手持式DGPS/AHRS組合導航系統(tǒng)設計＊

孫良義 段建紅

（91388部隊94分隊 湛江 524022)

1 引言

船體航向、姿態(tài)、位置和速度不但是船舶導航的重要參數(shù)，還是以船舶為測量平臺進行各項湖上、海上試驗的重要數(shù)據(jù)。AHRS（Attitude and Heading Reference System)如慣性導航系統(tǒng)和GPS姿態(tài)測量系統(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、實時的時間基準、位置、速度等數(shù)據(jù)，兩種系統(tǒng)都被廣泛應用于各項試驗中［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［4～5］，在GPS領域的應用中占據(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組合導航系統(tǒng)，以解決上述常規(guī)系統(tǒng)在空間狹小、條件簡陋的平臺環(huán)境中存在的架設、供電困難，使用維護不便的問題。

2 硬件設計

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主控模塊負責整個系統(tǒng)的運行，DGPS模塊負責輸出GPS定位信息，AHRS模塊負責輸出姿態(tài)和航向信息，供電模塊負責為其它三個模塊供電，硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設計結(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存儲芯片組成，外圍擴展1個RS232串口、1個UART接口、1塊7寸LCD觸摸屏、電源接口、RTC電路、復位電路、網(wǎng)絡接口、JTAG接口、SD卡接口、USB口等接口資源。SDRAM存儲器用于運行系統(tǒng)主程序，具有掉電保護功能的Nand Flash存儲器用于存儲操作系統(tǒng)內(nèi)核、Bootloader的啟動代碼和開發(fā)程序，擴展的RS232串口COM1用于接收AHRS模塊輸出的姿態(tài)和航向信息，擴展的UART有3個串口，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交互和顯示導航軟件信息，USB口用于下載WINCE內(nèi)核文件及與軟件開發(fā)主機進行數(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，定位精度可達亞米級，數(shù)據(jù)輸出采用NMEA－0183標準，速率可高達20Hz。HC12有3個全雙工3.3VCMOS電平串口（A，B，C)，COM A直接與 ARM 主控模塊COM2相連，用于進行HC12參數(shù)設置或輸出定位數(shù)據(jù)信息，COM B電平轉(zhuǎn)換為RS232電平后可接入PC機，同樣可用于HC12參數(shù)設置或輸出定位數(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34Pin的轉(zhuǎn)接頭實現(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，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接收。

2.4 AHRS模塊

選用荷蘭XSENS公司的 MTi［8］，它是一個基于微電子陀螺技術的微型姿態(tài)、航向測量系統(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，具有長時間穩(wěn)定性和快速動態(tài)響應的特點，其縱傾橫滾精度小于0.5°，航向角靜態(tài)精度小于1°，動態(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，供電時間不少于5小時。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件基于WINCE6.0［9］操作系統(tǒng)，在Visual Studio2008開發(fā)環(huán)境下進行設計。軟件采用層次模塊化方法進行開發(fā)［10］，分為三層九個子模塊，體系結(jié)構(gòu)如圖3所示：數(shù)據(jù)接入層、信息處理層、功能應用層。接入層：參數(shù)設置、串行接口、網(wǎng)絡接口；信息處理層：數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)存儲；功能應用層：海圖顯示、圖符標繪、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)初始化設置和導航定位數(shù)據(jù)的接收。通過串口建立DGPS模塊與ARM的連接，設置接收機應用模式為SBAS，并設置串口通信波特率、串口輸出的NMEA語句及輸出速率、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。

程序開辟了兩個線程，一個用于讀取HC12導航數(shù)據(jù)，一個用于讀取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)導致的阻塞。兩個線程將數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū)后交給信息處理層進行處理。

網(wǎng)絡模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的遠程配置管理，并將本地導航定位數(shù)據(jù)分發(fā)到其他站點，實現(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)和導航定位數(shù)據(jù)的解析提取，通過平滑濾波去除野值點后保存到本地磁盤文件，并提交給功能應用層。

3.2.1 定位數(shù)據(jù)解析

DGPS模塊通信標準為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，然后是兩個字母的“識別符”和三個字母的“語句名”組成ID信息頭，接著就是以逗號分割的數(shù)據(jù)體，末尾為校驗值，以回車換行符結(jié)束。本設計只關心日期、時間、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模塊通信標準為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。

3.2.2 數(shù)據(jù)平滑

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

3.3 功能應用層

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

3.4 軟件界面

圖5所示為系統(tǒng)接收GPS導航數(shù)據(jù)后處理并顯示的軟件界面，在左邊顯示區(qū)基于電子海圖實時顯示本船標牌和航跡，在右邊控制區(qū)有四個標簽頁，依次是導航信息、顯示控制、系統(tǒng)設置、外部通信。

在“系統(tǒng)設置”頁面設置好串口端口號和波特率后，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，可完成航路點添加、修改、刪除等管理。

“導航信息”頁面的信息顯示區(qū)實時顯示從DGPS模塊輸出的NMEA格式導航數(shù)據(jù)和AHRS的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括時間、經(jīng)緯度、航向、航速、橫搖、縱搖等參數(shù)。選擇任一航路點，可實時解算出本船與該點的直線距離、橫向偏移、縱向距離、相對方位以及到達目標所需時間。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)可進行海圖縮放、局部放大、海圖漫游、目標居中等操作，在海圖顯示區(qū)，可直觀顯示本船與各目標點位置關系、試驗態(tài)勢等。

“顯示控制”頁面主要設置海圖圖層、航跡線型和線寬、目標顯示隱藏狀態(tài)、采樣點等顯示相關的參數(shù)設定。

“外部通信”主要通過簡單握手的UDP方式與其他站點進行網(wǎng)絡報文通信。軟件可自動搜索在線用戶，通過向?qū)Ψ桨l(fā)送握手幀或響應握手幀方式實現(xiàn)用戶列表更新。

圖5 軟件界面

4 系統(tǒng)實驗及精度分析

實驗地點選在運動場開闊處，先采用靜態(tài)內(nèi)符合法進行精度測試。連接DGPS天線，給系統(tǒng)上電，運行系統(tǒng)軟件，設置好串口參數(shù)，打開串口COM2，待差分GPS模塊進入穩(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

導航定位等功能測試：手持該系統(tǒng)進行直線和圓形運動，觀察海圖區(qū)域航跡向軌跡形狀；設定1個目標點，畫半徑為200m的圓并設置航線，分別按直線和曲線前進，觀察距離、偏離、方位等參數(shù)變化；對海圖進行放大、縮小和平移，分別點選本艦居中和目標居中，觀察海圖顯示變化。

測試表明，終端軟件能平穩(wěn)地運行在嵌入式WINCE6.0系統(tǒng)上，操作界面簡潔、直觀、實用、功能全面，具有良好的實時性和準確性，系統(tǒng)定位精度（2DRMS)優(yōu)于1m，航向精度優(yōu)于2°。

5 結(jié)語

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

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