基于LEA-6R的惯性导航系统设计与实现

摘要 为了在隧道，城市高楼间能快速获得理想的GPS定位数据，设计并实现了基于U—Blox公司LEA-6R芯片的高灵敏度传感器组合惯性导航系统，文中介绍了外围电路，天线监管电路和在WinCE6系统下的程序设计、实践证明，在卫星不可见的情况下，该系统仍能在隧道和城市高楼中不间断地计算出准确的定位数据。其定位精度满足正常的需求。
关键词 陀螺仪；惯性导航；UBX协议；通讯

    现代卫星导航系统是目前世界上最先进的导航系统之一。现代卫星导航系统定位精度高，但无法连续提供运载体位置信号，同时，当运载体产生剧烈动作或当导航星全球定位系统信噪较低时定位精度将大幅降低。惯性导航是完全自主式的导航技术，惯性导航仅仅依靠陀螺仪等设备进行导航。但惯性导航的误差将随时间而发散。将卫星定位系统与传感器惯性导航技术组合，组合后的卫星／惯性导航系统能改善导航位置和速度信息的精度，从而改善导航系统性能。作为车载导航时，在卫星不可见的隧道、地下停车场，城市的高楼间，仍将取得较好的定位数据。卫星／惯性组合定位系统是目前导航系统重要的研究内容之一。
    U—Blox公司提供的LEA-6R GPS芯片，将外部传感器的信号和接收到的GPS信号相组合，较好地提供了实现GPS和传感器惯性导航技术组合的平台。

1 车载传感器组合惯性导航系统设计
1．1 LEA-6 R
    U—Blox公司的产品是全球灵敏度最高的民用级芯片，跟踪灵敏度可达-162 dBm。产品支持标准NMEA Protocol协议和公司自定义精简的UBX Protocol通讯协议。在该公司的KichStart×信号捕获加速引擎的支持下，可快速捕获微小的信号。LEA-6R能实现2．5 m高精度GPS／1 m伽利略双系统混合精确定位，并采用革新的多径检测以及消除技术，在高动态环境、5 Hz的数据刷新率下，仍能保持较高的定位精度。LEA-6R芯片内部的Flash中集成了U—Blox公司专用的传感器与惯性导航融合技术。通过将高性能U—Blox 6定位引擎与U—Blox的惯性导航技术相结合，配以少量的外围传感器电路，即可在隧道、深度室内和高楼林立的城区等地点实现不间断地精确导航。
1．2 系统组成
    LEA-6R芯片与有源天线、天线监测电路、方向传感器、陀螺仪、温度传感器、里程计共同构成传感器组合惯性导航系统。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，可方便的与主机通讯。LEA-6R总体框图如图1所示。

1．3 天线监测电路设计
    LEA-6R支持无源天线和有源天线。有源天线的内部设有一个低噪声放大器(LNA)，用于补偿信号的衰减，提高信号的信噪比，增加CPS的灵敏度。在采用有源天线的同时，为防止有源天线内部的放大器短路和开路时损坏或影响GPS的正常工作，LEA-6R内部设置了天线监管器，提供了天线关断及短路检测功能。开路检测由外部电路输入到AADET—N端进行检测完成。GPS内部的天线监管器和外围的开路检测电路，能有效地防止有源天线在短路或开路时损坏GPS芯片。天线监管电路如图2所示。

1．4 LEA-6R监测保护功能
    (1)有源天线电源的供给。有源天线可独立的外部供电，也可使用GPS的工作电压。在使用GPS的工作电压时，工作电压Vcc经芯片内部的FB由Vcc_RF输出，Vcc_RF通过外接电阻R2至V_ANT，V_ANT经由芯片内部开关和FB，经由RF_IN输出，和同轴电缆的接地屏蔽层一同提供给有源天线。
    (2)短路保护时的工作过程。当有源天线内部发生短路时，流经R2的电流增大，当ANTSHORT检测到电流过大时，由ANTOFF断开开关，切断电源通路。
    (3)开路保护时的工作过程。当天线开路时，电流经R2流向T2，T2导通，AADET_N引脚上的电压上升为2．9 V，GPS在检测到AADET_N为高电平时，即可根据事先设置采取相应的动作。
1．5 外部传感器电路
    外部传感器为GPS接收信号微弱或卫星信号不可见时提供了必要的信息。在卫星不可见时，陀螺仪、方向传感器、温度传感器和GPS卫星定位的最后一次数据在LEA-6R中进行运算，从而得出定位的数据。因此外围传感器是惯性导航系统中较为重要的一部分，电路如图3和图4所示。

    XV-8000CB陀螺仪的工作电压是5 V，输出模拟电压经LTC1860的ADC模数转换成12位数字信号，通过SPI串行总线送入LEA-6R，经SPI总线传输数据的还有LM70温度传感器。SPEED的数据由里程计，或由车内的OBD口输出，经HCP-070L光电隔离、整型后送入LEA-6R。经LEA-6R内部运算后的定位数据直接由LEA-6R的串口或USB口输出，输出的数据格式符合NMEA协议或者U-Blox公司的UBX协议。
1．6 LEA-6 R的协议
    LEA-6R支持NMEA-183标准协议和U—Blox公司专用的UBX协议。两种协议可以互相切换。UBX协议的结构如图5所示。

    其中，Sync char1 Sync char1为2 Byte UBX协议的特征符，分别为OXB5和OX62；CLASS为定义了信息的子集，UBX协议将所有可交换信息都进行了分类(Class)；ID为每一类子集所属信息的信息编号；LENGTH LittleEndian为有效数据的长度，表示的时候是低位在前高位存后。长度包括特征符，Class，ID，和校验字节；Payload为变量长度字段；CK_A，CK_B为16位的校验字段。
    校验方法如下：
   

    其中，BUFFER[I]表示CLASS到Payload的所有无符号整型数。
    陀螺仪，温度传感器，天线监管器的开启和关闭等外围设备的配置信息，其信息的子集类(Class)为CFG(Configuration input Messag es)，如果CFC类对LEA-6R的配置成功，LEA-6R会返回ACK—ACK信号，反之则返回ACK—NAK信号。
    例：天线配置UBX—CFG—ANT。
    UBX协议说明中可以查到，协议的格式如图6所示。

    默认状态下，开启电压控制信号AADET引脚，允许短路检测和自动短路修复，但电路未启动。其中，Sync char1 Sync char2为OXB5和0X62；CLASS为0X06；ID为0X13(天线控制)；LENGTH LittleEndian为0X04，0X00(指Payload的长度为4 Byte)；Payload为由Bitfiled flags和Bitfiled pins二个字长16位控制位组成。Bitfiled flags是对天线监管器开启等的控制。Bitfiledpins是对AADENT等管脚的控制。控制位对管脚的控制说明，在CFG—ANT格式中可以查到。文中，Bitfiled flags取0XC2，0X10，Bitfiled pins取0X0F，0x64；CK_A，CK_B为16位的校验字段。
    发送到LEA-6R中开启天线监测电路的数据为B5 62 06 13 04 00 04 00 0F 64 94 5F。
1．7 UBX协议中数据的读取
    UBX协议与NMEA协议的区别是：MNEA协议每秒自动发送一次数据，UBX协议是在收到发送命令的情况下，才发送数据。发送读取数据的命令格式除了Payload为空外，其他与UBX协议的格式相同。例如，读取天线配置状态，发送的数据如图7所示。

    系统在收到此命令后，会返回天线配置状态的数据。

2 程序设计
    LEA-6R的串口可直接与MCU相连接进行通讯。为及时处理GPS的信息，以及考虑到车载仪器和其他信息需要处理，在对GPS信息的处理上采取了多线程编程。
    读线程流程如图8所示。

    在Windows CE下，使用EVC语言对GPS的配置，数据的读写进行多线程编程。多线程的编程包括线程的创建、启动、运行状态控制、同步及数据通信和线程的正常／非正常退出。程序可分成3部分：(1)打开串口进行参数设置。(2)读写串口数据。(3)数据接收完成后有效数据的提取。

3 结束语
    虽然该系统在隧道中长时间得不到信号时定位进度有所下降，但经实际验证，LEA-6R传感器组合惯性导航系统，在一般隧道和城市的高楼间能满足实际应用要求，能使运行中的车辆取得完整的车辆定位数据，对于车辆远程诊断仪有一定的实际意义。