基于MOOS-i v p的卫星定位导航系统增强设计

东北石油管道有限公司 李志辉 傅庆华中国移动通信集团辽宁有限公司 于文浩

东北石油管道有限公司 杨 福 梁晓莉 肖雅琴 孟 博

1.绪论

近年来，将移动卫星网络MSS与地面网络组成一体化网络，综合地面网络容量大、速率高、支持业务多的特点以及移动卫星网络MSS覆盖范围广、通信距离远、不受地理环境限制的特点，通过一体化设计实现移动网络的全天候与全地域覆盖。目前，物联网技术广泛应用于城市智慧交通中，城市居民利用手机、平板电脑等终端实时查询公交位置与公交路线的需求逐渐增多，对公交车等交通工具进行实时定位与导航显得尤为重要。基于此，本文提出一种基于MOOS-ivp无人通信体系及星地一体化网络策略的卫星定位导航系统的设计方案。

2.星地一体化网络策略简介

在星地一体化网络中，地面网络由移动卫星网络管理，二者互为延伸，充分互补，该网络由终端、无线接入网以及核心网三部分组成：

（1）终端部份：终端同时支持移动卫星网络及地面网络接口；

（2）无线接入网（地面网络）部分：星地一体化网络在地面部署了基于MSS频段的蜂窝网络。并于移动卫星网络互相补充；

（3）核心网（卫星网络）部分：星地一体化网络的核心网支持全IP核心网，即LTE的演进分组核心网EPC。移动卫星网络通过卫星网关接入EPC核心网，由卫星网关负责两种网络的接口协议转换。分组数据网关PGW提供核心网与外部分组数据网络的连接。网络控制中心NCC配置有多各功能模块来实现星地一体化网络中的核心管理功能。

3.卫星定位导航系统设计

3.1 系统结构

基于MOOS-ivp体系的卫星定位导航系统是软硬件相结合的系统，本文设计的定位导航系统主要包括地面控制子系统、基站控制子系统及星际控制子系统。将MOOS-ivp体系装载至嵌入式微型计算机中，部署于地面及基站控制子系统实现位置信息的实时传输功能。这三个子系统之间的相互关系如图1所示，其主要功能如下：

（1）地面控制子系统：主要负责对地面网络资源进行实时监控，与基站的数据交互；

（2）基站控制子系统：主要负责地面网络与星际网络的通信，及时分发位置信息至移动端；

（3）星际控制子系统：主要负责处理星间信号干扰，合理规划星上网络资源。

通过装载在公共交通工具上的GPS通信模块，实现车辆位置信息的监测功能。地面控制子系统将车辆的位置信息上发至基站控制子系统，基站控制子系统存储各车辆的位置信息，并将各车辆的位置信息传送至公交出行平台，平台统一将位置信息传送至用户APP侧，真正实现用户足不出门实时查询公交信息。目前国内公交查询的主流软件包含“车来了”、“8684公交查询”、“青岛公交查询”等，本系统将服务于各类交通出行平台的用户侧APP中，实现公交站点实时查询，公交路线实时查询功能。因此本文的重点在于地面控制子系统与基站控制子系统的介绍。

图1 系统架构图

3.2 地面控制子系统、基站控制子系统设计

地面控制子系统及基站控制子系统以嵌入式系统为基础，前者部署于公交出行平台所接入的公交车、地铁等交通工具，其主要功能是通过承载的GPS通信模块确定公共交通工具的位置信息，并通过无线通信将相关数据信息传送至基站控制子系统。为实现位置信息的实时传输，我们选取目前国际通用的无人系统通信系统MOOS-ivp作为地面控制子系统的软件系统，并开发相应的GPS数据解析程序实现位置信息的传输。

3.2.1 MOOS-ivp的通信原理

MOOS（Mission Oriented Operating Suite）是一种适用于无人系统通信的分布式软件控制系统，由麻省理工学院的Paul Newman于2001年提出，目前广泛应用于自主式水下航行器的高自主性控制。MOOS自身所具备发布-订阅通信模式以及分布式结构设计的特点，引起众多无人系统的研究机构的关注。MOOS是一套开源软件系统，主要基于发布-订阅模式，采用模块化的思想将传感器硬件转化为不同的功能模块。各模块间不存在端到端的通信连接，而是需要通过MOOSDB（MOOS Database数据信息服务器）完成模块间的数据通信。MOOS体系具有特点如下：

（1）模块化软件设计：模块化设计思想在软件系统维护与功能扩展方面优势明显，同时为研发人员进行系统联合调试提供方便。GPS数据解析程序被实例化为具体的功能模块，MOOS体系为功能模块提供统一的通信协议与接口标准，从真正意义上实现代码复用。数据的流通仅限在功能模块与MOOSDB之间进行，充分体现软件系统分工明确、稳定性强的特点。

（2）星型网络结构：功能模块（MOOSApp）与数据信息服务器（MOOSDB）进行点对点的通信，以MOOSDB为中心构成星型通信网络结构。各功能模块将解析后的数据传送到MOOSDB并从MOOSDB获取已订阅的消息。MOOSDB负责协调各功能模块，进行信息的收发与共享。功能模块与MOOSDB的信息交互基于网络通信的Client-Server模型。

（3）分布式结构设计：对于集群系统，分布式结构能够有效的对计算机资源进行优化配置，并使用有效的网络协议将集群系统中所携带的嵌入式微型计算机组成局域网，通过MOOSDB间的数据流通完成各PC上的任务进程与数据解算，从而将多台计算机看作一个整体的计算机系统，实现资源的合理分配。

3.2.2 GPS数据解析程序的开发

MOOS体系包含功能丰富的库函数，其中库函数MOOSLib是实现功能模块和MOOSDB通信的重要工具。库函数MOOSLib的类CMOOSApp定义了多个有用的虚函数包含OnStartUp( )、Iterate( )、OnNew-Mail( )等。开发人员只需编写一个继承于CMOOSApp的子类，重载其中所需要的虚函数，即可完成功能模块的开发；同时CMOOSInstrument类为各功能模块通过串口与硬件之间的通信提供组件。

当子类函数Run( )被调用时，程序从函数OnStartUp( )开始执行，此函数首先读取用户的配置文件并初始化传感器与串口，当串口接收到新的数据时，函数OnNewMail( )会被调用，功能模块获取已订阅的其他模块的消息，当子类执行过OnNewMail( )函数后，程序执行函数Iterate( )完成对原始数据的解析功能。函数Iterate( )以一定的频率执行，研发人员调用SetAppFreq( )或者设置参数AppTick的值在对应配置文件中设定循环频率，功能模块不断接收来自MOOSDB的数据，在函数Iterate( )编写相关代码完成数据的解析。

利用CMOOSApp类开发GPS数据解析程序的基本步骤如下：

（1）新建功能模块的主函数文件，命名为“ZhiHuiGPS.cpp”；

（2）新建继承于CMOOSApp的子类CZhiHuiGPS，在主函数声明子类的对象ZhiHuiGPS；

（3）用子类的对象调用CZhiHuiGPS的成员函数Run( )；

（4）根据GPS的配置需求重载OnStartUp( )、Iterate( )、On-NewMail( )函数。

3.2.3 地面及基站控制子系统间通信程序的开发

MOOS包含丰富的库函数，其中CMOOSClient类提供功能模块与MOOSDB的通信线程，调用接口函数建立通信连接实现消息的分发功能。各公交工具的GPS均被CMOOSClient类抽象成不同的功能模块，模块化的设计有效实现代码的复用，依靠MOOS稳定的通信机制有利于研究人员维护与二次开发相关软件。在MOOS体系中，MOOSDB与功能模块以及功能模块之间的通信均是基于MOOSDB的消息分发机制。功能模块与MOOSDB的通信机制基于Client-Server工作模式，当建立Socket连接后，MOOSDB的消息分发步骤如下：

（1）客户端A调用Notify函数把待传输消息（Msg）存储在输出信箱OutBox中；

（2）传递线程（CommsThread）向MOOSDB发送数据传输请求，MOOSDB在空闲状态时响应客户端请求并发送应答；

（3）客户端将存储在OutBox的消息打包生成CMOOSPkt，传输到MOOSDB中；

（4）MOOSDB收到的客户端A的数据包Msg，完成两件工作：第一，根据研发人员制定的数据格式对数据包进行拆分与解析；第二，根据功能模块对数据的订阅需求，将收到的数据发送到相应的输入信箱InBox中；

（5）其他客户端调用Register函数向MOOSDB发送数据订阅请求；其他客户端调用Fetch函数提取与恢复原有的数据。

MOOSDB消息分发机制原理如图2所示：

图2 MOOSDB消息分发机制

MOOS体系提供功能模块pMOOSBridge用于不同MOOSDB间的通信。作为建立MOOS派生系统的重要工具，它允许消息在不同的MOOS体系传输而无需考虑单个MOOS体系的拓扑结构，pMOOSBridge在不同的MOOSDB之间起到桥梁的作用，调用该功能模块时首先读取用户的配置文件，然后在MOOSDB中订阅与获取相关的数据信息，最后完成对已定义数据的转发。其通信原理如图3所示：

图3 pMOOSBridge通信原理

3.3 地面控制子系统、基站控制子系统的功能实现

在完成GPS数据解析程序（ZhiHuiGPS ）与子系统间通信程序（pMOOSBridge）的开发后，使通信程序订阅GPS 的经纬度信息，将实时位置信息通过pMOOSBridge功能模块传送至基站控制子系统，pMOOSBridge功能模块设定发送时间间隔为1s,GPS解析经纬度原始语句的频率为1Hz，MOOS-ivp体系具有独特的数据保存功能，在GPS信号出现断续或者失联时，MOOSDB将信号断续的上一周期的数据信息分发至pMOOSBridge功能模块，并在信号恢复连接时刷新数据。

在地面控制子系统与基站控制子系统装载嵌入式微型计算机并集成MOOS-ivp体系，将不同公交、地铁线路的GPS被抽象为不同的功能模块，基站控制子系统根据不同功能模块的位置信息解析各条线路的轨迹图，并传送至公交出行平台，在用户侧实现公交线路与公交位置的实时查询。

4.小结

本文主要研究基于MOOS-ivp的卫星定位导航系统的增强设计。首先提出一种星地一体化的网络策略基础，其次对增强后的卫星定位导航系统的总体设计以及各个子系统的功能进行详细介绍，然后对基站控制子系统、地面控制子系统进行详细的设计和实现，以MOOS-ivp体系为核心，实时传输公交工具的位置信息。该系统具有广泛的应用场景，可适用于城市各种公共交通领域中，为智慧城市建设做好基础。

[1]蔺萍.星地一体化网络基于资源分配的干扰协调技术研究[D].哈尔滨工业大学,2017.

[2]谭璐.星地一体化网络协作通信与网络编码技术研究[D].哈尔滨工业大学,2017.

[3]刘伦伦.MOOS-IvP理论概述及应用简析[J].科技创新导报,2016,13(13):83-87.