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定位系統軟件設計
定位系統軟件設計
【摘要】分析定位系統軟件IPS設計的幾個問題，包括建模，及對異常處理、通訊信號處理、繪制圖像的部分探討。
【關鍵詞】水下定位;軟件;C#
1.概述
隨著社會的發展，海洋資源顯得越來越重要。
而人類探索、開發海洋資源的主要工具之一就是水下機器人。
有纜遙控水下機器人(ROV)、無纜水下機器人(AUV)是兩大發展方向。
當ROV潛入水下時通過電纜可以傳輸它的方位信息，但AUV沒有電纜就難以知道它在水下的方位了。
一般水下機器人下水時都會帶上一個聲信標，并通過費倫蒂公司海洋研究設備部(Ferr-
anti O.R.E)研制的綜合超短基線聲跟蹤系統Trackpoint之類的設備，獲得水下目標相對母船的位置。
如果把這個信息輸入到計算機，并利用GPS獲得母船的經緯度，就可以計算出水下目標的經緯度。
Integrated Positioning System(IPS)是創新水下技術有限公司(Creative Underwater Technology Inc.)開發的一套軟件，就可以進行這樣的計算。
但IPS是一個獨立的程序，使用時需要占用一臺主機，并且購買IPS的價格不菲。
如果研究自主的類似IPS的定位系統(MyIPS)，不僅節約采購經費，還可以把程序嵌入到AUV的水面監控系統中。
MyIPS綜合了多門學科，主要用到計算機圖像、通訊、信號處理、大地測量等。
2.系統結構
2.1 硬件
工控機一臺，有25針和9針RS-232串口各一個;
4410D型TrackpointⅡ，帶發聲器，應答器;
NovAtel公司OEM4型GPS卡。
2.2 系統結構
MyIPS利用4410D型TrackpointⅡ獲取水下目標的相對位置，用GPS卡獲得母船的大地坐標。
然后計算出水下目標的大地坐標。
其結構如圖1所示：
3.數學模型
從系統結構圖可以看到，MyIPS有兩個數據源：TrackpointⅡ數據和GPS數據。
MyIPS的關鍵就是從這兩組數據計算出所需。
如果歸結成數學問題就是已知橢球面上一點的經度緯度(母船的經度緯度，由GPS獲得)，橢球面上另外一點至該點的大地線長度和大地線的方位角(水下目標相對母船位置，由TrackpointⅡ獲得)，推求另外一點的經度緯度。
這是高等大地測量學中的大地主題正解問題。
如圖2所示：橢球面極三角形PAB，P為極點，A點為橢球面上一已知點，大地線AB的大地方位角A1.2亦為已知值，且已知A及B兩點間的大地長度S1。
求B點的經度緯度。
對這個問題我國著名大地測量專家張志新曾于六○年代提出過計算公式，見參考文獻[1、2]。
這里根據實際的需求情況，在允許的誤差范圍內進行簡化，以便于計算。
當聲信標的類型為TRANSPONDER或RESPON-DER4410D型TrackpointⅡ的絕對精度如下表所示：
實際上4410D型TrackpointⅡ的有效距離為2km，當距離為2km時TrackpointⅡ的誤差至少為2km×0.5%=10m。
參考“國際橢球”的參數，取地球的曲率半徑=6，371，228米，在以為半徑的球體中，弦長L=2km對應的弧長S為：
S=2×arcsin=2×6371228×acsin ()≈2000.0188m
S-L=0.0188<<10m.
S和L的值相差不大，遠小于Trackpoint的10m誤差，因此就把TrackpointⅡ測量的距離當做兩點間的大地線長。
同時以平面坐標系來計算B點的坐標。
同樣采用“國際橢球”的參數。
如圖3所示，A點為母船位置，用GPS獲取該點的經緯度，B點為水下目標的位置。
當Trackpoint系統連接上COMPASS后，將COMPASS/RS232 DATA設置為以正北為基準，Trackpoint輸出的BRG(BEARING，目標方向)就是∠NAB，X就是△x，Y就是△y。
則：
緯度差為：360°×;
經度差為：360°×。
若COMPASS/RS232 DATA沒被設置為以正北為基準，則∠NAB=HDG(HEADING，母船方向)+BRG(BEARING，目標方向)，又因為AB=S.R.(SLANT RANGE，斜距)，則△x=S.R*sin∠NAB，△y=S.R*cos∠NAB。
用A點(母船)的經緯度相應加上經度緯度差就得到B點(目標)的經緯度。
在距離不遠的情況下，這樣計算的精度就可以滿足要求了。
4.軟件設計
4.1 設計概要
本人使用的是Visual C#.NET，所以以下舉例是基于C#語言。
MyIPS具有可視化的界面，有便捷的操作菜單和工具條，其界面如圖4所示：
MyIPS不僅以數字的形式反映數據，還可以圖形的方式直觀的反映出，母船與水下目標的位置關系。
程序簡要流程圖如圖5所示：
4.2 主要技術及算法
①異常處理
當要從COM1和COM2讀取數據，及試圖和數據庫連接時可能出現異常情況。
因此使用try-catch 語句對可能出現的異常進行處理，以增強軟件的健壯性。
實際使用中COM端口可能會被占用或其它故障，以致無法使用。
將打開COM端口的命令放到try語句塊中，則當出現以上可能時，程序轉到catch語句，執行異常情況下的處理程序。
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Trackpoint輸出的數據格式有九種，而GPS輸出的數據也有好幾種。
以GPS的GPGGA格式數據為例： $GPGGA，082631.00，3041.4634，N，11118.4636，E，1，06，1.5，128.29，M，-24.23，M，，*46
這是一條完整的GPGGA格式的GPS數據，可以看到數據的開頭有一個標識符號$，當從緩沖區讀取數據時，讀到$字符就表示后面的數據就是要提取的有用信息。
對于Trackpoint輸出的NMEA ORE、NMEA TTM格式的數據也是以“$”符號作為開始標志。
NCSC格式以“J”符號作為開始標志，其它格式的數據雖然沒有特殊的符號作為開始標志，但它們的開頭都包含時間信息如“16：55：32”，但讀到相隔兩個字符長度的“：”時，就表示一條數據開始了。
數據處理的代碼如下：
取出各有效字段后，還要將其類型由字符串型轉化成浮點小數型，再進行數據計算，并把結果存儲到數據庫文件中去。
�、劾L圖
假設以母船為中心，在800*600的矩形中心畫上船的標記，同時定義一個變量Tick作為放大倍數。
母船的位置在屏幕上以像素表示為點(400，300)，經度和緯度差的數值很小，在距離近時可能只有0.0001°的差別，因此需要將經緯度差乘上Tick，比如：當Tick=10000時，則經緯度每變化0.0001°，在屏幕上的變化就是一個像素的位移。
屏幕的像素是以左上角為原點的，如果按上北下南左西右東的方向在屏幕上建立坐標系，則目標B點的像素坐標表示成如下(在東北半球時)：
=+Tick×△x(=400，為A點像素的X坐標);
=-Tick×△y(=300，為A點像素的Y坐標);
當在其它半球時需相應變換正負號。
若定義兩個變量WE和NS，當在東半球時WE=1，在西半球時WE=-1;
當在南半球時NS=1，在北半球時NS=-1;
修改上面公式成：
=+WE×NS×Tick×△x(=400，為A點像素的X坐標);
=+WE×NS×Tick×△y(=300，為A點像素的Y坐標);
WE和NS的取值可由GPS數據判斷。
如：
$GPGGA，082631.00，3041.4634，N，11118.4636，E，1，06，1.5，128.29，M，-24.23，M，，*46
通過數據分析函數可以提出第3和第4個逗號之間的字符“N”，表示在北半球，所以NS=-1，同樣“E”表示在東半球，所以WE=1。
另外，視圖的放大和縮小按鈕可以改變Tick的大小，然后刷新視圖，這樣可以滿足目標和母船距離遠近不同時在屏幕上的反映。
5.結論和建議
從上述可以看出，設計IPS的主要技術并不復雜，但實際中因為TrackpointⅡ和GPS發送數據的速率不同，要想更快的分析數據，還必須研究優化的算法。
為了提高在遠距離時計算結果的精度，還要對數學模型進行改進，添加修正參數。
參考文獻
[1]張志新.大地坐標計算公式[J].測繪通報，1956，2(4).
[2]張志新.遠距離大地坐標正反解公式[J].測量制圖學報，1958，2(3).
[3]OPERATION AND MAINTENANCE MANUAL FOR THE ORE MODEL 4410D-01 TRACKPOINT Ⅱ Plus SYSTEM.
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