摘要：為了在隧道，城市高樓間能快速獲得理想的GPS定位數據，設計并實現了基于U—Blox公司LEA-6R芯片的高靈敏度傳感器組合慣性導航系統，文中介紹了外圍電路，天線監管電路和在WinCE6系統下的程序設計、實踐證明，在衛星不可見的情況下，該系統仍能在隧道和城市高樓中不間斷地計算出準確的定位數據。其定位精度滿足正常的需求。
　　
　　關鍵詞：陀螺儀；慣性導航；UBX協議；通訊
　　
　　現代衛星導航系統是目前世界上的導航系統之一。現代衛星導航系統定位精度高，但無法連續提供運載體位置信號，同時，當運載體產生劇烈動作或當導航星定位系統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，慣性導航僅僅依靠陀螺儀等設備進行導航。但慣性導航的誤差將隨時間而發散。將衛星定位系統與傳感器慣性導航技術組合，組合后的衛星／慣性導航系統能改善導航位置和速度信息的精度，從而改善導航系統性能。作為車載導航時，在衛星不可見的隧道、地下停車場，城市的高樓間，仍將取得較好的定位數據。衛星／慣性組合定位系統是目前導航系統重要的研究內容之一。
　　
　　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GPS和傳感器慣性導航技術組合的平臺。
　　
　　1、車載傳感器組合慣性導航系統設計
　　
　　1．1LEA-6R
　　
　　U—Blox公司的產品是靈敏度zui高的民用級芯片，跟蹤靈敏度可達-162dBm。產品支持標準NMEAProtocol協議和公司自定義精簡的UBXProtocol通訊協議。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2．5m高精度GPS／1m伽利略雙系統混合定位，并采用革新的多徑檢測以及消除技術，在高動態環境、5Hz的數據刷新率下，仍能保持較高的定位精度。LEA-6R芯片內部的Flash中集成了U—Blox公司的傳感器與慣性導航融合技術。通過將高性能U—Blox6定位引擎與U—Blox的慣性導航技術相結合，配以少量的外圍傳感器電路，即可在隧道、深度室內和高樓林立的城區等地點實現不間斷地導航。
　　
　　1．2系統組成
　　
　　LEA-6R芯片與有源天線、天線監測電路、方向傳感器、陀螺儀、溫度傳感器、里程計共同構成傳感器組合慣性導航系統。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天線監測電路設計
　　
　　LEA-6R支持無源天線和有源天線。有源天線的內部設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內部設置了天線監管器，提供了天線關斷及短路檢測功能。開路檢測由外部電路輸入到AADET—N端進行檢測完成。GPS內部的天線監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。天線監管電路如圖2所示。　　
　　1．4LEA-6R監測保護功能
　　
　　（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經芯片內部的FB由Vcc_RF輸出，Vcc_RF通過外接電阻R2至V_ANT，V_ANT經由芯片內部開關和FB，經由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。當有源天線內部發生短路時，流經R2的電流增大，當ANTSHORT檢測到電流過大時，由ANTOFF斷開開關，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，即可根據事先設置采取相應的動作。
　　
　　1．5外部傳感器電路
　　
　　外部傳感器為GPS接收信號微弱或衛星信號不可見時提供了必要的信息。在衛星不可見時，陀螺儀、方向傳感器、溫度傳感器和GPS衛星定位的zui后一次數據在LEA-6R中進行運算，從而得出定位的數據。因此外圍傳感器是慣性導航系統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LTC1860的ADC模數轉換成12位數字信號，通過SPI串行總線送入LEA-6R，經SPI總線傳輸數據的還有LM70溫度傳感器。SPEED的數據由里程計，或由車內的OBD口輸出，經HCP-070L光電隔離、整型后送入LEA-6R。經LEA-6R內部運算后的定位數據直接由LEA-6R的串口或USB口輸出，輸出的數據格式符合NMEA協議或者U-Blox公司的UBX協議。
　　
　　1．6LEA-6R的協議
　　
　　LEA-6R支持NMEA-183標準協議和U—Blox公司的UBX協議。兩種協議可以互相切換。UBX協議的結構如圖5所示。　　
　　其中，Syncchar1Syncchar1為2ByteUBX協議的特征符，分別為OXB5和OX62；CLASS為定義了信息的子集，UBX協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為有效數據的長度，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；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。
　　
　　陀螺儀，溫度傳感器，天線監管器的開啟和關閉等外圍設備的配置信息，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協議說明中可以查到，協議的格式如圖6所示。　　
　　默認狀態下，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。
　　
　　發送到LEA-6R中開啟天線監測電路的數據為B5620613040004000F64945F。
　　
　　1．7UBX協議中數據的讀取
　　
　　UBX協議與NMEA協議的區別是：MNEA協議每秒自動發送一次數據，UBX協議是在收到發送命令的情況下，才發送數據。發送讀取數據的命令格式除了Payload為空外，其他與UBX協議的格式相同。例如，讀取天線配置狀態，發送的數據如圖7所示。　　
　　系統在收到此命令后，會返回天線配置狀態的數據。
　　
　　2、程序設計
　　
　　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，數據的讀寫進行多線程編程。多線程的編程包括線程的創建、啟動、運行狀態控制、同步及數據通信和線程的正常／非正常退出。程序可分成3部分：（1）打開串口進行參數設置。（2）讀寫串口數據。（3）數據接收完成后有效數據的提取。
　　
　　3、結束語
　　
　　雖然該系統在隧道中長時間得不到信號時定位進度有所下降，但經實際驗證，LEA-6R傳感器組合慣性導航系統，在一般隧道和城市的高樓間能滿足實際應用要求，能使運行中的車輛取得完整的車輛定位數據，對于車輛遠程診斷儀有一定的實際意義。