基于微处理器的紧耦合组合导航系统设计

2011-02-11 15:08:58来源: 维库网

  1  引  言

  全球定位系统( GPS)具有全球覆盖、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, 组合导航精度高于两个系统独立工作的精度;( 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、低精度的惯性仪表与GPS OEM 板集成, 不仅技术上容易实现, 满足实际应用的精度要求, 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, 导航计算精度高, 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, 将最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。

关键字:导航系统  微处理器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0211/article_3725.html
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