高精度定位航向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

蘇章亮

摘 要：針對海洋施工工程、空間測量工程，包括施工船、無人機(jī)，在海洋、天空這種無參考系作業(yè)時，必須通過坐標(biāo)的定位和航向來完成工程的施工。本文介紹一種高精度GNSS的系統(tǒng)和裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)亞米級的定位和航向功能，作為一種必要的航向輔助工具，可廣泛應(yīng)用于海洋空間的測量施工作業(yè)工程。

關(guān)鍵詞：GNSS;航向;原理

中圖分類號：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0073-02

1系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)裝載高精度GNSS模塊，可接收GPS、GLONASS、BDS、GALILEO多星多頻段，匹配穩(wěn)定可靠的右旋圓極化全頻段天線，保證定位和定向高精度功能。本系統(tǒng)搭配嵌入式硬件功能平臺，包括嵌入式MCU、LPDDR2、電源管理系統(tǒng)、WIFI模塊、4G模塊、RS422/485接口、小尺寸液晶交互界面等。嵌入式軟件操作系統(tǒng)對各個功能模塊進(jìn)行初始化驅(qū)動，并對定位定向數(shù)據(jù)的解算輸出。系統(tǒng)可通過外接通訊接口傳輸定位航向數(shù)據(jù)給到中控端，也可以通過WIFI連接傳輸數(shù)據(jù)給到手持平板接收端，實(shí)現(xiàn)多種連接方式接收定位航向數(shù)據(jù)。[1]

（1）嵌入式平臺：包括主MCU控制器、Flash、LPDDR，液晶交互。[2]

（2）GNSS模塊：通過天線接收多星數(shù)據(jù)，接收CORS基準(zhǔn)站查分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)亞米級定位。

（3）WIFI模塊：可用于無線傳輸數(shù)據(jù)到接收端。

（4）4G模塊：通過撥號連接基準(zhǔn)站，接收查分?jǐn)?shù)據(jù)。

（5）電源管理系統(tǒng)：隔離穩(wěn)壓輸入，提供穩(wěn)定的電源給系統(tǒng)。

（6）RS422/485接口：隔離的數(shù)據(jù)傳輸接口，連接到中控端，提供長距離傳輸功能。

本系統(tǒng)的基本功能構(gòu)成和框架如圖1。

2功能設(shè)計(jì)

2.1嵌入式平臺設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)MCU選用SAMA5XX系列芯片，該芯片是一款基于ARMR CortexTM-A5的高性能、節(jié)能的嵌入式微處理器，主頻速度達(dá)到536MHz。32kB的數(shù)據(jù)緩存、32k的指令緩存、虛擬內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)（VMSA），全集成MMU和浮點(diǎn)單元（VFPv4）。該芯片的核心供電電壓1.2V，低功耗模式下僅0.5W。其工業(yè)級的工作溫度：-40℃～+85℃，保證嚴(yán)苛的溫度環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。芯片提供豐富的外設(shè)功能接口，包括I2C、SPI、UART、USB、LCD、SDIO、網(wǎng)絡(luò)接口等，滿足該方案的設(shè)計(jì)需求。系統(tǒng)搭配512M LPDDR2 SDRAM，256M NAND Flash，并可選配8G以上的內(nèi)部eMMC存儲器。

系統(tǒng)搭配來2.4英寸的TFT液晶，可實(shí)時顯示設(shè)備的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。

本系統(tǒng)移植了Linux操作系統(tǒng)，在底層對各個功能接口、液晶、WIFI、4G模塊、GNSS模塊進(jìn)行初始化驅(qū)動，并加載上層應(yīng)用軟件層，數(shù)據(jù)處理層，用戶界面層，對接口模塊和數(shù)據(jù)進(jìn)行控制處理。系統(tǒng)基本的軟件架構(gòu)如圖2。[2]

2.2 GNSS模塊

本次選用Novatel的OEM617D模塊，模塊通過USB和UART與系統(tǒng)連接通訊。支持GPS L1/L2、GLONASS L1/L2、BeiDou B1/B2、Galileo E1/E5b。并且實(shí)現(xiàn)SBAS差分功能。多星系多頻段實(shí)現(xiàn)高精度的定位定向功能。模塊具備HEHDT或GPHDT航向輸出，精度≤0.3度RMS，支持差分定位DGPS解算功能，水平精度達(dá)到0.4m RMS。在L1/L2的模式下水平精度達(dá)到1.2m RMS?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)接收基準(zhǔn)站查分?jǐn)?shù)據(jù)，達(dá)到亞米級的定位級別。模塊支持1pps脈沖信號輸出，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程設(shè)備的同步。[1]

2.3無線傳輸設(shè)計(jì)

2.3.1 WIFI模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用帶AP功能的WFxxx-E系列的WIFI模塊。支持IEEE80.11 b/g/n協(xié)議，使用SDIO接口與系統(tǒng)連接。模塊使用系統(tǒng)穩(wěn)壓的3.3V電源供電。無線設(shè)備端通過WIFI連接到本系統(tǒng)的WIFI模塊，可以通過網(wǎng)頁配置端，查看系統(tǒng)的設(shè)備信息，衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和航向數(shù)值。

2.3.2 4G模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用EC20系列LTE模塊，該模塊使用3GPP Rel.9 LTE技術(shù)，提供100Mbps的下行鏈路和50Mbps的上行鏈路速率，覆蓋全球LTE、UMTS/HSPA+、GSM/GPRS/EDGE范圍。模塊使用MIMO技術(shù)滿足對速率和鏈路可靠性的要求。使用該模塊時需要在系統(tǒng)端設(shè)置公網(wǎng)IP地址219.xxx.xxx.xxx，設(shè)置端口為2018，通過撥號連接登錄基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，接收基準(zhǔn)站的差查分?jǐn)?shù)據(jù)源，通過對查分源的解算實(shí)現(xiàn)高精度網(wǎng)絡(luò)差分定位。在系統(tǒng)驅(qū)動時注意上電邏輯的控制，斷電前需對模塊FULL_CARD_POWER_OFF管腳進(jìn)行拉低處理0.3s后才能操作電源斷電，確保模塊正常關(guān)閉。

2.4電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)備可能應(yīng)用在作業(yè)船上，船上的電機(jī)馬達(dá)提供的電源極不穩(wěn)定，可能存在高峰浪涌。所以在電源設(shè)計(jì)上需保證具有浪涌防護(hù)功能。本系統(tǒng)選用Linear公司的LT4363浪涌抑制芯片，具備4V～80V超寬工作電壓，滿足鋰電池供電和電機(jī)供電。該芯片利用VCC箝位可承受高于100V的浪涌，快速過流限制在5us內(nèi)，有效的保護(hù)后級電路不被浪涌沖擊，保證系統(tǒng)電源穩(wěn)定工作。該芯片具備可調(diào)節(jié)的輸出電壓箝位，通過配置FB管腳的電阻達(dá)到限制輸出電壓目的，基于本次系統(tǒng)內(nèi)部供電需求，把箝位配置在36V以內(nèi)，防止過高的輸入電壓損壞內(nèi)部電源鏈路。該芯片還支持可調(diào)的高低電壓比較門限，通過內(nèi)置的精密比較器檢測OV/UV管腳的過壓、欠壓條件，單電壓低于內(nèi)部閥值1.275V時，其內(nèi)部MOSFET管即會關(guān)斷，當(dāng)高于其閥值時，內(nèi)部GATE會重新打開，回復(fù)正常電壓范圍。本次應(yīng)用中，OV/UV設(shè)置在6V～36V之間，確保覆蓋實(shí)際應(yīng)用的輸入電壓范圍，同時箝位其他范圍電壓，保證輸入端電源穩(wěn)定性。該芯片具備過流檢測功能，通過配置SNS和OUT管腳之間的電阻值，完成限制電流電路的功能，該限流功能限制柵極管腳，把電壓差值限制在50mV以內(nèi)。當(dāng)電流瞬間增大到限制范圍，電路處于故障狀態(tài)，電流檢測端口能夠識別到并快速關(guān)斷柵極引腳。本次配置限流電阻為15mΩ，把電流限制在3.3A以內(nèi)，已確保系統(tǒng)電路安全。該芯片功能強(qiáng)大，能夠?qū)斎攵?、輸出端電壓進(jìn)行可調(diào)節(jié)的箝位，并能夠配置限流范圍，滿足不同使用環(huán)境下的針對性配置。

基于多種可能的寬電壓源輸入，系統(tǒng)需要一個穩(wěn)定的3.3V電壓供電。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用一個降壓DCDC穩(wěn)壓芯片，把輸入電壓穩(wěn)壓到3.3V供系統(tǒng)使用。選用LT8614系列同步壓降型芯片，該芯片具有高達(dá)96%的工作效率，超寬的輸入電壓：3.4V～42V，以及超低的2.5uA的IQ靜態(tài)電流，同步輸出電流最高可達(dá)4A。

2.5接口設(shè)計(jì)

為滿足船上長距離的傳輸需求，本系統(tǒng)除了短距離無線傳輸模式，還設(shè)計(jì)了滿足長距離傳輸?shù)腞S422/485連接接口。RS422/458接口規(guī)范，理論傳輸距離可大1km，能夠滿足各種規(guī)模船體的傳輸要求。全雙工RS422接口，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出功能。RS485接口可以作為輸出的應(yīng)用環(huán)境下。

3航向系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)可裝配在各種船體、無人船、無人機(jī)上，為作業(yè)人員提供定位和航向功能。本系統(tǒng)提供兩種數(shù)據(jù)傳輸方式：第一，可通過RS422/485，使用電纜線連接到主控制端/PC端，在應(yīng)用軟件上查看定位、航行狀態(tài);第二，可通過無線WIFI連接方式，使用帶有WIFI功能的平板、筆記本電腦等，連接到設(shè)備端，同樣使用應(yīng)用軟件查看船體/無人機(jī)的定位和航向。本系統(tǒng)需配套開發(fā)應(yīng)用軟件，軟件協(xié)議接口需與本系統(tǒng)匹配?；竞较蜃鳂I(yè)如圖3。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動巡航控制系統(tǒng)，適合應(yīng)用在無人船、無人機(jī)上。通過基站控制端軟件，預(yù)先設(shè)置測量的坐標(biāo)范圍和航向，把坐標(biāo)、航向數(shù)據(jù)發(fā)送到測量設(shè)備上，利用自動巡航系統(tǒng)，完成對指定作業(yè)區(qū)域的測量工作。PC端軟件導(dǎo)入在線/本地的待測地圖后，在地圖上對測量空間范圍畫出待測的區(qū)域和測量航向。通過無線網(wǎng)絡(luò)（WIFI、4G網(wǎng)絡(luò)），把測量地圖傳輸?shù)綗o人機(jī)上，無人機(jī)系統(tǒng)實(shí)時讀取本系統(tǒng)傳輸過來的坐標(biāo)和航向數(shù)據(jù)，能夠在測量過程中調(diào)整定位和航行狀態(tài)，完成對指定地圖區(qū)域的測量工作。

自動巡航測量過程中，本地監(jiān)控軟件能夠查看無人機(jī)的測量航線，如果出現(xiàn)偏移指定坐標(biāo)和測量范圍，本地端能夠及時進(jìn)行人工干預(yù)，調(diào)整測量航向。無人機(jī)測量過程中，測量數(shù)據(jù)實(shí)時更新在本地系統(tǒng)，完成對測量數(shù)據(jù)的加載。同時也可以在測量結(jié)束后，通過無線/有線連接到PC端，把數(shù)據(jù)下載到本地，在本地進(jìn)行后數(shù)據(jù)處理和顯示。無人機(jī)/無人船加本定位航向系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動巡航測量作業(yè)。相對于原來人工操控作業(yè)，該應(yīng)用功能極大方便了測量作業(yè)，縮短了測量時間，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 李天文.GPS原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2019.

[2] 錢曉捷，程楠.嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.