MIMU/CSAC/BDS組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)*

陳德潘 陳 帥 樊龍江 孫昭行

南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210094

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展改變了人們的生活方式[1]，中國自主開發(fā)研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在通信系統(tǒng)、應(yīng)急指揮和交通管理等領(lǐng)域均發(fā)揮了巨大的作用。然而，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在的固有缺陷，使其在室內(nèi)、地下和水下等物理阻礙環(huán)境以及電子對(duì)抗等復(fù)雜電磁環(huán)境下的服務(wù)性能嚴(yán)重下降，甚至無法正常工作。因此，未來定位導(dǎo)航授時(shí)(Positioning，Navigation and Timing)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)具備抗干擾性強(qiáng)和精度高的PNT信息服務(wù)[2]。

最近幾年，國內(nèi)開展了以微機(jī)電技術(shù)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)為核心的微慣性測量單元(MIMU)和芯片原子鐘(CSAC)的研究，其體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高和壽命長等優(yōu)勢，為微型化的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可能[3-4]。

在此背景下，MIMU的輸出信息經(jīng)過解算可實(shí)時(shí)獲取載體的位置和速度信息，但是無法克服自身偏移誤差隨時(shí)間積累的缺陷[5]，需要北斗導(dǎo)航模塊進(jìn)行校正。CSAC存在頻率偏移問題，導(dǎo)致其輸出結(jié)果偏離準(zhǔn)確時(shí)間，因此需要北斗導(dǎo)航模塊輸出的1PPS(Pulse Per Second)修正誤差，同時(shí)提高北斗導(dǎo)航模塊授時(shí)精度[6]。本文設(shè)計(jì)了一種以MIMU、CSAC和BDS導(dǎo)航模塊為構(gòu)架的組合導(dǎo)航微系統(tǒng)。充分分析了三者的接口設(shè)計(jì)與配置，三者的一體化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)表明：MIMU/CSAC/ BDS的組合導(dǎo)航微系統(tǒng)在真實(shí)跑車環(huán)境和高動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境下，可以正常工作，并輸出精度較高的性能指標(biāo)。

1 MIMU/CSAC/BDS組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

MIMU/CSAC/BDS的組合導(dǎo)航微系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。主要從以下4個(gè)部分介紹：

1)微慣導(dǎo)模塊：微慣導(dǎo)模塊利用MIMU中陀螺測得的角速率、加速度計(jì)輸出的比力經(jīng)過誤差補(bǔ)償后，通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元，采用導(dǎo)航算法解算獲取位置、速度、加速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息。最后將數(shù)據(jù)傳送給組合導(dǎo)航模塊、通信接口模塊和慣性輔助模塊；

2)CSAC模塊：CSAC可提供精確的時(shí)鐘信息。CSAC和處理器通過串口通信，串口通信功能包括查詢測量數(shù)據(jù)、頻率調(diào)節(jié)及查詢、設(shè)置/清除操作狀態(tài)、芯片原子鐘自動(dòng)同步和1PPS馴服設(shè)置等；

3)BDS定位導(dǎo)航模塊：BDS定位導(dǎo)航模塊需要獲取衛(wèi)星信號(hào)相關(guān)器中鎖存的多普勒頻移信息、載波相位信息和導(dǎo)航電文等信息，通過解析得到星歷、偽距和偽距率等信息，計(jì)算出當(dāng)前載體的位置、速度以及時(shí)間信息；

4)組合導(dǎo)航模塊：組合導(dǎo)航微系統(tǒng)中，CSAC提供精準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)，MIMU經(jīng)慣導(dǎo)解算得到的載體位置、速度信息與北斗衛(wèi)星的位置、速度信息進(jìn)行計(jì)算得到載體的偽距、偽距率；與此同時(shí)北斗定位導(dǎo)航模塊解算可直接得到偽距、偽距率，將兩者的信息進(jìn)行基于偽距、偽距率差的卡爾曼組合濾波，得到載體的位置、速度及姿態(tài)誤差，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正，得到高精度的導(dǎo)航定位信息。

2 MIMU/CSAC/BDS組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是由微慣性測量單元、芯片原子鐘模塊和DSP+ FPGA為核心的北斗導(dǎo)航模塊組成。要實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的功能，必須確定各個(gè)模塊與DSP+FPGA之間的配置與接口設(shè)計(jì)，充分利用各個(gè)模塊的資源。組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 組合導(dǎo)航微系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.1 MIMU的硬件特征與配置設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的MIMU為本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)。MIMU的設(shè)計(jì)由4個(gè)部分組成，分別為慣性傳感器模塊、溫度傳感器模塊、數(shù)字處理單元和減振系統(tǒng)。其中，慣性傳感器模塊由三軸MEMS加速度傳感器芯片和三軸MEMS陀螺儀傳感器芯片兩兩正交組成，完成載體坐標(biāo)系軸的加速度及角速度測量。同時(shí)，在慣性器件ASIC(專用集成電路)上集成溫度傳感器，可以測量環(huán)境溫度，以用于對(duì)每個(gè)軸的零偏和標(biāo)度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)兩兩軸向間的交叉耦合也進(jìn)行補(bǔ)償，提高其綜合測量精度。數(shù)字處理單元中的3個(gè)角速度通道的輸出、3個(gè)加速度通道的輸出、溫度信號(hào)及補(bǔ)償信號(hào)用來進(jìn)行誤差補(bǔ)償、數(shù)字濾波、劃船效應(yīng)和圓錐效應(yīng)處理，以此提高慣性器件的使用精度。而減振系統(tǒng)可以保證良好的防振動(dòng)和沖擊的能力。

MIMU提供由微陀螺儀和微加速度計(jì)測量出的角速率信息和加速度信息，其采用J30J-15ZKP型矩形連接器，MIMU與處理器的連接圖如圖3所示。

MIMU對(duì)外通信采用RS-422 接口，輸出的最大波特率為921600bps，數(shù)據(jù)更新頻率最大為1000Hz，工作電壓為5V，陀螺儀的零偏穩(wěn)定性≤10°，加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性≤0.1mg。通過RS-422接口將數(shù)據(jù)發(fā)出，經(jīng)DSP處理芯片，進(jìn)行組合導(dǎo)航信息融合。

2.2 CSAC的硬件特征與配置設(shè)計(jì)

CSAC可為組合導(dǎo)航微系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘基準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用的XHTF1040型CPT微型原子鐘，該原子鐘具有尺寸微型化45×36×15 (mm3) 、+3.3V低電壓供電且功耗低等特點(diǎn)。其外秒同步功能：1PPS同步精度優(yōu)于50ns；外秒馴服精度≤5E-12(馴服1天后24小時(shí)平均值)；保持性能≤5us(馴服1天后24小時(shí)保持時(shí)差)。CSAC頻率準(zhǔn)確度比普通的溫補(bǔ)型晶振的頻率準(zhǔn)確度高出3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此當(dāng)采用CSAC作為衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)的時(shí)鐘信息源時(shí)，可認(rèn)定接收機(jī)的時(shí)鐘頻率在相當(dāng)長的一段時(shí)間里保持穩(wěn)定的狀態(tài)[7]。因?yàn)楸倍沸l(wèi)星接收機(jī)每一次解算出來的鐘差都是相互獨(dú)立的，因此，可以把一段時(shí)間內(nèi)接收機(jī)正常定位時(shí)獲取的鐘差信息記錄成歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的歷史鐘差信息建立鐘差模型，并對(duì)后續(xù)一段時(shí)間內(nèi)的鐘差信息做出準(zhǔn)確的預(yù)測。北斗衛(wèi)星接收機(jī)的時(shí)鐘Tbd與系統(tǒng)時(shí)Ts的關(guān)系可以寫成：

Tbd-Ts=α0+α1(Ts-t0)+α2(Ts-t0)2

(1)

(2)

(3)

上式可以寫成：

這下，馱子與常愛蘭才反應(yīng)過來，然后趕緊把李老師迎進(jìn)屋子里。屋子里的凌亂是李老師能夠想象得到的。在農(nóng)村，家里收拾得很干凈的不太有，更何況是彈棉花的人家，更何況是外鄉(xiāng)人。

Tbd-Ts=Rα

(4)

其中：α0，α1，α2分別為相對(duì)偏差、鐘速和鐘漂信息，t0為參考?xì)v元信息。

(5)

CSAC提供的10MHz頻率，結(jié)合通過天線接收北斗衛(wèi)星1561.098MHz的載波頻率，經(jīng)過濾波和放大后，再通過混頻下變頻成中頻信號(hào)，最后由A/D芯片采樣，將模擬中頻信號(hào)離散化成數(shù)字中頻信號(hào)給FPGA處理。中頻信號(hào)產(chǎn)生流程圖如圖4所示。

圖4 中頻信號(hào)產(chǎn)生流程圖

芯片原子鐘模塊能夠提供精準(zhǔn)的1pps秒脈沖和精準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過馴服后，可獨(dú)立提供精準(zhǔn)的1pps秒脈沖供導(dǎo)航處理器使用，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立授時(shí)功能[8]。該模塊與導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)處理單元的DSP數(shù)據(jù)通信采用RS232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DSP通過讀取RS232中的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)觀測芯片原子鐘的溫度、馴服狀態(tài)及鎖定時(shí)間等狀態(tài)；衛(wèi)星導(dǎo)航模塊定位后會(huì)輸出一個(gè)基準(zhǔn)的秒脈沖，將該秒脈沖輸出給芯片原子鐘的“1pps_IN”管腳，引入后來馴服原子鐘的1pps秒脈沖；芯片原子鐘馴服后輸出的1pps秒脈沖經(jīng)過中斷的方式被DSP讀取，來輔助衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，提高時(shí)間精度；芯片原子鐘提供一個(gè)精準(zhǔn)的HCMOS電平信號(hào)，將該信號(hào)接入到射頻單元與FPGA單元代替原有的溫補(bǔ)型晶振，能夠提供更精準(zhǔn)的頻率，減少了衛(wèi)星導(dǎo)航模塊本身造成的鐘差。芯片原子鐘與處理器連接圖如圖5所示。

圖5 芯片原子鐘與處理器連接圖

本系統(tǒng)射頻模塊選用Maxim Integrated公司的MAX2769[9]。對(duì)MAX2769進(jìn)行初始化配置，設(shè)置NDIV值為2491，RDIV值為16，進(jìn)行中心頻率推算：

(6)

fB1=1561.098MHz

(7)

fLO=NDIV×f=2491f

(8)

fbdcen=1561.098MHz-2491f=4.223MHz

(9)

其中，fCSAC表示原子鐘頻率，fB1表示B1載波頻率，fbdcen表示中心頻率。

2.3 北斗導(dǎo)航模塊的硬件特征與配置設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航模塊是基于DSP+FPGA的，其主要硬件部分包括射頻前端處理模塊、基帶信號(hào)數(shù)字處理模塊和定位解算模塊。射頻前端處理模塊對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行放大、變頻、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字中頻信號(hào)；基帶信號(hào)數(shù)字處理模塊對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、位同步和幀同步處理，得到導(dǎo)航測量值和導(dǎo)航電文；定位解算模塊利用導(dǎo)航測量值和導(dǎo)航電文進(jìn)行定位解算，最終得到用戶的位置信息，獲取定位觀測值。

北斗系統(tǒng)射頻模塊選用Maxim Integrated公司的MAX2769，MAX2769芯片內(nèi)集成的Σ-ΔN分頻頻率合成器可實(shí)現(xiàn)±40Hz精度的中頻編程，從而能夠與主機(jī)系統(tǒng)所提供的任意基準(zhǔn)或晶體頻率配合工作，使得北斗系統(tǒng)射頻模塊僅需少量外部元件，即可構(gòu)建完整的低成本接收機(jī)方案，符合當(dāng)前低功耗、高集成度、小尺寸、低價(jià)格的發(fā)展潮流。

EP4CE115F23C8N是Altera公司Cyclone系列的第四代產(chǎn)品[10]，采用臺(tái)灣半導(dǎo)體生產(chǎn)公司(TSMC)的60nm低功耗(LP)工藝技術(shù)。其具有低功耗、低成本和高性能的特點(diǎn)。FPGA利用配置的I/O口讀取MAX2769處理過的數(shù)字中頻信號(hào)，并將信號(hào)傳送到通道相關(guān)器進(jìn)行處理，累加器將I/Q信號(hào)進(jìn)行鎖存并觸發(fā)累加中斷；TIC鎖存器鎖存相關(guān)量并觸發(fā)TIC中斷，同時(shí)輸出1PPS秒脈沖。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為：時(shí)鐘時(shí)基發(fā)生器、數(shù)據(jù)重采樣模塊、相互獨(dú)立的通道模塊、寄存器組模塊等。FPGA中采用多通道并行接收衛(wèi)星信號(hào)，通道中的相關(guān)器的每個(gè)通道占用資源為750LE，與其他不倍頻純使用LE實(shí)現(xiàn)同類功能的相關(guān)器代碼相比，優(yōu)化程度很高。FPGA內(nèi)部相關(guān)器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 FPGA內(nèi)部相關(guān)器結(jié)構(gòu)圖

定位解算及信息融合處模塊采用的是TI(Texas Instruments)公司的定點(diǎn)/浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6747[11]，主頻高達(dá)300MHz，擁有豐富的外圍模塊，外形尺寸僅為17mm×17mm。它的內(nèi)核使用了兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，分別是32KB一級(jí)程序緩存(LIP)和32KB一級(jí)數(shù)據(jù)緩存(LID)；256KB二級(jí)程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(L2RAM)。同時(shí)第二級(jí)(L2)還可以訪問一個(gè)1024KB集成ROM。當(dāng)DSP進(jìn)行導(dǎo)航解算時(shí)，F(xiàn)PGA剝離數(shù)字中頻信號(hào)包含多普勒頻移在內(nèi)的載波和偽碼，DSP讀取導(dǎo)航電文。北斗導(dǎo)航模塊信號(hào)流程圖如圖7所示。

圖7 北斗導(dǎo)航模塊信息流程圖

DSP的EMIFA接口通過數(shù)據(jù)總線和地址總線與FPGA配置好的數(shù)據(jù)總線和地址總線相連，其中數(shù)據(jù)總線長度為16位，使用數(shù)據(jù)線EMA_D [15:0]與FPGA的D[15:0]連接。地址總線長度為12位，由于每次讀寫數(shù)據(jù)的長度為2個(gè)字節(jié)，在地址總線中最低位恒為0，DSP使用地址線EMA_A[11:1] 與FPGA的A[11:1]連接。地址中高5位產(chǎn)生通道選擇信號(hào)，低6位是每個(gè)通道內(nèi)寄存器的偏移地址。DSP與FPGA總線連接圖如圖8所示。

圖8 DSP與FPGA總線連接圖

3 MIMU/CSAC/BDS組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的底層硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的處理器底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包含系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和中斷驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

北斗接收機(jī)和CSAC能夠輸出高精度的整秒時(shí)間，但時(shí)間輸出頻率比較低，不能滿足組合導(dǎo)航算法中對(duì)精確時(shí)間的需求。DSP的定時(shí)器模塊無法進(jìn)行時(shí)間修正，本系統(tǒng)結(jié)合CSAC精確的時(shí)間信息、定位解算出的時(shí)鐘鐘差信息和DSP本身的定時(shí)器，設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度的系統(tǒng)時(shí)間模塊，其工作流程如圖9所示。接收機(jī)僅在定位解算后，利用自身的衛(wèi)星時(shí)間和CSAC馴服后的整秒時(shí)間，計(jì)算得到定時(shí)器時(shí)間的誤差量用來修正定時(shí)器時(shí)間。

圖9 系統(tǒng)時(shí)間模塊工作流程圖

組合導(dǎo)航微系統(tǒng)中斷設(shè)置如表1所示。

表1 中斷設(shè)置表

DSP的中斷方式基本利用事件觸發(fā),為保證組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)性能要求高的功能模塊均采用中斷服務(wù)子程序的方式進(jìn)行處理。

4 實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證本原理樣機(jī)的可行性，將原理樣機(jī)各部分調(diào)試完成后，與軟件配合進(jìn)行地面跑車(低動(dòng)態(tài))實(shí)驗(yàn)和高動(dòng)態(tài)模擬器實(shí)驗(yàn)。

跑車實(shí)驗(yàn)選擇在南京市開發(fā)區(qū)路段進(jìn)行。出發(fā)點(diǎn)緯度是32.0273629°，經(jīng)度118.8957339°，高度是13.537m。在出發(fā)點(diǎn)通過尋北儀測得慣導(dǎo)前向與北向的夾角為150°，則初始偏航角設(shè)置為150°。采用高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)作為基準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)中使用監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)輸出的信息并存入文件，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，比較得出誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10～11所示。

圖10 組合導(dǎo)航微系統(tǒng)速度誤差

圖11 組合導(dǎo)航微系統(tǒng)位置誤差

從圖10～11中得出，緯度誤差2.99m(1σ)，經(jīng)度誤差3.05m(1σ)，高度誤差8.72m(1σ)，東向速度誤差0.08m/s(1σ)，北向速度誤差0.12m/s(1σ)，天向速度誤差0.15m/s(1σ)。跑車實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，組合導(dǎo)航微系統(tǒng)在真實(shí)的環(huán)境下能為載體提供良好的定位信息，符合設(shè)計(jì)要求。

高動(dòng)態(tài)模擬器實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器仿真載體的高動(dòng)態(tài)飛行軌跡，并基于組合導(dǎo)航微系統(tǒng)中使用的接收機(jī)搭建半實(shí)物仿真系統(tǒng)，軌跡設(shè)定為大圓軌跡，半徑為600km。載體不斷作加速和減速運(yùn)動(dòng)，速度和加速度按正弦變化。最大速度為8km/s，最大加速度為50g。仿真軌跡圖、線速度和線加速度如圖12～13所示。

圖12 仿真軌跡圖

圖13 軌跡線速度與加速度圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14～15所示，與原始軌跡比較，組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的緯度誤差為0.48m(1σ)，經(jīng)度誤差為1.07m(1σ)，高度誤差為2.25m(1σ)，東向速度誤差為0.32m/s(1σ)，北向速度誤差為0.32m/s(1σ)，天速誤差為0.11m/s(1σ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明組合導(dǎo)航微系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下性能指標(biāo)良好，符合設(shè)計(jì)要求。

圖14 組合導(dǎo)航微系統(tǒng)速度誤差

圖15 組合導(dǎo)航微系統(tǒng)位置誤差

5 結(jié)論

提出了1種MIMU/CSAC/BDS組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并由此完成了組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的硬件和底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作。該組合導(dǎo)航微系統(tǒng)具有功耗低和體積小等特點(diǎn)，易于載體安裝。經(jīng)過多次測試，實(shí)驗(yàn)表明：組合導(dǎo)航微系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩粼谡鎸?shí)環(huán)境下提供準(zhǔn)確的位置和速度信息。此外，組合導(dǎo)航微系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能與導(dǎo)航精度，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下亦可提供準(zhǔn)確的位置和速度信息。本文設(shè)計(jì)的組合導(dǎo)航微系統(tǒng)應(yīng)用場景以軍民兩用為背景，在無人機(jī)車和衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈等高動(dòng)態(tài)載體相關(guān)場景下具有良好的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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