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)計并實現(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、實踐證明，在衛(wèi)星不可見的情況下，該系統(tǒng)仍能在隧道和城市高樓中不間斷地計算出準確的定位數(shù)據(jù)。其定位精度滿足正常的需求。
　　
　　關(guān)鍵詞：陀螺儀；慣性導航；UBX協(xié)議；通訊
　　
　　現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)是目前世界上的導航系統(tǒng)之一。現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度高，但無法連續(xù)提供運載體位置信號，同時，當運載體產(chǎn)生劇烈動作或當導航星定位系統(tǒng)信噪較低時定位精度將大幅降低。慣性導航是*自主式的導航技術(shù)，慣性導航僅僅依靠陀螺儀等設(shè)備進行導航。但慣性導航的誤差將隨時間而發(fā)散。將衛(wèi)星定位系統(tǒng)與傳感器慣性導航技術(shù)組合，組合后的衛(wèi)星／慣性導航系統(tǒng)能改善導航位置和速度信息的精度，從而改善導航系統(tǒng)性能。作為車載導航時，在衛(wèi)星不可見的隧道、地下停車場，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)是目前導航系統(tǒng)重要的研究內(nèi)容之一。
　　
　　U—Blox公司提供的LEA-6RGPS芯片，將外部傳感器的信號和接收到的GPS信號相組合，較好地提供了實現(xiàn)GPS和傳感器慣性導航技術(shù)組合的平臺。
　　
　　1、車載傳感器組合慣性導航系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　1．1LEA-6R
　　
　　U—Blox公司的產(chǎn)品是靈敏度zui高的民用級芯片，跟蹤靈敏度可達-162dBm。產(chǎn)品支持標準NMEAProtocol協(xié)議和公司自定義精簡的UBXProtocol通訊協(xié)議。在該公司的KichStart×信號捕獲加速引擎的支持下，可快速捕獲微小的信號。LEA-6R能實現(xiàn)2．5m高精度GPS／1m伽利略雙系統(tǒng)混合定位，并采用革新的多徑檢測以及消除技術(shù)，在高動態(tài)環(huán)境、5Hz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公司的傳感器與慣性導航融合技術(shù)。通過將高性能U—Blox6定位引擎與U—Blox的慣性導航技術(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)等地點實現(xiàn)不間斷地導航。
　　
　　1．2系統(tǒng)組成
　　
　　LEA-6R芯片與有源天線、天線監(jiān)測電路、方向傳感器、陀螺儀、溫度傳感器、里程計共同構(gòu)成傳感器組合慣性導航系統(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，可方便的與主機通訊。LEA-6R總體框圖如圖1所示。　　
　　1．3天線監(jiān)測電路設(shè)計
　　
　　LEA-6R支持無源天線和有源天線。有源天線的內(nèi)部設(shè)有一個低噪聲放大器（LNA），用于補償信號的衰減，提高信號的信噪比，增加CPS的靈敏度。在采用有源天線的同時，為防止有源天線內(nèi)部的放大器短路和開路時損壞或影響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)斷及短路檢測功能。開路檢測由外部電路輸入到AADET—N端進行檢測完成。GPS內(nèi)部的天線監(jiān)管器和外圍的開路檢測電路，能有效地防止有源天線在短路或開路時損壞GPS芯片。天線監(jiān)管電路如圖2所示。　　
　　1．4LEA-6R監(jiān)測保護功能
　　
　　（1）有源天線電源的供給。有源天線可獨立的外部供電，也可使用GPS的工作電壓。在使用GPS的工作電壓時，工作電壓Vcc經(jīng)芯片內(nèi)部的FB由Vcc_RF輸出，Vcc_RF通過外接電阻R2至V_ANT，V_ANT經(jīng)由芯片內(nèi)部開關(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）短路保護時的工作過程。當有源天線內(nèi)部發(fā)生短路時，流經(jīng)R2的電流增大，當ANTSHORT檢測到電流過大時，由ANTOFF斷開開關(guān)，切斷電源通路。
　　
　　（3）開路保護時的工作過程。當天線開路時，電流經(jīng)R2流向T2，T2導通，AADET_N引腳上的電壓上升為2．9V，GPS在檢測到AADET_N為高電平時，即可根據(jù)事先設(shè)置采取相應(yīng)的動作。
　　
　　1．5外部傳感器電路
　　
　　外部傳感器為GPS接收信號微弱或衛(wèi)星信號不可見時提供了必要的信息。在衛(wèi)星不可見時，陀螺儀、方向傳感器、溫度傳感器和GPS衛(wèi)星定位的zui后一次數(shù)據(jù)在LEA-6R中進行運算，從而得出定位的數(shù)據(jù)。因此外圍傳感器是慣性導航系統(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5V，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，通過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，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。
　　
　　1．6LEA-6R的協(xié)議
　　
　　LEA-6R支持NMEA-183標準協(xié)議和U—Blox公司的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，Syncchar1Syncchar1為2ByteUBX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行了分類（Class）；ID為每一類子集所屬信息的信息編號；LENGTHLittleEndian為有效數(shù)據(jù)的長度，表示的時候是低位在前高位存后。長度包括特征符，Class，ID，和校驗字節(jié)；Payload為變量長度字段；CK_A，CK_B為16位的校驗字段。
　　
　　校驗方法如下：　　
　　其中，BUFFER[I]表示CLASS到Payload的所有無符號整型數(shù)。
　　
　　陀螺儀，溫度傳感器，天線監(jiān)管器的開啟和關(guān)閉等外圍設(shè)備的配置信息，其信息的子集類（Class）為CFG（ConfigurationinputMessages），如果CFC類對LEA-6R的配置成功，LEA-6R會返回ACK—ACK信號，反之則返回ACK—NAK信號。
　　
　　例：天線配置UBX—CFG—ANT。
　　
　　UBX協(xié)議說明中可以查到，協(xié)議的格式如圖6所示。　　
　　默認狀態(tài)下，開啟電壓控制信號AADET引腳，允許短路檢測和自動短路修復，但電路未啟動。其中，Syncchar1Syncchar2為OXB5和0X62；CLASS為0X06；ID為0X13（天線控制）；LENGTHLittleEndian為0X04，0X00（指Payload的長度為4Byte）；Payload為由Bitfiledflags和Bitfiledpins二個字長16位控制位組成。Bitfiledflags是對天線監(jiān)管器開啟等的控制。Bitfiledpins是對AADENT等管腳的控制。控制位對管腳的控制說明，在CFG—ANT格式中可以查到。文中，Bitfiledflags取0XC2，0X10，Bitfiledpins取0X0F，0x64；CK_A，CK_B為16位的校驗字段。
　　
　　發(fā)送到LEA-6R中開啟天線監(jiān)測電路的數(shù)據(jù)為B5620613040004000F64945F。
　　
　　1．7UBX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，會返回天線配置狀態(tài)的數(shù)據(jù)。
　　
　　2、程序設(shè)計
　　
　　LEA-6R的串口可直接與MCU相連接進行通訊。為及時處理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WindowsCE下，使用EVC語言對GPS的配置，數(shù)據(jù)的讀寫進行多線程編程。多線程的編程包括線程的創(chuàng)建、啟動、運行狀態(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）打開串口進行參數(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
　　
　　雖然該系統(tǒng)在隧道中長時間得不到信號時定位進度有所下降，但經(jīng)實際驗證，LEA-6R傳感器組合慣性導航系統(tǒng)，在一般隧道和城市的高樓間能滿足實際應(yīng)用要求，能使運行中的車輛取得完整的車輛定位數(shù)據(jù)，對于車輛遠程診斷儀有一定的實際意義。