基于北斗導航通信技術的無人艇運動導航控制系統(tǒng)設計

車常昕，張永波

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

北斗導航通信系統(tǒng)由用戶段、地面段、空間段三部分結(jié)構共同組成，在全球范圍內(nèi)可為各類用戶主機提供全天時、全天候的高精度定位服務，且在高水準短報文通信技術的作用下，該系統(tǒng)已經(jīng)具備了完善的區(qū)域?qū)Ш脚c授時定位能力，特定情況下，獨立定位精度可達分米或厘米級別，平均測速精度也能達到0.2米/秒[1]。導航通信系統(tǒng)的空間段包含若干個地球靜止軌道衛(wèi)星、一個中圓地球軌道衛(wèi)星和一個傾斜地球同步軌道衛(wèi)星；地面段包含一個監(jiān)測站、一個時間同步注入站、一個主控站和若干個地面站，且各級主機只有在星間鏈路運行管理設施的作用下，才能實現(xiàn)導航信息的傳輸與交流；用戶段包含可兼容其它衛(wèi)星的北斗導航芯片、天線、終端模塊等各類基礎服務型設備產(chǎn)品[2]。

無人艇是一種常見的海中軍事武器，其應用實質(zhì)就是在海中作業(yè)的行進機器人。隨行進器運動時間的延長，與之相關的導航應用策略可能會出現(xiàn)一定程度的執(zhí)行偏差，從而導致失控運動行為的出現(xiàn)。為避免上述情況的發(fā)生，基于慣性測量技術的導航控制系統(tǒng)利用ARX時間序列建模原理，確定無人艇的實際運動路線，再通過計算機動性能指標的方法，實現(xiàn)對行進器運動姿態(tài)的精準控制。但此系統(tǒng)的應用續(xù)航時間較短，很難滿足核心導航主機對于無人艇運動方向的連續(xù)化精準控制需求。為解決此問題，設計基于北斗導航通信技術的無人艇運動導航控制系統(tǒng)，在硬件電路結(jié)構體的支持下，確定接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的基本應用格式，從而實現(xiàn)對報文加密密鑰參數(shù)的設置與完善。

1 硬件電路設計

無人艇運動導航控制系統(tǒng)的硬件執(zhí)行電路由電源模塊、方位監(jiān)測模塊、電機測速模塊幾部分共同組成，通過北斗導航通信技術實現(xiàn)對硬件電路結(jié)構的連接與調(diào)試，由ARM Cortex-M3 STM32F103芯片和外圍設備結(jié)構體共同組成中央處理單元，設置雙電源結(jié)構體形式保持系統(tǒng)電源模塊“雙電壓輸入、單電壓輸入”的連接應用形式，通過以MPU6050設備實現(xiàn)無人艇運動姿態(tài)際方位的監(jiān)測，最后通過MX1208型的雙路有刷直流電路結(jié)構搭建電機驅(qū)動電路，實現(xiàn)電機測速。硬件電路具體搭建方法如下。

1.1 硬件電路結(jié)構組成

基于北斗導航通信技術的無人艇運動導航控制系統(tǒng)沿用傳統(tǒng)模塊化設計思想，以系統(tǒng)功能分類作為核心執(zhí)行需求，自上而下地將系統(tǒng)結(jié)構中的獨立功能部件分解出來，再按照既定導航需求進行連接與重組，從而精細化分析各功能模塊的結(jié)構要素，一方面指導系統(tǒng)內(nèi)其它硬件電路設備架構的搭建，另一方面實現(xiàn)對通用性電源接口執(zhí)行功能的調(diào)試與維護[3-4]。硬件電路結(jié)構設計一般遵循以下原則：(1)清晰的功能區(qū)域劃分，即電路模塊的分解規(guī)模應適當，結(jié)構體組合要符合“結(jié)構化規(guī)則”。(2)固定的模塊，即硬件電路結(jié)構的“接口規(guī)則”。(3)相關電路模塊功能必須符合無人艇運動導航控制系統(tǒng)的測試要求，即模塊化的系統(tǒng)“評定規(guī)則”。在后續(xù)設計過程中，結(jié)合無人艇運動導航控制系統(tǒng)的實際應用需求，在北斗導航通信技術的支持下，實現(xiàn)對硬件電路結(jié)構的連接與調(diào)試。

圖1 無人艇運動導航控制系統(tǒng)硬件電路組成結(jié)構

1.2 中央處理單元與電源模塊

無人艇運動導航控制系統(tǒng)的中央處理單元由嵌入式ARM Cortex-M3 STM32F103芯片和外圍設備結(jié)構體共同組成。其中，STM32F103芯片包含內(nèi)核、外設兩個組成結(jié)構，前者負責對AHB、DMA、SRAM、Flash等系統(tǒng)總線進行集成化控制處理，并可按照北斗導航通信技術的實際處理需求，將系統(tǒng)電動機設備的最大運行速度提升至72 MHz/s[5]。在中央處理單元的作用下，系統(tǒng)電源模塊始終保持“雙電壓輸入、單電壓輸入”的連接應用形式，即在一次完整的無人艇運動導航控制處理流程中，始終有兩個電源結(jié)構體對系統(tǒng)電源模塊保持輸入作用狀態(tài)，但卻只有一個電源結(jié)構體負責輸出系統(tǒng)內(nèi)的已存儲應用電量。兩個電壓輸入端分別位于U33 LMZ12003結(jié)構體兩側(cè)，在多個R0執(zhí)行電阻的共同作用下，核心電源應用設備首先將輸入電流轉(zhuǎn)變成交變傳輸形式，再在線路組織的作用下，將這些流量電子暫時存儲于PW1 1117-3V3設備之中[6]。隨著已接入R0電阻數(shù)量級水平的提升，GND傳感器兩端的應用電壓數(shù)值也會逐漸增大，直至系統(tǒng)電源模塊能夠完全負載中央處理單元的電量應用需求。

圖2 無人艇運動導航控制系統(tǒng)的電源模塊

1.3 無人艇運動姿態(tài)與方位監(jiān)測模塊

無人艇運動姿態(tài)與方位監(jiān)測模塊是具有高度集成能力的慣性測量傳感器，以MPU6050設備作為核心應用元件。一般情況下，MPU6050設備結(jié)構體同時與兩類傳輸導線相連，其中CAN總線實現(xiàn)了核心主機與北斗導航中心之間的連接，二總線實現(xiàn)了核心主機與系統(tǒng)檢測器與控制器的連接。安裝在無人艇行進器內(nèi)的運動姿態(tài)測量單元可實現(xiàn)實時采集船體航向、翻滾、俯仰三個方向上的導航控制量，可為北斗導航通信主機提供行進運動所需的原始應用數(shù)據(jù)。但由于北斗導航中心結(jié)構的存在，MPU6050設備在使用過程中容易受到溫度、噪聲等多項環(huán)境因素的干擾，從而導致最終的控制精準性不斷下降[7-8]。為避免上述情況的發(fā)生，MPU6050設備可根據(jù)無人艇運動角速度的變化情況，累積與北斗導航通信傳輸相關的物理應用信息，再在保證實際偏航角不出現(xiàn)明顯偏差的基礎上，將這些信息參量按照導航需求，傳輸至系統(tǒng)各級執(zhí)行主機之中，直至無人艇終端、水下終端、地面終端三類設備元件之間的連接傳輸關系不再發(fā)生改變。

圖3 無人艇運動姿態(tài)的方位監(jiān)測模塊

1.4 電機驅(qū)動與電機測速模塊

電機驅(qū)動與電機測速模塊采用MX1208型的雙路有刷直流電路結(jié)構，內(nèi)部集成有C類、B類兩種電子驅(qū)動結(jié)構，在運轉(zhuǎn)執(zhí)行過程中，可根據(jù)無人艇行進器的實際運動速率，更改電路兩端的承載電壓數(shù)值，一般情況下，工作電壓的覆蓋范圍可從2 V過渡到9.6 V，由于多個M電機的物理調(diào)節(jié)作用，測速模塊的最大峰值輸出電流始終不會超過1.5 A。MX1208驅(qū)動主機中同時存在VDD型、INA型、INB型、PGND型、PGND型等多種電子傳輸接口。其中，VDD1、VDD2、VCC1、VCC2接口同時存在于MX1208驅(qū)動主機上部，可在INA1、INA2、INB1、INB2接口的作用下，釋放暫存于電機測速模塊中的應用電子量，再借助與電源模塊的連接通道，調(diào)取大量的待處理北斗導航通信數(shù)據(jù)[9-10]。PGND1、PGND2、PGND1、PGND2接口同時存在于MX1208驅(qū)動主機下部，可按照OUTA型、OUTB型接口中電流的實際輸出速率，更改原接口內(nèi)的電子輸入量，從而實現(xiàn)對無人艇運動導航行進路徑的精準化控制。

圖4 電機測速模塊內(nèi)的驅(qū)動電路

2 基于北斗導航通信技術的系統(tǒng)短報文加密

在硬件電路結(jié)構體的支持下，按照短報文傳輸特征分析、傳輸協(xié)議格式定義、加密對象獲取、密鑰參數(shù)計算的處理流程，完成基于北斗導航通信技術的無人艇運動導航控制系統(tǒng)設計。

2.1 短報文傳輸特征

短報文傳輸是一類雙向的簡短報文通信行為，在無人艇運動導航控制系統(tǒng)中，用戶數(shù)據(jù)長度、信息傳輸時間、數(shù)據(jù)編碼量等都是最大的傳輸特征參量。結(jié)合北斗導航通信技術原理和具體數(shù)據(jù)傳輸路徑，可將系統(tǒng)內(nèi)的短報文傳輸特征總結(jié)為如下幾方面。

1)無人艇運動導航短報文數(shù)據(jù)只能以明文形式進行傳輸：

導航短報文數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各階層間只能保持安全性傳輸?shù)膽眯问?，同時導航控制系統(tǒng)的調(diào)制頻率始終與導航通信數(shù)據(jù)的傳輸周期保持一致，在系統(tǒng)中導航信息屬于一種公開型的資源數(shù)據(jù)，因此整個傳輸行為均具有較高的安全隱患等級[11]。

2)無人艇運動導航短報文數(shù)據(jù)始終保持固定的傳輸格式：

無人艇運動導航控制系統(tǒng)中的報文數(shù)據(jù)只能依照通信協(xié)議進行傳輸，且每條報文只具有單一的傳輸格式，因此無論北斗導航通信環(huán)境發(fā)生怎樣的改變，報文中的數(shù)據(jù)信息結(jié)構均保持穩(wěn)定。

3)無人艇運動導航控制系統(tǒng)的單條報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量有限

北斗導航短報文通信需要5顆GEO衛(wèi)星的共同配合，雖然系統(tǒng)在上下行報文接收頻率方面沒有設備限度條件，一個導航控制主機可同時接收多個終端輸出的無人艇運動報文信息，但受到衛(wèi)星信道數(shù)量級水平的限制，導航控制主機需要同時建立與方位監(jiān)測模塊和電機測速模塊的物理連接[12]。由于終端用戶服務的存在，北斗短報文傳輸必須接受導航控制等級的限制，具體分類標準如表1所示。

2.2 接口數(shù)據(jù)傳輸基本協(xié)議格式

在無人艇運動導航控制系統(tǒng)的短報文服務中，不同的通信申請協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)不同的導航控制服務，從而得到不同類型的應答信息數(shù)據(jù)。若北斗導航定位申請協(xié)議能夠幫助無人艇運動目標獲取當前的行進時間、經(jīng)緯度等信息參量，則可認為暫存導航數(shù)據(jù)能夠完全滿足系統(tǒng)的基本傳輸需求[13]。一般情況下，一個完整的接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議由指令、報文長度、用戶地址、報文內(nèi)容、校驗和五類限制條件共同組成。

1)“指令”是指由地面導航終端發(fā)出的報文通信標志，一般以“φ”作為起始編寫符號，在傳輸過程中，與無人艇運動導航控制信息相關的ASCII碼輸出形式始終保持不變，且每個ASCII碼只保留一個獨立的應用字節(jié)。

2)“報文長度”僅用來表示北斗導航通信報文的字節(jié)傳輸長度，可方便導航控制主機對當前已接收報文數(shù)據(jù)的完整度進行清晰判斷。

3)“用戶地址”描述了北斗導航通信報文在實際傳輸時的終端ID號，一般情況下其長度水平一直維持在24bit左右，絕大多數(shù)當前終端所顯示的ID號只能保留在接收方地址內(nèi)部，再根據(jù)目標導航地址生成獨立的發(fā)送報文[14]。

4)“報文內(nèi)容”包含導航傳送方與導航接收方的所有用戶數(shù)據(jù)信息，能夠根據(jù)協(xié)議功能具體格式的不同，更改已成型報文的長度、類別及編寫內(nèi)容，再根據(jù)北斗導航通信技術的實用需求，將傳輸數(shù)據(jù)調(diào)整為字節(jié)形式，從而滿足無人艇運動導航控制主機對于數(shù)據(jù)信息的補零處理需求。

5)“校驗和”可對前四類條件進行總結(jié)，并以此執(zhí)行所有運算指令，從而檢驗系統(tǒng)內(nèi)當前運行的無人艇運動導航控制指令是否存在錯誤。

設B0代表指令編寫系數(shù)，X0代表報文長度條件，W0代表用戶地址信息，P0代表報文內(nèi)容的編碼實值，χ0代表校驗和實值。聯(lián)立上述物理量，可將接口數(shù)據(jù)傳輸基本協(xié)議格式的標準定義式表示為：

(1)

2.3 通信協(xié)議加密對象

北斗導航通信短報文協(xié)議的加密對象具備交互申請、順向接收兩種連接形式。其中，交互申請型通信協(xié)議加密對象在短報文用戶交互過程中，可直接對申請協(xié)議中的報文內(nèi)容進行加密處理，再借助輸入信道，將信息反饋至接收終端，從而實現(xiàn)完整的信息協(xié)議獲取與密文信息解密處理流程。通常情況下，這種類型加密對象的申請協(xié)議報文內(nèi)容格式并不完全固定，且每部分無人艇運動導航信息所對應的物理含義也均不相同，在處理加密指令時，系統(tǒng)核心控制主機所需執(zhí)行的協(xié)議數(shù)量相對較大，易使用戶端主機出現(xiàn)通信混亂的處理行為[15-16]。順向接收型通信協(xié)議加密對象可直接進入系統(tǒng)導航基站，當控制主機接收到足量的信號參量后，通信協(xié)議可同時轉(zhuǎn)發(fā)導航信息內(nèi)容與目的接收地址，隨系統(tǒng)內(nèi)累積信號總量的不斷提升，最終輸出協(xié)議參量的基本格式也逐漸趨于統(tǒng)一[17]。設θ1代表交互申請型通信協(xié)議的加密處置系數(shù)，θ2代表順向接收型通信協(xié)議加密處置系數(shù)，聯(lián)立公式(1)，可將基于北斗導航通信技術的通信協(xié)議加密對象定義為：

(2)

2.4 報文加密密鑰參數(shù)

為實現(xiàn)對無人艇運動導航短報文數(shù)據(jù)的加密處理，對密鑰參數(shù)與協(xié)議加密對象間的映射關系進行分析。加密映射的建立基于一個完整的迭代分段函數(shù)，由映射公式的多次迭代處理可生成報文加密所需的密鑰序列(既定密鑰參數(shù)分布形式如圖5所示)[18-19]。其特性本質(zhì)上取決于初始運動參量d0和加密參數(shù)μ兩個重要物理值，且這兩個應用系數(shù)可同時看作報文加密體系中的密鑰參數(shù)。其原始數(shù)學模型可表示如下：

(3)

其中:ξ代表報文加密編碼原量，Nmax代表最大加密權限值，Nmin代表最小加密權限值。至此，完成各項軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在北斗導航通信技術的支持下，實現(xiàn)無人艇運動導航控制系統(tǒng)的順利應用。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗環(huán)境及原理

為驗證基于北斗導航通信技術無人艇運動導航控制系統(tǒng)的實際應用價值，設計如下對比實驗。在兩艘相同的無人艇行進器中放置同型號的信號收發(fā)器，借助北斗導航通信技術實現(xiàn)行進器與岸基設備間的信號連接，其中實驗組岸基設備搭載基于北斗導航通信技術無人艇運動導航控制系統(tǒng)，對照組岸基設備搭載基于慣性測量技術的導航控制系統(tǒng)。

圖5 導航通信控制原理

已知系統(tǒng)續(xù)航時間、UDI系數(shù)指標均能反映導航主機對無人艇運動方向的精準化控制能力。通常情況下，系統(tǒng)續(xù)航時間越長、UDI系數(shù)指標越大，導航主機對無人艇運動方向的精準化控制能力越強，反之則越弱。

3.2 結(jié)果與討論

控制導航數(shù)據(jù)輸入量分別等于1.5×108T、3.0×108T、4.5×108T、6.0×108T、7.5×108T，記錄在各個數(shù)據(jù)輸入水平下，實驗組、對照組無人艇運動導航控制主機續(xù)航時間的具體變化情況。

分析圖6可知，理想狀態(tài)下無人艇運動導航控制系統(tǒng)的續(xù)航時間不會隨數(shù)據(jù)輸入量的增加而產(chǎn)生變化，始終保持為8 h。實驗組無人艇運動導航控制系統(tǒng)的續(xù)航時間在小幅度下降后，開始出現(xiàn)明顯上升的變化趨勢，在整個上升過程中雖也有小幅數(shù)值下降行為出現(xiàn)，但對整體上升行為的影響趨勢并不大，全局最大值達到18 h，與理想化數(shù)值相比，上升了10 h。對照組無人艇運動導航控制系統(tǒng)的續(xù)航時間一直保持下降、上升交替出現(xiàn)的變化趨勢，最終結(jié)束數(shù)值遠低于起始數(shù)值水平，全局最大值僅達到13 h，與實驗組極值相比，下降了5 h。綜上可知，在北斗導航通信技術的作用下，無人艇運動導航控制系統(tǒng)的實際續(xù)航時間出現(xiàn)明顯增大的變化趨勢，可從根本上增強導航主機對無人艇運動方向的精準化控制能力。

圖6 系統(tǒng)續(xù)航時間對比圖

表2記錄了實驗組、對照組UDI系數(shù)指標數(shù)值的具體變化情況。

表2 UDI系數(shù)指標對比表

分析表2可知，實驗組UDI系數(shù)指標的變化趨勢相對較為穩(wěn)定，第1組實驗數(shù)值的平均水平較低，僅達到74.4%，第2組數(shù)值的平均水平較高，達到了77.3%，二者間差值為2.9%。對照組UDI系數(shù)指標的波動幅度相對較大，雖基本呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢，但整體上升幅度較小，第2組數(shù)值的平均水平較低，僅達到43.9%，第1組數(shù)值的平均水平較高，達到了45.7%，二者間差值為1.8%，遠低于實驗組數(shù)值水平。綜上可知，在北斗導航通信技術的作用下，無人艇運動導航控制系統(tǒng)的UDI系數(shù)指標數(shù)值確實出現(xiàn)了明顯的增大，不僅滿足了導航主機對無人艇運動方向的精準化控制需求，也能夠促進系統(tǒng)導航應用策略快速趨于完善。

4 結(jié)束語

與基于慣性測量技術的導航控制系統(tǒng)相比，基于北斗導航通信技術導航控制系統(tǒng)的實際續(xù)航時間更長、UDI系數(shù)指標數(shù)值水平更高，可使已制定導航應用策略快速趨于完善，從而加速導航主機對無人艇運動方向的精準化控制。從搭建流程的角度來看，中央處理單元與電源模塊可在方位監(jiān)測模塊、電機測速模塊的作用下，滿足硬件電路結(jié)構的實際搭建需求，且隨著短報文傳輸特征的逐漸清晰，通信協(xié)議加密對象可快速建立與加密密鑰參數(shù)之間的對應關系，從而使接口數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議格式得到定向性規(guī)劃，實現(xiàn)導航主機對無人艇行進器的運動控制與路程劃分。