面向工程應(yīng)用的導(dǎo)航算法性能測試系統(tǒng)研究①

丁繼成，張軍嶺，趙 琳，李英飛

（哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航及其組合系統(tǒng)是目前絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域首選的導(dǎo)航定位方式，國內(nèi)外學(xué)者提出了大量的實(shí)現(xiàn)方案和優(yōu)秀算法，目前，已有一些設(shè)備能夠輔助完成這些算法方案的實(shí)際工程測試與驗(yàn)證，如小體積GPS集成模塊、可重配置的GPS軟件接收機(jī)、各種高精度GPS差分定位儀、可用于半實(shí)物仿真的各類衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器、慣性導(dǎo)航儀器／設(shè)備、基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的陀螺儀和加速度計(jì)器件、用于導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理的嵌入式微計(jì)算機(jī)平臺等［1－4]。然而，由于構(gòu)建驗(yàn)證系統(tǒng)的復(fù)雜性以及諸如信號模擬器、高精度導(dǎo)航定位儀等一些設(shè)備的高成本性，使得大多數(shù)算法方案仍停留在理論仿真階段，特別是GNSS／SINS組合算法的深入研究，缺乏接近實(shí)際工程應(yīng)用的測試。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于高性能現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和數(shù)字信號處理（DSP）器件、面向工程應(yīng)用的多功能導(dǎo)航算法性能測試系統(tǒng)方案，可對衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航優(yōu)秀算法進(jìn)行實(shí)時(shí)、實(shí)地性能測試，更為GNSS／SINS實(shí)用組合算法的前沿性探索研究提供了面向工程應(yīng)用的軟硬件平臺支撐，固化相應(yīng)算法程序后也可用于GNSS單頻、多頻接收機(jī)或者SINS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)等。

1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)

導(dǎo)航算法性能測試主要完成導(dǎo)航原始數(shù)據(jù)獲取和算法運(yùn)算，要求系統(tǒng)具有完善的硬件平臺支撐，支持多種導(dǎo)航信號的接收，具有高效的運(yùn)算性能。因此，系統(tǒng)硬件平臺采用開放的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，多處設(shè)計(jì)保證其多功能性和高靈活性，可完全作為滿足不同測試需求的硬件平臺支撐。

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)PGA和DSP為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心。FPGA適合數(shù)據(jù)量大，運(yùn)算速度要求高，算法結(jié)構(gòu)相對簡單的情況，進(jìn)行硬件編程實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)底層信號快速處理；針對高層處理算法數(shù)據(jù)量低但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，采用運(yùn)算速度快、尋址靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。因此，利用FPGA完成底層簡單運(yùn)算、數(shù)據(jù)接收發(fā)送及一些控制工作，使DSP專注于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，二者可通過外存儲器（EMIF）接口進(jìn)行快速通信，或通過串行外設(shè)接口（SPI）進(jìn)行串行通信。

作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)交換橋梁，F(xiàn)PGA完成GNSS和慣導(dǎo)原始測量信息的接收與預(yù)處理，再送入DSP進(jìn)行導(dǎo)航解算，運(yùn)算結(jié)果傳回FPGA，由LCD液晶屏進(jìn)行顯示。在此過程中，F(xiàn)PGA可控制輸出數(shù)據(jù)處理任意階段的數(shù)據(jù)信息，并通過USB或串口輸入至上位機(jī)，同時(shí)，上位機(jī)可通過FPGA對系統(tǒng)下達(dá)各種工作模式指令。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流無縫緩沖和處理，F(xiàn)PGA擴(kuò)展兩片SRAM以完成乒乓操作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 靈活性設(shè)計(jì)

通過對整個(gè)算法測試系統(tǒng)平臺功能需求分析，硬件平臺靈活性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在用戶可任意配置時(shí)鐘支持、靈活的射頻（RF）前端支持、MEMS器件及其它多導(dǎo)航傳感器支持三個(gè)關(guān)鍵部分。

1）時(shí)鐘頻率可任意配置性

用戶可配置時(shí)鐘方案不僅從硬件層面滿足系統(tǒng)對任意頻率時(shí)鐘的需求，還可避免不同芯片采用不同時(shí)鐘所帶來的系統(tǒng)運(yùn)算誤差，提高系統(tǒng)整體性能。如圖2所示，時(shí)鐘源采用精度為1PPM的10 MHz溫補(bǔ)晶振，鑒于其輸出幅值低和驅(qū)動能力弱，由AD8012進(jìn)行整形放大，再由時(shí)鐘芯片ICS525進(jìn)行變換輸出用戶可任意配置的時(shí)鐘信號。

圖2 用戶可配置時(shí)鐘方案

2）多GNSS信號接收支持

GNSS軟件接收機(jī)RF前端芯片采用MAX2769，適 用 于 GPS／GLONASS／GALILEO接收機(jī)，滿足GNSS信號采集多樣性需求，不僅可實(shí)現(xiàn)單頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)方案，也可實(shí)現(xiàn)多體制衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組合。該器件內(nèi)部集成了包括雙輸入低噪聲放大器、混頻器、鏡像抑制濾波器、可編程增益放大器、壓控振蕩器、N分頻頻率合成器、晶體振蕩器以及多位ADC完整的接收機(jī)鏈路，總噪聲系數(shù)低達(dá)1.4dB.片內(nèi)∑－ΔN分頻合成器可實(shí)現(xiàn)±40Hz精度的中頻編程，從而與主機(jī)系統(tǒng)所提供的任意基準(zhǔn)或晶體頻率配合工作。集成的ADC輸出可以同時(shí)為I路和Q路通道輸出一個(gè)或兩個(gè)量化位或者為I通道輸出三個(gè)量化位，支持CMOS和有限差分邏輯電平兩種數(shù)據(jù)輸出格式。

3）多導(dǎo)航傳感器支持

為滿足對慣性元件原始測量數(shù)據(jù)的需求，選用6自由度、數(shù)字輸出慣性傳感器ADIS16365，通過SPI端口獲取X、Y、Z軸角速率和線性加速度，及內(nèi)部溫度等原始測量信息。其SPI通信符合3.3 V電平標(biāo)準(zhǔn)，減小了系統(tǒng)硬件復(fù)雜度。同時(shí)，硬件平臺設(shè)計(jì)時(shí)，為其他導(dǎo)航傳感器的數(shù)據(jù)輸入留有充足的可擴(kuò)展接口，例如，磁強(qiáng)計(jì) HRM3000的RS232輸入接口等。

2 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由于新算法的測試驗(yàn)證不可避免地需要與其相關(guān)的基礎(chǔ)平臺算法的支持，因此，構(gòu)建圖3所示的基于本平臺的低成本、參數(shù)可重置、完全開放的GPS軟件接收機(jī)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)軟件模塊。當(dāng)需要驗(yàn)證某一部分新算法時(shí)，可避免從底層基礎(chǔ)算法開始搭建。

如圖3所示，GPS高頻信號經(jīng)RF前端下變頻后，傳輸給FPGA和DSP進(jìn)行分布式處理，慣性傳感器作為從設(shè)備通過SPI突發(fā)讀（Burst Read）方式向FPGA快速傳輸陀螺儀、加速度計(jì)等原始測量信息，經(jīng)存儲和預(yù)處理后，供給DSP進(jìn)行解算，圖中虛線表示該基礎(chǔ)算法平臺可為GNSS和SINS不同組合方案提供支持。因此，系統(tǒng)軟件主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理模塊和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊。

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理模塊

如圖3所示，衛(wèi)星偽距噪聲碼（PRN）編號分配器在自動搜星開始后為12個(gè)通道分配不同衛(wèi)星號，防止多個(gè)通道同時(shí)搜索同一顆星。載波和C／A碼生成器產(chǎn)生本地中頻載波數(shù)據(jù)和當(dāng)前搜索衛(wèi)星的C／A碼序列。相關(guān)累加器實(shí)現(xiàn)載波剝離和C／A碼剝離，進(jìn)行積分運(yùn)算，產(chǎn)生超前、當(dāng)前和滯后積分值，提供給鑒相器使用。鑒相器與濾波器通過計(jì)算積分值實(shí)現(xiàn)鑒頻、鑒相和鑒別碼相位功能，經(jīng)過濾波處理后產(chǎn)生載波環(huán)和延遲鎖定環(huán)所需要的調(diào)整量。捕獲跟蹤控制器是整個(gè)通道的控制中心，通過鑒別相關(guān)峰值控制整個(gè)通道的狀態(tài)，并產(chǎn)生其他模塊所需的控制量，包括請求新的PRN編號、提供下次搜索頻率的偏移值、提供碼相位移動信號、分配環(huán)路穩(wěn)定所需的控制量等。數(shù)據(jù)解調(diào)與觀測量提取器為定位解算提供導(dǎo)航電文和相關(guān)觀測量信息。在DSP中，采用通用的LS（最小二乘方法）依次對偽距和多普勒方程組進(jìn)行求解的［2]，得到用戶位置和速度信息。

圖3 基于硬件平臺的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2 慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊

依據(jù)GNSS輔助信息進(jìn)行初始對準(zhǔn)是慣導(dǎo)系統(tǒng)啟動時(shí)的首要工作，如圖3所示，以便為積分運(yùn)算提供系統(tǒng)的初始速度和位置信息。FPGA獲取慣導(dǎo)原始測量信息后，先進(jìn)行預(yù)處理和存儲管理，便于DSP的讀取并作誤差補(bǔ)償計(jì)算。陀螺儀、加速度計(jì)原始測量信息只是相對于載體坐標(biāo)系的量，必須通過姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換至導(dǎo)航坐標(biāo)系下，采用經(jīng)典的四元素法進(jìn)行姿態(tài)矩陣的更新運(yùn)算。獲取姿態(tài)矩陣后，將加速度計(jì)測量的比例值通過姿態(tài)矩陣變換后和其它相關(guān)量一起代入速度方程，求出速度分量，而用戶的位置信息基于此做積分運(yùn)算即可獲得。

3 系統(tǒng)對GNSS／SINS組合系統(tǒng)的支持

GNSS與SINS的組合應(yīng)用與研究已經(jīng)成為一種趨勢，組合的重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)融合算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［7]，而融合數(shù)據(jù)獲取和融合前數(shù)據(jù)同步是進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的先決條件。

3.1 各組合模式數(shù)據(jù)融合需求分析

衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合按組合深度可分為松組合、緊組合和超緊組合，圖4顯示了不同組合模式所需關(guān)鍵信息。隨著組合深度的增加，所需信息從位置、速度，到偽距、偽距率，再到GNSS相關(guān)運(yùn)算的I、Q數(shù)據(jù)，獲取難度不斷加大，對分系統(tǒng)的開放性要求越來越高。同時(shí)，較深的組合勢必增加算法復(fù)雜度，對處理器性能提出了更高的要求。

圖4 GNSS／SINS各組合結(jié)構(gòu)圖

本測試系統(tǒng)在FPGA中實(shí)現(xiàn)GNSS軟件接收機(jī)基帶處理，整個(gè)過程完全開放，可方便獲取偽距、偽距率和I、Q數(shù)據(jù)等信息，高性能浮點(diǎn)DSP更保證了各種改進(jìn)的卡爾曼濾波算法高速、高精度運(yùn)行［5－7]。同時(shí)，采用 TI公司專為C6000系列 DSP設(shè)計(jì)的基本輸入輸出系統(tǒng)（BIOS）實(shí)時(shí)多線程開發(fā)環(huán)境，確保系統(tǒng)能夠進(jìn)行多線程實(shí)時(shí)運(yùn)算。

3.2 數(shù)據(jù)同步問題

組合導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合前，必須保證用于融合的數(shù)據(jù)在融合時(shí)間點(diǎn)上嚴(yán)格一致，解決GNSS和SINS兩個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步問題的難點(diǎn)在于兩者更新率差別較大。以GPS／SINS組合為例，一般情況下，GPS的數(shù)據(jù)更新率典型值為1Hz，SINS的數(shù)據(jù)更新率則高達(dá)100Hz以上，本系統(tǒng)采用的MEMS器件ADIS16365在BurstRead模式下可達(dá)到5kHz.并且各子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在不同的通信延遲等原因，也給數(shù)據(jù)同步造成一定困難。

本測試系統(tǒng)基于FPGA的開放性結(jié)構(gòu)，與DSP靈活的通信方式，方便GPS／SINS在數(shù)據(jù)同步上的軟硬件實(shí)現(xiàn)［10]。要獲取同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息，關(guān)鍵是求出同步時(shí)間差t1和t2，如圖5所示，利用GPS的1PPS脈沖作為同步標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，F(xiàn)PGA接收到GPS中頻數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，通知DSP進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到此后第一個(gè)SINS數(shù)據(jù)到來，得到t1，而t2＝T－t1，得到t1和t2，可以用卡爾曼濾波器作最優(yōu)估計(jì)，利用與GPS數(shù)據(jù)相鄰的兩個(gè)SINS數(shù)據(jù)來推算出GPS時(shí)刻的SINS數(shù)據(jù)，保證了兩種數(shù)據(jù)在時(shí)間上的嚴(yán)格一致性。

圖5 GPS與SINS數(shù)據(jù)同步

4 測試結(jié)果與分析

硬件平臺實(shí)物如圖6所示，尺寸為17.24cm×12.66cm，方便攜帶。5V供電，整機(jī)功耗＜2.5 W.平臺各部分電路調(diào)試工作正常，電源模塊轉(zhuǎn)換輸出的3.3V和1.2V電壓具有噪聲低、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。對平臺時(shí)鐘部分的可任意配置性作重點(diǎn)驗(yàn)證，按時(shí)鐘理論需求值39MHz對時(shí)鐘芯片ICS525配置后，實(shí)際輸出如圖7所示，驅(qū)動能力、時(shí)鐘頻率均符合要求。

圖6 系統(tǒng)硬件平臺實(shí)物圖

圖7 示波器測量的時(shí)鐘波形

GPS軟件模塊實(shí)時(shí)靜態(tài)定位測試實(shí)驗(yàn)采用NovAtel公司高性能天線GPS－701－GG，軟件程序固化在硬件平臺非易失存儲器上，定位基準(zhǔn)由No vAtel公司兩套Propak－V3型GPS接收機(jī)組成的差分定位系統(tǒng)測得。實(shí)際測試過程中，中頻信號頻率4.092MHz，采樣頻率16.368MHz，搜索步長500Hz，復(fù)制的載波頻率精度0.019Hz，C／A碼相位精度在1／2個(gè)碼片之內(nèi)，中頻信號量化為2bit，載波（NCO）輸出的正余弦量化為4bit，捕獲門限設(shè)為3 500.圖8（a）中明顯的相關(guān)峰值顯示對16號星捕獲成功，圖8（b）表明相位跟蹤成功，有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)比特輸出，圖8（c）為500次單點(diǎn)靜態(tài)定位Matlab 統(tǒng) 計(jì) 圖，與 基 準(zhǔn) 位 置（45.772 1°，126.673 6°）相比，定位精度優(yōu)于10m（CEP95）。慣性導(dǎo)航軟件模塊測試實(shí)驗(yàn)的原始測量數(shù)據(jù)由上文所述的MEMS器件ADIS16365提供，數(shù)據(jù)更新率5kHz，分辨率14bit，三軸陀螺儀具有±75°／s、±150°／s、±300°／s三種數(shù)字量程刻度的可設(shè)置性，平方根（RMS）噪聲密度為0.044°／sec／三軸加速度計(jì)測量范圍為17g，RMS噪聲密度為靜止情況下做姿態(tài)跟蹤試驗(yàn)，結(jié)果如圖8（d）、（e）、（f）所示，分別為橫滾角、俯仰角和航向角的靜態(tài)跟蹤誤差，虛線為直接解算結(jié)果，誤差較大，達(dá)到0.2°，實(shí)線為加入卡爾曼濾波后的解算結(jié)果，跟蹤精度＜0.05°.軟件模塊測試結(jié)果表明：衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)算法具備基本定位功能且有一定的精度，為本測試系統(tǒng)提供了軟件層面的有力支撐。

4 結(jié) 論

研究并設(shè)計(jì)了一套面向工程應(yīng)用的多功能導(dǎo)航算法性能測試系統(tǒng)方案，用戶可配置時(shí)鐘模塊、RF前端模塊、多導(dǎo)航傳感器支持以及軟件模塊的構(gòu)建使系統(tǒng)對導(dǎo)航算法性能測試具有完善靈活的軟硬件支撐功能，測試與分析表明：本系統(tǒng)完全可以以較低的成本使優(yōu)秀導(dǎo)航算法的研究由計(jì)算機(jī)仿真轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)測試，具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。鑒于目前本課題只是初步完成了GPS軟件接收機(jī)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜態(tài)測試實(shí)驗(yàn)，下一步工作目標(biāo)將進(jìn)一步完善系統(tǒng)基礎(chǔ)算法平臺，在復(fù)雜環(huán)境下對導(dǎo)航算法性能展開測試。

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