SINS/GPS組合導航系統(tǒng)研究

梁 娜，丁 丹

(航天工程大學電子與光學工程系，北京101416)

1 引言

每一種導航系統(tǒng)均存在優(yōu)勢和弊端，很難使得每項性能指標都符合預期要求，然而若綜合各個獨立系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行優(yōu)劣互補，并將現(xiàn)代信息融合方法加以改進和應用，則會組合成為更高精度、更高可靠性的組合導航系統(tǒng)。本文研究的SINS/GPS組合導航系統(tǒng)正是在此背景下提出的，其中捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)(SINS)的高自主性能夠彌補全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)無法工作時的導航任務[1]，從而實現(xiàn)連續(xù)導航，而 GPS的高精度性可以有效修正SINS輸出數(shù)據(jù)，從而避免誤差積累問題。目前，航天3所、航天12所、航天13所、航空618所、北京航空航天大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學和西北工業(yè)大學等多家科研院所、高等院校均開展了SINS/GPS組合導航理論算法研究和實體系統(tǒng)樣機研制等工作，相關學者就組合導航的硬件設計、誤差估計技術、系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)融合算法等多方面內(nèi)容做了大量深入的研究，通過分析，慣性傳感器精度和誤差補償技術會直接影響組合導航系統(tǒng)的定位精度。本文的創(chuàng)新之處在于：使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微電子機械系統(tǒng))慣性元器件設計SINS子系統(tǒng)，使用高度計修正GPS高度數(shù)據(jù)，使用FFPGA完成慣性元器件和高度計采集數(shù)據(jù)的降噪預處理，使用DSP對接收到的FPGA數(shù)據(jù)做野點剔除、溫度補償處理，然后依次完成SINS解算、GPS報文解析和Kalman濾波解算。

2 慣性導航

測量載體線運動和角運動參數(shù)后解算得到速度、位置以及姿態(tài)的一種導航方法。主要元器件是陀螺儀和加速度計，兩類傳感器均與載體固連，輸入軸嚴格正交并與機體坐標系嚴格一致。給定初始化位置、速度和姿態(tài)角后便能循環(huán)迭代進行導航解算：姿態(tài)信息解算方法包括歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法[2]；速度信息由求解比力方程獲得；速度積分后得到位置信息。

3 衛(wèi)星導航

發(fā)射臺放在衛(wèi)星上的一種無線電導航方法。發(fā)射信號可以概括為“我是哪顆衛(wèi)星，我現(xiàn)在的位置在哪，我發(fā)出信號時的準確時刻是什么”[3]，根據(jù)電磁波速度乘以接收信號和發(fā)射信號的時間差，就得到接收機到衛(wèi)星的距離?？紤]到接收機石英鐘相對衛(wèi)星原子鐘的誤差，所以計算得到的距離并不是真實距離，是包含有光速乘以接收機鐘差的偽距。偽距定位方程如下

其中(x，y，z)為待確定的用戶位置，(xi，yi，zi)為星歷確定的衛(wèi)星的位置，i=1，2，3，4，c為光速，ti為已知的衛(wèi)星時鐘，t0為待確定的用戶時鐘，ρi為偽距。

4 組合導航

4.1 組合模式

4.1.1 重調法

重調法有兩種工作方式：一是在GPS工作期間信任GPS的輸出信息，即用GPS的輸出數(shù)據(jù)作為SINS此刻的輸出，而在GPS不能正常工作時，SINS的輸出是在上一時刻GPS數(shù)據(jù)的基礎上進行的，這是一種最簡單的組合方式，在低動態(tài)運動情形下SINS的輸出實際上是由GPS確定的；二是對SINS和GPS解算的數(shù)據(jù)做加權平均，根據(jù)慣導器件的精度和解算算法的精度分別給GPS和SINS數(shù)據(jù)賦以適當?shù)募訖嘞禂?shù)[4]，如圖1所示。這兩種方式均未對SINS的誤差展開及時的修正工作，因此隨著SINS慣導誤差的積累，系統(tǒng)工作效果不佳。

圖1 加權平均

4.1.2 松組合

組合導航系統(tǒng)的融合技術主要采用的是卡爾曼濾波技術，其原理框圖如圖2所示。松組合模式的狀態(tài)值為SINS導航參數(shù)的誤差量，量測值為GPS和SINS輸出的速度、位置數(shù)據(jù)對應的差值[5]，通過組合導航濾波器估計得到SINS的姿態(tài)誤差、速度誤差、位置誤差及慣性元器件誤差，用這些誤差對SINS展開校正，最后輸出的是誤差被修正后的SINS導航參數(shù)。松組合模式的最大優(yōu)勢是在能保證一定的精度時工程性較強[6]。

4.1.3 緊組合

緊組合模式是一種稍微復雜的組合方式，相較松組合中的GPS與SINS是彼此獨立的，緊組合中兩者均不能進行單獨的解算工作，常采用偽距、偽距率的組合形式，其原理框圖如圖3所示。狀態(tài)值除了SINS導航參數(shù)的誤差量外，還有GPS接收機時鐘誤差，量測值為GPS和SINS輸出的偽距、偽距率數(shù)據(jù)對應的差值[7]，其中SINS的偽距和偽距率由GPS給出的星歷數(shù)據(jù)結合SINS的位置速度數(shù)據(jù)計算得到，通過組合導航濾波器估計得到SINS的導航參數(shù)誤差、慣性元器件誤差和GPS接收機鐘差，最后輸出的是誤差被修正后的SINS導航參數(shù)。緊組合模式優(yōu)勢是利用衛(wèi)星的數(shù)目可以少于四顆，抗干擾能力強，缺點是計算量隨著卡爾曼濾波狀態(tài)量維數(shù)的增加而迅速增加[8]。

圖3 偽距、偽距率組合

4.2 組合導航系統(tǒng)應用

4.2.1 系統(tǒng)硬件設計

本文研制的GPS/SINS組合導航系統(tǒng)硬件方案如圖4所示。主要包括的子模塊有：集成電源模塊、9自由度MEMS慣性傳感器模塊、FPGA模塊、DSP模塊、高度計模塊、GPS模塊、與上位機通信模塊等[9]。9自由度MEMS慣性傳感器模塊包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁阻傳感器，其中FPGA模塊通過SPI總線接收加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)[10]，通過I2C總線接收磁阻傳感器的數(shù)據(jù)；另外FPGA通過I2C總線采集高度計信息；FPGA將所有傳感器數(shù)據(jù)存入移位寄存器，通過SPI方式傳給DSP。GPS通過串口把GPS定位數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP，所有傳感器信息匯集在DSP中后完成姿態(tài)解算、數(shù)據(jù)融合等算法。DSP可以選擇RJ45網(wǎng)口或者RS232串口的方式將導航數(shù)據(jù)傳給上位機。

圖4 系統(tǒng)硬件方案

SINS-GNSS組合導航系統(tǒng)硬件實物如圖5所示，系統(tǒng)分為兩層，主要包括底板、DSP核心板、FPGA系統(tǒng)板和傳感器系統(tǒng)板四部分，底板包括電源電路、網(wǎng)口通信電路、串口通信電路、GPS導航模塊；DSP核心板包含DSP處理器、外部RAM和FLASH等[11]；FPGA系統(tǒng)板包括FPGA處理器、FPGA程序下載電路；傳感器系統(tǒng)板主要是9自由度MEMS慣性傳感器MPU9250電路、高度計電路、9自由度MEMS慣性傳感器ADIS16405預留接口電路。FFPGA完成對傳感器信號采集、均值降噪預處理；DSP完成與上位機的網(wǎng)口和串口通信、陀螺信號降噪、陀螺零位溫漂補償、磁阻電子羅盤測量及最佳橢圓誤差校正、慣導數(shù)據(jù)解算以及慣導數(shù)據(jù)和GPS導航數(shù)據(jù)的Kalman濾波融合等。

圖5 原型樣機裝配后實物圖

在設計系統(tǒng)底板時，考慮到各模塊要單獨調試，增加了GPS連接跳線和串口連接跳線，可以使GPS信號直接傳到上位機，對GPS信號接收和解讀調試[12]。底板供電設計了兩個供電接口，可以用5V的DC電源供電，也可以通過USB接口供電，并且增加了兩個電源插針，可以通過杜邦線為其它設備提供5V電源。DSP和上位機通信方式，主要以網(wǎng)口RJ45通信為主，并以串口RS232作為備用通信方式，均完成了通信調試。提供多種DSP與FPGA通信方式，主要以SPI方式為主，并留有雙端口RAM接口[13]。具體的底板接口功能如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)底板實物圖

FPGA最小系統(tǒng)板的供電方式與底板相同，即5V的DC直插電源和USB接口供電任選其一。FPGA主要通過SPI接口與DSP通信，但留有雙端口RAM接口，如需采用雙端口RAM方式與DSP通信，只需在FPGA中編程實現(xiàn)即可[14]。具體功能如圖7所示。

圖7 FPGA最小系統(tǒng)模塊電路板實物圖

本文設計的組合導航系統(tǒng)傳感器模塊兼容9自由度MEMS慣性傳感器MPU9250和ADIS16405兩種傳感器，MPU9250價格便宜，接口簡單易操作，本文設計的組合導航系統(tǒng)樣機在算法驗證階段采用該傳感器。ADIS16405精度較高，但價格昂貴，在原理樣機所有功能實現(xiàn)且工作穩(wěn)定后，可以直接換成該傳感器，只要更改相應的數(shù)據(jù)接收程序即可，可再次提高系統(tǒng)的精度。高度計增加了線路選擇跳線[15]，方便數(shù)據(jù)傳輸調試。如圖8所示，傳感器與FPGA通信接口1傳輸?shù)臑镸PU9250和高度計數(shù)據(jù)，傳感器與FPGA通信接口2傳輸?shù)臑锳DIS16405和高度計數(shù)據(jù)。

圖8 傳感器模塊電路板實物圖

4.2.2 系統(tǒng)軟件設計

FPGA軟件設計的主要任務是實現(xiàn)SPI總線和I2C總線功能，其中SPI總線接收加速度計、陀螺儀數(shù)據(jù)，而I2C總線接收磁阻傳感器、高度計數(shù)據(jù)；DSP作為系統(tǒng)的核心單元，其軟件流程為：首先需要編寫系統(tǒng)初始化指令，然后利用SPI接收FPGA傳來的數(shù)據(jù)，其中FPGA作為從控制器聽從于DSP的時鐘指令，接著對接收到的數(shù)據(jù)做進一步的野點剔除、溫度補償處理[16]，進而進行SINS初始對準解算、SINS姿態(tài)解算、GPS報文解析、Kalman濾波解算，最后完成對W5100的配置、與上位機的網(wǎng)口進行通信。整體方案流程如圖9所示，其中Kalman濾波解算在GPS與SINS的松組合模式下進行。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

組合導航系統(tǒng)性能指標見表1。

表1 系統(tǒng)整體性能參數(shù)圖

5 結論

本文研究的SINS/GPS組合導航系統(tǒng)是在歐美等西方國家限制向我國出售高精度SINS和我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)較快發(fā)展的背景下提出的，一方面彌補SINS技術中的不足，另一方面為以后北斗與SINS的結合奠定基礎。本文研制的小型SINS/GPS組合導航系統(tǒng)，實現(xiàn)了10米定位精度、80Hz帶寬、2°姿態(tài)角精度。