雙天線GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

　　引言

　　現(xiàn)代導(dǎo)航對系統(tǒng)有能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取載體運動信息的要求。在組合導(dǎo)航領(lǐng)域，衛(wèi)星導(dǎo)航(目前最常用的是GPS)與捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航(SINS)組合的導(dǎo)航系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)各自單獨導(dǎo)航情況下的不足，而且具有高精度、低成本、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為最熱門的研究方向。GPS/SINS組合導(dǎo)航一般是以位置，速度作為量測量來修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，隨著GPS定向系統(tǒng)的逐漸發(fā)展，將姿態(tài)與位置和速度同樣作為量測量的全組合方法正在成為研究熱點^[1]。本文根據(jù)GPS/SINS全組合導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)理和特點在基于DSP+FPGA的導(dǎo)航計算機(jī)平臺上設(shè)計了可靠的信息融合技術(shù)，通過相關(guān)的試驗證明本系統(tǒng)具有較好的效果。

　　組合導(dǎo)航系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

　　導(dǎo)航計算機(jī)總體設(shè)計

　　捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中將陀螺儀、加速度計、電子線路和金屬臺體合稱為慣性測量裝置(IMU)，它是整個系統(tǒng)的核心部件。本文中導(dǎo)航系統(tǒng)采用方便野外跑車實驗的一體化、模塊化設(shè)計，通過接口將導(dǎo)航計算機(jī)固連于IMU器件內(nèi)，計算機(jī)與IMU方便更換。本系統(tǒng)中設(shè)置IMU數(shù)據(jù)更新率為200Hz，GPS數(shù)據(jù)輸出頻率為1Hz，因此計算機(jī)必須能夠在5ms內(nèi)完成整個系統(tǒng)算法運行，這樣的速率要求使得單純采用一個核心處理器的方法已無法滿足系統(tǒng)實時性要求，故本系統(tǒng)中計算機(jī)采用了DSP+FPGA雙核設(shè)計方式，DSP選用TI公司的TMS320C6747，TMS320C6747具有高性能的浮點運算能力，最高主頻可達(dá)到450MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運算;而FPGA型號為Xilinx公司的XC3S500E。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，DSP6747主要負(fù)責(zé)IMU解算、卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)處理算法，F(xiàn)PGA主要完成外部接口擴(kuò)展(2路RS232口，1路RS422口)、數(shù)據(jù)的采集與傳輸及邏輯時序控制的功能。

　　導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　導(dǎo)航計算機(jī)軟件設(shè)計必須滿足實時性與準(zhǔn)確性的要求。計算機(jī)上電后會執(zhí)行整個系統(tǒng)的初始化，通過后開始捷聯(lián)慣導(dǎo)算法運算，組合導(dǎo)航算法在GPS數(shù)據(jù)獲取后將其作為初始數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，如果有GPS數(shù)據(jù)丟失狀況發(fā)生，系統(tǒng)將單獨運行捷聯(lián)慣導(dǎo)解算，經(jīng)解算后的數(shù)據(jù)被送入Kalman濾波器中處理。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

　　組合導(dǎo)航系統(tǒng)算法

　　(1)組合導(dǎo)航的狀態(tài)方程

　　目前，GPS/SINS組合導(dǎo)航方式主要分為松散組合和緊密組合。而松散組合大多采用位置、速度組合模式，而本文中加入雙天線GPS姿態(tài)角作為量測量進(jìn)而實現(xiàn)全組合方式。其狀態(tài)方程如公式(1)所示：

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