基于微處理器軟硬件兩方面的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于微處理器軟硬件兩方面的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要:首先分析了GPS導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航各自的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的先進(jìn)性，其次介紹了眾多組合模式中的利用偽距和偽距率信息的緊耦合組合模式，最后基于微處理器從軟硬件兩方面對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。1引言全球定位系統(tǒng)(GPS)具有全球覆蓋、全天候、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、導(dǎo)航定位誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)。但是，GPS衛(wèi)星信號(hào)容易受到人為干擾；在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，將產(chǎn)生較大的衛(wèi)星信號(hào)跟蹤誤差，不能滿足載體實(shí)時(shí)導(dǎo)航與制導(dǎo)要求摘要:首先分析了GPS導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航各自的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的先進(jìn)性，其次介紹了眾多組合模式中的利用偽距和偽距率信息的緊耦合組合模式，最后基于微處理器從軟硬件兩方面對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。1引言全球定位系統(tǒng)(GPS)具有全球覆蓋、全天候、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、導(dǎo)航定位誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)。但是，GPS衛(wèi)星信號(hào)容易受到人為干擾；在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，將產(chǎn)生較大的衛(wèi)星信號(hào)跟蹤誤差，不能滿足載體實(shí)時(shí)導(dǎo)航與制導(dǎo)要求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主式、隱蔽性導(dǎo)航，工作環(huán)境不受介質(zhì)限制，能提供豐富的導(dǎo)航信息，以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出率高等優(yōu)點(diǎn)。由于GPS與慣導(dǎo)均存在其自身難于克服的缺陷。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用較為廣泛。如圖1所示。GPS與慣導(dǎo)組合后的優(yōu)勢(shì)在于:(1)克服各自缺點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，組合導(dǎo)航精度高于兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立工作的精度;(2)提供利用GPS導(dǎo)航信息校正慣性傳感器的有效手段，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)在線校正;(3)當(dāng)載體機(jī)動(dòng)或干擾使衛(wèi)星信號(hào)失鎖時(shí)，可以暫時(shí)由慣導(dǎo)系統(tǒng)提供導(dǎo)航數(shù)據(jù);(4)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供連續(xù)寬帶的位置、速度和姿態(tài)估計(jì)比單獨(dú)使用GPS的結(jié)果平滑;(5)利用慣導(dǎo)系統(tǒng)速度信息輔助GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)，可以增大等效噪聲帶寬，既保證在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤，又提高接收機(jī)的抗干擾性能;(6)組合系統(tǒng)有利于GPS衛(wèi)星信號(hào)的完整性監(jiān)測(cè)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性能和容錯(cuò)能力;(7)對(duì)于GPS載波相位測(cè)量，慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的信息有利于GPS衛(wèi)星整周模糊度參量的快速解算，可以很好地解決周跳探測(cè)與修復(fù)問題，并且降低至少4顆衛(wèi)星同步可觀測(cè)的要求;(8)采用中、低精度的慣性儀表與GPSOEM板集成，不僅技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，滿足實(shí)際應(yīng)用的精度要求，而且設(shè)備研制成本低，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。圖1GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的互補(bǔ)性2GPS/慣導(dǎo)組合模式依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，GPS與慣導(dǎo)系統(tǒng)有多種組合形式，但其本質(zhì)都是一致的。其中較為先進(jìn)的是利用偽距和偽距率信息的緊耦合組合模式。如圖2所示，緊耦合模式的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)GPS與慣導(dǎo)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)硬件一體化，導(dǎo)航計(jì)算精度高，實(shí)際應(yīng)用更為有效。(2)不需要同時(shí)跟蹤4顆以上的衛(wèi)星，才能進(jìn)行組合導(dǎo)航計(jì)算。(3)使用一個(gè)卡爾曼濾波器，當(dāng)GPS不能正常工作時(shí)，慣導(dǎo)系統(tǒng)暫時(shí)提供導(dǎo)航參數(shù)。圖2GPS/慣導(dǎo)緊耦合模式原理框圖3緊耦合GPS/慣導(dǎo)組合系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)GPS/慣導(dǎo)緊耦合系統(tǒng)硬件可以分為五個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3緊耦合GPS/SINS系統(tǒng)硬件組織設(shè)計(jì)圖(1)數(shù)據(jù)采集部分，由GPS接收天線、GPSOEM板、陀螺儀、加速度計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡和雙口RAM組成。其中，數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)具有不同的采樣頻率，能夠同時(shí)采集模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，由8051單片機(jī)加上一些外圍芯片組成的數(shù)據(jù)采集卡；也可以使用專用的GPS+慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡，如TMS320C25數(shù)據(jù)采集卡。在GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)與導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理器(CPU)之間的數(shù)據(jù)傳輸可以利用雙口RAM，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存取。(2)導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理部分，采用單片機(jī)(如80196單片機(jī)或8086/8087單片機(jī))，通過總線從ROM中將應(yīng)用程序調(diào)入導(dǎo)航處理器(CPU)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果再次放回總線，對(duì)慣性測(cè)量器件進(jìn)行誤差補(bǔ)償、輔助GPSOEM板的信號(hào)跟蹤環(huán)路、顯示導(dǎo)航信息、傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)和外部通信接口等。此外，還負(fù)責(zé)系統(tǒng)部件的協(xié)調(diào)與管理，維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。(3)用戶界面部分是人機(jī)對(duì)話的工作平臺(tái)，由液晶顯示器和輸入鍵盤組成，顯示導(dǎo)航信息，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)。(4)電源部分，由電源模板、電子模板、高壓甚高壓模板和配電系統(tǒng)構(gòu)成，為GPSOEM板、慣導(dǎo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理器等提供各種標(biāo)準(zhǔn)電源支持。(5)通信接口部分包括系統(tǒng)內(nèi)部元件接口通信和系統(tǒng)與外部接口通信，前者采用MILSTD1553總線；后者將外部測(cè)量數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)，如氣壓測(cè)高數(shù)據(jù)、雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)等，以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正或多系統(tǒng)組合導(dǎo)航，也可以將系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備。.4緊耦合GPS/慣導(dǎo)組合系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備包括8個(gè)軟件功能模塊，各個(gè)功能模塊之間的連接如圖4所示:(1)系統(tǒng)啟動(dòng)與自檢模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備開啟，檢測(cè)設(shè)備部件的運(yùn)行狀況，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警，提示工作人員給予相應(yīng)的指示操作。(2)系統(tǒng)管理模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備的協(xié)調(diào)、管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與清理工作。(3)系統(tǒng)初始化模塊，使用GPS進(jìn)行快速定位和姿態(tài)測(cè)定，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)。(4)數(shù)字信號(hào)處理模塊，負(fù)責(zé)GPS接收機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理。(5)數(shù)據(jù)采集模塊，負(fù)責(zé)GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)基本觀測(cè)量的數(shù)據(jù)提取，A/D轉(zhuǎn)換等工作。(6)數(shù)據(jù)傳輸模塊，將GPS、慣導(dǎo)基本觀測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU，進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理，將最終導(dǎo)航信息傳輸?shù)綄?dǎo)航顯示設(shè)備和控制系統(tǒng)等。(7)導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊，負(fù)責(zé)各種導(dǎo)航算法的實(shí)現(xiàn)。(8)用戶界面模塊，提供用戶界面，具有顯示導(dǎo)航信息、數(shù)據(jù)查詢和錯(cuò)誤提示等功能。圖4GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)軟件模塊化實(shí)現(xiàn)框圖5結(jié)束語基于微處理器強(qiáng)大的計(jì)算和通信能力，解決對(duì)主被動(dòng)導(dǎo)航的多傳感器數(shù)據(jù)融