基于GPS系統(tǒng)的測向定位研究

江蘇科技大學工學碩士學位論文摘要2-)該算法的運算法則即為，通過直接計算，最小化的絕對值，然后就可以搜索到。將這個方法應用于L1波段。對于每個搜索紀元，該方法只需計算矩陣，矩陣的秩和矩陣一次。這種方法總共的候選集合數(shù)為。例如，如果，=4，全部的搜索個數(shù)即為64，遠遠小于傳統(tǒng)使用的4096個候選集合的方法[43]。通過此算法，整周模糊度即可快速解算，進行計算得到載體的基線向量。4.3GPS測姿精度分析影響GPS姿態(tài)測量精度的因素有很多，但主要有以下幾個方面：基線長度。一般來說，天線相距越遠，測量的姿態(tài)信息就越精確。但隨著基線的長度增加，多徑效應的影響也會更加明顯。多徑效應。限制姿態(tài)測量精度的最主要誤差因素是多徑效應，多徑效應是指由于電波傳播過程中的多條路徑使到達接收端的信號產(chǎn)生衰弱與展寬的現(xiàn)象，它可以分為公共多徑和差分多徑兩種。兩個靠得很近的天線主要受公共多徑效應的影響，這種多徑效應可以通過雙差算法消除。當兩個天線相距較遠時，每個天線就會受非公共多徑效應的影響且不能用雙差消除，給姿態(tài)測量帶來誤差。衛(wèi)星的可用性及幾何分布。當前，要確定姿態(tài)，至少必須有4顆共視衛(wèi)星。如果衛(wèi)星數(shù)據(jù)大于4，多余衛(wèi)星的信息可以用作冗余校驗信息，并且能夠縮短解算整周周數(shù)的時間。從使用角度來看，可視衛(wèi)星的分布幾何結(jié)構(gòu)必須很好，仰角最好大于15°，仰角太低的衛(wèi)星容易引起較大的多徑效應，會引起頻繁的周跳。由此可見，增加基線長度，降低相位測量誤差及選擇合適的衛(wèi)星將可以提高姿態(tài)角的測量精度[44]。4.4本章小結(jié) 本章詳細論述了運用載波相位測量技術(shù)來得到載體的二維姿態(tài)的方法的基本原理，介紹了單差和雙差觀測模型?？偨Y(jié)GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)的關鍵技術(shù)，提出快速得到整周模糊度的優(yōu)化方法，進行算法公式推導，為系統(tǒng)的實際設計提供理論依據(jù)。分析了影響姿態(tài)信息測量的幾個因素，在理論和系統(tǒng)設計中應加以避免形成過大誤差。第5章實驗系統(tǒng)設計第5章實驗系統(tǒng)設計以第4章的GPS差分和載波相位技術(shù)為基礎，本文設計出GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)方案。選用NovAtel公司的OEMV-1板卡和Philips公司的LPC2138芯片設計組成姿態(tài)測量系統(tǒng)。本章將詳細講解設計的GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成和用姿態(tài)計算所需的GPS接收機輸出信息的具體格式及內(nèi)容。系統(tǒng)硬件框圖如圖5.1所示[45]。NovAtel接收機NovAtel接收機NovAtel接收機ARM處理器I/O設備天線2天線1通訊設備通訊設備圖5.1系統(tǒng)硬件設備結(jié)構(gòu)框圖Fig.5.1Theframemapofsystemhardware5.1NovAtelOEMV-1板簡介 加拿大NovAtel公司的OEMV系列的OEMV-1GPS接收機是集成了OminiSTAR和CDGPS接收功能并支持API。如圖5.2所示，OEMV-1是一款體積緊湊、功耗低的產(chǎn)品。具有16通道，可同時最大跟蹤16顆衛(wèi)星。為用戶提供了高可靠的RT-20定位精度，可控PPS輸出和L1單頻20Hz的定位數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)輸出，可作為差分基準站或差分移動站。板卡的靈活性好，易于集成，特別適用于嵌入式應用開發(fā)。圖5.2NovAtelOEMV-1板卡Fig.5.2TheNovAtelOEMV-1card5.1.1NovAtelOEMV-1板的組成 NovAtelOEMV-1板主要包括射頻和數(shù)字信號處理兩部分，具體設計如圖5.3所示。圖5.3GPS接收機簡化方框圖Fig.5.3ThereducedframemapofGPSreceiver(1)射頻RF部分接收機通過同軸電纜從天線將會獲得一個部分濾波和放大了的GPS衛(wèi)星信號，射頻部分完成把輸入的射頻信號進行下變頻變換轉(zhuǎn)換成后續(xù)數(shù)字處理部分所需的中頻信號的功能，在保持直流(DC)與射頻(RF)通道隔離的同時它可以通過同軸電纜給有源天線提供所需的電源。另外，由于它的射頻部分是經(jīng)過特殊處理包裝對潛在的干擾也有很好的抑制作用[46]。(2)數(shù)字信號處理部分接收機的數(shù)字信號處理部分，接收到一個下變頻的,數(shù)字化的GPS信號，并對信號進行解算處理，得到GPS信號的原始數(shù)據(jù)。從而解算得到GPS接收機的位置、速度和時間信息。它包含一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個32位數(shù)據(jù)處理器，存儲器，控制器和配置邏輯單元，信號處理電路，串行外圍設備以及各種支持電路。數(shù)字處理部分主要通過必要的轉(zhuǎn)換和計算把接收來的中頻(IF)模擬信號轉(zhuǎn)換成我們所需要的原始數(shù)據(jù)、位置和狀態(tài)信息，同時它也處理所有的輸入/輸出(I/O)功能，包括各種選通信號。5.1.2NovAtelOEMV-1板的硬件系統(tǒng)配置 NovAtelOEMV-1板卡作為一般定位的測量來說，硬件系統(tǒng)配置非常簡便，通過一個接口電平轉(zhuǎn)換電路，即TTL轉(zhuǎn)RS232，它可以直接和計算機的串口進行通信?？蓮腜C機上直接觀看，保存到GPS數(shù)據(jù)。具體配置如圖5.4所示。圖5.4NovAtelOEMV-1板卡硬件連接圖Fig.5.4ThehardwareconnectionmapofNovAtelOEMV-1 天線采用無源天線，與接收機之間使用專用電纜進行連接，長度一般不超過20m，否則會增大接收信號噪聲。接收機輸出通過電平轉(zhuǎn)換成標準RS-232串口格式，直接與計算機的串口（COM1或COM2）相連接。接收機一旦接上電源，通過輸入相應的命令，就會自動工作，接收、處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過串口以一定的速率(默認為9600baud)發(fā)送給計算機進行處理[47] GPS板卡上有一個標準的20針連接插座，電源、數(shù)據(jù)的輸出和控制均在這里連接。表5.1說明了各個引腳的功能。表5.1GPS板卡引腳說明Table5.1TheGPScardpinsinstruction管腳名稱功能1LNA_PWR外部天線供電2VIN板卡直流供電3USBD(-)USB數(shù)據(jù)接口4USBD(+)/COM3_Rx混合功能管腳默認為USBD(+)5RESTIN板卡復位6VARF/CAN1_Rx混合功能管腳默認為VARF7Event2/CAN1_Tx混合功能管腳默認為Event28CAN2_RxCAN總線專用端口9Evant1/Com3_Tx混合功能管腳默認為Event110/13/16/18GND數(shù)字地11Com1_TxCom1口發(fā)送數(shù)據(jù)端口12Com2_RxCom1口接收數(shù)據(jù)端口14Com2_TxCom2口發(fā)送數(shù)據(jù)端口15Com2_RxCom2口接收數(shù)據(jù)端口17PV高空中數(shù)據(jù)狀態(tài)指示器19PPSGPS時秒脈沖輸出端口20CAN2_TxCAN總線專用端口5.2NovAtelOEMV-1板的原始數(shù)據(jù)采集與處理5.2.1接收機輸出的數(shù)據(jù)格式 NovAtelOEMV-1板可以輸入/輸出兩種數(shù)據(jù)格式，一種是ASCII格式的數(shù)據(jù)，另一種是二進制格式的數(shù)據(jù)[48]?？梢愿鶕?jù)需要在兩種不同數(shù)據(jù)格式下對接收機的各種參數(shù)進行配置，以獲得系統(tǒng)解算所需要數(shù)據(jù)輸出，但是兩種數(shù)據(jù)格式不能同時使用。ASCII數(shù)據(jù)格式用戶和計算機都是可以讀取ASCII數(shù)據(jù)的。所有的ASCII數(shù)據(jù)格式結(jié)構(gòu)如表5.2所示：表5.2ASCII數(shù)據(jù)格式信息塊結(jié)構(gòu)Table.5.2TheinformationframeofASCIIdata數(shù)據(jù)幀頭標志數(shù)據(jù)幀頭信息數(shù)據(jù)信息內(nèi)容…校驗碼數(shù)據(jù)幀結(jié)束標志例如：#RAWEPHEMA,COM1,0,35.0,SATTIME,1364,496230.000,00100000,97b7,2310;30,1364,496800,8b0550a1892755100275e6a09382232523a9dc04ee6f50a189aa6ff925386228f97eabf9c8047e34a70ec5a10e486e794a7a,8b0550a18a2fffc267cd09f1d5034d3537affa28b6ff0eb*7a22f此幀數(shù)據(jù)中：#為整個數(shù)據(jù)幀的幀頭標志位；#后至分號符為數(shù)據(jù)幀頭的內(nèi)容，介紹了數(shù)據(jù)的一些基本信息，如，數(shù)據(jù)的ASCII名字，端口號，GPS時間等；分號符至*號符為ASCII格式的數(shù)據(jù)信息；*后為校驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)幀結(jié)束標志；二進制數(shù)據(jù)格式二進制數(shù)據(jù)格式分為三個部分：信息頭、信息內(nèi)容和數(shù)據(jù)校驗部分。其中信息頭部分由28個字節(jié)組成[49]。包括幀頭標志、幀頭的長度、幀的ID、幀的類型、數(shù)據(jù)部分的長度(不包括幀頭和CRC校驗)、GPS的時間信息、GPS板卡狀態(tài)、幀頭校驗等信息。信息內(nèi)容部分是可變的，信息內(nèi)容的長度是隨著信息的ID不同而不同的。另外由于不同時刻GPS觀測的衛(wèi)星個數(shù)不同，也可能造成信息ID相同但信息長度不同，如果長度部分數(shù)值為零的話，表示這幀數(shù)據(jù)只有幀頭，沒有后面數(shù)據(jù)。校驗單元則按照CRC32算法由4個字節(jié)組成。本文在對GPS板卡進行設計應用時，使用的就是二進制數(shù)據(jù)格式，因為此格式便于解算、提取GPS發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，易應用與設計的ARM嵌入式系統(tǒng)中，對GPS輸出數(shù)據(jù)進行算法處理，解算出姿態(tài)信息[50]。二進制數(shù)據(jù)格式信息塊結(jié)構(gòu)如表5.3所示表5.3二進制數(shù)據(jù)格式信息結(jié)構(gòu)Table.5.3TheframeofbinarysystemdataHeaderStructure--28字節(jié)信息的幀頭DetailedData--對應ID的信息部分CRCChecksum—整幀信息的CRC校驗5.2.2接收機的具體二進制數(shù)據(jù)分析可視衛(wèi)星的軌道參數(shù)及其坐標解算 NovAtelOEMV-1板卡可向用戶提供接收機接收到的衛(wèi)星星歷(Ephemeris)，通過采集板卡發(fā)送出的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)信息，可以解算出已跟蹤衛(wèi)星的軌道參數(shù)。從這些GPS獲取的衛(wèi)星軌道參數(shù)可解算出當前跟蹤到的衛(wèi)星坐標，具體解算的算法下面將詳細的講解，再由GPS解算出的用戶當前坐標，根據(jù)第3章所闡述的計算公式，就可以得到跟蹤到的GPS衛(wèi)星到用戶之間的方向向量矩陣矩陣，這個矩陣即為第4章所提到的用于計算載波相位中的整周模糊度的矩陣。衛(wèi)星星歷的數(shù)據(jù)格式是采用國際標準的ICD-GPS-200，衛(wèi)星星歷的二進制輸出格式如表5.4所示。表5.4導航電文信息Table.5.4Theinformationofnavigationmessage編號名稱數(shù)據(jù)描述類型字節(jié)數(shù)字節(jié)偏移1RAWEPHEMHeader數(shù)據(jù)的幀頭H02Prn衛(wèi)星的PRN碼Ulong4H3refweek星歷相關周數(shù)Ulong4H+44refsecs星歷相關時間數(shù)據(jù)Ulong4H+85subframe1第一子幀數(shù)據(jù)Hex30H+126subframe2第二子幀數(shù)據(jù)Hex30H+427subframe3第三子幀數(shù)據(jù)Hex30H+728xxxx32位CRC校驗Hex4H+102通過對導航電文的解碼計算，可以從衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)中得到跟蹤衛(wèi)星的各種參數(shù)，其中用于解算衛(wèi)星坐標的16個軌道參數(shù)如表5.5所示。解算導航電文，通過這16個軌道參數(shù)可以解算出衛(wèi)星在ECEF坐標系下的坐標。從星歷數(shù)據(jù)子幀中可以得到諸如星期數(shù)這樣的星歷數(shù)據(jù)。根據(jù)星歷數(shù)據(jù)可以確定衛(wèi)星的位置。接收機到衛(wèi)星之間的偽距也可以確定。只有獲得了所有必須的信息，才能計算出衛(wèi)星的位置和用戶的位置。最后將用戶坐標和衛(wèi)星坐標轉(zhuǎn)換到需要的坐標系統(tǒng)中[51]。表5.5GPS星歷數(shù)據(jù)定義Fig.5.5ThedefinitionofGPSephemerisdata星歷的參考時刻半軸的平方根e偏心率傾角升交點經(jīng)度近地點幅角平近點角傾角的變化率升交點經(jīng)度的變化率對平均角速度的校正值對緯度幅角余弦的校正值對緯度幅角正弦的校正值對軌道半徑余弦的校正值對軌道半徑正弦的校正值對傾角余弦的校正值對傾角正弦的校正值根據(jù)上述軌道參數(shù)，可以運用下面給出的公式計算出衛(wèi)星在WGS-84坐標系下的位置矢量。(1)半長軸a：(2)經(jīng)校正的平均角速度：其中為WGS-84坐標系下的地球引力常數(shù)，大小為：3.986005x1011m3/s(3)歸化時間：由衛(wèi)星星歷解算出來的GPS衛(wèi)星各軌道參數(shù)是基準時刻時的取值，為求出在測量時刻的各參數(shù)，必須求出此刻相對軌道參數(shù)時刻的時差，姿態(tài)測量系統(tǒng)解算衛(wèi)星坐標需要的是軌道參數(shù)在測量時刻的解算值，所以利用時差來修正各軌道參數(shù)。(4)平均近點角：(5)偏心近點角計算偏心近點角一般用迭代法，第一步：，以后用計算出來的迭代計算，由于e很小，所以只需要迭代兩次以上就可以求得很精確的。(6)真近點角：的取值應該在0到之間，要把arctg的值歸一到0到之間。(7)升交角：(8)緯度校正值：(9)半徑校正值：(10)傾角校正值：(11)經(jīng)校正的緯度值：(12)經(jīng)校正的半徑：(13)經(jīng)校正的傾角：(14)經(jīng)校正的升交點經(jīng)度：是地球的旋轉(zhuǎn)速率，值為：7.2921151467x10-5弧度/秒(rad/s)。(15)在軌道平面中的x位置(16)在軌道平面中的y位置：(17)WGS-84下的x坐標：(18)WGS-84下的y坐標：(19)WGS-84下的z坐標：接收機在ECEF坐標系下的三維坐標接收機在ECEF坐標系下的三維坐標、三軸的標準偏差、三維方向的速度等信息包含在ID241的數(shù)據(jù)信息中。我們需要通過串口給OEM板發(fā)送命令來獲取具體的二進制數(shù)據(jù)，具體的ASCII命令為：logbestxyzbontime0.200.1。通過命令配置，可對將板卡設置輸出為5Hz的接收機坐標導航二進制信息。MessageID241的具體格式如表5.6所示表5.6坐標信息數(shù)據(jù)格式Table.5.6Theframeofpositioninformationdata編號名稱數(shù)據(jù)描述類型字節(jié)數(shù)字節(jié)偏移1BESTXYZheader數(shù)據(jù)的幀頭H02P-solstatus數(shù)據(jù)解算狀態(tài)Enum4H3postype位置解算類型Enum4H+44P-XX軸值(m)Double8H+85P-YY軸值(m)Double8H+166P-ZZ軸值(m)Double8H+247P-XX軸標準偏差(m)Float4H+328P-YY軸標準偏差(m)Float4H+369P-ZZ軸標準偏差(m)Float4H+4010V-solstatus速度解算狀態(tài)Enum4H+4411veltype速度解算類型Enum4H+4812V-XX軸方向速度(m/s)Double8H+5213V-YY軸方向速度(m/s)Double8H+6014V-ZZ軸方向速度(m/s)Double8H+6815V-XX軸速度標準偏差(m/s)Float4H+7616V-YY軸速度標準偏差(m/s)Float4H+8017V-ZZ軸速度標準偏差(m/s)Float4H+84………………30xxxx32位CRC校驗Hex4H+112載波相位測量數(shù)據(jù)載波相位測量信息包含的MessageID140信息塊中，我們需要通過串口給OEM板發(fā)送MessageID140信息獲取命令，來得到衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)，再從中解算出具體的載波相位和偽距原始數(shù)據(jù)。從該消息中可得到的載波相位數(shù)據(jù)、偽距和周跳等相關信息。根據(jù)第4章介紹的算法進行處理，就可以快速得到整周模糊度的解算結(jié)果。從而利用載波相位技術(shù)測量載體上的基線方向矢量[52]。若我們需要采集5Hz的測量數(shù)據(jù)，具體命令格式為：lograngecmpbontime0.200。通過對GPS接收機的配置，可以相應得到需要的數(shù)據(jù)信息。具體輸出的二進制格式如表5.7所示：表5.7原始數(shù)據(jù)格式Table.5.7Theframeoforiginaldata編號名稱數(shù)據(jù)描述類型字節(jié)數(shù)字節(jié)偏移1RANGECMPheader數(shù)據(jù)的幀頭H02#obs觀測衛(wèi)星的個數(shù)Long4H31strangerecord觀測一顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)Hex24H+44下一顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)偏移=H+4+(#obs*24)5xxxx32位CRC校驗Hex4H+4+(#obs*24)5.2.3原始二進制數(shù)據(jù)采集與解算 根據(jù)OEM板輸出的用戶坐標導航數(shù)據(jù)、衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)、載波相位和偽距測量數(shù)據(jù)的具體二進制格式，用C語言編寫了兩路OEM原始二進制數(shù)據(jù)的實時采集與解算程序，軟件流程圖如圖5.5所示。圖5.5數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.5.5Theflowchartofthecollectiondata5.3ARM7的系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)具體實現(xiàn)框圖如圖5.6所示。ARM1通過接口單元接收兩塊OEM板卡送來的二進制原始數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解讀和計算。ARM1通過SPI通信將處理后的解算出來的載波相位數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM2中。ARM2中用C語言實現(xiàn)了第三章中的算法設計。運用ARM1送來的數(shù)據(jù)，解算出基線的三維方向矢量。ARM1和ARM2構(gòu)成一個主從式系統(tǒng)，主機ARM1完成對兩個OEM板卡的控制、原始測量數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的初步解算、ARM2的數(shù)據(jù)解算和發(fā)送、系統(tǒng)的復位。從機ARM2在主機的控制下完成算法計算工作，并將處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞給主機[51]。GPS接收機GPS接收機GPS接收機接口單元接口單元雙ARM處理器天線1天線2PC機圖5.6系統(tǒng)硬件框圖Fig.5.6Theframemapofhardwaresystem5.3.1天線單元系統(tǒng)采用兩個ANT-700-xx系列GPS天線，它的基本特性如下：1.性能指標：①工作頻率(Frequency)： 1575.42MHz±2MHz②使用電壓(Voltage)： 3.3V ③增益(Gain)： 33dB ④工作電流(Current)： ≤15mA ⑤噪聲(Noise)： ≤1.8dB ⑥輸出阻抗(ZO)： 50Ω ⑦駐波比(VSWR)： 1.5：12.物理指標： 工作溫度(OperatingTemperatrue)：-55℃～+5.3.2接收機單元采用兩塊NovAtelOEMV-1板卡，通過對GPS信號的接收、變頻、對應通道的跟蹤解算，輸出需要的用戶坐標導航數(shù)據(jù)、載波相位和偽距測量原始數(shù)據(jù)及可視衛(wèi)星的導航電文等數(shù)據(jù)。設置命令可在系統(tǒng)上電后，由ARM芯片通過接口單元直接發(fā)送給GPS板卡，對其進行設置。5.3.3接口單元接口單元主要實現(xiàn)NovAtelOEM板卡的TTL電平信號與標準RS-232電平信號的對接通信，它不但可以使OEM板卡直接與PC相連，便于研制初期通過PC軟件對整個系統(tǒng)進行控制、測試和仿真，而且可以完成接收機與ARM處理器之間的數(shù)據(jù)交換（采用串行接口通信方式），以及系統(tǒng)完成之后的數(shù)據(jù)存取、處理。RS-232通信標準是串行通信中使用最多的一種標準[52]。RS-232通信方式的數(shù)據(jù)傳輸率可以達到20K比特，但其通信距離限于15米之內(nèi)。為了提高抗干擾能力和增加傳送距離，RS-232-C標準選擇了-15V～-3V和+3V～+15V這個范圍，而不采用TTL邏輯(0V～5V)。EIARS-232-C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)的，而TTL則是以高低電平來表示邏輯狀態(tài)的。外部系統(tǒng)的RS-232串口不能直接和NovAtelOEMV-1板卡相連，使用時必須加上適當?shù)慕涌陔娐罚覀儾捎肕AX3232進行電平轉(zhuǎn)換。MAX3232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的包含兩路接收器的IC芯片，適用于各種EIARS-232-C通信接口。MAX3232芯片有一個電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需3.3V電源驅(qū)動便可實現(xiàn)TTL電平與外部RS-232-C電平的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)中只需用到3根最基本的信號線：發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線和信號地線，所以RS-232和MAX3232芯片之間采用簡單的三線連接法。5.3.4系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制單元 這是整個系統(tǒng)的核心處理部分，系統(tǒng)不但要完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的解讀和計算，還需要有其他的通信、控制以及人機接口等功能，ARM7不僅具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于使用，控制能力較強。本系統(tǒng)中通過第一個ARM控制GPS板卡，實時地采集數(shù)據(jù)通道送來的兩個固定天線的GPS原始數(shù)據(jù)，先解算出我們需要的當前ECEF坐標系中的接收機坐標、導航星歷和載波相位測量等數(shù)據(jù)，利用第二個ARM進行整周模糊度搜索和基線向量解算算法完成載體的二維姿態(tài)角變化的解算。實際設計中，選用了兩塊Philip公司的NXPLPC-2138芯片。具體電路原理圖見附錄1。5.4ARM7LPC2138系統(tǒng)模塊現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)都是在往體積小、功耗小、便攜式的嵌入式方向發(fā)展，為了適應這些條件，本篇論文的系統(tǒng)中采用的是嵌入式ARM技術(shù)，通過高性能的ARM處理芯片對衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)進行讀取、運算[53]。應用ARM芯片可在保證實時性的前提下，大大減小系統(tǒng)的體積和功耗，并具有較高的可靠性。ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設計開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應用領域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。根據(jù)程序運算速度、處理數(shù)據(jù)及接口等功能的要求，我們選用了Philips公司的LPC2138ARM7芯片，外部時鐘為10MHz。LPC2138芯片的封裝小、功耗低、易于使用，是一款性價比非常高的浮點型處理器，在國內(nèi)外的嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應用。如圖5.5所示，Philips公司的ARM7芯片LPC2138主要負責系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集和解算。它接收運動載體上位置不同的兩個固定天線的兩塊NovAtelOEMV-1板卡輸出的二進制原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進行解讀、計算，提取其中的接收機坐標、跟蹤衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)和偽距、載波相位測量數(shù)據(jù)，再通過模糊度搜索算法、載波相位測量的姿態(tài)解算算法，實時的采集GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)并解算出載體在當?shù)剌d體坐標系中的而為姿態(tài)參數(shù)，并傳遞給PC機，通過PC機實時地顯示測量結(jié)果并可以發(fā)送控制命令來實現(xiàn)系統(tǒng)本身的各種功能。5.4.1LPC2138的硬件資源LPC2138包含一個支持仿真的ARM7TDMI-SCPU、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線(AHB)和連接片內(nèi)外設功能的VLSI外設總線(VPB，ARM，AMBA總線的兼容超集)。AHB外設分配2M字節(jié)的地址范圍，它位于4G字節(jié)ARM存儲器空間的最頂端。每個AHB外設都分配了16k字節(jié)的地址空間。LPC2138的外設功能（中斷控制器除外）都鏈接到VPB總線。AHB到VPB的橋?qū)PB總線與AHB總線相連。VPB外設也分配了2M字節(jié)的地址范圍，從3.5GB地址點開始。每個VPB外設在VPB地址空間內(nèi)都分配了16k字節(jié)地址空間。 ARM7TDMI-S是通用的32位微處理器，它具有高性能和低功耗的特性。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計算機(RISC)原理而設計的。指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單得多。這樣使用一個小的、廉價的處理器內(nèi)核就可實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應。 LPC2138含有512kB的FLASH存儲器系統(tǒng)。該存儲器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲。對FLASH存儲器的編程可通過幾種方法來實現(xiàn)：通過內(nèi)置的穿行JTAG接口，通過在系統(tǒng)編程(ISP)和UART0，或通過在應用編程(IAP)，也可以在應用程序運行時對FLASH進行擦除或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶來了極大的靈活性。如果LPC2138使用了片內(nèi)引導裝在程序(bootloader)，512kB的Flash存儲器就可用來存放用戶代碼。LPC2138的Flash存儲器至少可擦除/編程10,000次，保存數(shù)據(jù)的時間長達10年。 片內(nèi)靜態(tài)RAM(SRAM)可用作代碼或數(shù)據(jù)的存儲，支持8位、16位和32位的訪問。LPC2138含有32kB的靜態(tài)RAM。LPC2138SRAM是一個字節(jié)尋址的存儲器。對存儲器進行字和半字訪問時將忽略地址對準，訪問被尋址的自然對準值。因此，有效的讀寫操作要求半字數(shù)據(jù)訪問的地址線0為0，字數(shù)據(jù)訪問的地址線0和1都為0。該原則同樣用于片外和片內(nèi)存儲器。 SRAM控制器包含一個回寫緩沖區(qū)，它用于防止CPU在連續(xù)的寫操作時停止運行?；貙懢彌_區(qū)總是保存著軟件發(fā)送到SRAM的最后一個字節(jié)。該數(shù)據(jù)只有在軟件請求下一次寫操作時才寫入SRAM。如果發(fā)生芯片復位，實際的SRAM內(nèi)容將不會反映最近一次的寫請求。通過對一個單元執(zhí)行兩次相同的寫操作可保證復位后數(shù)據(jù)的寫入。5.4.2LPC2138的軟件資源 ARM是精簡指令集計算機[54](RISC)，其設計實現(xiàn)了外型非常小，但是性能高的結(jié)構(gòu)。ARM處理器結(jié)構(gòu)的簡單使ARM的內(nèi)核非常小，這樣使器件的功耗也非常低。它集成了非常典型的RISC結(jié)構(gòu)特性：一個大而統(tǒng)一的寄存器文件裝載/保存結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理的操作只針對寄存器的內(nèi)容，而不直接對存儲器進行操作。簡單的尋址模式，所有裝載/保存的地址都只由寄存器內(nèi)容和指令域決定。統(tǒng)一和固定長度的指令域，簡化了指令的譯碼。每一條數(shù)據(jù)處理指令都對算術(shù)邏輯單元(ALU)和位移器控制，以實現(xiàn)對ALU和位移器的最大利用地址自動增加和自動減少的尋址模式實現(xiàn)了程序循環(huán)的優(yōu)化。多寄存器裝載和存儲指令實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量。所有指令的條件執(zhí)行實現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行。三級流水線處理，ARM7處理器使用流水線來增加處理器指令流的速度。這樣可使幾個操作同時進行，并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令執(zhí)行速度。流水線使用3個階段，因此指令分為3個階段執(zhí)行：①取指 ②譯碼 ③執(zhí)行在正常操作過程中，在執(zhí)行一條指令的同時，對下一條指令進行譯碼，并將第3條指令從存儲器中取出。通過這種流水線的處理方式，使ARM芯片的處理能力有了極大的提高，能夠進行快速大量的運算，完成本文的整周模糊度解算的大量算法程序。5.5本章小結(jié)本章說明了系統(tǒng)的硬件設計結(jié)構(gòu)，詳細介紹系統(tǒng)中GPS板卡的相關參數(shù)，各個模塊的結(jié)構(gòu)應用，輸出數(shù)據(jù)以及應用輸出的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推導GPS衛(wèi)星坐標的公式和方法。接口單元采用的輸出端口及定義，處理器單元部分采用的ARM芯片及其相關的數(shù)據(jù)介紹。第6章實驗測試結(jié)果第6章實驗測試結(jié)果6.1測姿系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程 采用PC后處理數(shù)據(jù)來進行姿態(tài)的測定便于我們在產(chǎn)品研制初期進行算法驗證，數(shù)據(jù)的分析，更全面地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，使其系統(tǒng)能夠成為最終產(chǎn)品做好相應的工作。 系統(tǒng)PC軟件可以劃分為七個模塊：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)識別處理，數(shù)據(jù)同步，差分數(shù)據(jù)處理，模糊度解算，姿態(tài)解算，數(shù)據(jù)輸出。具體流程如圖6.1所示。圖6.1測姿系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6.1Thesoftwareflowchartoftheattitudesystem 數(shù)據(jù)采集模塊主要負責通過串口對兩塊接收機進行數(shù)據(jù)通訊，采集系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，對接收機進行控制等功能。 數(shù)據(jù)識別處理是芯片對接收到的接收機數(shù)據(jù)進行分類解碼。 數(shù)據(jù)同步處理是將兩塊GPS接收機的數(shù)據(jù)進行時間上的同步處理，以便應用于后面的差分數(shù)學模型。 差分數(shù)據(jù)處理模塊是將兩塊GPS接收機在同一時間上的數(shù)據(jù)應用第4章所述的差分方法處理，來消除共模誤差。 模糊度解算模塊是調(diào)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行測姿所必須的整周模糊度值的解算。它是系統(tǒng)軟件算法的核心。 姿態(tài)解算模塊是利用經(jīng)過整周模糊度算法處理后的數(shù)據(jù)解算出載體的姿態(tài)信息。 數(shù)據(jù)輸出就是將解算出的載體坐標、姿態(tài)的信息實時的輸出。得到當?shù)氐乩砦恢眯畔⒑妥藨B(tài)解算結(jié)果信息等。6.2實驗仿真結(jié)果 在系統(tǒng)的研制初期，我們只是初步進行了相對驗證，在已知具體位置的兩個固定點安置兩個GPS接收天線，通過兩塊GPSOEM板實時讀取跟蹤到的衛(wèi)星載波相位、偽距、天線坐標和衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，再利用PC中的VC++6.0軟件編寫后處理程序?qū)λ鶞y得的數(shù)據(jù)進行模糊度搜索、姿態(tài)解算[55]，最后得出當前載體的偏航角和俯仰角。由于條件所限，無法模擬動態(tài)工作環(huán)境進行實驗。所以本文在靜態(tài)的環(huán)境中，做了雙天線單基線的測向定位實驗，以證明系統(tǒng)算法的可行性和正確性。實驗測量系統(tǒng)框圖如下所示：GPSGPS板卡1GPS板卡2接口電路處理器數(shù)據(jù)采集PC后處理天線1天線2基線GPS電纜接口電路圖6.2實驗系統(tǒng)框圖Fig.6.2Theframemapoftheexperimentalsystem 本文設計的GPS定向系統(tǒng)軟件是以計算載體上的基線的方向向量來得到載體的二維姿態(tài)(航向角和俯仰角)。軟件設計時應注意以下幾點：(1)接收機的天線要盡量裝在寬闊無遮擋的地方。(2)接收機天線要盡量安裝在同一平面上，避免引起測量誤差。 實驗采用兩塊加拿大NovAtel公司的OEMV-1板卡，基線長度為2m，基線在載體坐標系的矢量是利用GPS載波相位靜態(tài)測量下，通過對采集數(shù)據(jù)進行的算法軟件后處理得到的[56]。實驗是在耐威公司的工廠進行，數(shù)據(jù)采集期間天氣狀況良好，野外無遮擋物，共跟蹤到8～11衛(wèi)星。OEM板數(shù)據(jù)輸出率設置為5Hz，通過對DOP的計算來進行選星。定向系統(tǒng)的天線擺放如圖6.3所示。經(jīng)過靜態(tài)實驗測量，對兩個GPS數(shù)據(jù)進行實時同步采集，得到的GPS原始數(shù)據(jù)由設計的姿態(tài)。解算軟件解算基線長度和姿態(tài)角(俯仰角和偏航角)的相對測量結(jié)果分別如圖6.4，圖6.5，圖6.6所示。經(jīng)Matlab程序處理得到基線的均方根誤差為0.0055，航向角的均方根誤差為0.2858，俯仰角的均方根誤差為0.654。Hemisphere公司的VectorII產(chǎn)品的航向角RMS為0.1°-0.5°。實驗表明，通過本文提出的算法，經(jīng)過設計的硬件設備，成功解算出載體上兩天線間基線的方向矢量，得到載體的二維姿態(tài)信息。實驗結(jié)果表明，在系統(tǒng)正常工作前提下，系統(tǒng)解算出的航向角和俯仰角，且具有較高的精度。從圖中可以看出得到有效數(shù)據(jù)的時間小于3min，優(yōu)于VectorII的5分鐘初始化時間。圖6.3天線擺放示意圖Fig.6.3Thesketchmapoftheantennasposition圖6.4偏航角實驗結(jié)果Fig.6.4Theresultofheadingmeasurement圖6.5俯仰角實驗結(jié)果Fig.6.5TheresultofPitchmeasurement圖6.6基線長度實驗結(jié)果Fig.6.6Theresultofthebaselinemeasurement6.3本章小結(jié) 本章介紹了實際測試中系統(tǒng)的軟件設計流程和系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，通過實驗采集得到GPS的原始數(shù)據(jù)，并利用編寫的后處理軟件，經(jīng)過提出的算法處理，快速的解算出整周模糊度和載體的二維姿態(tài)信息。將得到的姿態(tài)信息用Matlab進行了處理[57]，得到仿真實驗的結(jié)果，驗證算法的可行性和正確性。江蘇科技大學工學碩士學位論文結(jié)論結(jié)論GPS姿態(tài)測量是GPS一個新的應用領域，發(fā)展前景相當廣闊，基于GPS的運動載體姿態(tài)測量方法有多種，本文在應用GPS載波相位測量載體姿態(tài)的理論基礎上，發(fā)展了新的算法，可用于約減搜索空間，加快模糊度的搜索速度和準確性。并且結(jié)合具體的OEM板，采用雙ARM的主從設計模式，設計了一個基于雙天線的GPS姿態(tài)測定系統(tǒng)，并通過C語言對該系統(tǒng)測得的原始數(shù)據(jù)進行后處理解算，驗證了該系統(tǒng)在二維測姿應用中的可行性和正確性。 本文主要完成了以下工作：(1)簡要介紹了GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，討論了GPS接收機的組成功能單元及GPS定位原理，在闡述了GPS載波相位測量及應用載波相位測量進行姿態(tài)測定的一般性原理后，推導了雙天線接收機解算姿態(tài)的差分模型算法。重點闡述了如何簡約模糊度搜索空間，快速得到整周模糊度的新算法。(2)分析了加拿大NovAtel公司的GPSOEMV-1板卡輸出的二進制數(shù)據(jù)格式，便于系統(tǒng)實驗仿真，用C語言編寫了OEM板二進制原始數(shù)據(jù)的采集與解算程序，并進行了測試和驗證。(3)給出應用NovAtelOEMV-1板卡和LPC2138ARM7芯片組成的系統(tǒng)軟、硬件設計方案，完成了系統(tǒng)的硬件設計及調(diào)試工作，用C語言實現(xiàn)了基于上述系統(tǒng)的兩塊板卡的衛(wèi)星載波相位、偽距、位置坐標和星歷等數(shù)據(jù)的實時接收與解算功能。(4)在實驗測得的數(shù)據(jù)基礎上，用C語言編寫了模糊度搜索和姿態(tài)角解算的后處理程序并在VC++6.0軟件下運行，得到姿態(tài)數(shù)據(jù)、位置坐標等數(shù)據(jù)結(jié)果，并運用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析，驗證系統(tǒng)的可行性和正確性。本文以加拿大NovAtel公司的兩塊GPSOEM板卡和飛利浦公司的LPC2138ARM7芯片，初步實現(xiàn)載體的姿態(tài)解算系統(tǒng)，但完整的系統(tǒng)設計還有很多工作要做：(1)更加深入地掌握GPS系統(tǒng)的工作原理，特別是關于載波相位測量應用的一些新的發(fā)展理論，以及在如何提高GPS測量精度上可以采用的一些新的方法。如整周模糊度解算的新方法、LAMBA解算方法和采用高精度的差分測定方法等。(2)在完成的現(xiàn)有硬件設計及調(diào)試基礎上，綜合考慮系統(tǒng)的各種指標要求，進一步完善系統(tǒng)的硬件功能模塊。在雙天線定位測向成功的前提下，可以考慮使用三天線或多天線的方案來得到載體的三維姿態(tài)的新方法。(3)在深入掌握GPS姿態(tài)測定的理論前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)讀取、解算與數(shù)據(jù)算法、姿態(tài)解算等功能塊，完成系統(tǒng)的軟件功能。同時開發(fā)實時性系統(tǒng)，在此基礎上將C語言編寫的算法軟件嵌入到系統(tǒng)中，來完成整個系統(tǒng)的軟件設計。江蘇科技大學工學碩士學位論文參考文獻參考文獻[1] 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