摘  要： 由于嵌入式測姿系統(tǒng)軟件根據(jù)不用需求需實(shí)現(xiàn)多種接收機(jī)板卡、不同導(dǎo)航系統(tǒng)、多種姿態(tài)算法的選擇，因此其功能復(fù)雜，程序冗長。程序模塊化后可有效提高工作效率，操作簡便。探討利用嵌入式軟件模塊化的方法，基于ARM平臺(tái)根據(jù)嵌入式測姿系統(tǒng)軟件的主要流程及其功能對軟件進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑敿?xì)闡述了各個(gè)模塊的功能以及模塊之間的接口，解決可操作性、可擴(kuò)展性等問題，實(shí)現(xiàn)了軟件的模塊化設(shè)計(jì)。實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，嵌入式測姿軟件模塊化后可移植性、擴(kuò)展性增強(qiáng)，可用性高，資源利用率高，并適合在一般載體上使用。

    關(guān)鍵詞： 測姿；ARM；模塊化；軟件

0 引言

    隨著全球定位系統(tǒng)的發(fā)展，姿態(tài)測量技術(shù)逐漸成為衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。姿態(tài)測量一般應(yīng)用于衛(wèi)星、航天器、載人機(jī)、無人機(jī)等高動(dòng)態(tài)的載體上，這些載體要求姿態(tài)測量系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安裝方便等特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入到受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有響應(yīng)時(shí)間短、系統(tǒng)內(nèi)核小、可擴(kuò)充、可移植、實(shí)時(shí)和可靠性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。ARM處理器體積小，功耗低，成本低，性能高，執(zhí)行效率高。目前，嵌入式測姿系統(tǒng)軟件趨于成熟，但由于功能復(fù)雜，程序冗長，可操作性低。

    近年來，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機(jī)載體進(jìn)行姿態(tài)測量的技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，但隨著接收機(jī)板卡種類、導(dǎo)航系統(tǒng)種類、姿態(tài)算法種類的增加，對嵌入式測姿軟件的實(shí)時(shí)性、可用性以及可擴(kuò)展性提出了更高的要求。2008年，荷蘭代爾伏特理工大學(xué)實(shí)現(xiàn)了GPS單頻單歷元姿態(tài)解算系統(tǒng)^[1]。2012年，該大學(xué)實(shí)現(xiàn)了多天線GNSS測姿系統(tǒng)^[2]。2012年，澳大利亞科廷大學(xué)進(jìn)行了多星座測姿試驗(yàn)^[3]。2008年，北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了單基線測姿系統(tǒng)，并進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)^[4-6]。2007年~2009年，上海交通大學(xué)完成姿態(tài)測量系統(tǒng)樣機(jī)的研制^[7-9]。2012年，中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心與54所聯(lián)合研制了GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多頻姿態(tài)測量系統(tǒng)^[10]。

    此外，國內(nèi)外幾大 GNSS 廠商均有相應(yīng)的測姿產(chǎn)品。美國Trimble公司的BX982利用GPS/GLONASS/BD進(jìn)行測姿，加拿大Novatel公司、比利時(shí)Septentrio公司利用GPS/GLONASS測姿。中國星網(wǎng)宇達(dá)研發(fā)BDS/GPS定向接收機(jī)，東方聯(lián)星的TOAS100D利用雙天線進(jìn)行測向、PNS200-BGI利用BD/GPS/INS進(jìn)行定位測姿。

    綜上所述，國內(nèi)外針對姿態(tài)測量技術(shù)已經(jīng)開展了較為深入的研究，相關(guān)姿態(tài)測量方法已經(jīng)在姿態(tài)測量樣機(jī)上開展了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而本文將在之前的研究基礎(chǔ)上重點(diǎn)進(jìn)行嵌入式測姿軟件模塊化方法介紹并對其可用性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 軟件模塊化

    由于程序需實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)航系統(tǒng)、不同接收機(jī)板卡、不同姿態(tài)解算算法的選擇，且要求程序具有通用性及可擴(kuò)展性，因此將其模塊化。模塊化即根據(jù)程序的流程和調(diào)用的順序等將程序以功能為單位劃分為一個(gè)個(gè)單元的形式，模塊化后每一部分的功能劃分很清晰，模塊之間通過接口傳遞參數(shù)和變量，操作簡單，可有效提高工作效率和程序的運(yùn)行效率。

1.1 模塊劃分

    測姿軟件模塊化后可設(shè)計(jì)為由1個(gè)主程序和7模塊組成，主程序聲明如何調(diào)用各個(gè)模塊及界面顯示；模塊分別為：讀數(shù)模塊、解碼模塊、預(yù)處理模塊、單點(diǎn)定位模塊、RTK定位模塊、模塊測姿模塊、結(jié)果處理模塊。

1.2 模塊功能

    主程序的功能為調(diào)用各個(gè)模塊并進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)、接收機(jī)板卡、頻點(diǎn)的選擇以及界面的顯示。讀取二進(jìn)制數(shù)據(jù)流模塊可進(jìn)行二進(jìn)制文件數(shù)據(jù)以及二進(jìn)制串口數(shù)據(jù)的讀取，此模塊需使用多線程模式處理多個(gè)終端的數(shù)據(jù)流。解碼模塊將二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼，可兼容OEMStar、BDM605、BDM670等型號(hào)接收機(jī)板卡，且此模塊可進(jìn)行擴(kuò)展。預(yù)處理模塊進(jìn)行各通道數(shù)據(jù)對齊及參考星的選擇。單點(diǎn)定位模塊可計(jì)算衛(wèi)星位置以及利用最小二乘法實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)定位。RTK模塊利用實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)得到載體的精確位置。姿態(tài)解算模塊實(shí)現(xiàn)3種姿態(tài)解算算法，分別為GNSS單歷元CLAMBDA算法、GNSS遞推多歷元姿態(tài)解算算法以及GNSS卡爾曼濾波算法，此模塊可擴(kuò)展其他算法。結(jié)果處理模塊將定位定姿的結(jié)果進(jìn)行整合處理，并返回至主程序。

1.3 模塊接口

    每個(gè)模塊具有4個(gè)接口（GetDefault、Init、Process、UnInit），分別完成接口信息查詢、初始化、信號(hào)處理和退出功能。其中，GetDefault函數(shù)將返回本模塊功能、配置參數(shù)接口、配置參數(shù)默認(rèn)數(shù)值和配置參數(shù)說明等內(nèi)容；Init函數(shù)將完成全局變量指針的傳遞工作，Process函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)模塊信息的處理，UnInit函數(shù)實(shí)現(xiàn)退出功能。各模塊間輸入、輸出接口如表1所述。

1.4 主程序

    主程序讀取配置文件，配置文件可對頻點(diǎn)、基線長度等進(jìn)行設(shè)置。讀取配置文件后根據(jù)讀取到的參數(shù)進(jìn)行各模塊的初始化，再分別進(jìn)入每個(gè)模塊的process函數(shù)，按照圖1所示流程依次完成各部分功能，最后進(jìn)行界面更新。

    主程序?qū)γ總€(gè)模塊的功能函數(shù)循環(huán)調(diào)用，每次循環(huán)解出一個(gè)歷元姿態(tài)、定位結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)性能分析

2.1 RTK定位測試結(jié)果

    為驗(yàn)證嵌入式測姿軟件模塊化后系統(tǒng)的RTK定位效果，現(xiàn)將基站架設(shè)于北京航空航天大學(xué)新主樓F座樓頂，流動(dòng)站位于北航田徑場看臺(tái)北側(cè)，流動(dòng)站接收機(jī)選用支持的OEMStar L1單頻板卡，天線選用NovAtel ANT-35C2GA-TW 外置天線。解算結(jié)果如圖2～圖4所示。

    為測試系統(tǒng)RTK定位性能，特統(tǒng)計(jì)解算的流動(dòng)站位置坐標(biāo)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

由此可見，嵌入式測姿系統(tǒng)模塊化后RTK定位結(jié)果可以達(dá)到毫米級(jí)。

2.2 測姿測試結(jié)果

    為驗(yàn)證嵌入式測姿系統(tǒng)的測姿結(jié)果，在北京航空航天大學(xué)操場看臺(tái)上，選用3個(gè)全頻天線以及北斗星通公司GPS\BD雙系統(tǒng)接收機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)?；€長度均為1 m。使用3種定姿算法，分別為CLAMBDA算法、遞推多歷元算法、卡爾曼濾波算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)論及建議

    本文探討利用嵌入式軟件模塊化的方法，通過不同GNSS姿態(tài)測量算法，解決可操作性、可擴(kuò)展性等問題，實(shí)現(xiàn)對GNSS測姿軟件的模塊化。實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明嵌入式軟件模塊化后：(1)可移植性強(qiáng)；(2)擴(kuò)展性強(qiáng)；(3)可用性高；(4)適合在一般載體上使用；(5)資源利用率高。

    由于GNSS測姿算法復(fù)雜度較高，需進(jìn)一步探討其在嵌入式ARM平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)時(shí)遇到的問題。

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