手持式DGPS/AHRS組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

孫良義 段建紅

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022)

1 引言

船體航向、姿態(tài)、位置和速度不但是船舶導(dǎo)航的重要參數(shù)，還是以船舶為測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行各項(xiàng)湖上、海上試驗(yàn)的重要數(shù)據(jù)。AHRS（Attitude and Heading Reference System)如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)均可提供連續(xù)性好、穩(wěn)定性高的航向、姿態(tài)信息，DGPS（Differential Global Position System)可提供連續(xù)、高精度、實(shí)時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)、位置、速度等數(shù)據(jù)，兩種系統(tǒng)都被廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)試驗(yàn)中［1～3］。嵌入式系統(tǒng)以其低功耗、小體積、高穩(wěn)定性、便攜和軟硬件易裁剪等優(yōu)勢(shì)［4～5］，在GPS領(lǐng)域的應(yīng)用中占據(jù)重要位置。本文研究基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式微處理器S3C2440A和WindowsCE6.0的DGPSAHRS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以解決上述常規(guī)系統(tǒng)在空間狹小、條件簡(jiǎn)陋的平臺(tái)環(huán)境中存在的架設(shè)、供電困難，使用維護(hù)不便的問題。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件主要由四部分組成：ARM主控模塊，DGPS模塊，AHRS模塊，供電模塊。ARM主控模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，DGPS模塊負(fù)責(zé)輸出GPS定位信息，AHRS模塊負(fù)責(zé)輸出姿態(tài)和航向信息，供電模塊負(fù)責(zé)為其它三個(gè)模塊供電，硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.2 ARM主控模塊

核心板由Samsung公司推出的32位400MHz微處理器S3C2440A［6］、64MB的SDRAM 和64MB的 Nand Flash存儲(chǔ)芯片組成，外圍擴(kuò)展1個(gè)RS232串口、1個(gè)UART接口、1塊7寸LCD觸摸屏、電源接口、RTC電路、復(fù)位電路、網(wǎng)絡(luò)接口、JTAG接口、SD卡接口、USB口等接口資源。SDRAM存儲(chǔ)器用于運(yùn)行系統(tǒng)主程序，具有掉電保護(hù)功能的Nand Flash存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)核、Bootloader的啟動(dòng)代碼和開發(fā)程序，擴(kuò)展的RS232串口COM1用于接收AHRS模塊輸出的姿態(tài)和航向信息，擴(kuò)展的UART有3個(gè)串口，串口COM2用于采集DGPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，7寸TFT電阻式觸摸屏用于人機(jī)交互和顯示導(dǎo)航軟件信息，USB口用于下載WINCE內(nèi)核文件及與軟件開發(fā)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，JTAG調(diào)試接口用于硬件調(diào)試和燒載Bootloader。

2.3 DGPS模塊

由Crescent GPS OEM板HC12、電平轉(zhuǎn)換板和差分天線組成。HC12［7］是一款高性能單頻12通道接收機(jī)，定位精度可達(dá)亞米級(jí)，數(shù)據(jù)輸出采用NMEA－0183標(biāo)準(zhǔn)，速率可高達(dá)20Hz。HC12有3個(gè)全雙工3.3VCMOS電平串口（A，B，C)，COM A直接與 ARM 主控模塊COM2相連，用于進(jìn)行HC12參數(shù)設(shè)置或輸出定位數(shù)據(jù)信息，COM B電平轉(zhuǎn)換為RS232電平后可接入PC機(jī)，同樣可用于HC12參數(shù)設(shè)置或輸出定位數(shù)據(jù)信息，COM C串口備用。HC12輸入電壓為3.3V，而供電模塊輸出電壓為5V，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。采用AMS1117－3.3芯片轉(zhuǎn)換電源電壓，MAX3232芯片轉(zhuǎn)換串口電平，通過1個(gè)34Pin的轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)HC12電源供電和外部通信，電平轉(zhuǎn)換電路見圖2。

圖2 電平轉(zhuǎn)換電路原理圖

差分天線選用Hemisphere公司的A30天線，它可接收GPS、SBAS和Beacon信號(hào)，具有多波段接收能力，能在高電氣噪聲和其它干擾條件下保持高精度的信號(hào)接收。

2.4 AHRS模塊

選用荷蘭XSENS公司的 MTi［8］，它是一個(gè)基于微電子陀螺技術(shù)的微型姿態(tài)、航向測(cè)量系統(tǒng)，內(nèi)部處理器功耗低，可360°全方位輸出姿態(tài)和航向，輸出的航向角無漂移，具有長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)，其縱傾橫滾精度小于0.5°，航向角靜態(tài)精度小于1°，動(dòng)態(tài)精度小于2°。

2.5 供電模塊

由5V充電電路、鋰電池組和升降壓電路組成，其中鋰電池組含有八塊Samsung公司18650型2400mAh鋰離子電芯。該模塊輸出參數(shù)為電壓5V、電流1A，分別為ARM主控模塊、AHRS模塊和DGPS模塊供電，供電時(shí)間不少于5小時(shí)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于WINCE6.0［9］操作系統(tǒng)，在Visual Studio2008開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件采用層次模塊化方法進(jìn)行開發(fā)［10］，分為三層九個(gè)子模塊，體系結(jié)構(gòu)如圖3所示：數(shù)據(jù)接入層、信息處理層、功能應(yīng)用層。接入層：參數(shù)設(shè)置、串行接口、網(wǎng)絡(luò)接口；信息處理層：數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；功能應(yīng)用層：海圖顯示、圖符標(biāo)繪、航路規(guī)劃。

圖3 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)接入層

串口模塊主要完成AHRS和DGPS模塊的參數(shù)初始化設(shè)置和導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的接收。通過串口建立DGPS模塊與ARM的連接，設(shè)置接收機(jī)應(yīng)用模式為SBAS，并設(shè)置串口通信波特率、串口輸出的NMEA語(yǔ)句及輸出速率、最大差分齡期和衛(wèi)星仰角等參數(shù)。DGPS加電后便自動(dòng)搜索衛(wèi)星，并通過串口以每秒一次的頻率向ARM發(fā)送GPRMC格式的定位信息，在定位信息有效后ARM便可以提取所需要的定位信息。

程序開辟了兩個(gè)線程，一個(gè)用于讀取HC12導(dǎo)航數(shù)據(jù)，一個(gè)用于讀取AHRS姿態(tài)航向數(shù)據(jù)。通過多線程方法可有效避免不斷調(diào)用WaitCommEven（)函數(shù)導(dǎo)致的阻塞。兩個(gè)線程將數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū)后交給信息處理層進(jìn)行處理。

網(wǎng)絡(luò)模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的遠(yuǎn)程配置管理，并將本地導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)分發(fā)到其他站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息交互共享。

3.2 信息處理層

主要完成姿態(tài)航向數(shù)據(jù)和導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的解析提取，通過平滑濾波去除野值點(diǎn)后保存到本地磁盤文件，并提交給功能應(yīng)用層。

3.2.1 定位數(shù)據(jù)解析

DGPS模塊通信標(biāo)準(zhǔn)為NMEA－0183格式，輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCⅡ碼，主要有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VGT等數(shù)據(jù)格式，每種格式的數(shù)據(jù)幀均以“MYM”開頭，然后是兩個(gè)字母的“識(shí)別符”和三個(gè)字母的“語(yǔ)句名”組成ID信息頭，接著就是以逗號(hào)分割的數(shù)據(jù)體，末尾為校驗(yàn)值，以回車換行符結(jié)束。本設(shè)計(jì)只關(guān)心日期、時(shí)間、經(jīng)緯度、地面速度等，選用GPRMC數(shù)據(jù)格式，如表1所示。

表1 GPRMC數(shù)據(jù)格式

圖4 AHRS輸出數(shù)據(jù)格式

AHRS模塊通信標(biāo)準(zhǔn)為FLOATS型，數(shù)據(jù)格式圖4所示，串行通訊參數(shù)為：波特率＝115200，數(shù)據(jù)位＝8位，停止位＝2位，無奇偶校驗(yàn)。

3.2.2 數(shù)據(jù)平滑

當(dāng)DGPS天線被遮擋或被其他大功率信號(hào)干擾時(shí)，將影響其正常接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生不可測(cè)的野值點(diǎn)，需要根據(jù)最近歷史數(shù)據(jù)將其剔除。設(shè)計(jì)中采用最小二乘法，樣值點(diǎn)可自定義，默認(rèn)為10個(gè)，經(jīng)過處理，可以有效去除野值點(diǎn)，得到平滑的航跡曲線。

3.3 功能應(yīng)用層

主要利用下層提交的定位、姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)在電子海圖上實(shí)時(shí)繪制本船航跡、標(biāo)牌等，并在信息顯示頁(yè)面實(shí)時(shí)刷新顯示本船經(jīng)緯度、航向、航速信息。并提供圖符標(biāo)注和航路規(guī)劃功能，以更好地支持導(dǎo)航定位應(yīng)用。

3.4 軟件界面

圖5所示為系統(tǒng)接收GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理并顯示的軟件界面，在左邊顯示區(qū)基于電子海圖實(shí)時(shí)顯示本船標(biāo)牌和航跡，在右邊控制區(qū)有四個(gè)標(biāo)簽頁(yè)，依次是導(dǎo)航信息、顯示控制、系統(tǒng)設(shè)置、外部通信。

在“系統(tǒng)設(shè)置”頁(yè)面設(shè)置好串口端口號(hào)和波特率后，即可打開串口接收數(shù)據(jù)，選擇“保存數(shù)據(jù)”按鈕可將數(shù)據(jù)以文本格式保存，用于事后處理和分析。選擇“航路規(guī)劃”按鈕，可完成航路點(diǎn)添加、修改、刪除等管理。

“導(dǎo)航信息”頁(yè)面的信息顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示從DGPS模塊輸出的NMEA格式導(dǎo)航數(shù)據(jù)和AHRS的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、經(jīng)緯度、航向、航速、橫搖、縱搖等參數(shù)。選擇任一航路點(diǎn)，可實(shí)時(shí)解算出本船與該點(diǎn)的直線距離、橫向偏移、縱向距離、相對(duì)方位以及到達(dá)目標(biāo)所需時(shí)間。選擇“航跡清除”按鈕可將海圖上歷史航跡清除；在“海圖操作”區(qū)可進(jìn)行海圖縮放、局部放大、海圖漫游、目標(biāo)居中等操作，在海圖顯示區(qū)，可直觀顯示本船與各目標(biāo)點(diǎn)位置關(guān)系、試驗(yàn)態(tài)勢(shì)等。

“顯示控制”頁(yè)面主要設(shè)置海圖圖層、航跡線型和線寬、目標(biāo)顯示隱藏狀態(tài)、采樣點(diǎn)等顯示相關(guān)的參數(shù)設(shè)定。

“外部通信”主要通過簡(jiǎn)單握手的UDP方式與其他站點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)報(bào)文通信。軟件可自動(dòng)搜索在線用戶，通過向?qū)Ψ桨l(fā)送握手幀或響應(yīng)握手幀方式實(shí)現(xiàn)用戶列表更新。

圖5 軟件界面

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及精度分析

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)開闊處，先采用靜態(tài)內(nèi)符合法進(jìn)行精度測(cè)試。連接DGPS天線，給系統(tǒng)上電，運(yùn)行系統(tǒng)軟件，設(shè)置好串口參數(shù)，打開串口COM2，待差分GPS模塊進(jìn)入穩(wěn)定差分定位后開始保存數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)約3000組，用MATLAB處理采集數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)圓概率誤差分布圖

導(dǎo)航定位等功能測(cè)試：手持該系統(tǒng)進(jìn)行直線和圓形運(yùn)動(dòng)，觀察海圖區(qū)域航跡向軌跡形狀；設(shè)定1個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，畫半徑為200m的圓并設(shè)置航線，分別按直線和曲線前進(jìn)，觀察距離、偏離、方位等參數(shù)變化；對(duì)海圖進(jìn)行放大、縮小和平移，分別點(diǎn)選本艦居中和目標(biāo)居中，觀察海圖顯示變化。

測(cè)試表明，終端軟件能平穩(wěn)地運(yùn)行在嵌入式WINCE6.0系統(tǒng)上，操作界面簡(jiǎn)潔、直觀、實(shí)用、功能全面，具有良好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)定位精度（2DRMS)優(yōu)于1m，航向精度優(yōu)于2°。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于ARM硬件平臺(tái)，以WINCE6.0為嵌入式操作系統(tǒng)，在Visual Studio2008下開發(fā)了串口通信導(dǎo)航數(shù)據(jù)軟件，通過串行接口實(shí)現(xiàn)DGPS模塊、AHRS模塊與ARM之間的通信，構(gòu)建了一個(gè)體積小、功耗低、功能全面的手持式DGPS/AHRS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并給出了詳細(xì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［11～12］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示精度較高、持久有效的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，具有重要的實(shí)用價(jià)值和一定的參考意義。

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