基于MOOS-i v p的衛星定位導航系統增強設計

東北石油管道有限公司 李志輝 傅慶華中國移動通信集團遼寧有限公司 于文浩

東北石油管道有限公司 楊 福 梁曉莉 肖雅琴 孟 博

1.緒論

近年來，將移動衛星網絡MSS與地面網絡組成一體化網絡，綜合地面網絡容量大、速率高、支持業務多的特點以及移動衛星網絡MSS覆蓋范圍廣、通信距離遠、不受地理環境限制的特點，通過一體化設計實現移動網絡的全天候與全地域覆蓋。目前，物聯網技術廣泛應用于城市智慧交通中，城市居民利用手機、平板電腦等終端實時查詢公交位置與公交路線的需求逐漸增多，對公交車等交通工具進行實時定位與導航顯得尤為重要。基于此，本文提出一種基于MOOS-ivp無人通信體系及星地一體化網絡策略的衛星定位導航系統的設計方案。

2.星地一體化網絡策略簡介

在星地一體化網絡中，地面網絡由移動衛星網絡管理，二者互為延伸，充分互補，該網絡由終端、無線接入網以及核心網三部分組成：

（1）終端部份：終端同時支持移動衛星網絡及地面網絡接口；

（2）無線接入網（地面網絡）部分：星地一體化網絡在地面部署了基于MSS頻段的蜂窩網絡。并于移動衛星網絡互相補充；

（3）核心網（衛星網絡）部分：星地一體化網絡的核心網支持全IP核心網，即LTE的演進分組核心網EPC。移動衛星網絡通過衛星網關接入EPC核心網，由衛星網關負責兩種網絡的接口協議轉換。分組數據網關PGW提供核心網與外部分組數據網絡的連接。網絡控制中心NCC配置有多各功能模塊來實現星地一體化網絡中的核心管理功能。

3.衛星定位導航系統設計

3.1 系統結構

基于MOOS-ivp體系的衛星定位導航系統是軟硬件相結合的系統，本文設計的定位導航系統主要包括地面控制子系統、基站控制子系統及星際控制子系統。將MOOS-ivp體系裝載至嵌入式微型計算機中，部署于地面及基站控制子系統實現位置信息的實時傳輸功能。這三個子系統之間的相互關系如圖1所示，其主要功能如下：

（1）地面控制子系統：主要負責對地面網絡資源進行實時監控，與基站的數據交互；

（2）基站控制子系統：主要負責地面網絡與星際網絡的通信，及時分發位置信息至移動端；

（3）星際控制子系統：主要負責處理星間信號干擾，合理規劃星上網絡資源。

通過裝載在公共交通工具上的GPS通信模塊，實現車輛位置信息的監測功能。地面控制子系統將車輛的位置信息上發至基站控制子系統，基站控制子系統存儲各車輛的位置信息，并將各車輛的位置信息傳送至公交出行平臺，平臺統一將位置信息傳送至用戶APP側，真正實現用戶足不出門實時查詢公交信息。目前國內公交查詢的主流軟件包含“車來了”、“8684公交查詢”、“青島公交查詢”等，本系統將服務于各類交通出行平臺的用戶側APP中，實現公交站點實時查詢，公交路線實時查詢功能。因此本文的重點在于地面控制子系統與基站控制子系統的介紹。

圖1 系統架構圖

3.2 地面控制子系統、基站控制子系統設計

地面控制子系統及基站控制子系統以嵌入式系統為基礎，前者部署于公交出行平臺所接入的公交車、地鐵等交通工具，其主要功能是通過承載的GPS通信模塊確定公共交通工具的位置信息，并通過無線通信將相關數據信息傳送至基站控制子系統。為實現位置信息的實時傳輸，我們選取目前國際通用的無人系統通信系統MOOS-ivp作為地面控制子系統的軟件系統，并開發相應的GPS數據解析程序實現位置信息的傳輸。

3.2.1 MOOS-ivp的通信原理

MOOS（Mission Oriented Operating Suite）是一種適用于無人系統通信的分布式軟件控制系統，由麻省理工學院的Paul Newman于2001年提出，目前廣泛應用于自主式水下航行器的高自主性控制。MOOS自身所具備發布-訂閱通信模式以及分布式結構設計的特點，引起眾多無人系統的研究機構的關注。MOOS是一套開源軟件系統，主要基于發布-訂閱模式，采用模塊化的思想將傳感器硬件轉化為不同的功能模塊。各模塊間不存在端到端的通信連接，而是需要通過MOOSDB（MOOS Database數據信息服務器）完成模塊間的數據通信。MOOS體系具有特點如下：

（1）模塊化軟件設計：模塊化設計思想在軟件系統維護與功能擴展方面優勢明顯，同時為研發人員進行系統聯合調試提供方便。GPS數據解析程序被實例化為具體的功能模塊，MOOS體系為功能模塊提供統一的通信協議與接口標準，從真正意義上實現代碼復用。數據的流通僅限在功能模塊與MOOSDB之間進行，充分體現軟件系統分工明確、穩定性強的特點。

（2）星型網絡結構：功能模塊（MOOSApp）與數據信息服務器（MOOSDB）進行點對點的通信，以MOOSDB為中心構成星型通信網絡結構。各功能模塊將解析后的數據傳送到MOOSDB并從MOOSDB獲取已訂閱的消息。MOOSDB負責協調各功能模塊，進行信息的收發與共享。功能模塊與MOOSDB的信息交互基于網絡通信的Client-Server模型。

（3）分布式結構設計：對于集群系統，分布式結構能夠有效的對計算機資源進行優化配置，并使用有效的網絡協議將集群系統中所攜帶的嵌入式微型計算機組成局域網，通過MOOSDB間的數據流通完成各PC上的任務進程與數據解算，從而將多臺計算機看作一個整體的計算機系統，實現資源的合理分配。

3.2.2 GPS數據解析程序的開發

MOOS體系包含功能豐富的庫函數，其中庫函數MOOSLib是實現功能模塊和MOOSDB通信的重要工具。庫函數MOOSLib的類CMOOSApp定義了多個有用的虛函數包含OnStartUp( )、Iterate( )、OnNew-Mail( )等。開發人員只需編寫一個繼承于CMOOSApp的子類，重載其中所需要的虛函數，即可完成功能模塊的開發；同時CMOOSInstrument類為各功能模塊通過串口與硬件之間的通信提供組件。

當子類函數Run( )被調用時，程序從函數OnStartUp( )開始執行，此函數首先讀取用戶的配置文件并初始化傳感器與串口，當串口接收到新的數據時，函數OnNewMail( )會被調用，功能模塊獲取已訂閱的其他模塊的消息，當子類執行過OnNewMail( )函數后，程序執行函數Iterate( )完成對原始數據的解析功能。函數Iterate( )以一定的頻率執行，研發人員調用SetAppFreq( )或者設置參數AppTick的值在對應配置文件中設定循環頻率，功能模塊不斷接收來自MOOSDB的數據，在函數Iterate( )編寫相關代碼完成數據的解析。

利用CMOOSApp類開發GPS數據解析程序的基本步驟如下：

（1）新建功能模塊的主函數文件，命名為“ZhiHuiGPS.cpp”；

（2）新建繼承于CMOOSApp的子類CZhiHuiGPS，在主函數聲明子類的對象ZhiHuiGPS；

（3）用子類的對象調用CZhiHuiGPS的成員函數Run( )；

（4）根據GPS的配置需求重載OnStartUp( )、Iterate( )、On-NewMail( )函數。

3.2.3 地面及基站控制子系統間通信程序的開發

MOOS包含豐富的庫函數，其中CMOOSClient類提供功能模塊與MOOSDB的通信線程，調用接口函數建立通信連接實現消息的分發功能。各公交工具的GPS均被CMOOSClient類抽象成不同的功能模塊，模塊化的設計有效實現代碼的復用，依靠MOOS穩定的通信機制有利于研究人員維護與二次開發相關軟件。在MOOS體系中，MOOSDB與功能模塊以及功能模塊之間的通信均是基于MOOSDB的消息分發機制。功能模塊與MOOSDB的通信機制基于Client-Server工作模式，當建立Socket連接后，MOOSDB的消息分發步驟如下：

（1）客戶端A調用Notify函數把待傳輸消息（Msg）存儲在輸出信箱OutBox中；

（2）傳遞線程（CommsThread）向MOOSDB發送數據傳輸請求，MOOSDB在空閑狀態時響應客戶端請求并發送應答；

（3）客戶端將存儲在OutBox的消息打包生成CMOOSPkt，傳輸到MOOSDB中；

（4）MOOSDB收到的客戶端A的數據包Msg，完成兩件工作：第一，根據研發人員制定的數據格式對數據包進行拆分與解析；第二，根據功能模塊對數據的訂閱需求，將收到的數據發送到相應的輸入信箱InBox中；

（5）其他客戶端調用Register函數向MOOSDB發送數據訂閱請求；其他客戶端調用Fetch函數提取與恢復原有的數據。

MOOSDB消息分發機制原理如圖2所示：

圖2 MOOSDB消息分發機制

MOOS體系提供功能模塊pMOOSBridge用于不同MOOSDB間的通信。作為建立MOOS派生系統的重要工具，它允許消息在不同的MOOS體系傳輸而無需考慮單個MOOS體系的拓撲結構，pMOOSBridge在不同的MOOSDB之間起到橋梁的作用，調用該功能模塊時首先讀取用戶的配置文件，然后在MOOSDB中訂閱與獲取相關的數據信息，最后完成對已定義數據的轉發。其通信原理如圖3所示：

圖3 pMOOSBridge通信原理

3.3 地面控制子系統、基站控制子系統的功能實現

在完成GPS數據解析程序（ZhiHuiGPS ）與子系統間通信程序（pMOOSBridge）的開發后，使通信程序訂閱GPS 的經緯度信息，將實時位置信息通過pMOOSBridge功能模塊傳送至基站控制子系統，pMOOSBridge功能模塊設定發送時間間隔為1s,GPS解析經緯度原始語句的頻率為1Hz，MOOS-ivp體系具有獨特的數據保存功能，在GPS信號出現斷續或者失聯時，MOOSDB將信號斷續的上一周期的數據信息分發至pMOOSBridge功能模塊，并在信號恢復連接時刷新數據。

在地面控制子系統與基站控制子系統裝載嵌入式微型計算機并集成MOOS-ivp體系，將不同公交、地鐵線路的GPS被抽象為不同的功能模塊，基站控制子系統根據不同功能模塊的位置信息解析各條線路的軌跡圖，并傳送至公交出行平臺，在用戶側實現公交線路與公交位置的實時查詢。

4.小結

本文主要研究基于MOOS-ivp的衛星定位導航系統的增強設計。首先提出一種星地一體化的網絡策略基礎，其次對增強后的衛星定位導航系統的總體設計以及各個子系統的功能進行詳細介紹，然后對基站控制子系統、地面控制子系統進行詳細的設計和實現，以MOOS-ivp體系為核心，實時傳輸公交工具的位置信息。該系統具有廣泛的應用場景，可適用于城市各種公共交通領域中，為智慧城市建設做好基礎。

[1]藺萍.星地一體化網絡基于資源分配的干擾協調技術研究[D].哈爾濱工業大學,2017.

[2]譚璐.星地一體化網絡協作通信與網絡編碼技術研究[D].哈爾濱工業大學,2017.

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