雙天線GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　現(xiàn)代導(dǎo)航對(duì)系統(tǒng)有能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取載體運(yùn)動(dòng)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(dú)導(dǎo)航情況下的不足，而且具有高精度、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)量來(lái)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(cè)量的全組合方法正在成為研究熱點(diǎn)^[1]。本文根據(jù)GPS/SINS全組合導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)理和特點(diǎn)在基于DSP+FPGA的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了可靠的信息融合技術(shù)，通過(guò)相關(guān)的試驗(yàn)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(jì)

　　導(dǎo)航計(jì)算機(jī)總體設(shè)計(jì)

　　捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中將陀螺儀、加速度計(jì)、電子線路和金屬臺(tái)體合稱為慣性測(cè)量裝置(IMU)，它是整個(gè)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(shí)驗(yàn)的一體化、模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)接口將導(dǎo)航計(jì)算機(jī)固連于IMU器件內(nèi)，計(jì)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(jì)算機(jī)必須能夠在5ms內(nèi)完成整個(gè)系統(tǒng)算法運(yùn)行，這樣的速率要求使得單純采用一個(gè)核心處理器的方法已無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，故本系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)采用了DSP+FPGA雙核設(shè)計(jì)方式，DSP選用TI公司的TMS320C6747，TMS320C6747具有高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，最高主頻可達(dá)到450MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)算;而FPGA型號(hào)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(shí)序控制的功能。

　　導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　導(dǎo)航計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)必須滿足實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的要求。計(jì)算機(jī)上電后會(huì)執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的初始化，通過(guò)后開(kāi)始捷聯(lián)慣導(dǎo)算法運(yùn)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(yùn)算，如果有GPS數(shù)據(jù)丟失狀況發(fā)生，系統(tǒng)將單獨(dú)運(yùn)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(cè)量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全組合方式。其狀態(tài)方程如公式(1)所示：

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