基于微处理器的紧耦合组合导航系统设计

     摘  要: 首先分析了GPS导航与惯性导航各自的优缺点， 阐述了GPS /惯导组合导航系统的先进性， 其次介绍了众多组合模式中的利用伪距和伪距率信息的紧耦合组合模式， 基于微处理器从软硬件两方面对组合导航系统进行了设计。

　　1  引  言

　　定位系统( GPS)具有覆盖、全天候、实时导航、导航定位误差不随时间积累等优点。但是，GPS卫星信号容易受到人为干扰；在高动态环境下，将产生较大的卫星信号跟踪误差， 不能满足载体实时导航与制导要求。

　　惯性导航系统具有自主式、隐蔽性导航， 工作环境不受介质限制， 能提供丰富的导航信息， 以及导航数据输出率高等优点。

　　由于GPS 与惯导均存在其自身难于克服的缺陷。因此， 在实际工程应用中， GPS /惯导组合导航系统设计和应用较为广泛。如图1所示。GPS与惯导组合后的优势在于:

　　( 1)克服各自缺点， 取长补短， 组合导航高于两个系统独立工作的;( 2)提供利用GPS导航信息校正惯性传感器的有效手段， 实现惯导系统在线校正;( 3)当载体机动或干扰使卫星信号失锁时， 可以暂时由惯导系统提供导航数据;( 4)惯导系统提供连续宽带的位置、速度和姿态估计比单独使用GPS的结果平滑;( 5)利用惯导系统速度信息辅助GPS接收机跟踪环， 可以增大等效噪声带宽， 既保证在高动态环境下对卫星信号的稳定跟踪， 又提高接收机的抗干扰性能;( 6)组合系统有利于GPS卫星信号的完整性监测， 增强系统可靠性能和容错能力;( 7)对于GPS 载波相位测量， 惯导系统提供的信息有利于GPS卫星整周模糊度参量的快速解算，可以很好地解决周跳探测与修复问题， 并且降低至少4颗卫星同步可观测的要求;( 8)采用中、低的惯性仪表与GPS OEM 板集成， 不仅技术上容易实现， 满足实际应用的要求， 而且设备研制成本低， 可以获得较好的经济效益。

图1  GPS /惯导组合导航系统的互补性

　　2  GPS /惯导组合模式

　　依据不同的分类标准， GPS 与惯导系统有多种组合形式， 但其本质都是一致的。其中较为先进的是利用伪距和伪距率信息的紧耦合组合模式。如图2所示， 紧耦合模式的优点在于:

　　( 1) GPS与惯导系统集成， 实现硬件一体化， 导航计算高， 实际应用更为有效。

　　( 2)不需要同时跟踪4 颗以上的卫星， 才能进行组合导航计算。

　　( 3)使用一个卡尔曼滤波器， 当GPS 不能正常工作时， 惯导系统暂时提供导航参数。

图2  GPS /惯导紧耦合模式原理框图

　　3  紧耦合GPS /惯导组合系统硬件设计

　　GPS /惯导紧耦合系统硬件可以分为五个部分，其结构如图3所示。

图3  紧耦合GPS /S INS系统硬件组织设计图

　　( 1)数据采集部分， 由GPS接收天线、GPS OEM板、陀螺仪、加速度计、数据采集卡和双口RAM 组成。其中， 数据采集卡应具有不同的采样频率， 能够同时采集模拟信号和数字信号， 由8051单片机加上一些外围芯片组成的数据采集卡；也可以使用专用的GPS+ 惯导系统数据采集卡， 如TMS320C25数据采集卡。在GPS、惯导系统与导航数据处理器( CPU )之间的数据传输可以利用双口RAM， 以实现数据的快速存取。

　　( 2)导航数据处理部分， 采用单片机(如80196单片机或8086 /8087单片机) ， 通过总线从ROM 中将应用程序调入导航处理器( CPU )进行数据处理，处理结果再次放回总线， 对惯性测量器件进行误差补偿、辅助GPS OEM 板的信号跟踪环路、显示导航信息、传输到控制系统和外部通信接口等。此外， 还负责系统部件的协调与管理， 维护系统的正常运行。

　　( 3)用户界面部分是人机对话的工作平台， 由液晶显示器和输入键盘组成， 显示导航信息， 对导航系统进行人工干预。

　　( 4)电源部分， 由电源模板、电子模板、高压甚高压模板和配电系统构成， 为GPS OEM 板、惯导系统、数据采集卡、以及导航数据处理器等提供各种标准电源支持。

　　( 5)通信接口部分包括系统内部元件接口通信和系统与外部接口通信， 前者采用M IL STD1553总线；后者将外部测量数据传入系统， 如气压测高数据、雷达测量数据等， 以对系统进行校正或多系统组合导航， 也可以将系统内部数据传输到其它设备。

　　4  紧耦合GPS /惯导组合系统软件设计

　　GPS /惯导组合导航系统设备包括8 个软件功能模块， 各个功能模块之间的连接如图4所示:

　　( 1)系统启动与自检模块， 负责系统设备开启，检测设备部件的运行状况， 对异常情况及时报警， 提示工作人员给予相应的指示操作。

　　( 2)系统管理模块， 负责系统设备的协调、管理、数据存储与清理工作。

　　( 3)系统初始化模块， 使用GPS 进行快速定位和姿态测定， 实现惯导系统的初始对准。

　　( 4)数字信号处理模块， 负责GPS接收机的数字信号处理。

　　( 5)数据采集模块， 负责GPS、惯导系统基本观测量的数据提取， A /D转换等工作。

　　( 6)数据传输模块， 将GPS、惯导基本观测量的数据传输到CPU， 进行导航数据处理， 将终导航信息传输到导航显示设备和控制系统等。

　　( 7)导航数据处理模块， 负责各种导航算法的实现。

　　( 8)用户界面模块， 提供用户界面， 具有显示导航信息、数据查询和错误提示等功能。

图4  GPS /惯导组合导航系统软件模块化实现框图

　　5  结束语

　　基于微处理器强大的计算和通信能力， 解决对主被动导航的多传感器数据融合问题， 克服了GPS导航机动性能差、卫星信号失锁、惯导系统误差随时间漂移的主要缺点， 取长补短。使组合导航系统既增大了等效噪声带宽， 保证在高动态环境下对卫星信号的稳定跟踪， 又提高了接收机的抗干扰性能、系统可靠性能和容错性能， 从而输出平滑连续的导航信息。

  

参考文献:

[1]. TMS320C25 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320C25_891020.html.
[2]. ROM  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM+_1188413.html.