國產(chǎn)化衛(wèi)星/MEMS組合導(dǎo)航模塊的設(shè)計實現(xiàn)

　　摘要：設(shè)計一種嵌入式衛(wèi)星/MEMS組合導(dǎo)航模塊。該模塊采用北京時代民芯科技有限公司的國產(chǎn)化GPS/BD多模導(dǎo)航接收機，實現(xiàn)與MEMS慣性器件的軟硬件融合。基于工程化應(yīng)用，提出一種高可靠擴展卡爾曼濾波器濾波算法，實時校準(zhǔn)各種誤差項，改善組合導(dǎo)航模塊性能。在靜態(tài)情況下，模塊姿態(tài)角誤差小于0.2°，航向角誤差小于0.5°。在動態(tài)情況下，姿態(tài)角與航向角誤差小于1°，如果衛(wèi)星導(dǎo)航突然中斷，將能持續(xù)30秒，定位精度維持在20米內(nèi)。

　　引言

　　隨著北斗導(dǎo)航應(yīng)用的不斷推廣，國產(chǎn)導(dǎo)航芯片和模塊持續(xù)升級，各領(lǐng)域應(yīng)用對北斗導(dǎo)航產(chǎn)品性能提出新的要求：低成本、低功耗、小型化、高精度。

　　其中，GPS/BD多模導(dǎo)航的實現(xiàn)，很大程度滿足國內(nèi)外需求，集合MEMS慣性傳感器的組合導(dǎo)航模塊，進(jìn)一步豐富多層面用戶應(yīng)用。與傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)相比，衛(wèi)星/MEMS組合導(dǎo)航模塊，采用較低成本的MEMS慣性器件，極大降低導(dǎo)航系統(tǒng)成本、功耗和體積，與此同時，MEMS慣性器件具有瞬間較高精度的特點，彌補衛(wèi)星導(dǎo)航不連續(xù)、輸出頻率不高、易失鎖等不足[1~3]。

　　由于MEMS-IMU(IMU，慣性測量單元)精度仍處于較低水平，無法單獨實現(xiàn)導(dǎo)航。通常采用MEMS-IMU與衛(wèi)星導(dǎo)航接收機、磁強計等相結(jié)合的方式，構(gòu)建組合導(dǎo)航模塊，實現(xiàn)較高精度姿態(tài)控制與導(dǎo)航定位[2]。

　　為了適合特定導(dǎo)航應(yīng)用，提出一種衛(wèi)星/MEMS組合導(dǎo)航模塊用工程化濾波算法。并在嵌入式平臺上實現(xiàn)。

　　衛(wèi)星/MEMS組合導(dǎo)航，通過算法實現(xiàn)角速度校準(zhǔn)，加速度校準(zhǔn)，以及磁校準(zhǔn);估計載體姿態(tài)角度，位置和速度信息，并以較高的輸出速率實時更新。該系統(tǒng)中采用擴展卡爾曼濾波器(EKF)估算并校準(zhǔn)系統(tǒng)狀態(tài)量。通過融合衛(wèi)星導(dǎo)航信息和磁強計信息，實時校準(zhǔn)系統(tǒng)姿態(tài)、位置、速度和傳感器誤差。該EKF融合算法，考慮到傳感器主要特性：零偏、標(biāo)度因數(shù)誤差、正交耦合誤差等。此外，由于磁強計感測地磁場強度時，會受到硬鐵和軟鐵干擾，因此在濾波器中對其進(jìn)行估計。在靜態(tài)情況下，系統(tǒng)姿態(tài)角誤差小于0.2°，航向角誤差小于0.5°。在動態(tài)情況下，姿態(tài)角與航向角誤差小于1°，如果衛(wèi)星導(dǎo)航突然中斷，將能持續(xù)30秒，定位精度維持在20米內(nèi)。　　

 　　模塊設(shè)計

　　綜合考慮成本、功耗、體積、可靠性等因素，衛(wèi)星/MEMS組合導(dǎo)航模塊采用嵌入式平臺開發(fā)方案[6]，如圖1所示。系統(tǒng)由處理器、MEMS-IMU、GPS/BD多模導(dǎo)航接收機、磁強計等重要部件組成。

　　姿態(tài)與航向校準(zhǔn)算法

　　理想情況下，將陀螺感測的角速度信息融入姿態(tài)處理器，在獲悉載體初始姿態(tài)情況下，同時認(rèn)為陀螺的輸出比較精準(zhǔn)，一般的解算足以獲得夠用的姿態(tài)信息。然而，通常初始姿態(tài)無法準(zhǔn)確獲得，陀螺和加速度計都遭受隨機漂移、失準(zhǔn)角誤差、加速度敏感誤差、標(biāo)度因數(shù)誤差及其非線性等因素的影響，磁強計存在磁感應(yīng)失真等。如圖2所示，通過工裝將模塊安裝于測試設(shè)備上，設(shè)計合理標(biāo)定流程和算法，便可獲得陀螺和加速度計常值零偏、標(biāo)度因數(shù)、失準(zhǔn)角誤差量等關(guān)鍵參數(shù)。

　　通常在組合模塊安裝好之后，對磁強計的誤差和干擾進(jìn)行校準(zhǔn)。姿態(tài)與航向解算中，陀螺的漂移引起的誤差最大，如果沒有濾波算法，解姿信息將不斷偏離真實數(shù)值。該卡爾曼濾波器提供在線陀螺漂移校準(zhǔn)，加速度計提供重力軸系參考，磁強計通過與加速度計配合，提供航向參考。

　　姿態(tài)估計算法中，提供穩(wěn)定的三維歐拉角roll、pitch、yaw，為了提高精度并避免奇異，采用四元數(shù)法實時更新方向余弦矩陣。MEMS陀螺感測到載體角速度，通過差分方程實時更新姿態(tài)四元數(shù)，同時獲得更新后的方向余弦矩陣，從而獲得姿態(tài)角的更新。

　　卡爾曼濾波器姿態(tài)校準(zhǔn)的實現(xiàn)，之所以能夠改善性能，主要在于它能夠準(zhǔn)確估計出陀螺的漂移和姿態(tài)誤差。這種方式的優(yōu)點是：濾波器估計了絕對姿態(tài)誤差，因而無論是哪一部分誤差污染了姿態(tài)角，都可以直接用其來校準(zhǔn)姿態(tài)角輸出。姿態(tài)與航向校準(zhǔn)模塊，采用EKF，包含兩個部分：線性姿態(tài)誤差與陀螺漂移模型，非線性姿態(tài)四元數(shù)誤差模型。狀態(tài)模型基于陀螺輸出數(shù)據(jù)，預(yù)測姿態(tài)誤差和陀螺漂移，量測模型采用真實世界的姿態(tài)誤差量測值校準(zhǔn)預(yù)測部分，該姿態(tài)誤差量測值由加速度計與磁強計獲得。這兩個參考數(shù)據(jù)源向卡爾曼濾波器提供適當(dāng)?shù)闹眯潘絒4]。

　　航姿模塊路測試驗

　　為了能夠正確推算模塊的姿態(tài)、速度、位置等信息，準(zhǔn)確對準(zhǔn)初始姿態(tài)是十分必要的。由于低精度MEMS陀螺不能感測到地球自轉(zhuǎn)角速率，因此不能采用傳統(tǒng)的自對準(zhǔn)方法實現(xiàn)初始化對準(zhǔn)?；谙到y(tǒng)方案，將磁強計與MEMS加速度計進(jìn)行組合，構(gòu)成測姿模塊，實現(xiàn)初始化對準(zhǔn)。如圖2所示，單片磁強計由三軸正交磁阻傳感器與數(shù)字化ASIC接口構(gòu)成，磁強計不能單獨確定航向角，需要MEMS-IMU模塊中的加速度計配合，輔助磁強計精確確定航向角[2]。