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(控制理论与控制工程专业论文)基于dsp的导航计算机设计.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 摘要 随着计算机技术和数字信号处理技术的迅猛发展,基于微处理器的捷联惯性 导航( s i n s ) 和全球定位系统( g p s ) 的组合导航系统的设计成为目前研究的热 点。本文以t b i s 3 2 0 c 6 7 1 3 为核心,分析其接口特点并引入f p g a 作为外设接口单 元,使o s p 专注于复杂的导航解算,提高了系统效率和速度。 论文首先阐述了i n s 惯性导航系统和g p s 全球定位系统的基本原理,在此基 础上阐述了i n s g p s 系统的组合原理;其次设计硬件系统方案,采用高精度a d 转换器件,应用f p g a 完成整个外设接口的逻辑关系并实现串口功能;然后主要 针对数据采集和数据通信做了软件仿真;最后在完成了整个硬件电路及相应软件 设计、调试的基础上,进行了相关的实验,并对实验进行了分析。 关键字:d s pf p o ag p s 组合导航卡尔曼滤波 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h es 虹印- d o w ni n e 币a ln a v i g a t i o ns y s t e m ( s i n s ) a n dt h e g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) b a s e do nt h em i c r o p r o c e s s o r si sah o t s p o tb e c a u s e o ft h eh j 曲s p e e dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o p r o c e s s o r s t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , a n a v i g a t i o nc o m p u t e rb a s e do nd s pt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e da n dc h a r a c t e r i s t i co f i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m si sa n a l y z e d w h i c ht a k e st m s 3 2 0 c 6 7 1 3 嬲c o r ec h i p t h ee f f i c i e n c ya n ds p e e do ft h es y s t e mi se n h a n c e db yt h es c h e m ei nw h i c hf p g a r e a l i z e si n t e r f a c eu n i ts ot h a td s pc a l lb ed e v o t e di nn a v i g a t i o na l g o r i t h m f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fi n sa n dg p si sb r o u g h tf o r w a r d ,t h e nt h ep r i n c i p l eo f i n t e g r a t e di n s g p si se x p l a i n e d s e c o n d l y , t h eh a r d w a r es c h e m ei sd e s i g n e dw i t h h i g hp r e c i s i o na n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e ra n df p g aw h i c hr e a l i z e si n t e r f a c eu n i t a n du a r t t h i r d l y , d a t a - c o l l e c t i o na n dd a t a - c o m m u n i c a t i o na 口es i m u l a t e db y s o f t w a r e a tl a s t , a f t e rt h ed e s i g no f h a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ea n dd o b u g g i n gt h e s 0 1 a r es y s t e m s , c o r r e l a t i v et e s ti sm a d ea n dt h er e s u l t si sa n a l y z e d k e y w o r d s :d s p f p g ag p s i n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m k a l m a nf i l t e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在 本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名:! i 塑二o o 年f 月乃i e i 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:! 虱塑 - 。年月j 。f t 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 第一章绪论 1 1 问题的提出 导航系统是舰船、弹箭、飞机、飞行器等运载体上必不可少的重要设备。导 航就是在预定的时间内,按预定的计划和要求,将运载体从起始点引导到目的地 的过程。要完成此导航过程系统必须提供精确的导航参数,如姿态角、航向、速 度、位置等信息。惯性导航系统( i n s ) 就是依据牛顿惯性原理,利用惯性元件 ( 陀螺仪、加速度计) 测量运载体的运动加速度及姿态信息,经过运算求出运载 体即时速度、位置及姿态参数,从而达到对运载体导航定位的目的。 按照惯性测量装置在载体上的安装方式,可将惯性导航系统分为平台式惯性 导航系统和捷联式惯导系统。 平台式惯导是将加速度计和陀螺仪安装在空间方位不变的陀螺稳定平台上。 陀螺稳定平台是一个以陀螺仪为敏感元件,以台体和框架为稳定对象的自动调节 系统。平台不仅能直接建立导航坐标系,而且能隔离载体的角震动,保证加速度 计测得的加速度方向不变。在平台惯导中惯性测量器件的工作环境好,导航计算 量小,容易补偿和修正测量器件的输出,但是结构复杂,体积大成本也高。捷联 式惯性导航系统( s i n s ) 是一种先进的惯性导航技术,是近年来惯性技术的发展 方向。捷联式惯性导航系统是将惯性传感器( 陀螺仪和加速度计) 直接安装在载 体上,利用惯性传感器基准方向及最初的位置信息来确定载体的姿态、方位、位 置和速度的自主式推算导航系统。它以数学平台代替常规的物理平台,用计算机 完成导航平台的功能,因而带来了许多优点:整个系统的体积和成本大大降低; 惯性仪表便于安装、惯性敏感器件可以直接给出线加速度、线速度、角速度等信 息。 虽然惯导系统有很多优点,但是,惯导系统存在着误差随时间迅速积累增长 的问题,这是惯导系统的主要缺点。这种误差由惯导系统原理决定,不能完全消 除。这就要寻求一种导航系统,它的误差不随时间积累,用它来校正惯导系统, 抑制其误差随时间积累。 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是以人造卫星为基础的 无线电导航系统。由空间系统、控制系统和用户系统三大系统组成。目前空间部 分的2 4 颗卫星已经全部发射完毕,整个系统已建成。在地球的任何位置、任何 时刻只要能同时观测到4 颗以上的卫星,就可以得到用户的三维坐标、三维速度 分量和精确定时。它是一种高精度的全球三维实时导航的导航系统,而且能够进 行全球、全天候、全天时、多维连续定位,其精度不随时间变化而变化。虽然 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 g p s 有很多的优点,但也有其不足,主要表现为:当飞行器的机动超过g p s 接收 机的动态范围时,接收机就会失锁,从而不能工作。 根据以上所述,g p s 与i n s 各有所长,并且具有互补性,i n s g p s 组合系统 可以取各子系统之长:高精度的g p s 信息,作为外部量测输入,在运动过程中频 繁修正i n s 以控制其误差随时间的积累;而短时间内高精度的i n s 定位结果,可 以很好的解决g p s 动态环境中的信号失锁和周跳问题。不仅如此,i n s 还可以辅 助g p s 接收机增强其抗干扰能力,提高捕获跟踪卫星的能力。 g p s 、i n s 各自的优缺点和性能的互补性等客观的需要,促使二者走向一起。 目前,g p s i n s 组合导航已经成为导航领域研究的热点之一。 组合导航系统一般由惯性传感器、g p s 接收机、采集电路、导航计算机及导 航软件组成。导航计算机主要工作包括:采集惯性传感器模拟量,将其转化为数 字信号,并通过解算,得到惯导系统的速度和位置信号:采集g p s 系统的速度和 位置信号:对惯导系统和g p s 系统各自的导航信息进行组合导航解算,利用两个 系统各自的优势,得到更高的导航精度。组合导航解算算法一般采用现代控制理 论最优估计设计的卡尔曼滤波算法,该算法是基于矩阵运算的,其中含有大量的 乘运算。而d s p 芯片以其特有的硬件乘法器,在单周期完成乘运算,代替了p c 机中,乘法用移位加完成,需要多个机器周期的缺点;同时,d s p 还具有改进的 哈佛结构总线和专用的汇编语言,大大提高了d s p 的运算能力,使它更适合这种 复杂算法的组合导航系统。所以设计一套基于d s p 技术的导航计算机,对于导航 系统尽早应用于航弹有着重要的意义。 1 2 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是:根据组合导航系统对导航计算机的要求,提出能满 足导航解算要求的、基于d s p 技术的导航计算机的硬件方案;在此硬件平台上完 成导航系统中采集、数字滤波、导航解算等软件模块的设计;完成导航系统的标 定试验、跑车试验。具体的工作有: ( 1 )根据目前组合导航系统中惯导系统数据采集、解算、g p s 系统数据采 集和组合导航算法的实际需要,提出导航计算机的硬件设计方案;根据导航系统 与其它弹上部件之间的连接关系、信号传递关系等,提出导航计算机的结构布局、 总线方式等;根据弹上的环境要求提出导航计算机的冲击、震动、温度等条件, 按照以上要求完成导航计算机硬件的设计。 ( 2 )在硬件平台上完成导航系统中数据采集、滤波、解算、数据输出等模 块的设计、编程以及调试等:根据标定试验的要求设计标定试验的软件,将各个 模块整合成为导航系统的导航软件。 2 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 ( 3 ) 将此导航计算机和导航软件应用于导航系统中,进行导航系统的标定 试验、环境试验、跑车试验等,以验证导航计算机的性能,并根据导航系统的要 求进一步优化导航计算机硬件、软件的设计 本篇论文以导航系统硬件设计及具体的编程、调试为侧重点,对于软件设计 只提出设计方案,软件算法设计工作不作为论文的主要内容。 1 3d s p 系统在导航中的应用现状 d s p 系统具有优越的性价比、系统的小型化、低功耗、运算速度高等特点, 已经在导航计算机中得到应用,日前用于导航的基于d s p 的导航计算机主要用在 航空、航天导航系统中,其中,大多数还处在实验室研究阶段。用于导航解算的 d s p 系统主要用在捷联惯导系统( s i n s ) 中,在组合导航( s i n s g p s ) 中的应用比较 少。在目前的捷联惯导系统中,簇于d s p 的导航计算机主要有以下两种应用方式: ( 1 )主从式紧耦合导航计算机。在这种系统中采用了d s p 芯片加单片机的 主从式双处理器方式,由于单片机具有较强的控制能力,所以,它主要完成数据 交换、外设控制等操作:而d s p 芯片则以其强大的运算能力,完成姿态解算、位 置解算、滤波等解算工作,两个处理器并行操作,发挥各自的优势,使导航计算 机的性能得到改善。双处理器系统设计的关键在于单片机和d s p 芯片之间的数据 交换和共享问题,一方面要保证d s p 每次得到的原始数据为最新的数据,同时要 保证单片机得到的导航数据也是最新的,而且要避免单片机和d s p 芯片在同一时 间,对同一存储区进行操作而造成冲突,所以,在系统的硬件和软件设计过程中 必须解决好这个问题。 ( 2 )单独的d s p 系统实现的导航计算机。在这种导航计算机中,陀螺仪和 加速度计输出的信号一般为数字信号,无须进行a d 转换,d s p 芯片只需通过串 口或其它方式获得传感器的原始数据,进行姿态解算、位置解算等,而不用过多 的i 0 操作,这种导航计算机的解算周期为l o m s 左右。 1 4 小结 本章首先介绍了论文的选题背景和该课题的现实意义,然后简述了本课题要 完成的主要研究工作:并对本课题所研究的导航计算机目前的研制、应用情况及 应用方式做了简要介绍。 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 第二章g p s s i n s 组合导航系统模型 2 1 捷联惯性导航系统 2 1 1 坐标系 导航中常用到的坐标系有以下几种: 地心惯性坐标系( i 系x ,zz l 轴) 原点在地球的中心,z j 轴沿地轴指向北极方向,x ,、z 在赤道平面内,指 向恒星方向,x 。z z 构成右手坐标系。三个坐标轴指向惯性空间固定不动。这个 坐标系是惯性仪表测量的参考基准。 地球坐标系( e 系以丘乙轴) 地球坐标系是固连在地球上的坐标系,它相对惯性坐标系以地球自转角速率 吼旋转。地球坐标系的原点在地球中心q ,q 乙轴与qz j 轴重合,见置e 在 赤道平面内,z 轴指向格林威治经线,e 轴指向东经9 0o 方向。 地理坐标系( t 系x ,】:z ,轴( e y u 轴) ) 原点在飞行器重心,x ,指向东,】_ :指向北,z l 沿垂直方向指向天。这个坐 标系也称为东北天坐标系。 导航坐标系( n 系以l 乙轴) 导航坐标系是在导航时根据导航系统工作的需要而选取的作为导航基准的 坐标系。当把导航坐标系选得与地理坐标系相重合时,可将这种导航坐标系称为 指北方位系统,本文即采用这种坐标系。 平台坐标系( p 系x ,匕z 。轴) 平台坐标系是用计算机平台来复现导航坐标系时所获得的坐标系。平台坐标 系的坐标原点位于飞行器的重心处。当惯导系统不存在误差时,平台坐标系与导 航坐标系相重合;当惯导系统出现误差时,平台坐标系就要相对导航坐标系出现 误差角。对于平台惯导系统,平台坐标系是通过平台台体来实现的;对于捷联惯 导系统,平台坐标系则是通过存储在计算机中的捷联矩阵来实现的,因此又叫做 “数学平台”。对于平台惯导系统,平台坐标系与导航坐标系之间的误差是由平 台的加工、装配工艺不完善、敏感元件误差以及初始对准误差等因素造成的;而 对于捷联惯导系统,该误差则是由算法误差、敏感元件误差以及初始对准误差等 造成的。 机体坐标系( b 系五e 乙系) 机体坐标系是固连在机体上的坐标系。机体坐标系的坐标原点位于飞行器的 重心处,邑沿机体横轴指向右,写沿机体纵轴指向前,乙轴垂直于0 e e ,并 4 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 沿飞行器的竖轴指向上。 2 1 2 捷联惯导基本原理 从物理意义上来讲,惯性导航是一个信息处理系统。根据牛顿惯性定律,当 载体相对惯性空间以加速度a 运动时,可以用载体中的加速度计测出作用在单位 质量上惯性力和引力的矢量和的大小,郎比力的大小。 m s f2 m a m g 式中& 一加速度计检测质量受到的比力; 埘一感受加速度的检测质量; a 载体的运动加速度; g 一地球的引力加速度。 通过载体上加速度计测出比力后,在载体内部不必依赖外界信息而只是通过 惯性元件即可测得载体相对惯性坐标系的加速度。当知道了载体的初始位置和初 始速度后,只要对该加速度进行两次积分便可以分别先后获取该载体定位所需要 的速度和位置信息。 ( 1 )比力方程 载体相对地球运动,地球又相对惯性空间运动,因此,对地球而言,载体的 惯性加速度包含了相对加速度和哥氏加速度等。要求得载体相对地球的运动,就 要建立这些加速度之间的关系式。 设载体在地心惯性坐标系中的位置矢量为r ,则利用矢量的相对导数和绝对 导数的关系,载体位置矢量r 在地心惯性坐标系中的导数可以表达为 纠:刳j r - ( d 。x r 廊l 。出l 。 式中剖。为载体相对地球的速度;吼为地球自转角速度;吼r 为地球自转产 生的牵连速度。 用代表载体相对地球的运动速度,即= 剖。,则 引:+ f o r e x r ( 2 1 ) 矧。2 + ( z 1 ) 将( 2 1 ) 式两边在惯性系中求导,得 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 矧d 2 t ,= 刽d t 。卫d t 帆删li,l ,。“1 考虑为常量,故刽。= 0 ,上式变为 剥,= 刮。剖。 纪z , 由于v 。的各分量是沿平台坐标系( 理论上是沿导航坐标系) 的,故以导航坐标 系作为动坐标系,则 刽d t 。= 刽d t + 汜s , li 。 妒 把( 2 3 ) 和( 2 1 ) 式代入( 2 2 ) 式,得 剥,= 刽,邶吼叫v 州彬固 表示纠呜,则 剖刮中+ ( 2 吼+ ) - i - o ) = x ( 固 由式盖= ,+ g 得 f + g = + ( 2 吼+ 妒) v 甲+ 吼x ( t a 。r ) ( 2 4 ) 考虑到地球的重力场是地球引力和地球自转产生的离心力的矢量和,即 g = g 一吼x ( 国k x r ) 则( 2 4 ) 式可写作 ,= 口口+ 2 ( r a k + t a , v ) x v 9 一g ( 2 5 ) ( 2 5 ) 式即为比力方程。 ( 2 ) 姿态矩阵 捷联惯导系统中有两种测量元件:角速率陀螺和加速度计。它们沿机体系三 轴方向安装。因为固连在载体上,所以测得的都是机体坐标系下的物理量。陀螺 仪输出的是载体相对惯性空间转动的角速率在机体系中的投影旌( 上标b 表示 该物理量是b 系中的投影) ;加速度计测量的是机体相对惯性空间的加速度在机 体系中的投影口:。而对于捷联惯导系统,导航计算要在导航坐标系中完成。因 6 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 此,首先要将机体系中的量旌转化为导航系中的物理量,即实现由机体坐标 系到导航坐标系的坐标转换。这一转换由一矩阵q 完成,称为捷联矩阵。根据 捷联矩阵的元素可以单值地确定飞行器的姿态角,故亦称之为姿态矩阵,姿态矩 阵随时间的变化而不断变化。捷联惯导系统中的特殊问题就是实时地求取姿态矩 阵,以便提取飞行器姿态角以及变换比力。 设姿态矩阵已经由某种方法求得。那么加速度计测得的口:,可以通过式( 2 6 ) 得到导航系中的比力口:, 以= g ( 2 6 ) 由姿态矩阵还可以求得载体的姿态角:俯仰角口、航向角p 、横滚角7 。 机体系和导航系之间的转换矩阵( 即姿态矩阵) 可以由机体系和导航系的三 次转动得到。假设导航坐标系和机体系重合,导航坐标系为动坐标系,机体系为 定坐标系。导航坐标系绕三轴依次旋转矿角、口角、,角,则得到机体坐标系 x b y b z b 。由此,导航坐标系和机体坐标系之间的转换矩阵为 群= 眩斑降训 i c o s q ,c o s o s i n 9 c o s b = lc o s 伊s i n 口s i n ,一s i n 妒c o s 厂s i n 伊s i n p s i n ,- 4 - c o s 妒c o s 7 l c o s 伊s i n 口s ,+ s i n 矿s i n 厂s n c s i n o c o s 7 一c o s p s i n 7 磷也称为姿态矩阵,它反映了导航系( 即地联系) 和机体系之间的方位关系。 它和g 的关系是: g = ( q ) 。1 又四是正交矩阵,故有: g = ( 锘) 一= ( q ) 7 如不作说明,凡姿态矩阵均系c :。 显然,姿态矩阵四是口、7 、伊的函数,由其元素可以单值确定飞行器的姿 态角。 2 i 3 姿态矩阵的计算 捷联惯导姿态矩阵的即时修正就是实时地给出捷联矩阵,它是捷联惯导的关 键任务,而这要通过一定地算法来完成。本文主要采用的是四元素法。 四元数法,它是随着空间技术、计算技术、特别是捷联惯导技术的发展,优 7 心 、川一 栅骞| 宝酊口口 一 瞄 瞄 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 越性才逐渐引起了人们的注意,得到了真正的应用。它计算量小,存储容量小, 仅需要进行简单的四元数规范化处理便可以保证姿态矩阵的正交性,因而成为一 种普遍采用的方法。 单位四元数可用如下形式的来描述: q = q o + 幻l + 力2 + 岣3 ( 2 8 ) 这个四元数的范数为: i i q l l = q ;+ g ;+ g ;+ g ;= 1 ( 2 9 ) 称作“规范化”四元数。我们可以通过求解一个四元数来计算导航参数。 在捷联导航中,要求机体系到导航系的转换矩阵,要解下列四元数的运动方 程: 式中: q ( 破) = q = 三q ( 以) q 0 一吒一略 q b m 0 畦 咄一吐0 畦略一磙 ,q = q o q l 吼 吼 ( 2 1 0 ) q 是从机体系到导航系的转动四元数;以表示机体坐标系相对导航坐标系 的转动角速度在机体坐标系上的投影,它由陀螺仪的输出变换而得。它与其它速 率的关系是: 以= 功:一砖= 或一碟磁= 一锘( 旌+ 吒) 式中皖即为角速率陀螺的输出,吮为地球角速率,是已知的一n ,二为导航坐标 系相对地球的角速度,它可以由瞬时速度吃求得。该方程的求解,类似矩阵微 分方程的求解,可用四阶龙格库塔法求解。 姿态矩阵可由四元数的组合得到: l 爵+ 彳一q ;一爵 2 ( q 1 9 2 - q o q 3 ) 2 ( g 吼+ q o q 2 ) i g = i2 ( q i q 2 + q o q 3 ) q ;一井+ g ;一q ;2 ( q 2 q 3 一q o q l ) l i2 ( 9 1 q 3 - q o q 2 )2 ( q 2 q 3 + q o q l ) 爵一爵一g :+ 露l 另一方面,若已知了g 阵( 相应元素记为瓦) ,相应的四元素可由下式计算 得到: 8 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 2 1 4 速度位置计算 q = 0 5 ( 1 + 互1 + + 五3 ) ”2 o 2 5 ( r , 2 一如) q 1 0 2 5 ( t , 3 一弓1 ) q l 0 2 5 ( t 2 l 一五2 ) 吼 g ”重力加速度矢量:g ”= 【o 0 g r 雕 - 一巍,一篓一簪倒+ 圈 吮是地球自转速度,在东北天坐标系中,其分量表示为: 破= 吼c o s l 碥= 0 o ) l “e = = 一吼s i n l 咙是导航坐标系相对地球的角速度,其分量表示为: 略2 南 略一惫 矿4 矿a r i a 一南弛 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 9 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 式中h 为高度; 兄为地球子午面内的曲率半径,为已知量; r 为地球卯酉面内的曲率半径,为已知量。 ( 2 ) 位置计算 纬度= m + f 南出 经度:e = 晶+ f ( r , + 兰h l ) c o s l 西 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 高度:矗= + r ( 4 z ) 出 ( 2 1 6 ) 在纯惯导中,由于高度通道发散,一般对高度以及和高度有关的项不加以考虑。 2 2g p s 全球定位系统 2 2 1g p s 系统组成 g p s 整个卫星导航系统包括导航卫星、地面站、用户设备三部分,现分述如 下 ( 1 ) 导航卫星 g p s 系统有2 4 颗卫星,分布在6 个轨道面上,轨道倾角5 5 0 ,每个轨道上均 匀分布4 颗卫星,卫星高度为2 0 1 8 3 公里,周期1 2 小时。这种布局能使载体在 地球上任意地点,任意时刻都能接收到4 颗以上的卫星信号,实现全球连续定位。 卫星受地面站控制,推动系统使卫星保持在设定轨道的位置和姿态。卫星接 收地面站发来的导航信息,( 包括卫星星历、历书、时钟较正参数等) ,存储这些 信息,并向用户发送导航电文。 ( 2 ) 地面控制部分 地面控制部分包括监测站,主控站和注入站。 监测站目前监测站有5 个,它的任务是在卫星过顶时收集卫星播发的导航 信息,对卫星实行连接监控,收集当地气象数据,并将数据送往主控站。 主控站主控站有一个,它的任务是用配备的精密原子钟提供g p s 系统的时 间基准,并将g p s 时间和u t c 时间的相对漂移编入导航电文通过注入站注入给卫 星。处理各监测站送来的数据,编制各卫星星历,计算各卫星钟的种类和电离层 校正参数,并送给注入站。同时,它还用来控制卫星的运行轨道,控制卫星位置 和姿态。 注入站注入站有三个,任务是把主控站送来的导航信息在卫星过顶时注入 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 给卫星并监测注入卫星的导航信息是否正确。每颗卫星的导航数据每隔8 小时注 入一次。 ( 3 ) 用户设备 用户设备的种类很多,有单机接受装置及差分台站等,用来接受卫星导航电 文实现导航定位。 2 2 2g p s 信号结构 在采用伪随机测距技术时,其测量分辨率在很大程度上取决于码元的长度, 或者说取决于码的比特率( 单位时间内码元数,单位为波特) 。电离层误差是信 号传播延迟测量的主要误差源之一。为了削弱电离层的影响,g p s 使用l 波段的 两个频率;l 1 的中心频率为1 5 7 5 4 2 m h z ,l 2 的中心频率为1 2 2 7 6 m h z 。选择l 波段的原因之一是电磁波的云雨吸收在这一波段比较小。g p s 卫星发播这两个频 率的载波,在载波上调制有三种码: 精密测距码( p 码) :精密测距码也称精码( p r e c i s ec o d e ) 或p 码,它是 由两个码长互素的i b 码组成的模二和复码。p 码的码长约为2 3 5 4 7 1 0 “,其周 期约为2 6 6 天,略多于3 8 个星期。它的比特率为1 0 2 3 m 波特。选择这样长的码 周期不但可以解决测距模糊度问题,而且可以将码分多址系统的相互干扰变为局 部自相关函数。 粗捕获码( c a 码) :粗捕获码( c o a r s ea c q u i s i t i o nc o d e ) 也称粗码或c a 码,它是一组短码,码长为1 0 2 3 比特。由于码长很短,易于捕获,通过捕获c a 码可以方便迅速地捕获p 码。c a 码也是伪随机码,也可以用于测距,只是精度 较低。 导航电文码:g p s 卫星除了发播p 码和c a 码这两种供伪距测量的测距码外, 还通过电文码发播导航电文。导航电文码也称电文码或d 码。它的比特率为5 0 波特。导航电文的发送采用扩频通讯技术。所谓扩频通讯技术即是在发射端将基 带信号( 即所播发的信息) 先经频谱扩展再发射出去;在接收端,则通过相关技 术来解调这种扩展了的信号,恢复原来的信息。导航电文是卫星向用户提供的导 航有关信息,用户应用这些信息于导航解算。导航电文的组成:计算卫星位置的 有关数据( 卫星星历) 、系统时间、卫星钟参数、c a 码到p 码的交接字、卫星 工作状态。 2 2 3g p s 数据格式 g p s 的输出数据一般有n m e a 0 1 8 3 和b i n a r y 这两种格式。鉴于b i n a r y 在接 收过程中要进行数值转换,在这里不做介绍,只简单介绍下n m e a 0 1 8 3 格式。 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 n m e a 0 1 8 3 是为了在不同的g p s 导航设备中建立的统一r t c m 标准。n m e a 0 1 8 3 所有信息都是一行a s c i i 字符。所有的语句必须以 来结束,也就是a s c i i 字符“回车”( 十六进制的o d ) 和“换行”( 十六进制的0 a ) 。最后的校验码* h h 是用于做奇偶校验的数据。在实际系统中,我们只选用g p g g a 和p g r m v 这两条语 句,这两条语句的综合可以获得组合导航系统所必需的位置、速度等相关信息。 ( i ) g p g g a ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mf i xd a t a ) g p s 定位信息 $ g p g g a , , , , , , , , , ,m , ,m , , * h h u t c 时间,h h 衄s s ( 时分秒) 格式 纬度d d m m 黝( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) 纬度半球n ( 北半球) 或s ( 南半球) 经度d d d m m 姗( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) 经度半球e ( 东经) 或w ( 西经) g p s 状态:o = 未定位,1 = 非差分定位,2 = 差分定位,6 _ 正在估算 正在使用解算位置的卫星数量( 0 0 1 2 ) ( 前面的0 也将被传输) h d o p 水平精度因子( o 5 9 9 9 ) 海拔高度( - 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 ) 地球椭球面相对大地水准面的高度 差分时间( 从最近一次接收到差分信号开始的秒数,如果不是差分定 位将为空 差分站i d 号0 0 0 0 1 0 2 3 ( 前面的0 也将被传输,如果不是差分定位 将为空) ( 2 ) p g r m v ( 3 dv e l o c i t yi n f o r m a t i o n ) 三维速度信息 $ p g e m v , , , $ h h i 东向速度,5 1 4 4 5 1 4 1 米秒 i 北向速度,5 1 4 4 5 1 4 1 米秒 i 上向速度,9 9 9 9 9 9 9 9 9 米秒 2 3g p s s i n s 组合导航系统 g p s s i n s 综合,优点表现为:对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯 导系统的空中对准、惯导系统高度通道的稳定等,从而可以有效地提高惯导系统 的性能和精度;而对g p s 全球定位系统,惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的 能力,提高接收机的动态特性和抗干扰性。g p s 接收机和惯性导航系统的综合分 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 两类,一类叫松散综合,这是一种简单的综合方式,另一种叫紧密综合。紧密综 合是指高水平的综合,其主要特点是g p s 接收机和惯导系统相互辅助。 2 3 1 系统状态方程 当综合系统采用线性卡尔曼滤波器时,则取系统的误差作为状态。 ( 1 ) 平台误差角方程 扫南+ ( 吼s i n 工+ 南纠三+ 翻挑 办= 南一咆s 逾工+ 南t a n 粉南批 无= 南t a n “慨c o s 工+ 南嗽2 驰 也c o s “翻九+ 上r 。+ h “n 勺 。 ( 2 ) 速度误差方程 ( 2 1 7 ) 晚= 厂九一无如+ ( 尝i t a n 三一瓦等- ) 钆+ ( 2 钆s i n l + t a n 上) 西- + ( 2 钆c o 叱v + 粕v g v + v i l s e c 2 l + 2 如) 昆一( 2 吼c o 比+ 乏) 钆+ v s 瓯= 力九一五九一2 ( 吼s i n 三+ i 亍t a n 三) 西。一瓦孑,- 函”一i 一( 2 c a a c o s 三+ r j n ! 旦+ 一h8 e c 2 工) v e 昆+ v 晚2 矗如一厶九+ 2 ( 0 9 m c 0 叱+ 孟) 饥+ 2 西一2 吼s i n l v e s l + v v ( 2 1 8 ) ( 3 ) 位置误差方程 ( 4 ) 惯性仪表误差 陀螺漂移误差模型 越:l r “+ h 新:生s e c 工+ 垒一s e c 工t a n 工昆 r n + hr n + h 蕊= 西u ( 2 1 9 ) 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 加速度计误差模型 吐一丢v a + 把上述的( 2 1 7 ) ( 2 2 1 ) 式综合在一起,可得系统状态方程为 蜀( f ) = e ( f ) 蜀( f ) + g i o ) o ) 式中 x = 阮如九西f 面函u 昆融劢 8 hs 口8 hs ,8 ,8 ,。飞,飞:i i 矽= k吆 g i = g o m 0 o 姗 o m 0 9 x 3 l o r 日= r 乏l 。 其中f 为对应9 个基本导航参数的系统阵,其非零元素为 f ( 1 ,2 ) 2 吼血“南呲m 3 ) = - ( 吼c o 叱+ 翻 f ( 2 ,7 ) = - c s i n l f ( 3 ,2 ) = 南 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 1 4 怫 + r s 一乙 o 一 = = 6 r f 占 1,j 粥 吣 粥 弼 0 o o i 赤 南 一 上 一 。一 一 卜 卜 忙 等 赤南 一 = t 1 分 渤 m q f f 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 f ( 3 ,7 ) 2 吼c o 比+ 瓦i s e c 2 工 f ( 4 ,2 ) = 一矗 f 媳渤= f u f ( 4 ,5 ) - 2 蚶砒+ 南呲 足4 4 ) - ( 南呲一稳 ,( 4 ,6 ) 一( 2 国渺“瓦i 麓 f ( 4 ,7 ) = 2 吼c o s l v n + b y e v 十n 疗s e c 2 三+ 2 吼s i n 三 m 7 ) = 婉 a 十疗s e c 2 三+ 2 吼8 i n f ( 5 ,i ) = 矗f ( 5 ,3 ) = 一尼 f ( 5 ,4 ) = _ 2 ( s i n 三+ 南t a n 三) f ( 5 ,5 ) 一丽v u 删) - - 南 f ( 6 秘= 一 n c 和分别为 = f ( 5 ,7 ) = - ( 2 吼c o s “南s e c 2 l ) v s f ( 6 ,2 ) = 矗 f ( 6 ,7 ) = - 2 v e a 。s i n l f ( 8 4 ) 2 而s e c l f ( 9 ,6 ) = 1 g g0 。 e = 10 。0 蛐gl l o 粥。粥o 。j 。 。一去一专一专一亡一丢一爿 习 工 v i 洫 工 且上 一 m 渤 渤 刀 矗 6 7 9。 即 鄹 川 以 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 2 3 2 系统量测方程 在位置、速度综合模式中,其量测值有两组。一组为位置量测值,即惯导系 统给出的经纬度和高度信息和g p s 接收机给出的相应信息的差值为一组量测值。 另一组为速度量测值,即两个系统给出的速度差值。 惯导系统输出的位置和速度信息表示为 五= 五+ 觑ly = + j l l i = 工,+ 昆 p 0 = + j ( 2 2 2 ) = 趣+ 翻j 巧v = + 占j g p s 接收机给出的位置和速度信息可以表示为 砧= 一i 面n e k 卟等 = h t m ( 2 2 3 ) 式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 3 ) 中,五、h t 分别表示真实位置,n e 、n s 、m 分别为g p s 接收机沿东、北、天方向的位置误差,作白噪声处理;、 分别为载体沿地理坐标系的各轴的真实速度,m 口、m r 、分别对应g p s 接 ( j - l o ) r u1 配 2 卜丑一掣皂比j 2 卜焉嚣以j 2 石+ ( 2 2 4 ) 式中,h g v = 【0 3 x 6 硪昭r ,c o s l1 】o m 】 = 【n 8 】r 一 瓦= i 一i - j + ( 2 2 5 ) l 一j 式中,= 【o 。讲昭【1 1 1 】0 。:】 y 。= m e m qm 蠢 将以上两式综合,即可得组合导航系统位置速度组合模式的量测方程。 1 6 、l,j 蚴 一 一 一 = l l = 硕士论文基于d s p 的导航计算机设计 邵,= 圈= 外+ l 吲r , - m o d k j 组z e , 2 3 3 系统方程的离散化 从上面的分析可得到位置、速度模式组合系统的方程为: j z ( ) l m 2 4 ( f ) - “i i j o ) t 勘d + g ( f ) z 敏9 形( f ) 9 x 1 ( 2 2 7 ) 旧o ) 6 x i = 日( f ) m l z o ) l m + ( f ) w 对象本身是连续系统,对系统状态的估计可以按连续系统滤波方程来计算, 但是目前实际中实现的经常是将系统离散化,按离散系统的滤波方程来计算。连 续系统离散化的实质是根据连续系统的系统矩阵彳( f ) 计算出离散系统的转移矩 阵,以及根据连续系统的系统噪声方差强度阵q ( o 计算出离散系统噪声方差阵。 取采样时间为t ,则离散化后的系统方程为: 裟三l 叩- i ( k ) 卢x ( k 鬈) 器盯佤“d 哪棚 ( 2 2 8 ) i z ( 的= + ( t ) 如果计算周期t ( t 为滤波器的计算周期) 远小于系统阵发生明显变化所需 要的时间,则可以利用定常系统的计算方法,其中 ( k , k - 1 ,= 薹学 z 。, r ( k , k - 1 ) = 砉生生乒g o 。) r ( 2 3 。) 实际计算时,可根据时间和计算精度两方面的要求,合理确定迭代计算次数。 以上离散化计算采用的是线性台劳级数展开方法。因此,采样周期t 的大小,首 先要满足台劳级数展开的条件。一般而言,t 增大,应该相应的增加台劳级数展 开式的项数。 转移矩阵的计算可以以下述方式简化:将滤波器计算周期t 分割成n 个时间 间隔r ,即t = n a t ,则 e o ( k + 1 ,七) i + r 4 + o ( a t 2 ) a i + r 4 ( 2 3 1 ) 另外,系统状态噪声方差阵及观测噪声方差阵离散化时处理如下: l q 只( ( 七k ) ) ;= r q ( ( t k ) ) r t ( 2 3 2 ) 【只( 七) = r ( ) r 一 1 7 硕士论文基于d s p 的导抗计算机设计 第三章d s p 性能分析 3 1d s p 系统 3 1 1d s p 系统的构成 图3 - i 给出了一个典型的d s p 系统。 图3 - 1 的输入信号可以是电信号、声音信号、物理信号、化学信号、连续信 号、数字信号、强信号、弱信号。在前向通道中,首先通过传感器将各种信号转 化为一定幅值得电信号,再将这些信号进行带限滤波和抽样,然后通过a d 或 v f 变换将信号变换成为数字比特流。根据仙农抽样定理,为保持信息的不丢失, 抽样频率至少必须是输入带限信号最小频率的2 倍。当然,对特殊的信号可能有 特殊的要求,如正弦信号一般须在一个周期内采用3 个点以上。更详细的前向通 道可以用图3 - 2 表示。 图3 - 1d s p 系统图 d s p 芯片系统可能由一个d s p 及外围总线组成,也可能由多个d s p 组成,这 完全取决于d s p 处理的要求。d s p 芯片系统的主要任务是将前向通道输出的信号 按照一定的算法进行处理,然后将处理的结果以数据流的形式输出给后向通道。 后向通道主要由d a 、f v 、平滑滤波器及功率放大等部分组成,如图3 3 所示。 以上给出的d s p 系统是一个相对完备的d s p 系统,但并不是所有的d s p 系统 1 8 硕士论文 基于d s p 的导航计算机设计 都必须具有上述系统上的所有部件。如频谱分析中输出的不是连续的波形而是离 散的频谱分析等。而在很多场合输入信号本身可能已经是数字信号,因此根本不 必有前向通道环节。 图3 - 2 前向通道 3 1 2d s p 系统的特点 图3 - 3 后向通道 ( 1 ) 、精度高:模拟网络中元件( r ,l ,c 等) 精度很难达到1 0 1 以上,所以 由模拟网络组成的系统的精度要达到1 旷以上就显得非常困难。而数字系统1 7 位字长就可以达到l 旷精度。因此,如果使用d s p ,d a 来代替系统中的模拟网 络,并有效地提高a d 和d a 部分的精度将有效的提高系统等额整体精度。 ( 2 ) 、可靠性高:这是由于数字电路的特点决定的。由于数字系统只有两个电 平“1 ”,“0 ”,在器件正常工作的条件下,噪声及环境的影响一般不容易影响结 果的正确性与准确性,不像模拟系统的参数都有一定的温度系数,易受温度影响, 电磁振动、压力等外界环境也会对参数产生影响。所有这些影响都会导致精确度 下降,甚至导致系统不能正常工作。另外,由于d s p 系统对采用大规模集成电路 的故障率也远比采用分立元件构成的模拟系统的故障率低。 ( 3 ) 、集成度高:在一些对体积要求很小( 如计算机、笔记本电脑、航空航天 等) 或是一些如果采用模拟网络体积将令人无法接受的场合( 低频滤波) ,高集 成度的数字电路将不可缺少。由于数字不见具有高度规范性,便于大规模集成、 大规模生产,且数字电路主要工作在截止饱和状态,对电路参数要求不严格,因 此产品的成品率高,价格日趋下降。 ( 4 ) 、接口方便:随着科学技术的发展,人们所能控制的系统变得越来越
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