摘 要： 由于嵌入式測姿系統軟件根據不用需求需實現多種接收機板卡、不同導航系統、多種姿態算法的選擇，因此其功能復雜，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平臺根據嵌入式測姿系統軟件的主要流程及其功能對軟件進行單元劃分，詳細闡述了各個模塊的功能以及模塊之間的接口，解決可操作性、可擴展性等問題，實現了軟件的模塊化設計。實際數據驗證表明，嵌入式測姿軟件模塊化后可移植性、擴展性增強，可用性高，資源利用率高，并適合在一般載體上使用。
關鍵詞： 測姿；ARM；模塊化；軟件
0 引言
隨著全球定位系統的發展，姿態測量技術逐漸成為衛星導航應用領域研究的熱點。姿態測量一般應用于衛星、航天器、載人機、無人機等高動態的載體上，這些載體要求姿態測量系統具有精度高、實時性強、安裝方便等特點。嵌入式系統是一種完全嵌入到受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統，具有響應時間短、系統內核小、可擴充、可移植、實時和可靠性較強等優點。ARM處理器體積小，功耗低，成本低，性能高，執行效率高。目前，嵌入式測姿系統軟件趨于成熟，但由于功能復雜，程序冗長，可操作性低。
近年來，利用全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機載體進行姿態測量的技術已經逐步成熟，但隨著接收機板卡種類、導航系統種類、姿態算法種類的增加，對嵌入式測姿軟件的實時性、可用性以及可擴展性提出了更高的要求。2008年，荷蘭代爾伏特理工大學實現了GPS單頻單歷元姿態解算系統[1]。2012年，該大學實現了多天線GNSS測姿系統[2]。2012年，澳大利亞科廷大學進行了多星座測姿試驗[3]。2008年，北京理工大學設計了單基線測姿系統，并進行靜態和動態試驗[4-6]。2007年~2009年，上海交通大學完成姿態測量系統樣機的研制[7-9]。2012年，中國衛星導航定位應用管理中心與54所聯合研制了GPS衛星導航系統多頻姿態測量系統[10]。
此外，國內外幾大 GNSS 廠商均有相應的測姿產品。美國Trimble公司的BX982利用GPS/GLONASS/BD進行測姿，加拿大Novatel公司、比利時Septentrio公司利用GPS/GLONASS測姿。中國星網宇達研發BDS/GPS定向接收機，東方聯星的TOAS100D利用雙天線進行測向、PNS200-BGI利用BD/GPS/INS進行定位測姿。
綜上所述，國內外針對姿態測量技術已經開展了較為深入的研究，相關姿態測量方法已經在姿態測量樣機上開展了靜態及動態實驗驗證，而本文將在之前的研究基礎上重點進行嵌入式測姿軟件模塊化方法介紹并對其可用性進行實驗驗證。
1 軟件模塊化
由于程序需實現不同導航系統、不同接收機板卡、不同姿態解算算法的選擇，且要求程序具有通用性及可擴展性，因此將其模塊化。模塊化即根據程序的流程和調用的順序等將程序以功能為單位劃分為一個個單元的形式，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和變量，操作簡單，可有效提高工作效率和程序的運行效率。
1.1 模塊劃分
測姿軟件模塊化后可設計為由1個主程序和7模塊組成，主程序聲明如何調用各個模塊及界面顯示；模塊分別為：讀數模塊、解碼模塊、預處理模塊、單點定位模塊、RTK定位模塊、模塊測姿模塊、結果處理模塊。
1.2 模塊功能
主程序的功能為調用各個模塊并進行導航系統、接收機板卡、頻點的選擇以及界面的顯示。讀取二進制數據流模塊可進行二進制文件數據以及二進制串口數據的讀取，此模塊需使用多線程模式處理多個終端的數據流。解碼模塊將二進制數據流進行解碼，可兼容OEMStar、BDM605、BDM670等型號接收機板卡，且此模塊可進行擴展。預處理模塊進行各通道數據對齊及參考星的選擇。單點定位模塊可計算衛星位置以及利用最小二乘法實現單點定位。RTK模塊利用實時載波相位差分技術得到載體的精確位置。姿態解算模塊實現3種姿態解算算法，分別為GNSS單歷元CLAMBDA算法、GNSS遞推多歷元姿態解算算法以及GNSS卡爾曼濾波算法，此模塊可擴展其他算法。結果處理模塊將定位定姿的結果進行整合處理，并返回至主程序。
1.3 模塊接口
每個模塊具有4個接口（GetDefault、Init、Process、UnInit），分別完成接口信息查詢、初始化、信號處理和退出功能。其中，GetDefault函數將返回本模塊功能、配置參數接口、配置參數默認數值和配置參數說明等內容；Init函數將完成全局變量指針的傳遞工作，Process函數具體實現模塊信息的處理，UnInit函數實現退出功能。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、基線長度等進行設置。讀取配置文件后根據讀取到的參數進行各模塊的初始化，再分別進入每個模塊的process函數，按照圖1所示流程依次完成各部分功能，最后進行界面更新。
主程序對每個模塊的功能函數循環調用，每次循環解出一個歷元姿態、定位結果。
2 實驗性能分析
2.1 RTK定位測試結果
為驗證嵌入式測姿軟件模塊化后系統的RTK定位效果，現將基站架設于北京航空航天大學新主樓F座樓頂，流動站位于北航田徑場看臺北側，流動站接收機選用支持的OEMStar L1單頻板卡，天線選用NovAtel ANT-35C2GA-TW 外置天線。解算結果如圖2～圖4所示。
為測試系統RTK定位性能，特統計解算的流動站位置坐標的均值與標準差結果，統計結果如表2所示。
由此可見，嵌入式測姿系統模塊化后RTK定位結果可以達到毫米級。
2.2 測姿測試結果
為驗證嵌入式測姿系統的測姿結果，在北京航空航天大學操場看臺上，選用3個全頻天線以及北斗星通公司GPS\BD雙系統接收機進行試驗。基線長度均為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，實驗結果如圖5所示。
3 結論及建議
本文探討利用嵌入式軟件模塊化的方法，通過不同GNSS姿態測量算法，解決可操作性、可擴展性等問題，實現對GNSS測姿軟件的模塊化。實際數據驗證表明嵌入式軟件模塊化后：(1)可移植性強；(2)擴展性強；(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測姿算法復雜度較高，需進一步探討其在嵌入式ARM平臺上實現時遇到的問題。
參考文獻
[1] BUIST P.The baseline constrained LAMBDA method for single epoch，single frequency attitude determination applications[C].Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation.Fort Worth Convention Center，Fort Worth，TX ION GPS，2007：2962-2973.
[2] GIORGI G，TEUNISSEN P J G，VERHAGEN S，et al.Testing a new multivariate GNSS carrier phase attitude determination method for remote sensing platforms[J].Advances in Space Research，2010，46(2)：118-129.
[3] NADARAJAH N，TEUNISSEN P J G，BUIST P J，et al.First results of instantaneous GPS/Galileo/COMPASS attitude determination[C].Proceedings of the 6th ESA Workshop on Satellite Navigation User Equipment Technologies(NAVITEC′12)，Noordwijk，ESA，2012：22-29.
[4] 王博.GPS 姿態測量系統中的關鍵技術研究[D].北京：北京理工大學，2009.
[5] WANG B，MIAO L，WANG S，et al.An integer ambiguity resolution method for the global positioning system(GPS)-based land vehicle attitude determination[J].Meas.Sci.Technol.，2009(20)：075108.
[6] WANG B，MIAO L，WANG S，et al.A constrained LAMBDA method for GPS attitude determination[J].GPS Solutions，2009，13(2)：97-107.
[7] 王永泉.長航時高動態條件下GPS/GLONASS姿態測量研究[D].上海：上海交通大學，2008.
[8] JIN W，ZHAI C，WANG L.Hybrid analytical resolution approach based on ambiguity function for attitude determination[J].Journal of Zhejiang University SCIENCE A，2009，10(7)：1038-1048.
[9] 靳文瑞.基于GNSS的多傳感器融合實時姿態測量技術研究[D].上海：上海交通大學，2009.
[10] 李獻球，甘興利，李雋.GPS衛星導航系統多頻姿態測量技術研究[J].無線電工程，2012，42(4)：27-29.