手持式DGPS/AHRS组合导航系统设计＊

孙良义 段建红

（91388部队94分队 湛江 524022)

1 引言

船体航向、姿态、位置和速度不但是船舶导航的重要参数，还是以船舶为测量平台进行各项湖上、海上试验的重要数据。AHRS（Attitude and Heading Reference System)如惯性导航系统和GPS姿态测量系统均可提供连续性好、稳定性高的航向、姿态信息，DGPS（Differential Global Position System)可提供连续、高精度、实时的时间基准、位置、速度等数据，两种系统都被广泛应用于各项试验中［1～3］。嵌入式系统以其低功耗、小体积、高稳定性、便携和软硬件易裁剪等优势［4～5］，在GPS领域的应用中占据重要位置。本文研究基于ARM920T内核的嵌入式微处理器S3C2440A和WindowsCE6.0的DGPSAHRS组合导航系统，以解决上述常规系统在空间狭小、条件简陋的平台环境中存在的架设、供电困难，使用维护不便的问题。

2 硬件设计

2.1 系统组成

系统硬件主要由四部分组成：ARM主控模块，DGPS模块，AHRS模块，供电模块。ARM主控模块负责整个系统的运行，DGPS模块负责输出GPS定位信息，AHRS模块负责输出姿态和航向信息，供电模块负责为其它三个模块供电，硬件构成如图1所示。

图1 系统硬件设计结构图

2.2 ARM主控模块

核心板由Samsung公司推出的32位400MHz微处理器S3C2440A［6］、64MB的SDRAM 和64MB的 Nand Flash存储芯片组成，外围扩展1个RS232串口、1个UART接口、1块7寸LCD触摸屏、电源接口、RTC电路、复位电路、网络接口、JTAG接口、SD卡接口、USB口等接口资源。SDRAM存储器用于运行系统主程序，具有掉电保护功能的Nand Flash存储器用于存储操作系统内核、Bootloader的启动代码和开发程序，扩展的RS232串口COM1用于接收AHRS模块输出的姿态和航向信息，扩展的UART有3个串口，串口COM2用于采集DGPS模块输出的数据信息，7寸TFT电阻式触摸屏用于人机交互和显示导航软件信息，USB口用于下载WINCE内核文件及与软件开发主机进行数据交互，JTAG调试接口用于硬件调试和烧载Bootloader。

2.3 DGPS模块

由Crescent GPS OEM板HC12、电平转换板和差分天线组成。HC12［7］是一款高性能单频12通道接收机，定位精度可达亚米级，数据输出采用NMEA－0183标准，速率可高达20Hz。HC12有3个全双工3.3VCMOS电平串口（A，B，C)，COM A直接与 ARM 主控模块COM2相连，用于进行HC12参数设置或输出定位数据信息，COM B电平转换为RS232电平后可接入PC机，同样可用于HC12参数设置或输出定位数据信息，COM C串口备用。HC12输入电压为3.3V，而供电模块输出电压为5V，需要进行电平转换。采用AMS1117－3.3芯片转换电源电压，MAX3232芯片转换串口电平，通过1个34Pin的转接头实现HC12电源供电和外部通信，电平转换电路见图2。

图2 电平转换电路原理图

差分天线选用Hemisphere公司的A30天线，它可接收GPS、SBAS和Beacon信号，具有多波段接收能力，能在高电气噪声和其它干扰条件下保持高精度的信号接收。

2.4 AHRS模块

选用荷兰XSENS公司的 MTi［8］，它是一个基于微电子陀螺技术的微型姿态、航向测量系统，内部处理器功耗低，可360°全方位输出姿态和航向，输出的航向角无漂移，具有长时间稳定性和快速动态响应的特点，其纵倾横滚精度小于0.5°，航向角静态精度小于1°，动态精度小于2°。

2.5 供电模块

由5V充电电路、锂电池组和升降压电路组成，其中锂电池组含有八块Samsung公司18650型2400mAh锂离子电芯。该模块输出参数为电压5V、电流1A，分别为ARM主控模块、AHRS模块和DGPS模块供电，供电时间不少于5小时。

3 软件设计

系统软件基于WINCE6.0［9］操作系统，在Visual Studio2008开发环境下进行设计。软件采用层次模块化方法进行开发［10］，分为三层九个子模块，体系结构如图3所示：数据接入层、信息处理层、功能应用层。接入层：参数设置、串行接口、网络接口；信息处理层：数据解析、数据平滑、数据存储；功能应用层：海图显示、图符标绘、航路规划。

图3 系统软件体系结构

3.1 数据接入层

串口模块主要完成AHRS和DGPS模块的参数初始化设置和导航定位数据的接收。通过串口建立DGPS模块与ARM的连接，设置接收机应用模式为SBAS，并设置串口通信波特率、串口输出的NMEA语句及输出速率、最大差分龄期和卫星仰角等参数。DGPS加电后便自动搜索卫星，并通过串口以每秒一次的频率向ARM发送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。

程序开辟了两个线程，一个用于读取HC12导航数据，一个用于读取AHRS姿态航向数据。通过多线程方法可有效避免不断调用WaitCommEven（)函数导致的阻塞。两个线程将数据读到缓冲区后交给信息处理层进行处理。

网络模块主要实现系统参数的远程配置管理，并将本地导航定位数据分发到其他站点，实现信息交互共享。

3.2 信息处理层

主要完成姿态航向数据和导航定位数据的解析提取，通过平滑滤波去除野值点后保存到本地磁盘文件，并提交给功能应用层。

3.2.1 定位数据解析

DGPS模块通信标准为NMEA－0183格式，输出数据采用的是ASCⅡ码，主要有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VGT等数据格式，每种格式的数据帧均以“MYM”开头，然后是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”组成ID信息头，接着就是以逗号分割的数据体，末尾为校验值，以回车换行符结束。本设计只关心日期、时间、经纬度、地面速度等，选用GPRMC数据格式，如表1所示。

表1 GPRMC数据格式

图4 AHRS输出数据格式

AHRS模块通信标准为FLOATS型，数据格式图4所示，串行通讯参数为：波特率＝115200，数据位＝8位，停止位＝2位，无奇偶校验。

3.2.2 数据平滑

当DGPS天线被遮挡或被其他大功率信号干扰时，将影响其正常接收卫星数据，从而产生不可测的野值点，需要根据最近历史数据将其剔除。设计中采用最小二乘法，样值点可自定义，默认为10个，经过处理，可以有效去除野值点，得到平滑的航迹曲线。

3.3 功能应用层

主要利用下层提交的定位、姿态和航向数据在电子海图上实时绘制本船航迹、标牌等，并在信息显示页面实时刷新显示本船经纬度、航向、航速信息。并提供图符标注和航路规划功能，以更好地支持导航定位应用。

3.4 软件界面

图5所示为系统接收GPS导航数据后处理并显示的软件界面，在左边显示区基于电子海图实时显示本船标牌和航迹，在右边控制区有四个标签页，依次是导航信息、显示控制、系统设置、外部通信。

在“系统设置”页面设置好串口端口号和波特率后，即可打开串口接收数据，选择“保存数据”按钮可将数据以文本格式保存，用于事后处理和分析。选择“航路规划”按钮，可完成航路点添加、修改、删除等管理。

“导航信息”页面的信息显示区实时显示从DGPS模块输出的NMEA格式导航数据和AHRS的姿态数据，包括时间、经纬度、航向、航速、横摇、纵摇等参数。选择任一航路点，可实时解算出本船与该点的直线距离、横向偏移、纵向距离、相对方位以及到达目标所需时间。选择“航迹清除”按钮可将海图上历史航迹清除；在“海图操作”区可进行海图缩放、局部放大、海图漫游、目标居中等操作，在海图显示区，可直观显示本船与各目标点位置关系、试验态势等。

“显示控制”页面主要设置海图图层、航迹线型和线宽、目标显示隐藏状态、采样点等显示相关的参数设定。

“外部通信”主要通过简单握手的UDP方式与其他站点进行网络报文通信。软件可自动搜索在线用户，通过向对方发送握手帧或响应握手帧方式实现用户列表更新。

图5 软件界面

4 系统实验及精度分析

实验地点选在运动场开阔处，先采用静态内符合法进行精度测试。连接DGPS天线，给系统上电，运行系统软件，设置好串口参数，打开串口COM2，待差分GPS模块进入稳定差分定位后开始保存数据，采集数据约3000组，用MATLAB处理采集数据，结果如图6所示。

图6 系统圆概率误差分布图

导航定位等功能测试：手持该系统进行直线和圆形运动，观察海图区域航迹向轨迹形状；设定1个目标点，画半径为200m的圆并设置航线，分别按直线和曲线前进，观察距离、偏离、方位等参数变化；对海图进行放大、缩小和平移，分别点选本舰居中和目标居中，观察海图显示变化。

测试表明，终端软件能平稳地运行在嵌入式WINCE6.0系统上，操作界面简洁、直观、实用、功能全面，具有良好的实时性和准确性，系统定位精度（2DRMS)优于1m，航向精度优于2°。

5 结语

本文基于ARM硬件平台，以WINCE6.0为嵌入式操作系统，在Visual Studio2008下开发了串口通信导航数据软件，通过串行接口实现DGPS模块、AHRS模块与ARM之间的通信，构建了一个体积小、功耗低、功能全面的手持式DGPS/AHRS组合导航系统，并给出了详细的硬件和软件设计实现［11～12］。实验结果表明：该系统能实时显示精度较高、持久有效的导航定位数据，具有重要的实用价值和一定的参考意义。

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