手持式DGPS/AHRS組合導航系統設計＊

孫良義 段建紅

（91388部隊94分隊 湛江 524022)

1 引言

船體航向、姿態、位置和速度不但是船舶導航的重要參數，還是以船舶為測量平臺進行各項湖上、海上試驗的重要數據。AHRS（Attitude and Heading Reference System)如慣性導航系統和GPS姿態測量系統均可提供連續性好、穩定性高的航向、姿態信息，DGPS（Differential Global Position System)可提供連續、高精度、實時的時間基準、位置、速度等數據，兩種系統都被廣泛應用于各項試驗中［1～3］。嵌入式系統以其低功耗、小體積、高穩定性、便攜和軟硬件易裁剪等優勢［4～5］，在GPS領域的應用中占據重要位置。本文研究基于ARM920T內核的嵌入式微處理器S3C2440A和WindowsCE6.0的DGPSAHRS組合導航系統，以解決上述常規系統在空間狹小、條件簡陋的平臺環境中存在的架設、供電困難，使用維護不便的問題。

2 硬件設計

2.1 系統組成

系統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的運行，DGPS模塊負責輸出GPS定位信息，AHRS模塊負責輸出姿態和航向信息，供電模塊負責為其它三個模塊供電，硬件構成如圖1所示。

圖1 系統硬件設計結構圖

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內核、Bootloader的啟動代碼和開發程序，擴展的RS232串口COM1用于接收AHRS模塊輸出的姿態和航向信息，擴展的UART有3個串口，串口COM2用于采集DGPS模塊輸出的數據信息，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內核文件及與軟件開發主機進行數據交互，JTAG調試接口用于硬件調試和燒載Bootloader。

2.3 DGPS模塊

由Crescent GPS OEM板HC12、電平轉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，數據輸出采用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HC12參數設置或輸出定位數據信息，COM B電平轉換為RS232電平后可接入PC機，同樣可用于HC12參數設置或輸出定位數據信息，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，需要進行電平轉換。采用AMS1117－3.3芯片轉換電源電壓，MAX3232芯片轉換串口電平，通過1個34Pin的轉接頭實現HC12電源供電和外部通信，電平轉換電路見圖2。

圖2 電平轉換電路原理圖

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、航向測量系統，內部處理器功耗低，可360°全方位輸出姿態和航向，輸出的航向角無漂移，具有長時間穩定性和快速動態響應的特點，其縱傾橫滾精度小于0.5°，航向角靜態精度小于1°，動態精度小于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

系統軟件基于WINCE6.0［9］操作系統，在Visual Studio2008開發環境下進行設計。軟件采用層次模塊化方法進行開發［10］，分為三層九個子模塊，體系結構如圖3所示：數據接入層、信息處理層、功能應用層。接入層：參數設置、串行接口、網絡接口；信息處理層：數據解析、數據平滑、數據存儲；功能應用層：海圖顯示、圖符標繪、航路規劃。

圖3 系統軟件體系結構

3.1 數據接入層

串口模塊主要完成AHRS和DGPS模塊的參數初始化設置和導航定位數據的接收。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、最大差分齡期和衛星仰角等參數。DGPS加電后便自動搜索衛星，并通過串口以每秒一次的頻率向ARM發送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導航數據，一個用于讀取AHRS姿態航向數據。通過多線程方法可有效避免不斷調用WaitCommEven（)函數導致的阻塞。兩個線程將數據讀到緩沖區后交給信息處理層進行處理。

網絡模塊主要實現系統參數的遠程配置管理，并將本地導航定位數據分發到其他站點，實現信息交互共享。

3.2 信息處理層

主要完成姿態航向數據和導航定位數據的解析提取，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 定位數據解析

DGPS模塊通信標準為NMEA－0183格式，輸出數據采用的是ASCⅡ碼，主要有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VGT等數據格式，每種格式的數據幀均以“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據體，末尾為校驗值，以回車換行符結束。本設計只關心日期、時間、經緯度、地面速度等，選用GPRMC數據格式，如表1所示。

表1 GPRMC數據格式

圖4 AHRS輸出數據格式

AHRS模塊通信標準為FLOATS型，數據格式圖4所示，串行通訊參數為：波特率＝115200，數據位＝8位，停止位＝2位，無奇偶校驗。

3.2.2 數據平滑

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星數據，從而產生不可測的野值點，需要根據最近歷史數據將其剔除。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、姿態和航向數據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緯度、航向、航速信息。并提供圖符標注和航路規劃功能，以更好地支持導航定位應用。

3.4 軟件界面

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

在“系統設置”頁面設置好串口端口號和波特率后，即可打開串口接收數據，選擇“保存數據”按鈕可將數據以文本格式保存，用于事后處理和分析。選擇“航路規劃”按鈕，可完成航路點添加、修改、刪除等管理。

“導航信息”頁面的信息顯示區實時顯示從DGPS模塊輸出的NMEA格式導航數據和AHRS的姿態數據，包括時間、經緯度、航向、航速、橫搖、縱搖等參數。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，可直觀顯示本船與各目標點位置關系、試驗態勢等。

“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、采樣點等顯示相關的參數設定。

“外部通信”主要通過簡單握手的UDP方式與其他站點進行網絡報文通信。軟件可自動搜索在線用戶，通過向對方發送握手幀或響應握手幀方式實現用戶列表更新。

圖5 軟件界面

4 系統實驗及精度分析

實驗地點選在運動場開闊處，先采用靜態內符合法進行精度測試。連接DGPS天線，給系統上電，運行系統軟件，設置好串口參數，打開串口COM2，待差分GPS模塊進入穩定差分定位后開始保存數據，采集數據約3000組，用MATLAB處理采集數據，結果如圖6所示。

圖6 系統圓概率誤差分布圖

導航定位等功能測試：手持該系統進行直線和圓形運動，觀察海圖區域航跡向軌跡形狀；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，終端軟件能平穩地運行在嵌入式WINCE6.0系統上，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，系統定位精度（2DRMS)優于1m，航向精度優于2°。

5 結語

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

［1］徐紹銓，張華海，楊志強.GPS測量原理及應用［M］.武漢：武漢大學出版社，2008.

［2］全偉，劉百奇，宮曉琳，等.慣性/天文/衛星組合導航技術［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［3］張海寧，羅繼先.GPS/INS組合導航評價系統數據采集裝置設計［J］.電子設計工程，2011，19（19)：176179.

［4］黃彬軻，任博，張侃諭.基于ARM9的車載信息收發平臺的硬件設計［J］.計算機測量與控制，2011，19（7)：17151718.

［5］李文新，王廣龍，陳建輝，等.基于ARM9與 WindowCE的車輛GPS定位信息采集系統［J］.電子設計工程，2010，18（6)：8083.

［6］沈文斌.嵌入式硬件系統設計與開發實例詳解［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［7］新月HC12使用手冊［R］.北京合眾思壯科技有限責任公司，2007.

［8］Mti and MTx User Manual and Technical Documentation［R］.Xsens Technologies B.V，Revision G，March 2，2006.

［9］張歡，鈕文良.Windows CE系統開發基礎與實例［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［10］李景峰，楊麗娜，潘恒，等.Visual C＋＋串口通信技術詳解［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［11］黃帥.嵌入式車載導航的設計和實現［J］.微計算機信息，2008，24（101)：284286.

［12］戚微蘇，趙宇，潘勇.基于ARMLinux的車載監控終端設計及實現［J］.電子測量技術，2012，35（2)：8588.