高精度定位航向系统的设计和应用

苏章亮

摘 要：针对海洋施工工程、空间测量工程，包括施工船、无人机，在海洋、天空这种无参考系作业时，必须通过坐标的定位和航向来完成工程的施工。本文介绍一种高精度GNSS的系统和装置，能够实现亚米级的定位和航向功能，作为一种必要的航向辅助工具，可广泛应用于海洋空间的测量施工作业工程。

关键词：GNSS;航向;原理

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0073-02

1系统框架

本系统装载高精度GNSS模块，可接收GPS、GLONASS、BDS、GALILEO多星多频段，匹配稳定可靠的右旋圆极化全频段天线，保证定位和定向高精度功能。本系统搭配嵌入式硬件功能平台，包括嵌入式MCU、LPDDR2、电源管理系统、WIFI模块、4G模块、RS422/485接口、小尺寸液晶交互界面等。嵌入式软件操作系统对各个功能模块进行初始化驱动，并对定位定向数据的解算输出。系统可通过外接通讯接口传输定位航向数据给到中控端，也可以通过WIFI连接传输数据给到手持平板接收端，实现多种连接方式接收定位航向数据。[1]

（1）嵌入式平台：包括主MCU控制器、Flash、LPDDR，液晶交互。[2]

（2）GNSS模块：通过天线接收多星数据，接收CORS基准站查分数据实现亚米级定位。

（3）WIFI模块：可用于无线传输数据到接收端。

（4）4G模块：通过拨号连接基准站，接收查分数据。

（5）电源管理系统：隔离稳压输入，提供稳定的电源给系统。

（6）RS422/485接口：隔离的数据传输接口，连接到中控端，提供长距离传输功能。

本系统的基本功能构成和框架如图1。

2功能设计

2.1嵌入式平台设计

本系统MCU选用SAMA5XX系列芯片，该芯片是一款基于ARMR CortexTM-A5的高性能、节能的嵌入式微处理器，主频速度达到536MHz。32kB的数据缓存、32k的指令缓存、虚拟内存体系结构（VMSA），全集成MMU和浮点单元（VFPv4）。该芯片的核心供电电压1.2V，低功耗模式下仅0.5W。其工业级的工作温度：-40℃～+85℃，保证严苛的温度环境下稳定运行。芯片提供丰富的外设功能接口，包括I2C、SPI、UART、USB、LCD、SDIO、网络接口等，满足该方案的设计需求。系统搭配512M LPDDR2 SDRAM，256M NAND Flash，并可選配8G以上的内部eMMC存储器。

系统搭配来2.4英寸的TFT液晶，可实时显示设备的工作状态、数据传输状态。

本系统移植了Linux操作系统，在底层对各个功能接口、液晶、WIFI、4G模块、GNSS模块进行初始化驱动，并加载上层应用软件层，数据处理层，用户界面层，对接口模块和数据进行控制处理。系统基本的软件架构如图2。[2]

2.2 GNSS模块

本次选用Novatel的OEM617D模块，模块通过USB和UART与系统连接通讯。支持GPS L1/L2、GLONASS L1/L2、BeiDou B1/B2、Galileo E1/E5b。并且实现SBAS差分功能。多星系多频段实现高精度的定位定向功能。模块具备HEHDT或GPHDT航向输出，精度≤0.3度RMS，支持差分定位DGPS解算功能，水平精度达到0.4m RMS。在L1/L2的模式下水平精度达到1.2m RMS。可通过网络接收基准站查分数据，达到亚米级的定位级别。模块支持1pps脉冲信号输出，实现与远程设备的同步。[1]

2.3无线传输设计

2.3.1 WIFI模块设计

系统选用带AP功能的WFxxx-E系列的WIFI模块。支持IEEE80.11 b/g/n协议，使用SDIO接口与系统连接。模块使用系统稳压的3.3V电源供电。无线设备端通过WIFI连接到本系统的WIFI模块，可以通过网页配置端，查看系统的设备信息，卫星定位数据和航向数值。

2.3.2 4G模块设计

系统选用EC20系列LTE模块，该模块使用3GPP Rel.9 LTE技术，提供100Mbps的下行链路和50Mbps的上行链路速率，覆盖全球LTE、UMTS/HSPA+、GSM/GPRS/EDGE范围。模块使用MIMO技术满足对速率和链路可靠性的要求。使用该模块时需要在系统端设置公网IP地址219.xxx.xxx.xxx，设置端口为2018，通过拨号连接登录基准站网络，接收基准站的差查分数据源，通过对查分源的解算实现高精度网络差分定位。在系统驱动时注意上电逻辑的控制，断电前需对模块FULL_CARD_POWER_OFF管脚进行拉低处理0.3s后才能操作电源断电，确保模块正常关闭。

2.4电源管理系统设计

考虑到设备可能应用在作业船上，船上的电机马达提供的电源极不稳定，可能存在高峰浪涌。所以在电源设计上需保证具有浪涌防护功能。本系统选用Linear公司的LT4363浪涌抑制芯片，具备4V～80V超宽工作电压，满足锂电池供电和电机供电。该芯片利用VCC箝位可承受高于100V的浪涌，快速过流限制在5us内，有效的保护后级电路不被浪涌冲击，保证系统电源稳定工作。该芯片具备可调节的输出电压箝位，通过配置FB管脚的电阻达到限制输出电压目的，基于本次系统内部供电需求，把箝位配置在36V以内，防止过高的输入电压损坏内部电源链路。该芯片还支持可调的高低电压比较门限，通过内置的精密比较器检测OV/UV管脚的过压、欠压条件，单电压低于内部阀值1.275V时，其内部MOSFET管即会关断，当高于其阀值时，内部GATE会重新打开，回复正常电压范围。本次应用中，OV/UV设置在6V～36V之间，确保覆盖实际应用的输入电压范围，同时箝位其他范围电压，保证输入端电源稳定性。该芯片具备过流检测功能，通过配置SNS和OUT管脚之间的电阻值，完成限制电流电路的功能，该限流功能限制栅极管脚，把电压差值限制在50mV以内。当电流瞬间增大到限制范围，电路处于故障状态，电流检测端口能够识别到并快速关断栅极引脚。本次配置限流电阻为15mΩ，把电流限制在3.3A以内，已确保系统电路安全。该芯片功能强大，能够对输入端、输出端电压进行可调节的箝位，并能够配置限流范围，满足不同使用环境下的针对性配置。

基于多种可能的宽电压源输入，系统需要一个稳定的3.3V电压供电。本系统设计使用一个降压DCDC稳压芯片，把输入电压稳压到3.3V供系统使用。选用LT8614系列同步压降型芯片，该芯片具有高达96%的工作效率，超宽的输入电压：3.4V～42V，以及超低的2.5uA的IQ静态电流，同步输出电流最高可达4A。

2.5接口设计

为满足船上长距离的传输需求，本系统除了短距离无线传输模式，还设计了满足长距离传输的RS422/485连接接口。RS422/458接口规范，理论传输距离可大1km，能夠满足各种规模船体的传输要求。全双工RS422接口，能够实现数据的输入输出功能。RS485接口可以作为输出的应用环境下。

3航向系统应用

本系统可装配在各种船体、无人船、无人机上，为作业人员提供定位和航向功能。本系统提供两种数据传输方式：第一，可通过RS422/485，使用电缆线连接到主控制端/PC端，在应用软件上查看定位、航行状态;第二，可通过无线WIFI连接方式，使用带有WIFI功能的平板、笔记本电脑等，连接到设备端，同样使用应用软件查看船体/无人机的定位和航向。本系统需配套开发应用软件，软件协议接口需与本系统匹配。基本航向作业如图3。

本系统设计了自动巡航控制系统，适合应用在无人船、无人机上。通过基站控制端软件，预先设置测量的坐标范围和航向，把坐标、航向数据发送到测量设备上，利用自动巡航系统，完成对指定作业区域的测量工作。PC端软件导入在线/本地的待测地图后，在地图上对测量空间范围画出待测的区域和测量航向。通过无线网络（WIFI、4G网络），把测量地图传输到无人机上，无人机系统实时读取本系统传输过来的坐标和航向数据，能够在测量过程中调整定位和航行状态，完成对指定地图区域的测量工作。

自动巡航测量过程中，本地监控软件能够查看无人机的测量航线，如果出现偏移指定坐标和测量范围，本地端能够及时进行人工干预，调整测量航向。无人机测量过程中，测量数据实时更新在本地系统，完成对测量数据的加载。同时也可以在测量结束后，通过无线/有线连接到PC端，把数据下载到本地，在本地进行后数据处理和显示。无人机/无人船加本定位航向系统，能够实现自动巡航测量作业。相对于原来人工操控作业，该应用功能极大方便了测量作业，缩短了测量时间，提高了工作效率。

参考文献

[1] 李天文.GPS原理与应用[M].北京：科学出版社，2019.

[2] 钱晓捷，程楠.嵌入式系统导论[M].北京：电子工业出版社，2017.