一种根据双天线的斗极定位体系规划与完成

摘要 前期实践斗极模块定位差错核算剖析申得出了斗极模块的定位差错散布遵守正态散布，依据斗极模块定位差错散布的规则，运用在同一块电路板上的双天线模块接纳斗极定位信号，将定位信息传给TMS320F28335DSP芯片，DSP对斗极模块给出的定位信息做实时算法处理，并将处理后的定位信息传给嵌入式ARM芯片，ARM芯片在TFT液晶屏上更新定位信息，一起依据用户要求来设置斗极模块的作业形式。在接纳不到斗极定位信息时DSP运用UKF滤波算法，将猜测定位信息发送给ARM芯片，并标记为猜测信息，且显现在TFT液晶屏上。

斗极定位体系是我国自主开发的全球定位体系，现在斗极定位体系在轨运转卫星已达16颗，截止2012年12月27日，我国的斗极定位体系空间信号接口操控文件正式版已发布，斗极定位导航事务正式对亚太地区供给无源定位、导航及授时服务。该体系可为轿车、客机和轮船等常用交通东西供给定位服务，为准确制导武器供给定位导航服务，其对我国军事国防作业脱节对国外GPS体系依靠有着重要意义，别的对农牧业、渔业生产也有着重要意义。

在很多实践运用布景下，怎么进步卫星定位导航体系的定位精度就显得尤为重要。本文提出一种依据双天线结构的设想，以进步斗极定位模块的定位精度为意图，在嵌入式ARM+DSP体系上完结斗极定位体系。

1 体系规划思维

在卫星定位体系很多运用中，常用于描绘卫星定位精度的参数首要有水乎均方根差错(Distance Root-Mean-Square，DRMS)、圆概率差错(Circular Error Probable，CEP)和球概率差错(Spherical Error Probable，SEP)等，这些参数被广泛用于丈量和各种定位体系中，其核算和准确性与定位差错的三维散布特征密切相关。文献证明在一般状况下，定位差错的三维散布呈椭球状，被称为差错椭球。其几许特征首要包含椭球的轴方向、轴长和轴比。轴方向是椭球的3个主轴地点的方向，轴长是定位差错在椭球轴方向上的标准差，轴比是椭球3个轴长之间的比值。差错椭球的轴比决议了实在方位落在DRMS圆上的概率。

在对文献剖析后，进行单点100组接连斗极模块定位测验，核算差错散布规则，经实践测验、核算剖析得出斗极模块的实践定位差错近似遵守正态散布，斗极定位模块的水平定位差错依91%的概率收敛于8～10 m之间，其间9 m处的散布概率为82%，如图1所示。

DRMS值为9.0 m，记作R，在实践丈量中斗极模块给出一组定位数据(a1，b1)，记作A，a1、b1别离表明经度和纬度信息，则以(a1，b1)为圆心的DRMS圆如图2所示。

在同一块电路板上运用双天线模块接纳斗极定位导航信息，因为将两个天线并排安放，所以在恣意时刻两个斗极定位模块相对于斗极卫星的通讯链路相同，两个斗极定位模块可见星状况和接纳到的前端卫星定位信息也相同。假定某一时刻两个模块接纳到的定位信息别离为(a1，b1)和(a2，b2)，以(a1，b1)和(a2，b2)为圆心，R为半径的DRMS圆，两圆记为A、B，则实在点依大概率收敛于两个圆交点中(a3，b3)、(a4，b4)。依据前一时刻的方位信息和速度信息可扫除其间一个交点(a3，b3)或(a4，b4)，则剩余的点就为实在方位的最大概率散布点。

2 体系硬件规划

体系运用DSP+ARM双芯片结构，DSP首要担任接纳斗极模块的定位信息和算法处理功用，ARM芯片担任与DSP芯片通讯、操控TFT液晶屏的显现功用。硬件规划首要包含电源部分、ARM部分、DSP部分、网络部分、TFT液晶屏部分以及斗极模块多部分的规划。

2.1 体系硬件结构框图

2.2 电源部分

体系运用较为常见的12 V电压作为总的电源输入，经LM2596芯片得到5 V电压作为DSP模块和TFT液晶屏的电源，5 V电压经ASM1117得到3.3 V电压作为ARM模块和网络部分以及TF卡的电源。

2.3 ARM部分规划

ARM芯片运意图法半导体公司的STM32F103VET6芯片，该芯片为32位Cortex—M3内核微处理器，主频最高可达72 MHz，封装为LQFP100，减小了PCB板的面积。别的，还支撑IO管脚的重映射装备，降低了PCB布线的难度，且支撑JTAG、SWD两种调试/下载形式，便利用户运用市面上较为常见的调试东西J-LINK调试/下载程序，因而运用便利。

2.4 DSP部分阐明

DSP部分运用的芯片为TI公司的新式数字信号处理器TMS320F28335，该款芯片最高主频达150 MHz，选用哈佛流水线结构，并具有片内硬件乘法器，完结一次浮点数的乘加运算只需10个机器周期，故可进行高速数据运算。

2.5 网络部分阐明

网络部分首要供给了一个可选功用，当条件满意时可将体系的定位信息发送到以太网上，供远端的用户拜访、查询。

体系运用美国微星公司的ENC28J60网络芯片，该芯片为IEEE802.3兼容的以太网操控器，支撑全/半双工形式，作业电压兼容TTL电平缓CMOS电平，可编程会在发生冲突时主动重发，可编程填充和CRC生成，用于快速发送数据的内部FIFO、DMA以及硬件支撑的IP校验和核算。其封装为SSOP28，与微处理器的链接方法为SPI总线，因而操控便利，最高速度可达10 Mbit·s-1。

2.6 TFT液晶屏部分阐明

TFT液晶屏的每个像点均是由集成在像素点后边的薄膜晶体管来驱动的，然后可做到高速度、高亮度、高比照度显现屏幕信息，是现在最佳的LCD彩色显现设备之一，其作用挨近CRT显现器，是现在笔记本电脑和台式机上的干流显现设备。

体系运用16 bit真彩色，320×240分辨率TFT液晶屏。STM32F103ARM芯片担任TFT液晶屏的驱动，STM32F103ARM芯片与TFT液晶屏之间运用FSMC总线通讯，以完结对该液晶屏的初始化和显现操控。

2.7 斗极模块部分阐明

斗极模块部分运用北京和芯星通公司的UM220斗极定位芯片，其可一起支撑BD2 B1、GPS L1两个频点，输出数据方法为USART，数据协议为NMEA 0183，默许通讯波特率为9 600 bit·s-1，并可依据用户需求自行设定最高支撑波特率为230 400 bit·s-1，其输入/输出信号类型均为LVTTL电平。

UM220经过串口与DSP衔接，DSP经过串口完结对斗极模块的装备，并接纳其定位信息。

3 体系作业流程

3.1 体系整体作业流程

体系选用DSP+ARM双核结构，DSP与ARM各司其职。在体系上电后，DSP、ARM芯片完结上电复位，DSP经过USART接纳斗极定位模块的定位信息，在不失星的状况下进行斗极双天线定位算法核算。而DSP在进行斗极双天线定位算法核算后，经过串口将核算后的斗极定位信息发送给ARM芯片。若处于失星的状况下，进行UKF算法轨道猜测，并将得到的猜测成果经过串口发送给ARM芯片，ARM芯片接纳到斗极定位信息后，经过FSMC总线将定位信息更新到TFT液晶屏上，如图5所示。

3.2 轨道猜测算法规划

体系选用无迹卡尔曼滤波(UKF)做为失星状况下的轨道猜测算法。无迹卡尔曼滤波(UKF)是一种依据最小方差估量原则的非线性状况估量器，其以非线性最优高斯滤波器作为基本理论结构。UKF选用UT改换技能，即选用确认的样本点(Sigma点)来完结状况变量核算特性沿时刻的传达，改进了扩展卡尔曼滤波(EKF)不能求解雅可比矩阵以及泰勒级数线性化只具有一阶的低精度问题，其迫临精度可达二阶或二阶以上。U KF算法完结进程如下

Step1

式中，x为未失星前时刻斗极双天线定位所得定位经、纬度信息;px是x的协方差;n表明体系状况维数;斗极运用中n取值为2;λ是微调参数，其可操控样本点到均值的间隔。

式中，pzz是定位差错的量测方差矩阵;pxz是定位差错状况向量与定位差错量测向量的协方差矩阵。

4 体系测验

4.1 斗极双天线定位测验

该测验需对斗极双天线定位思维规划进行验证，对体系的定位精度进行实践测验。在晴天的状况下，单斗极模块定位精度约在9 m，双天线斗极模块定位精度约为3.3 m，GPS的定位精度约在10 m，这阐明运用双天线结构大幅提升了斗极定位模块的定位精度，如表1所示。

4.2 轨道猜测测验

轨道猜测测验选定在晴天状况下，首要沿固定道路运动，然后从头沿固定道路运动，在特定时刻经斗极双天线定位模块的天线取下，然后比照道路轨道与轨道猜测算法得到的轨道数据。如图6所示。

图中横轴坐标为经度坐标，标定到“分”，均为东经126°xx分，xx为图中横轴标定坐标值;纵轴坐标为纬度坐标，标定到“分”，均为北纬45°xx分，xx为图中纵坐标值。实线轨道data1为在谷歌地图上标定的实在运动道路，星点状轨道data2为得到实践运动道路后，准确到从头测定运动轨道失星时刻前后的运动道路。两次轨道比照成果表明，在失星状况下选用UKF算法所进行轨道猜测得到接近时刻定位数据的定位精度大约在10 m，介于单模块斗极定位精度和GPS定位精度之间，但随着失星时刻的增加，轨道猜测的差错将会增大，在20个采样点后，轨道猜测得到数据的差错将增大至50 m以上。

5 结束语

定位精度是本体系的要害，经实践测验在晴天的状况下斗极双天线定位思维规划可大起伏进步斗极定位模块的定位精度。而在其他的定位体系上，若两个定位模块精度相差较小时，也可运用双天线定位思维，进步体系的定位精度。

此外，体系还可运用性能更好的嵌入式处理器，如TI的DM37XX系列芯片，内嵌有“DSP+ARM”双核，既可以做杂乱运算，也可进行杂乱操控，这样便可减小体系的体积与芯片运用数量，然后简化体系规划，使体系愈加便于运用。