基于LEA-6R的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 為了在隧道，城市高樓間能快速獲得理想的GPS定位數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于U—Blox公司LEA-6R芯片的高靈敏度傳感器組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，文中介紹了外圍電路，天線監(jiān)管電路和在WinCE6系統(tǒng)下的程序設(shè)計(jì)、實(shí)踐證明，在衛(wèi)星不可見(jiàn)的情況下，該系統(tǒng)仍能在隧道和城市高樓中不間斷地計(jì)算出準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)。其定位精度滿足正常的需求。
關(guān)鍵詞 陀螺儀；慣性導(dǎo)航；UBX協(xié)議；通訊

    現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)之一?，F(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度高，但無(wú)法連續(xù)提供運(yùn)載體位置信號(hào)，同時(shí)，當(dāng)運(yùn)載體產(chǎn)生劇烈動(dòng)作或當(dāng)導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)信噪較低時(shí)定位精度將大幅降低。慣性導(dǎo)航是完全自主式的導(dǎo)航技術(shù)，慣性導(dǎo)航僅僅依靠陀螺儀等設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航。但慣性導(dǎo)航的誤差將隨時(shí)間而發(fā)散。將衛(wèi)星定位系統(tǒng)與傳感器慣性導(dǎo)航技術(shù)組合，組合后的衛(wèi)星／慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能改善導(dǎo)航位置和速度信息的精度，從而改善導(dǎo)航系統(tǒng)性能。作為車載導(dǎo)航時(shí)，在衛(wèi)星不可見(jiàn)的隧道、地下停車場(chǎng)，城市的高樓間，仍將取得較好的定位數(shù)據(jù)。衛(wèi)星／慣性組合定位系統(tǒng)是目前導(dǎo)航系統(tǒng)重要的研究?jī)?nèi)容之一。
    U—Blox公司提供的LEA-6R GPS芯片，將外部傳感器的信號(hào)和接收到的GPS信號(hào)相組合，較好地提供了實(shí)現(xiàn)GPS和傳感器慣性導(dǎo)航技術(shù)組合的平臺(tái)。

1 車載傳感器組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 LEA-6 R
    U—Blox公司的產(chǎn)品是全球靈敏度最高的民用級(jí)芯片，跟蹤靈敏度可達(dá)-162 dBm。產(chǎn)品支持標(biāo)準(zhǔn)NMEA Protocol協(xié)議和公司自定義精簡(jiǎn)的UBX Protocol通訊協(xié)議。在該公司的KichStart×信號(hào)捕獲加速引擎的支持下，可快速捕獲微小的信號(hào)。LEA-6R能實(shí)現(xiàn)2．5 m高精度GPS／1 m伽利略雙系統(tǒng)混合精確定位，并采用革新的多徑檢測(cè)以及消除技術(shù)，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境、5 Hz的數(shù)據(jù)刷新率下，仍能保持較高的定位精度。LEA-6R芯片內(nèi)部的Flash中集成了U—Blox公司專用的傳感器與慣性導(dǎo)航融合技術(shù)。通過(guò)將高性能U—Blox 6定位引擎與U—Blox的慣性導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，配以少量的外圍傳感器電路，即可在隧道、深度室內(nèi)和高樓林立的城區(qū)等地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不間斷地精確導(dǎo)航。
1．2 系統(tǒng)組成
    LEA-6R芯片與有源天線、天線監(jiān)測(cè)電路、方向傳感器、陀螺儀、溫度傳感器、里程計(jì)共同構(gòu)成傳感器組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。LEA-6R和U—Blox公司其他系列芯片相同，都具有USB接口，R-232接口，可方便的與主機(jī)通訊。LEA-6R總體框圖如圖1所示。

1．3 天線監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)
    LEA-6R支持無(wú)源天線和有源天線。有源天線的內(nèi)部設(shè)有一個(gè)低噪聲放大器(LNA)，用于補(bǔ)償信號(hào)的衰減，提高信號(hào)的信噪比，增加CPS的靈敏度。在采用有源天線的同時(shí)，為防止有源天線內(nèi)部的放大器短路和開(kāi)路時(shí)損壞或影響GPS的正常工作，LEA-6R內(nèi)部設(shè)置了天線監(jiān)管器，提供了天線關(guān)斷及短路檢測(cè)功能。開(kāi)路檢測(cè)由外部電路輸入到AADET—N端進(jìn)行檢測(cè)完成。GPS內(nèi)部的天線監(jiān)管器和外圍的開(kāi)路檢測(cè)電路，能有效地防止有源天線在短路或開(kāi)路時(shí)損壞GPS芯片。天線監(jiān)管電路如圖2所示。

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1．4 LEA-6R監(jiān)測(cè)保護(hù)功能
    (1)有源天線電源的供給。有源天線可獨(dú)立的外部供電，也可使用GPS的工作電壓。在使用GPS的工作電壓時(shí)，工作電壓Vcc經(jīng)芯片內(nèi)部的FB由Vcc_RF輸出，Vcc_RF通過(guò)外接電阻R2至V_ANT，V_ANT經(jīng)由芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)和FB，經(jīng)由RF_IN輸出，和同軸電纜的接地屏蔽層一同提供給有源天線。
    (2)短路保護(hù)時(shí)的工作過(guò)程。當(dāng)有源天線內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，流經(jīng)R2的電流增大，當(dāng)ANTSHORT檢測(cè)到電流過(guò)大時(shí)，由ANTOFF斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，切斷電源通路。
    (3)開(kāi)路保護(hù)時(shí)的工作過(guò)程。當(dāng)天線開(kāi)路時(shí)，電流經(jīng)R2流向T2，T2導(dǎo)通，AADET_N引腳上的電壓上升為2．9 V，GPS在檢測(cè)到AADET_N為高電平時(shí)，即可根據(jù)事先設(shè)置采取相應(yīng)的動(dòng)作。
1．5 外部傳感器電路
    外部傳感器為GPS接收信號(hào)微弱或衛(wèi)星信號(hào)不可見(jiàn)時(shí)提供了必要的信息。在衛(wèi)星不可見(jiàn)時(shí)，陀螺儀、方向傳感器、溫度傳感器和GPS衛(wèi)星定位的最后一次數(shù)據(jù)在LEA-6R中進(jìn)行運(yùn)算，從而得出定位的數(shù)據(jù)。因此外圍傳感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中較為重要的一部分，電路如圖3和圖4所示。

    XV-8000CB陀螺儀的工作電壓是5 V，輸出模擬電壓經(jīng)LTC1860的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號(hào)，通過(guò)SPI串行總線送入LEA-6R，經(jīng)SPI總線傳輸數(shù)據(jù)的還有LM70溫度傳感器。SPEED的數(shù)據(jù)由里程計(jì)，或由車內(nèi)的OBD口輸出，經(jīng)HCP-070L光電隔離、整型后送入LEA-6R。經(jīng)LEA-6R內(nèi)部運(yùn)算后的定位數(shù)據(jù)直接由LEA-6R的串口或USB口輸出，輸出的數(shù)據(jù)格式符合NMEA協(xié)議或者U-Blox公司的UBX協(xié)議。
1．6 LEA-6 R的協(xié)議
    LEA-6R支持NMEA-183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和U—Blox公司專用的UBX協(xié)議。兩種協(xié)議可以互相切換。UBX協(xié)議的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    其中，Sync char1 Sync char1為2 Byte UBX協(xié)議的特征符，分別為OXB5和OX62；CLASS為定義了信息的子集，UBX協(xié)議將所有可交換信息都進(jìn)行了分類(Class)；ID為每一類子集所屬信息的信息編號(hào)；LENGTH LittleEndian為有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，表示的時(shí)候是低位在前高位存后。長(zhǎng)度包括特征符，Class，ID，和校驗(yàn)字節(jié)；Payload為變量長(zhǎng)度字段；CK_A，CK_B為16位的校驗(yàn)字段。[!--empirenews.page--]
    校驗(yàn)方法如下：
   
    其中，BUFFER[I]表示CLASS到Payload的所有無(wú)符號(hào)整型數(shù)。
    陀螺儀，溫度傳感器，天線監(jiān)管器的開(kāi)啟和關(guān)閉等外圍設(shè)備的配置信息，其信息的子集類(Class)為CFG(Configuration input Messag es)，如果CFC類對(duì)LEA-6R的配置成功，LEA-6R會(huì)返回ACK—ACK信號(hào)，反之則返回ACK—NAK信號(hào)。
    例：天線配置UBX—CFG—ANT。
    UBX協(xié)議說(shuō)明中可以查到，協(xié)議的格式如圖6所示。

    默認(rèn)狀態(tài)下，開(kāi)啟電壓控制信號(hào)AADET引腳，允許短路檢測(cè)和自動(dòng)短路修復(fù)，但電路未啟動(dòng)。其中，Sync char1 Sync char2為OXB5和0X62；CLASS為0X06；ID為0X13(天線控制)；LENGTH LittleEndian為0X04，0X00(指Payload的長(zhǎng)度為4 Byte)；Payload為由Bitfiled flags和Bitfiled pins二個(gè)字長(zhǎng)16位控制位組成。Bitfiled flags是對(duì)天線監(jiān)管器開(kāi)啟等的控制。Bitfiledpins是對(duì)AADENT等管腳的控制?？刂莆粚?duì)管腳的控制說(shuō)明，在CFG—ANT格式中可以查到。文中，Bitfiled flags取0XC2，0X10，Bitfiled pins取0X0F，0x64；CK_A，CK_B為16位的校驗(yàn)字段。
    發(fā)送到LEA-6R中開(kāi)啟天線監(jiān)測(cè)電路的數(shù)據(jù)為B5 62 06 13 04 00 04 00 0F 64 94 5F。
1．7 UBX協(xié)議中數(shù)據(jù)的讀取
    UBX協(xié)議與NMEA協(xié)議的區(qū)別是：MNEA協(xié)議每秒自動(dòng)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，UBX協(xié)議是在收到發(fā)送命令的情況下，才發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令格式除了Payload為空外，其他與UBX協(xié)議的格式相同。例如，讀取天線配置狀態(tài)，發(fā)送的數(shù)據(jù)如圖7所示。

    系統(tǒng)在收到此命令后，會(huì)返回天線配置狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

2 程序設(shè)計(jì)
    LEA-6R的串口可直接與MCU相連接進(jìn)行通訊。為及時(shí)處理GPS的信息，以及考慮到車載儀器和其他信息需要處理，在對(duì)GPS信息的處理上采取了多線程編程。
    讀線程流程如圖8所示。

    在Windows CE下，使用EVC語(yǔ)言對(duì)GPS的配置，數(shù)據(jù)的讀寫進(jìn)行多線程編程。多線程的編程包括線程的創(chuàng)建、啟動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)控制、同步及數(shù)據(jù)通信和線程的正常／非正常退出。程序可分成3部分：(1)打開(kāi)串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。(2)讀寫串口數(shù)據(jù)。(3)數(shù)據(jù)接收完成后有效數(shù)據(jù)的提取。

3 結(jié)束語(yǔ)
    雖然該系統(tǒng)在隧道中長(zhǎng)時(shí)間得不到信號(hào)時(shí)定位進(jìn)度有所下降，但經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，LEA-6R傳感器組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在一般隧道和城市的高樓間能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，能使運(yùn)行中的車輛取得完整的車輛定位數(shù)據(jù)，對(duì)于車輛遠(yuǎn)程診斷儀有一定的實(shí)際意義。