中等精度慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、中等精度慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)王超一ZY1203209張?zhí)焘xZY1203233張?chǎng)蝂Y1203234一、系統(tǒng)功能1)慣性/衛(wèi)星組合系統(tǒng)簡(jiǎn)介組合導(dǎo)航是彈道導(dǎo)彈等大型空間飛行器導(dǎo)航定位技術(shù)主要的發(fā)展方向之一。應(yīng)用具有完全自主性的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是最具有應(yīng)用前景的組合導(dǎo)航架構(gòu)。全球定位系統(tǒng)(GlobePositionSystem，GPS)和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)都是目前世界上應(yīng)用廣泛的導(dǎo)航方法之一。GPS易受地形地物的影響而導(dǎo)致定位中斷，并且受制于人，而SINS定位誤差隨時(shí)間而積累，若將它們組合起來(lái)可

2、形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)并且在短期和長(zhǎng)期上都有保證。隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的發(fā)展．嵌人式技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在導(dǎo)航領(lǐng)域，導(dǎo)航設(shè)備正朝小型化、微型化應(yīng)用發(fā)展，而且對(duì)系統(tǒng)精度和實(shí)時(shí)性要求也越來(lái)越高。SINS／GPS組合導(dǎo)航能夠增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)容錯(cuò)能力和余度能力，研究高精度、高可靠性、小體積、低成本的SINS／GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要意義。在飛機(jī)、艦船或其他對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)體積和性能有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。為克服GPS和SINS各自的缺點(diǎn)，根據(jù)SINS和GPS的導(dǎo)航功能互補(bǔ)的特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，提高系統(tǒng)的整體導(dǎo)航精度及導(dǎo)航性能以及空中對(duì)準(zhǔn)和

3、再對(duì)準(zhǔn)的能力。GPS接收機(jī)在慣導(dǎo)位置和速度信息的輔助下，也將改善捕獲、跟蹤和再捕獲能力，并在衛(wèi)星分布條件差或可見(jiàn)星少的情況下導(dǎo)航精度不致下降過(guò)大。由于優(yōu)點(diǎn)顯著，SINS/GPS組合系統(tǒng)被一致認(rèn)為是飛行載體最理想的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。2)系統(tǒng)基本構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。在圖1中，只保留慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與信息融合系統(tǒng)，就構(gòu)成慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成。其中慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有陀螺穩(wěn)定平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性測(cè)量組合導(dǎo)航系統(tǒng)2種類(lèi)型。捷聯(lián)慣性測(cè)量組合精度較低，一般僅在中近程空間飛行器上使用。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究工作中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為三軸陀螺

4、穩(wěn)定平臺(tái)，其應(yīng)用對(duì)象一般為中遠(yuǎn)程大型飛行器應(yīng)用。信息融合系統(tǒng)的主要組成為卡爾曼濾波器。圖1組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成為滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)將主要由慣性器件IMU、衛(wèi)星接收機(jī)GPS、磁羅盤(pán)HMR、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)以及漸消記憶Kalman濾波器五部分組成。其中導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采用了單片機(jī)+DSP的雙CPU方案．具有4個(gè)RS232串行口．分別為兩個(gè)單片機(jī)串口和兩個(gè)DSP串口。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)單片機(jī)串口0與慣性器件相連，采集IMU數(shù)據(jù)；通過(guò)單片機(jī)串口1與衛(wèi)星接收機(jī)相連，采集GPS數(shù)據(jù)，然后通過(guò)Kalman濾波器將二者的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波并利用結(jié)果對(duì)IMU進(jìn)行

5、修正；通過(guò)DSP串口1與磁羅盤(pán)HMR2300相連，采集HMR數(shù)據(jù)；同時(shí)還通過(guò)DSP串I=10與顯控計(jì)算機(jī)串口0相連，負(fù)責(zé)將導(dǎo)航解算結(jié)果傳送到顯控計(jì)算機(jī)供顯示和保存，同時(shí)接受顯控計(jì)算機(jī)的控制命令。1)系統(tǒng)主要功能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的主要功能有以下幾部分：1、系統(tǒng)具有三種導(dǎo)航狀態(tài)：“組合導(dǎo)航”、“慣性導(dǎo)航”、“衛(wèi)星導(dǎo)航”。“組合導(dǎo)航”狀態(tài)是開(kāi)機(jī)默認(rèn)狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)上述功能，需要將IMU和GPS兩個(gè)導(dǎo)航模塊相互獨(dú)立出來(lái)，因?yàn)樯鲜鰞赡K是通過(guò)單片機(jī)相連的，所以在為系統(tǒng)選擇導(dǎo)航模式時(shí)，可以通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)添加選擇按鈕。當(dāng)按鈕選擇的是慣性導(dǎo)航模式時(shí)，導(dǎo)航計(jì)

6、算機(jī)將與GPS相連接的串口關(guān)閉，使系統(tǒng)處于只使用IMU進(jìn)行導(dǎo)航的狀態(tài)，此時(shí)，Kalman濾波器也將不工作，即此時(shí)系統(tǒng)只是一個(gè)單純的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；同樣當(dāng)按鈕選擇的是衛(wèi)星導(dǎo)航模式時(shí)，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)將與IMU相連接的串口關(guān)閉，使系統(tǒng)處于只使用GPS進(jìn)行導(dǎo)航的狀態(tài)，此時(shí)，Kalman濾波器也將不工作，即此時(shí)系統(tǒng)只是一個(gè)單純的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；當(dāng)按鈕選擇的是組合導(dǎo)航模式時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)全部工作，GPS模塊開(kāi)始接收位置、速度信息，IMU導(dǎo)航解算模塊將加速度計(jì)和陀螺的輸出按照捷聯(lián)慣組導(dǎo)航算法進(jìn)行導(dǎo)航解算,輸出導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，然后Kalman濾波模塊將IMU的導(dǎo)航解算數(shù)據(jù)和接收

7、的GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,然后利用濾波結(jié)果對(duì)IMU進(jìn)行修正使其變成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。2、系統(tǒng)在初始對(duì)準(zhǔn)前接受初始經(jīng)度、緯度、高度等參數(shù)的裝訂。如不通過(guò)裝訂來(lái)更新，主慣導(dǎo)系統(tǒng)從存儲(chǔ)器中讀取上次的參數(shù)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)。3、系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能保存所有IMU與GPS的原始數(shù)據(jù)與導(dǎo)航數(shù)據(jù)。4、具有加電開(kāi)機(jī)自檢測(cè)、周期自檢測(cè)、人工自檢測(cè)、對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示并給出操作提示的功能。上述三項(xiàng)功能均需要在軟硬件設(shè)計(jì)期間，將相應(yīng)功能對(duì)應(yīng)的電路板以及代碼進(jìn)行事先的準(zhǔn)備，并加入相應(yīng)的輸出元件和接口程序，例如LED顯示屏等。在初始對(duì)準(zhǔn)前需要將系統(tǒng)連接計(jì)算機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)的程序，進(jìn)入

8、程序界面進(jìn)行經(jīng)緯高度等參數(shù)的裝訂，在系統(tǒng)中加入儲(chǔ)存模塊用于保存導(dǎo)航系統(tǒng)的參數(shù)、原始數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)和導(dǎo)航記錄，檢測(cè)環(huán)節(jié)可以通