基于北斗/iNEMO的航姿測量系統設計

陳 凱，王廣龍，王 成

(1.66008部隊，天津 300250；2.軍械工程學院納米技術與微系統實驗室，河北 石家莊 050003)

基于北斗/iNEMO的航姿測量系統設計

陳 凱1，王廣龍2，王 成2

(1.66008部隊，天津 300250；2.軍械工程學院納米技術與微系統實驗室，河北 石家莊 050003)

基于北斗接收機和iNEMO慣性傳感器模塊，設計了一種可用于載體運動姿態方位解算的傳感信息采集微系統。針對兩個導航單元存在輸出數據格式、速率和接口完全不同的問題，采用雙CPU+FPGA+Flash的硬件架構，并由兩個處理器協同工作完成了多路大容量導航參數的實時采集、處理和存儲。同步計數器將北斗輸出的1PPS脈沖作為清零信號，同時考慮到iNEMO沒有固定的時間參考系，在iNEMO數據中加入北斗時標信息，由硬件邏輯電路實現了子單元數據在整秒時刻的同步。試驗驗證了北斗1PPS秒脈沖信號的同步偏差不會影響后續濾波的精度，且該模塊能穩定地輸出帶時間標記的三軸加速度、陀螺傳感器和磁傳感器數據。通過解算可得到載體位置、速度、姿態等信息。該系統體積小、功耗低、魯棒性好，設備可重復使用，不僅能夠滿足單一飛航裝備測試的要求，還可以結合多傳感器信息融合技術，進一步提高多目標導航定位的時空精度。

北斗系統; 嵌入式系統； 傳感器； 無人機； 遙感技術； FPGA; 時間同步

0 引言

在導彈、制導炮彈、無人機等飛航裝備的研制和生產過程中，都需要對其飛行方位和姿態進行實時動態測試[1]。而現在普遍采用的遙測技術是一種間接測量方式，遇到山脈等遮蔽物時會丟失目標，無法實現全空域跟蹤；空間電磁波的干擾會降低其測試精度，且傳輸帶寬的限制也會導致載體自身的大量數據無法實時回傳。存儲測試的方式是：將飛行過程中各傳感器的輸出量采集存儲到介質中，事后回收并由計算機處理和再現測試信息。試驗飛行范圍不受限制，無需布設大量的遙測臺，用來輔助測量的地面設備少[2-3]。而任何單一測量系統在精度、可用性、可靠性等方面都存在一定的缺陷，因此各類組合式測量系統成為存儲測量的主要發展方向。捷聯慣性/衛星組合系統是目前軍民領域應用廣泛的一種高精度、低成本導航系統[4-6]。

我國自主研發的“北斗二代衛星導航系統”的測量精度已與GPS處在同一水平[7-8]，其接收機在功耗、體積等方面也能滿足嵌入式系統的要求[9]。iNEMO慣性模塊是一種基于微機電系統(micro electro mechanical system,MEMS)技術的微型慣性測量單元。但不同于一般的慣性測量單元，其輸出數據為全數字信號，不再需要進行A/D轉換，極大地降低了設計的復雜度[10-12]。

本文在北斗接收機和iNEMO慣性傳感器模塊這兩個測量單元的基礎上，采用存儲測試的方式，設計并實現了一種大容量導航數據實時采集處理與存儲系統，以滿足裝備測試微型化、低成本、集成化的要求。

1 系統總體設計

系統由北斗接收機、iNEMO慣性模塊、主/從處理器、FPGA、無線指令模塊等組成，采用雙CPU+FPGA+Flash的硬件架構。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

由于北斗接收機和iNEMO慣性模塊兩個導航單元的輸出數據格式、速率和接口完全不同，使用兩個處理器(CPU)分類采集信號，能提高程序執行效率。FPGA可以很方便地實現時序邏輯電路功能。

測試系統的啟動指令可由遠端監控站通過無線方式發送或者由被測載體自身通過點火等信號進行觸發。系統工作時，北斗接收機由UART接口每秒輸出一次1PPS定時信號和NEMA0813導航信息，iNEMO慣性模塊由SPI接口輸出實時測得的線性加速度、角速度和磁場強度三個分量的原始數據。協處理器從北斗接收機輸出的導航信息中提取有效信息并暫存入FPGA中。FPGA包含一個雙口RAM存儲器和一個高精度的計數器。雙口RAM存儲器通過可變靜態存儲控制器(flexible static memory controller,FSMC)總線，實現主從處理器間的數據交換。為防止北斗/iNEMO慣性模塊存在的時標差隨系統工作時間的遞增而累積，計數器將北斗輸出的1PPS脈沖作為清零信號，同時考慮到iNEMO沒有固定的時間參考系，需要向iNEMO數據加入北斗時標信息，并將其轉化到北斗時間基準中，從而實現兩個子單元數據在整秒時刻同步[13-14]。

為保障各個器件的協同工作，同時考慮到時鐘驅動電流的限制，有源晶振的Clock信號作為系統唯一的頻率基準輸出到FPGA中，由FPGA對其分頻，為各器件提供時鐘。主處理器負責系統的總體控制和測試數據融合，并根據FPGA的觸發信號產生中斷，讀取有效的北斗導航信息、iNEMO慣性模塊時標信息和原始數據，在若干讀寫周期之后將數據存入Flash中。完成測試后，對設備進行回收。數據處理終端通過USB接口讀取儲存于Flash中的數據并進行解算。

2 系統硬件設計

2.1 北斗和iNEMO慣性模塊

北斗接收機采用和芯星通公司的UM220-III N芯片，這是一種北斗/GPS雙系統模塊，能夠同時支持 BD2 B1、GPS L1 兩個頻點。定位精度(均方根值)為2.5 m，測速精度(均方根值)為0.2 m/s(北斗)、0.1 m/s(GPS/雙模)，1PPS同步精度(均方根值)為20 ns。采用UART接口輸出NMEA0183格式的ASCⅡ碼，數據更新率為1 Hz。

第四，文化重視程度不同。隨著時代的進步，世界文化的交流的日益密切，越來越多的中國人選擇了學習西方國家的飲食方式，并且由于日常工作的繁忙，人們進入了“快餐時代”，漸漸地忘記了中國優秀傳統文化的傳承，許多的優秀文化在逐漸被遺忘，而韓國卻十分的注重傳統文化的繼承與發展，相比較于中國韓國對文化的重視程度更高，對人們禮節上的要求更為嚴格。

iNEMO慣性傳感器模塊采用的是意法半導體(ST)公司的LSM9DS1芯片。該芯片是基于MEMS工藝的9軸運動位置傳感器模塊，內置一個3軸加速度計、一個3軸陀螺儀和一個3軸磁強計。這3種傳感器分別檢測線性加速度、角速度和磁場強度，滿量程輸出分別為±16 g、±2 000 (°)/s、±16 gauss，輸出數據速率(output data rate,ODR)可調，加速度計/陀螺儀ODR最高可達952 Hz，磁強計ODR最高可達80 Hz。采用SPI或I2C輸出16 bit數據。本系統中使用SPI總線輸出數據，其比使用I2C總線傳輸速率快且控制更為簡單。但需要注意的是，當采用SPI總線輸出數據時，需要使用2個SPI總線的片選和輸出數據端口。這是由于模塊內各傳感器的ODR是不同的，其本身就采用2個SPI端口分別輸出數據。其中一個端口輸出線性加速度和角速度數據，另一端口輸出磁場強度數據。

北斗接收機和iNEMO慣性傳感器模塊都是SoC芯片，集成度高、功耗低，周邊只需安裝若干貼片電感、電阻、電容和二極管，非常適用于對尺寸、功耗要求高的嵌入式測試系統。

2.2 主/從處理器

主/從處理器分別選用了ST公司基于ARM內核的32位微控制器STM32F405(記為ARM1)、STM32F103(記為ARM2)。這兩款芯片都具有較好的處理速度和能效比，內部集成了大容量的Flash和SRAM存儲器，擁有豐富的應用接口，中斷、時鐘控制靈活，抗干擾能力好，適用于嵌入式系統設計。STM32F405作為主處理器，可進行快速中斷處理，有較強的多任務管理能力，能夠滿足系統的高實時性要求。本系統中，ARM1的2個SPI接口、ARM2的UART接口分別與iNEMO慣性模塊、北斗接收機相連并接收數據。2個芯片都具有可變靜態存儲控制器(FSMC)，能夠匹配不同類型外部存儲器的存儲和讀取速率，產生相應的數據/地址/控制信號，與FPGA互聯可方便地完成大容量數據的高速傳輸。

2.3 FPGA邏輯電路設計

FPGA選擇的是Xilinx公司芯片XC6SLX75。FPGA邏輯電路如圖2所示。

圖2 FPGA邏輯電路框圖

接收到啟動電平指令后，32位的高精度計數器開始循環計數。當ARM2判斷北斗接收機的輸出有效時，即置TEN端口為低電平，以接收北斗1PPS脈沖信號。計數器檢測到1PPS脈沖信號的上升沿時，該計數器即刻被清零，清零后重新計數。有源晶振的時鐘輸入(OSC_CLK)為8 MHz。當1PPS秒脈沖信號無效時，計數器也可持續工作536 s。同時，為了保持系統的同步，會將計數器的時標信息作為ARM1讀數的標志。若設定iNEMO慣性模塊加速度計/陀螺儀、磁強計的采樣速率分別為100 Hz、10 Hz，計數器每隔80 000個、800 000個時鐘脈沖，會分別將此時刻的32位計數值(時標信息1、2)存入SRAM中，同時通過單脈沖發生器產生上升沿信號觸發ARM1的外部中斷端口EXTI1、EXTI2，驅動ARM1分別讀取加速度/角速度、磁場強度。

3 系統中數據的讀、寫設計

3.1 ARM程序設計

ARM2主要負責從北斗接收機UART接口輸出的NEMA0813格式的數據串中提取解算處理所需的信息，并將其存入FPGA的雙口RAM中。UART接口的傳輸速率較慢，而NNMEA-0183協議定義的輸出語句卻非常多。UM220-III模塊的輸出在該協議的基礎上進行了拓展，ARM2需要從 GGA、GSA、GSV、RMC、VTG、GLL、NAVPOS、NAVVEL、NAVTIME等類型的語句中提取導航解算所需的UTC時間、位置、速度、定位狀態等信息。若接收機定位無效，將TEN端口置高電平，屏蔽1PPS秒脈沖信號輸出；若接收機定位有效，則將TEN端口置低電平，使能1PPS秒脈沖信號，并通過FSMC總線將提取出的信息寫入到FPGA雙口RAM的單元3中，同時產生一個低電平脈沖觸發ARM1讀取北斗信息的中斷響應。ARM2通過串口提取北斗信息并存入FPGA內。ARM2提取北斗信息子程序流程圖如圖3所示。

圖3 ARM2提取北斗信息子程序流程圖

ARM1是系統的主處理器。程序設計的關鍵是管理FPGA產生的外部中斷，并完成對應數據的讀取和存儲操作。FPGA會產生3類電平指示信號，其上升沿觸發ARM1的中斷寄存器，分別對應ARM1的EXTI1、EXTI2和EXTI3引腳。ARM1響應外部中斷子程序流程圖如圖4所示。

圖4 ARM1響應外部中斷子程序流程圖

3個外部中斷優先級相同。當一個中斷到來后，如果正在處理另一個中斷，這個后到來的中斷就要等到前一個中斷處理完之后才能被處理，以防止數據存儲出現混亂。其中，EXTI1中斷驅動ARM1讀取慣性模塊的線性加速度/角速度及FPGA存儲的時間標志信息1，EXTI2中斷驅動ARM1讀取慣性模塊的磁場強度及FPGA存儲的時間標志信息2，EXTI3中斷驅動ARM1讀取FPGA存儲的北斗提取信息。ARM1讀取FPGA雙口RAM的數據時使用FSMC總線，讀取iNEMO慣性模塊數據時分別使用了2個SPI總線端口。ARM1讀出的數據都暫存入內部RAM中，每次讀取時標信息2后都要進行判斷。該值若為0或為系統時鐘頻率的整數倍，即將所有數據頁寫入NAND Flash中(1次/s)。

3.2 數據存儲格式

每次頁寫入Flash中的數據包含一組北斗提取信息、若干組加速度/角速度信息、若干磁場強度信息，以及校驗碼和頭尾指示。其中，北斗提取信息包括定位狀態、UTC時間、北斗位置、北斗速度，加速度/角速度信息和磁場強度信息均包含對應的時標信息。Flash數據存儲基本格式如圖5所示。

圖5 數據存儲基本格式示意圖

4 試驗測試及結果分析

4.1 北斗1PPS信號偏差分析

本模塊中1PPS秒脈沖信號的偏差將直接影響后續濾波的精度。使用示波器同步觸發功能，對兩個模塊輸出的1PPS上升沿信號的時間差進行了測試。以其中一個模塊的輸出為基準，采集了70組連續的數據，得到了如圖6所示的試驗結果。

圖6 1PPS信號對比試驗結果

經測試，2個功能模塊之間上升沿信號的偏差控制在±100 ns的范圍內，均方根誤差為31.8 ns，而系統數據的最大采樣頻率為100 Hz。該北斗接收機輸出的秒脈沖完全達到性能指標，符合系統的使用要求。

4.2 iNEMO慣性模塊數據分析

本文采集了系統中的iNEMO慣性模塊傳感器的原始測量參數，設定加速度計/陀螺儀、磁強計的采樣頻率分別為100 Hz、10 Hz，將系統依次沿X-Y-Z軸進行順時針旋轉。數據處理終端根據數據的頭尾指示分離出各秒的數據，將各秒數據進一步分離為帶時間標記的三軸加速度、三軸陀螺傳感器、三軸磁傳感器數據。在初始瞄準狀態下，載體初始姿態在0附近跳變。在后續的數據處理中，利用iNEMO慣性模塊傳感器的輸出，并結合北斗導航數據，通過Kalman濾波器等方法，可以進一步實現初始對準和航姿解算的功能，得到精度較高的載體位置、速度、姿態(方位角、俯仰角、橫滾角)等信息[15-17]。

5 結束語

本系統以雙CPU+FPGA+Flash的數字硬件電路為核心，完成多通道導航數據的連續檢測和實時存儲。系統有機結合了衛星和慣性兩種導航技術，可進行全天候、實時測姿，誤差不隨時間累積。當北斗接收機的信號受到干擾時，iNEMO慣性模塊在短時間內的工作也不受影響，具有很強的魯棒性。該方法方便快捷、功耗小、成本低，設備可重復使用，不僅適用于各類彈載飛行試驗，也可應用于異構多無人機等需要精確時間同步的領域。

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Design of the Attitude and Heading Measurement System Based on Beidou/iNEMO

CHEN Kai1，WANG Guanglong2，WANG Cheng2

(1.66008 Unit of PLA,Tianjin 300250,China; 2.Laboratory of Nanotechnology and Microsystems,Mechanical Engineering College，Shijiazhuang 050003,China)

Based on Beidou receiver and iNEMO inertial sensor module,the sensing information acquisition micro system is designed for solving the carrier motion attitude azimuth.Due to the differences of the output data format,rate and interface for the two navigation units,the hardware architecture of double CPU+FPGA+Flash is adopted;by collaborative operation of two processors,the real time acquisition,storage,and storage of the large volume of multichannel navigation parameters is completed.The output IPPS pulse of Beidou is used as the zeroing signal,and considering that iMEMO has no fixed time reference system,the Beidou time scale information is added for iNEMO data,so the synchronization for data of sub units at the moment of each second sharp is implemented by the hardware logic circuit.The test results verify that the synchronization deviation of Beidou 1PPS second pulse signal will not affect the accuracy of subsequent filtering,and the module can stably output data with time stamp for the 3D accelerometer,3D gyroscope and 3D magnetometer,and the information of carrier,such as the position,velocity and attitude,etc.,can be obtained by the solution.The system has many advantages,such as small size,low power consumption,good robustness and reusing of the equipment.It is not only qualified to the test requirements of the single aerodynamic weapon,but also further improves the space-time testing precision of multiple targets navigation,by combining with the multi-sensor information fusion technology.

Beidou navigation system; Embedded system; Sensor; Unmanned plane; Remote sensing technology; FPGA; Time synchronization

國家自然科學青年基金資助項目(61501493)

陳凱(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事測試計量技術及儀器的研究。E-mail：chenkai094@sina.com。

TH-39;TP274+.2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705013

修改稿收到日期：2016-12-15