的市场规模[1]。文献[2][3][4]设计的车载终端或导航系统均采用普通10米左右定位精确度的BDS或全球定位系统（Global Positioning System，GPS）模块。但是用户和市场的需求对定位精确度的要求也越来越高，一般10米左右的平面定位精度不能满足要求，于是各类提高定位精确度的研究发展起来。文献[5]提出了一种基于联合卡尔曼滤波算法和地图匹配技术的提高精度定位方法。文献[6]提出了在航位推算等导航定位的基础上，进一步研究并实现了地图匹配算法，克服了GPS信号受阻时定位间断或失效的缺点，避免了航位推算定位誤差随时间的积累。文献[7]采用BDS的短报文功能进行精密单点定位误差改正数的播发，向观测用北斗卫星终端发送精度较高的卫星钟误差、星历误差改正值，大大提高了北斗系统定位精度。基于以上情况，本文设计了一种基于北斗高精度定位模块的车载导航系统，从硬件和软件两个方面提高了定位精确度。

1 系统总体设计

基于北斗高精度车载定位导航系统包括处理器、高精度北斗定位模块、传感器模块、无线通信模块、LCD显示器、摄像头、存储器模块和USB接口等，系统总体设计框图如图1所示。

处理器采用Cortex-A7架构8核处理器A83T，能提供卓越的处理性能，但功耗却比一般四核处理器更低。主要用来采集、处理、传输和存储数据。

高精度北斗定位模块主要用来采集定位信息，水平定位精度可达2.0米，车辆行驶过程中能够获取车道级的定位信息。除此之外可以在软件方面配合矢量地图进行地图匹配，进一步提高定位精确度。

传感器模块能够采集车辆行驶的加速度、角速度以及定向等信息，有助于了解车辆的运动姿态，提升车辆运行的安全性。除此之外可以在软件方面配合高精度北斗定位模块采集的定位信息进行航位推算，进一步提高定位的精确度，特别是在车辆行驶在隧道等定位信号微弱或无定位信号的情况下。

LCD显示器主要用来显示车辆的行驶状态等信息。

摄像头主要用来采集车辆行驶过程中的车内或车外的视频信息。endprint

无线通信模块包括WiFi和蓝牙两部分，主要用来与其它相关系统进行通信。

USB接口主要用来导出车辆行驶等信息。

2 系统硬件设计

2.1 高精度北斗定位模块电路设计

高精度北斗定位模块采用BD-126模块，是一款支持北斗二代和GPS的高性能集成模块，该模块是一个完整的卫星定位接收设备，具备完整的卫星定位接收设备，具备全方位功能。可采用5V或3V电源供电，采用UART异步串行接口与A83T通信，高精度北斗定位模块与处理器的接口如图2所示。

2.2 传感器电路设计

传感器模块采用的核心芯片为MPU9250，是一个由两部分组成的九轴运动跟踪传感器，其中一部分是3轴加速度传感器和3轴陀螺仪，另一部分是AKM公司的AK8963三周磁力计。采用24引脚QFN封装，拥有I2C接口，直接输出9轴全部数据，并拥有辅助I2C接口用以兼容其他传感器如压力传感器等。

芯片正常工作电压VDD电压范围为2.4V-3.6V，VDDIO为辅助I2C参考电压，其电压范围为1.71V-VDD，采用SPI同步串行总线方式与A83T通信，因此片选信号nCS、串行数据输入信号SDI、串行数据输出信号SDO、串行时钟信号SCL分别接到A83T对应引脚，INT、FYNC分别为中断输出引脚和数字帧同步输入引脚，接到A83T GPIO口PC4和PC7上，由于没有用到第三方传感器，故AUX引脚悬空。传感器模块与处理器的接口如图3所示。

2.3 无线通信模块电路设计

无线通信模块采用AP6212模块。该模块集成WiFi、蓝牙、FM功能，采用44引脚QFN封装，具有低成本、低功耗、高集成度的特点，符合IEEE 802.11 b/g/n 标准，。可以通过该模块实现高速网页浏览，蓝牙耳机、FM收音机等应用。模块为WiFi提供SDIO接口，为蓝牙和FM提供UART、I2S、PCM接口。AP6212模块电路如图4所示。

AP6212模块正常工作时需要两路电压VDDIO与VBAT分别接到PIN22和PIN9，VDDIO的工作电压范围为1.7V-3.6V，VBAT的工作电压范围为3.0V-4.8V，其中VBAT需经过10uF滤波电容然后接到PIN9。模块采用26MHz无源晶振从PIN10、11输入时钟信号，PIN29脚悬空，若26M时钟没有从PIN10、11输入到模块中，可在将时钟从PIN10脚输入的同时，将PIN29脚上拉。PIN2为天线引脚，连接板载陶瓷天线和外接天线IPEX接口。PIN21与PIN23连接芯片内部Buck电路，需要外接4.7uH的功率电感。PIN24接入32.768系统参考时钟，是AXP813提供的外部时钟输入。PIN14-PIN19连接处理器A83T，为WIFI控制信号，PIN25-PIN28连接AXP813，为蓝牙控制信号。PIN12和PIN34为主机唤醒引脚，连接A83T，实现通过CPU的控制信号来启用或禁用WIFI或蓝牙的功能，其中PIN12为WIFI使能控制引脚，当该引脚为高电平时，调节器被使能，WIFI功能启用，当该引脚为低电平时，WiFi功能禁用。PIN34为蓝牙使能控制引脚，当该引脚为高电平时蓝牙功能启用，当该引脚为低电平时，蓝牙功能禁用。

2.4 存储器模块电路设计

2.4.1 LPDDR3存储器电路设计

本系统采用的LPDDR3型号为H9CCNNNBJTML，是一个2GB 低功耗DDR3 SDRAM，采用178引脚BGA封装，具有32位数据总线以及10位地址总线，是一种高速CMOS器件，内部配置8 个bank，采用双数据速率架构，大大减少了系统输入引脚数。

DQ0-DQ31、SA0-SA9、DM0-3分别为32位双向数据总线、10位地址总线、与4位数据掩码总线，分别连接到A83T的数据总线上、地址总线与数据掩码总线上，DQS0-3连接到A83T，为4组双向数據选通信号，SCK与SCKB连接到A83T的J1、J2引脚，为系统的差分时钟输入信号。J11与H14为芯片参考电压输入，连接A83T的K1引脚，该参考输入电压需经过0.1uF电容滤波。J8 ODT为片上终止信号，连接A83T E3 SODT引脚，起到DRAM启用/禁用功能，通过ODT控制每个DQ、DQS以及DM信号的打开/关闭。LPDDR3存储器与处理器的接口如图5所示。

2.4.2 eMMC存储器电路设计

本系统采用的eMMC型号为KLM8G1B031，是一款8GB eMMC，采用169引脚BGA封装，使用MMC协议V4.41行业标准进行数据读写操作，由NAND flash和MMC控制器组成，NAND flash需要VDDF 3V电源供电，MMC控制器需要VDDF3V和VDD 3V 两路电源同时供电，最大MMC接口频率为52MHz。DAT0-7位8位数据总线， CMD与CLK为系统差分时钟输入，RESET为系统复位引脚，分别连接到A83T对应引脚上，VCC1-4和VCCQ1-4为3V电源，给NAND flash和MMC供电。eMMC模块电路如图6所示。

3 结论

本文设计的基于北斗高精度定位车载导航系统，采用了高精度的定位模块，从硬件上提高了导航系统的定位精确度；采用了具有强大处理能力的处理器，可以采用提高定位精确度的成熟算法。从实际应用情况来看，基本上达到了车道级别的定位效果。

【参考文献】

[1]中国产业调研网Cir.cn. 中国北斗卫星导航系统行业现状调查分析及市场前景预测报告（2016年版，报告编号：1697869）. http：//www.cir.cn/R_ITTongXun/69/BeiDouWeiXingDaoHangXiTongWeiLaiFaZhanQuShiYuCe.html.

[2]史顺玉.基于北斗卫星导航系统的智能车载终端设计[J].中国海洋大学，2014.

[3]彭博高.速公路行车信息车载终端、监控系统和方法[P].中国专利：CN103440767A，2013.12.11.

[4]黄一津.用于高速公路全程监测的车载移动智能终端[P].中国专利： CN202373146U，2012.08.08.

[5]马海波，黄跃峰，滕寿威.车载导航系统的高精度定位算法[J].地理信息世界，2010，8（1）：48-55.

[6]黄袁斌，孙永荣，沈雪松，陈武.高精度车载导航定位系统的研究[J].交通信息与安全，2006，24（6）：35-37.

[7]刘宏，万立健，陆亚英.基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术[J].测绘通报，2017（5）：62-66

[责任编辑：朱丽娜]endprint