GPS动态姿态数据测量与采集系统的设计与实现

=====================================================文章编号:()1671-4598200510-0655-03 中图分类号:TP274 文献标识码:B

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GPS动态姿态数据测量与采集系统的设计与实现

姚跃亭1，赵建军2，张 谨1

()1.海军航空工程学院研究生管理大队,山东烟台264001;2.海军航空工程学院兵器科学与技术系,山东烟台264001

摘要:文章基于D/GPS和GPSINS完成了动态姿态数据测量与采集系统的设计,在分析了系统软件组成及设计难点的基础上,利用软件开发平台C++Builder6.0完成了软件设计,实验表明该系统有效满足了工程需要,具有一定实用价值。

关键词:G/PS;动态姿态数据测量与采集;GPSINS;基准站;移动站

DesinofGPSDnamicAttitudeDataMeasurinndAcuisitioninstemgygaqgSy

121

,ZYaoYuetinhaoJianunhaning,ZjgJ

(,NA,Y;1.ManainnitofGraduateStudentEIantai264001,ChinaggU

,NA,Y)2.DeartmentofSienceandTechnolifWeaonEIantai264001,Chinapgyop

:T/AbstracthedesinproectofGPSattitudedatameasurinndacuisitioninstembasedonDGPSandGPSINSisproosed.Withgjgaqgsyp,theanalsisofthedifficultiesandpartsofthesoftwarethedevelomentofthissoftwarewasdonewiththeinteractivesoftwaredevelo-yppmentplatformC++Builder6.0.Thetestshowsthatthissstemmeetstheenineerineedsandissomethinseful.yggngu

:;d;G/;rKeordsGPSnamicattitudedatameasurinndacuisitioninPSINS;baseoverygaqgyw

3]

。系统中,实现了高精度的定位[

0 引言

GPS全球定位系统是一种全球性、全天候,且具有连续

三维定位和导航能力的系统,是当前最先进的精密卫星导航系1]统[。然而在航空载体上单独使用GPS导航受到输出频率低的限制。惯性导航系统INS(InertialNaviationSstem)具有gy

能够不依赖外界信息、完全独立自主地提供多种较高精度的导航参数的优点,但它提供的导航参数误差随着时间而积累,不适合长时间的单独导航。可见,GPS和INS具有优势互补的

[2]

特点。以适当的方法将两者结合起来成为一个组合导航系统,可以提高系统的整体手导航精度及导航性能。当前,GPS与INS相结合已成为导航控制的重要发展方向。

本文以G/PSINS组合导航系统为核心,利用差分技术,完成了动态姿态数据测量与采集系统的设计,实现高动态、高精度的姿态测量和定位。设备造价低,操作简单及使用灵活,具有较高实用价值。

伪距差分方法工作原理是由差分GPS基准站发送伪距改

正数,由用户站接收并对其测量结果进行改正,消除如星历误差、电离层误差、对流层误差等系统中的共有误差,以获得精

4]

。实现时,要求基准站与用户站同时观测到的确的定位结果[

卫星数大于或等于4颗(实现完全定位)。

本系统主要用于试验时精确测量试验设备运动载体的姿态,通过差分GPS修正,可以长时间提供稳定、可靠、满足

精度要求的动态姿态数据,同时提供速度数据、位置数据、秒脉冲信号及其他导航信息。同时,由于差分GPS的引入为地面监视试验状态和指挥调度提供保障。

1.2 系统组成及功能

系统主要由地面基准站和机载移动站组成。系统组成如图1所示。

5]

地面基准站[主要完成以5s的频率向机载设备发送差分修正信息;实时记录地面GPS基站的定位信息;记录机载移动站的G/PS定位信息以及移动站GPSINS测量的姿态信息和试验设备的工作信息;以图形和数字方式实时显示移动站载体的位置和姿态;对地面设备进行参数装订和系统设置,实时监控地面设备和机载设备的工作状态,实时显示测量的载机的空间位置和姿态数据,实时记录试验数据,试验结束后进行数据处理分析;打印试验数据、图形、曲线及分析结果。其组成为:()G)数传电台及功放设备;(1PS接收机;(23)电源模块;()控制计算机(基准站主控计算机);()打印机等。45

机载移动站主要完成实时测量飞机的高精度三维姿态基准数据、位置数据、速度数据及其它导航信息并利用数据记录器进行记录和存储;将测得的飞机姿态、位置和速度等数据实时地向机上试验设备传输;将测得的飞机数据与试验设备工作数据实时地向地面基准站设备传输;利用移动站辅助计算机完成对机载姿态精密测量装置和受试设备进行参数装订、系统设置、初始化,下载机载记录器中记录的数据,对设备功能检

1 系统方案设计

1.1 系统工作原理

由于GPS的精密定位服务只局限于美国指定的军方用户和政府部门,普通用户只能使用定位精度相对较低的标准定位服务,为了提高GPS的定位精度,考虑使用差分定位技术,当前,现成的差分GPS设备可直接进行差分定位,但多数设备都是从国外进口,价格昂贵,维修服务困难。考虑到成本及造价的问题,系统将当前使用最为广泛的伪距差分方法应用到

收稿日期:2005-04-18;2005-05-24。 修回日期:

作者简介:姚跃亭(,男,硕士生,主要从事计算机应用方向1980-)的研究。

赵建军(,男,教授,硕士生导师,博士生,主要从事计算机测1965-)控技术方向的研究。

56· ·6

====================================================计算机测量与控制 第7期

查。其组成为:(/1)GPSINS组合导航接收机;(2)数传电台及功放设备;(3)机载数据记录器;(4)控制计算机;(5)四路串口扩展卡;(6)移动站辅助计算机;()电源模块。7

地面基准站和机载移动站之间的通信利用数传电台及其辅助设备来完成。电台采用收发异频的方式传输,上行数据采用f1频率,下行数据采用f2频率。差分数据(上行数据)每秒传输的数据量和飞机位置、速度、姿态数据(下行数据)每秒传输的数据量的总和远远低于信道的传输容量,因此采用这种收发异频的传输方式

可以实现数据的上行、下行传输,完成数据的通信。

图1 GPS动态姿态数据测量与采集系统示意图

块印制电路板上,可跟踪多达1/2个GPS卫星的L1CA码、

L1和L2载波相位,与GPS天线组合使用,适用于单点定位和差分定位系统。

()数传电台:选用了美国P3CC数传电台RFM96W作为GPS差分数据链路的专用数传电台,可靠性高,应用广泛。

2 系统硬件模块设计

2.1 移动站控制计算机设计

机载移动站是差分定位的核心部分,输入输出通路比较多,而其控制计算机模块作为移动站的核心模块,与外接设备的接口设计是重点。经过分析,移动站中数传电台(、G/1路)PSINS(2路)均是利用RS232串口输出,而试验设备则是利用RS485进行输出;考虑到移动站主控计算机与移动站控制计算机模块之间的数据量比较大,因此可采用网络进行连接。

在设计过程中按照便携式、模块化的思想,将输入外设通过串口扩展卡与控制计算机进行连接。控制计算机硬件上主要由以下部件组成:(/;1)PC104主控模块(AllInOne结构)()P/2C104总线4路串口扩展卡;(3)2路RS232C-RS485转换器;()标准网络接口卡。±54V、±12V电源模块。/PC104主控模块为高性能IntelPentium266CPU处理模块,采用嵌入式A/llInOne结构,基于PC104总线标准64针带孔插座,自带网络接口,外部支持P/C104总线扩展,因此具有良好的实用性和较强的扩展功能。串口扩展卡将4路串口及2路RS232C-RS485信号转换器模块集成在一块功能板上,实现主控模块与外部设备的可靠连接。主控模块工作时,将这6路信号均看作普通串行设备进行读写操作。2.2 其他功能部件的配置

除主控模块外,整个系统的核心硬件还包括G/PSINS组合导航系统、GPS接收机、数传电台等功能部件,其具体配置如下:

)/(1GPSINS组合导航系统:选用了美国YH-Technolo-/600GIGPSINS高精度组合导航系统。gy公司研制的YH-9

该产品融合了INS和GPS的原始数据,进行21阶卡尔曼滤波,具有差分改正功能。通过串口高速率输出姿态、位置、速度、航向、时间、1PPS等数据。

()G2PS接收机:选用了NovAtel公司高性能GPS接收板OEM4-3151R。该卡将射频接收电路和数字电路集成在一

3 系统软件设计

系统软件设计基于移动站便携性的要求,采用了Borland公司的C++Builder6.0进行二次开发而成。在设计过程中,利用交互编程技术使窗口、事件和消息等Windows操作系统

的工作方式与底层硬件驱动程序相融合,使软件完全按事件驱动的模式来执行,并在软件中加强了容错能力设计,在最大限度上避免了操作人员人为或非正常因素造成的错误。

3.1 系统软件的组成

整个系统软件包括移动站操控软件、移动站辅助计算机监控软件和基准站操控软件,如图2所示。为了减少开发时间,提高工作效率,移动站辅助计算机监控软件采用第三方成熟的远程监控软件,通过网络接口与系统连接。

移动站操控软件主要由以下模块组成:参数及系统初始化模块、G/PS原始数据接收存储模块、GPSINS数据接收存储及转发模块、试验设备数据接收存储及转发模块、差分改正数接收转发模块及设备功能检查模块。

基准站操控软件由以下功能模块组成:

()初始化模块:其实现程序启动之后自动读取最近一次1

运行时的系统配置文件进行初始化设置,同时对GPS接收机进行设置。配置文件包括串口参数配置子文件、图形显示区设定子文件和GPS接收机输出设定子文件。

()数据接收模块:数据接收模块包括基准站G2PS原始数据接收子程序、移动站G/PSINS数据接收子程序和试验设备数据接收子程序。

()数据转换模块:数据转换模块完成移动站发送的3

/GPSINS数据、试验设备数据以及GPS接收机输出的GPS原始数据由二进制格式向ASCII码格式的转换。

第7期

====================================================姚跃亭,等:GPS动态姿态数据测量与采集系统的设计与实现·657·

)组合导航接收机格式分2 (

析:G/PSINS的输出信息共有38个字节,数据格式如表1所示。数据头字节和最后的校验和字节用于通信同步,有用信息包括导航模式、时间、位置(纬度、经度、高度)、速度(北向速度、东向速度、地向速度)、姿态(滚动、倾斜、图2 软件模块组成图

(

4)数据回放模块:数据回放模块主要达成读取已接收存储的数据进行解码并在相应区域中用图形或数字的形式显示以达到事后模拟监控的目的,实现离线状态时的全功能模拟。.2 功能软件开发的难点分析

经过分析发现,整个软件是以数据包的接收、解码为基础。因此,正确分析数据包格式,将数字信息转换为图形信息是软件设计的重点和难点。下面将围绕这几个方面进行叙述。

(1)GPS输出格式分析[6

]:GPS接收机OEM4-3151R得到的定位信息格式为NMEA-0183格式。这一格式是较常用的一种数据通信标准,它是在0180和0182的基础上增加了GPS接收机输出内容而完成的。此格式直观、易处理的优点使得几乎所有的接收机及OEM板都采用了这一格式。典型输出的语句如下所示:AAABBB,ddd........................ddd,*hh

其各字段定义如下:A:起始语句头;AA:对话设备识别符;BBB:语句名;,:域分隔符;

ddd...ddd:发送的数据内容;*:校验和符号;

hh:校验和;

:终止符(回车、换行)。表1 数据格式

字节类型定义0unsignedchar数据头0xAA1unsignedchar标志位(type&rang

e)2unsignedchar导航模式

3～6unsignedlong

时间7～10long纬度11～14long经度15～18long高度19～22long北向速度23～26long东向速度27～30long地向速度31～32short滚动角33～34short倾斜角35～36short俯仰角37

unsig

nedchar校验和

俯仰)。具体定义如表1所示。

从图1中不难看出,无论是基准站还是移动站,对串口进行操作

都是一个不可或缺的方面。基准站有两个串口操作,移动站需要4个

串口操作。因此,设计过程中,统一采用YbCommDevice串

口控件实现。通信参数可直接在属性中设定,在程序运行过程中也可通过输入界面进行多次更改。它支持任意格式的数据包收发,支持多种数据包协议,操作简单,实用,是一个功能强大的C++Builder串口控件。在实现时,按照协议统一的原则,设定串口数据格式为1个起始位,8个数据位,1个停止位,无奇偶校验。各个串口的波特率根据数据量大小而略有不

同[

7]

。(3)图形显示功能实现。采用C++Builder功能强大的

绘图功能[8]

,使用控件PaintBox,运用Polyline(X,Y)函数,其中X为所画点在控件画布Canvas上以象素为单位的坐标。在程序中必须要注意的是,解码后得到的数据是实际数据,还需要将绘图数据进行转换得到绘图组件上的坐标X、Y值。假设绘图区域的左上、右下坐标范围分别是(0,0)及

(Width,Height),实际数据亦分为X、Y两个轴,X的范围是X1～X2,Y的范围为Y2～Y1,左上及右下坐标为(X1,

1)及(X2,Y2)

。转换公式用代码表示为:for(i=X1;i<(

X2-X1);i++){

x=(int)(Width/(X2-X1)*

i);y=(

int)(Height/(Y1-Y2)*

i);}

这段代码中的(int

)用来将转换的数值转成整数。对于绘图区的显示曲线及坐标参数定制可利用PaintBox控件相应鼠标消息的功能进行回调函数编程实现。

.3 软件实现

根据以上分析,软件设计已基本定型。本文将以基准站接收GPS/INS数据为例进行说明。首先,软件在启动时,需要对计算机与各个设备相连的串口进行初始化设置,程序将按照以查询的方式对串口进行检查,若串口控件接收到数据则提取,判断起始数据头以进行同步。若正确同步且校验正确,则按照数据格式进行解码存储,并将解码所得到的数据以图形或数字的形式显示。之后程序返回继续等待用户输入直至时间间隔到继续循环上述过程。

结束语

本项目即将完成样机验收,一系列的实验表明:动态姿态数据测量与采集系统基于GPS定位技术、差分GPS技术、

(下转第661页)

3Y34第7期

====================================================)0,1

能力与皮带的运行速度相匹配,进而保证了系统的良好运行。

孙丽娜,等:X射线安检设备的智能控制与诊断·661·

z 光障2=g2(

采集及处理一副4,P096级灰度图像的时间大约为5sC机的处理

()具有自诊断功能。该控制系统已应用于沈阳地泰检测4

设备有限公司的DEX9080B型X射线安检机上,经过两年多的运行,证明该系统运行精度高,响应速度快,性能稳定可靠,具有良好的抗干扰性和实用价值。该控制系统可广泛应用于其他类型的安检设备中。

参考文献:

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理论与应用研究,2)004,(5.

,模块原始灰热流=I0～4.10)束流=I0～0.75)Y(S(

度级=D)AC(1～5000

工作电站=)Vz(140kNe

()自诊断参数检测显示窗口6

自诊断参数检测显示窗口如图6所示。

图6 自诊断参数检测显示窗口

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-raimainstemfororanicmaterialdetectioninanairortse-yggsygp]J.MachineVisionAlicationinIndustrialIn-curitlication[ppyapp):3section,2001,43(11-41.p

3 结论

()系统开机后几秒种内能实现X射线探测器的自检及校准。1()光触发传感器能及时准确地控制X射线发生器的开2

关,有效地减少X射线辐射的影响。

()皮带的运行速度可调,一般设置为0/,则物体经过3.23ms安检机的时间大约为8s(箱体有效长度/皮带运行速度),PC机

====================================================(上接第657页)

基准站操控软件主操作界面如图3所示。

/GPSINS、卡尔曼滤波等技术构建,对于提高GPS定位精度、改善GPS的量测性能提供有益的依据。机载站与基准站构成的差分定位系统,能够实时、稳定、连续地提供飞行载体的位置、速度、姿态和秒脉冲信号等导航参数,从而能更有效地掌握载体的运动状态,为地面监视试验状态和指挥调度提供了保障。

图3 基准站主操作界面示意图

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