一種基于雙天線的北斗定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 前期實(shí)際北斗模塊定位誤差統(tǒng)計(jì)分析申得出了北斗模塊的定位誤差分布服從正態(tài)分布，根據(jù)北斗模塊定位誤差分布的規(guī)律，利用在同一塊電路板上的雙天線模塊接收北斗定位信號(hào)，將定位信息傳給TMS320F28335DSP芯片，DSP對(duì)北斗模塊給出的定位信息做實(shí)時(shí)算法處理，并將處理后的定位信息傳給嵌入式ARM芯片，ARM芯片在TFT液晶屏上更新定位信息，同時(shí)根據(jù)用戶(hù)要求來(lái)設(shè)置北斗模塊的工作模式。在接收不到北斗定位信息時(shí)DSP利用UKF濾波算法，將預(yù)測(cè)定位信息發(fā)送給ARM芯片，并標(biāo)記為預(yù)測(cè)信息，且顯示在TFT液晶屏上。

北斗定位系統(tǒng)是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的全球定位系統(tǒng)，目前北斗定位系統(tǒng)在軌運(yùn)行衛(wèi)星已達(dá)16顆，截止2012年12月27日，我國(guó)的北斗定位系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件正式版已公布，北斗定位導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對(duì)亞太地區(qū)提供無(wú)源定位、導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)。該系統(tǒng)可為汽車(chē)、客機(jī)和輪船等常用交通工具提供定位服務(wù)，為精確制導(dǎo)武器提供定位導(dǎo)航服務(wù)，其對(duì)我國(guó)軍事國(guó)防事業(yè)擺脫對(duì)國(guó)外GPS系統(tǒng)依賴(lài)有著重要意義，另外對(duì)農(nóng)牧業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)也有著重要意義。

在眾多實(shí)際應(yīng)用背景下，如何提高衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度就顯得尤為重要。本文提出一種基于雙天線結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，以提高北斗定位模塊的定位精度為目的，在嵌入式ARM+DSP系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)北斗定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

在衛(wèi)星定位系統(tǒng)眾多應(yīng)用中，常用于描述衛(wèi)星定位精度的參數(shù)主要有水乎均方根誤差(Distance Root-Mean-Square，DRMS)、圓概率誤差(Circular Error Probable，CEP)和球概率誤差(Spherical Error Probable，SEP)等，這些參數(shù)被廣泛用于測(cè)量和各種定位系統(tǒng)中，其計(jì)算和準(zhǔn)確性與定位誤差的三維分布特征密切相關(guān)。文獻(xiàn)證明在一般情況下，定位誤差的三維分布呈橢球狀，被稱(chēng)為誤差橢球。其幾何特征主要包括橢球的軸方向、軸長(zhǎng)和軸比。軸方向是橢球的3個(gè)主軸所在的方向，軸長(zhǎng)是定位誤差在橢球軸方向上的標(biāo)準(zhǔn)差，軸比是橢球3個(gè)軸長(zhǎng)之間的比值。誤差橢球的軸比決定了真實(shí)位置落在DRMS圓上的概率。

在對(duì)文獻(xiàn)分析后，進(jìn)行單點(diǎn)100組連續(xù)北斗模塊定位測(cè)試，統(tǒng)計(jì)誤差分布規(guī)律，經(jīng)實(shí)際測(cè)試、統(tǒng)計(jì)分析得出北斗模塊的實(shí)際定位誤差近似服從正態(tài)分布，北斗定位模塊的水平定位誤差依91%的概率收斂于8～10 m之間，其中9 m處的分布概率為82%，如圖1所示。

DRMS值為9.0 m，記作R，在實(shí)際測(cè)量中北斗模塊給出一組定位數(shù)據(jù)(a1，b1)，記作A，a1、b1分別表示經(jīng)度和緯度信息，則以(a1，b1)為圓心的DRMS圓如圖2所示。

在同一塊電路板上使用雙天線模塊接收北斗定位導(dǎo)航信息，由于將兩個(gè)天線并排安放，所以在任意時(shí)刻兩個(gè)北斗定位模塊相對(duì)于北斗衛(wèi)星的通信鏈路相同，兩個(gè)北斗定位模塊可見(jiàn)星情況和接收到的前端衛(wèi)星定位信息也相同。假定某一時(shí)刻兩個(gè)模塊接收到的定位信息分別為(a1，b1)和(a2，b2)，以(a1，b1)和(a2，b2)為圓心，R為半徑的DRMS圓，兩圓記為A、B，則真實(shí)點(diǎn)依大概率收斂于兩個(gè)圓交點(diǎn)中(a3，b3)、(a4，b4)。根據(jù)前一時(shí)刻的位置信息和速度信息可排除其中一個(gè)交點(diǎn)(a3，b3)或(a4，b4)，則剩下的點(diǎn)就為真實(shí)位置的最大概率分布點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用DSP+ARM雙芯片結(jié)構(gòu)，DSP主要負(fù)責(zé)接收北斗模塊的定位信息和算法處理功能，ARM芯片負(fù)責(zé)與DSP芯片通信、控制TFT液晶屏的顯示功能。硬件設(shè)計(jì)主要包括電源部分、ARM部分、DSP部分、網(wǎng)絡(luò)部分、TFT液晶屏部分以及北斗模塊多部分的設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電源部分

系統(tǒng)使用較為常見(jiàn)的12 V電壓作為總的電源輸入，經(jīng)LM2596芯片得到5 V電壓作為DSP模塊和TFT液晶屏的電源，5 V電壓經(jīng)ASM1117得到3.3 V電壓作為ARM模塊和網(wǎng)絡(luò)部分以及TF卡的電源。

2.3 ARM部分設(shè)計(jì)

ARM芯片使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6芯片，該芯片為32位Cortex—M3內(nèi)核微處理器，主頻最高可達(dá)72 MHz，封裝為L(zhǎng)QFP100，減小了PCB板的面積。另外，還支持IO管腳的重映射配置，降低了PCB布線的難度，且支持JTAG、SWD兩種調(diào)試/下載模式，方便用戶(hù)使用市面上較為常見(jiàn)的調(diào)試工具J-LINK調(diào)試/下載程序，因此使用方便。

2.4 DSP部分說(shuō)明

DSP部分使用的芯片為T(mén)I公司的新型數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335，該款芯片最高主頻達(dá)150 MHz，采用哈佛流水線結(jié)構(gòu)，并具有片內(nèi)硬件乘法器，完成一次浮點(diǎn)數(shù)的乘加運(yùn)算只需10個(gè)機(jī)器周期，故可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)運(yùn)算。

2.5 網(wǎng)絡(luò)部分說(shuō)明

網(wǎng)絡(luò)部分主要提供了一個(gè)可選功能，當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)可將系統(tǒng)的定位信息發(fā)送到以太網(wǎng)上，供遠(yuǎn)端的用戶(hù)訪問(wèn)、查詢(xún)。

系統(tǒng)使用美國(guó)微星公司的ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片，該芯片為IEEE802.3兼容的以太網(wǎng)控制器，支持全/半雙工模式，工作電壓兼容TTL電平和CMOS電平，可編程會(huì)在發(fā)生沖突時(shí)自動(dòng)重發(fā)，可編程填充和CRC生成，用于快速發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)部FIFO、DMA以及硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算。其封裝為SSOP28，與微處理器的鏈接方式為SPI總線，因此控制方便，最高速度可達(dá)10 Mbit·s-1。

2.6 TFT液晶屏部分說(shuō)明

TFT液晶屏的每個(gè)像點(diǎn)均是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)的，從而可做到高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕信息，是目前最佳的LCD彩色顯示設(shè)備之一，其效果接近CRT顯示器，是現(xiàn)在筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)上的主流顯示設(shè)備。

系統(tǒng)使用16 bit真彩色，320×240分辨率TFT液晶屏。STM32F103ARM芯片負(fù)責(zé)TFT液晶屏的驅(qū)動(dòng)，STM32F103ARM芯片與TFT液晶屏之間使用FSMC總線通信，以完成對(duì)該液晶屏的初始化和顯示控制。

2.7 北斗模塊部分說(shuō)明

北斗模塊部分使用北京和芯星通公司的UM220北斗定位芯片，其可同時(shí)支持BD2 B1、GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)方式為USART，數(shù)據(jù)協(xié)議為NMEA 0183，默認(rèn)通信波特率為9 600 bit·s-1，并可根據(jù)用戶(hù)需要自行設(shè)定最高支持波特率為230 400 bit·s-1，其輸入/輸出信號(hào)類(lèi)型均為L(zhǎng)VTTL電平。

UM220通過(guò)串口與DSP連接，DSP通過(guò)串口完成對(duì)北斗模塊的配置，并接收其定位信息。

3 系統(tǒng)工作流程

3.1 系統(tǒng)總體工作流程

系統(tǒng)采用DSP+ARM雙核結(jié)構(gòu)，DSP與ARM各司其職。在系統(tǒng)上電后，DSP、ARM芯片完成上電復(fù)位，DSP通過(guò)USART接收北斗定位模塊的定位信息，在不失星的情況下進(jìn)行北斗雙天線定位算法計(jì)算。而DSP在進(jìn)行北斗雙天線定位算法計(jì)算后，通過(guò)串口將計(jì)算后的北斗定位信息發(fā)送給ARM芯片。若處于失星的情況下，進(jìn)行UKF算法軌跡預(yù)測(cè)，并將得到的預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送給ARM芯片，ARM芯片接收到北斗定位信息后，通過(guò)FSMC總線將定位信息更新到TFT液晶屏上，如圖5所示。

3.2 軌跡預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用無(wú)跡卡爾曼濾波(UKF)做為失星情況下的軌跡預(yù)測(cè)算法。無(wú)跡卡爾曼濾波(UKF)是一種基于最小方差估計(jì)準(zhǔn)則的非線性狀態(tài)估計(jì)器，其以非線性最優(yōu)高斯濾波器作為基本理論框架。UKF采用UT變換技術(shù)，即采用確定的樣本點(diǎn)(Sigma點(diǎn))來(lái)完成狀態(tài)變量統(tǒng)計(jì)特性沿時(shí)間的傳播，改進(jìn)了擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)不能求解雅可比矩陣以及泰勒級(jí)數(shù)線性化只具有一階的低精度問(wèn)題，其逼近精度可達(dá)二階或二階以上。U KF算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下

Step1

式中，x為未失星前時(shí)刻北斗雙天線定位所得定位經(jīng)、緯度信息;px是x的協(xié)方差;n表示系統(tǒng)狀態(tài)維數(shù);北斗應(yīng)用中n取值為2;λ是微調(diào)參數(shù)，其可控制樣本點(diǎn)到均值的距離。

式中，pzz是定位誤差的量測(cè)方差矩陣;pxz是定位誤差狀態(tài)向量與定位誤差量測(cè)向量的協(xié)方差矩陣。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 北斗雙天線定位測(cè)試

該測(cè)試需對(duì)北斗雙天線定位思想設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。在晴天的情況下，單北斗模塊定位精度約在9 m，雙天線北斗模塊定位精度約為3.3 m，GPS的定位精度約在10 m，這說(shuō)明使用雙天線結(jié)構(gòu)大幅提升了北斗定位模塊的定位精度，如表1所示。

4.2 軌跡預(yù)測(cè)測(cè)試

軌跡預(yù)測(cè)測(cè)試選定在晴天情況下，首先沿固定路線運(yùn)動(dòng)，然后重新沿固定路線運(yùn)動(dòng)，在特定時(shí)刻經(jīng)北斗雙天線定位模塊的天線取下，然后對(duì)比路線軌跡與軌跡預(yù)測(cè)算法得到的軌跡數(shù)據(jù)。如圖6所示。

圖中橫軸坐標(biāo)為經(jīng)度坐標(biāo)，標(biāo)定到“分”，均為東經(jīng)126°xx分，xx為圖中橫軸標(biāo)定坐標(biāo)值;縱軸坐標(biāo)為緯度坐標(biāo)，標(biāo)定到“分”，均為北緯45°xx分，xx為圖中縱坐標(biāo)值。實(shí)線軌跡data1為在谷歌地圖上標(biāo)定的真實(shí)運(yùn)動(dòng)路線，星點(diǎn)狀軌跡data2為得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線后，精確到重新測(cè)定運(yùn)動(dòng)軌跡失星時(shí)刻前后的運(yùn)動(dòng)路線。兩次軌跡對(duì)比結(jié)果表明，在失星情況下采用UKF算法所進(jìn)行軌跡預(yù)測(cè)得到臨近時(shí)刻定位數(shù)據(jù)的定位精度大約在10 m，介于單模塊北斗定位精度和GPS定位精度之間，但隨著失星時(shí)間的增長(zhǎng)，軌跡預(yù)測(cè)的誤差將會(huì)增大，在20個(gè)采樣點(diǎn)后，軌跡預(yù)測(cè)得到數(shù)據(jù)的誤差將增大至50 m以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

定位精度是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，經(jīng)實(shí)際測(cè)試在晴天的情況下北斗雙天線定位思想設(shè)計(jì)可大幅度提高北斗定位模塊的定位精度。而在其他的定位系統(tǒng)上，若兩個(gè)定位模塊精度相差較小時(shí)，也可應(yīng)用雙天線定位思想，提高系統(tǒng)的定位精度。

此外，系統(tǒng)還可使用性能更好的嵌入式處理器，如TI的DM37XX系列芯片，內(nèi)嵌有“DSP+ARM”雙核，既可以做復(fù)雜運(yùn)算，也可進(jìn)行復(fù)雜控制，這樣便可減小系統(tǒng)的體積與芯片使用數(shù)量，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更加便于使用。