（模式识别与智能系统专业论文）dsp及其在捷联航姿系统中的应用.pdf

摘要 数字信号处理芯片( d s p ) 的显著优点和飞速发展，已经使之进入越来越多 的应用领域。本论文研究d s p 在捷联航向姿态参考系统中的应用，设计了相 应的软硬件系统。文中首先讨论了捷联航姿系统的原理，并根据低成本的要求 确定捷联航姿系统模型和算法，接着分析了d s p 这种新型微处理器的特点和 应用万法，讨论了d s p 及其外围电路的设计方法与航姿软件的开发方法。经 过分析研究和选型，设计了总体方案和硬件电路，之后用c 语言编写航姿计 算程序，并在与所选d s p 相配的开发工具软仿真器下运行成功。最后对 基于d s p 的航姿算法进行了仿真。以上工作充分证明了本文提出的将d s p 运 用到捷联航姿系统中的尝试的可行性，使日后的工作可以有目的地开展。 研究证实，用d s p 替代传统使用的微处理器作为捷联航姿系统的核心处 理器，可以减小系统的体积和成本，提高其性能价格比，使系统具备更好的应 用价值、市场前景和军事意义。 ，键词 数字信号处理器捷联航向姿态系统低成本浮点t m s 3 2 0 v c 3 3 d s p 系统开发 a b s t r a c t w i t ht h er e m a r k a b l ee x c e l l e n c ea n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ，i th a si n f l u e n c e da n di sc o m i n gi n t om o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n f i e l d s t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t hr e s e a r c h e so n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s a p p l i c a t i o ni ns t r a p d o w na t t i t u d eh e a d i n gr e f e r e n c es y s t e m t h ea u t h o rd e s i g n e d t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e m a tf i r s t ，t h et h e o r yo ft h e s t r a p d o w na t t i t u d eh e a d i n gr e f e r e n c es y s t e mi sp r e s e n t e da n dt h ea r c h i t e c t u r ea n d a l g o r i t h ms e l e c t i o n sa r ed o n ea c c o r d i n gt or e q u i r ef o rl o wc o s t t h e n ，t h ef e a t u r e a n da p p l i c a t i o nm e t h o d so ft h en e w t y p em i c r o p r o c e s s o r - d s pa r ee x p l i c a t e d ，a n d t h ed e s i g nm e t h o df o rd s pa n dp e r i p h e r a lc i r c u i ta n dt h ed e v e l o p m e n tm e t h o df o r a h r ss o f t w a r ea r ed i s c u s s e d a f t e r a n a l y s i s a n dm o d e ls e l e c t i o n ，t h ea u t h o r d e s i g n st h eo v e r a l ls c h e m ea n dh a r d w a r ec i r c u i t ，a f t e rt h a t ，t h ea u t h o rp r o g r a m st h e a t t i t u d e h e a d i n g a r i t h m e t i cc o d e u s i n g cl a n g u a g e ，a n dt h e p r o g r a m r l l n s s u c c e s s f u l l yu n d e rd s pc o r r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n tt o o l - - s i m u l a t o r f i n a l l y , w e s i m u l a t et h ea t t i t u d e h e a d i n ga l g o r k h mb a s e do nd s ea l lt h ew o r kp r o v et h e f e a s i b i l i t yo f t h ea t t e m p tt h a ta p p l yd s pi nt h ea t t i t u d eh e a d i n gs y s t e mp u tf o r w a r d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h ef u t u r ew o r kc a nb ed o n e p u r p o s e f u l l y t h er e s e a r c ha p p r o v e st h a tr e p l a c i n gf o r m a lm i c r o p r o c e s s o rb yd s pa sc e n t e r p r o c e s s o rc a ng e th i g h e rp e r f o r m a n c e a n dl o w e r p r i c e i th a sg r e a tv a l u eo f m a r k e t 、 a p p l i c a t i o na n dm i l i t a r y i ta l s op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no f i n e r t i a lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) s a h r s ( s t r a p d o w n a t t i t u d eh e a d i n gr e f e r e n c es y s t e m ) l o w c o s t ，f l o a t i n gp o i n t ，t m s 3 2 0 v c 3 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 航姿系统发展概况，国内外现状，课题来源及意义 本论文研究由d s p 作为核心数据处理器的捷联航向姿态测量系统。原有的 航姿系统通常使用通用c p u 作为中央处理器，需要许多外部设备，使得硬件实 现需要多块电路板相连接，体积和重量都比较大，同时存在不同程度的资源浪 费，成本很高；且通用型微处理器采用的是冯诺伊曼结构，乘法是用软件实 现，往往需要若干个机器周期才能完成，因此导致处理速度较慢。而d s p 芯片 中集成了内部r o m 和r a m 等存储器、直接存储器访问控制器和通道等部件，采 用哈佛结构和流水技术，芯片中都设置了硬件乘法器和m a c 一类的指令，可以 在单个指令周期内完成操作，使得处理速度大为提高，具有速度快、灵活、精 确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，满足了对信号快速、精确、实 时处理及控制的要求。因此现采用d s p 芯片代替原来的微处理器作为核心，设 计和实现系统，用以提高系统的集成度，减小体积和重量，提高运算速度和精 度，降低成本。 航姿系统是利用惯性测量元件( 加速度计、陀螺仪) 测量载体相对于惯性 空间的运动参数，并经过计算后实施导航任务的。由陀螺仪测量载体的角运动 和由加速度计测量载体的加速度，在给定运动初始条件下，经转换、处理，输 出载体的姿态和航向。它的优点是： ( 1 )自主性强，它可以不依赖任何外界系统的支持，而单独进行导航。 ( 2 ) 不受环境、载体机动和无线电干扰的影响，可连续的输出包括基准 在内的全部导航参数，实时导航数据更新率高。 ( 3 )具有非常好的短期精度和稳定性。 由于其工作的完全自主性，在航空航天、航海及陆地等很多领域，特别是 军事领域得到了广泛应用，成为一种主要的导航手段。但是航姿系统在使用中 也存在着不足，主要缺点是： 西北工业大学硕士学位论文 第一苹鳍论 ( 1 ) 价格性能比商，体积、重量大。 ( 2 )导航误差随时间积累，难以满足长时间独立的工作。 航姿系统的这些缺点不能满足远距离或长时间航行及高精度的导航要求。 自第二次世界大战时，德国的v 一2 火箭发射成功以来，s i n s 的发展已历经了 半个多世纪，由于其具有的可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高以及 使用灵活等优点，使得s i n s 已经成为当今世乔惯性导航系统的主流。 早在1 9 5 6 年，美国就有了捷联式惯导系统的专利。但当时由于缺乏适用 于捷联式的惯性仪表和计算机，所以无法实际实现，随着电子技术的发展，大 容量、高速度微型计算机的出现，以及以可靠性为主要考虑因素的航天技术的 需要，促使人们对捷联系统进行研究。六十年代初，美国联合飞机公司哈密尔 顿标准中心研制的l m a s a 捷联式系统，首先在“阿波罗”登月舱中得到了应 用。六十年代后期，捷联系统有了很大的发展。七十年代初，美国哈密尔顿标 准中心研制的捷联式系统开始在飞机上成功的使用。1 9 6 9 年，美国海军、空 军决定为飞机和导弹研制捷联式系统。捷联式系统由于省掉了机电式的导航平 台，所以体积、重量和成本都大大降低。由于捷联式系统提供的信息全部是数 字信息，所以，特别适用在采用数字飞行控制系统的飞行器上， 目前在航姿系统的硬件实现上，仍然停留在以i n t e l 系列等通用型处理器 为核心的阶段，这种传统的航姿系统由于其集成度低，运算速度慢，使得系统 实现起来体积较大，电路结构复杂，使系统的可靠性大为降低。 由于航姿系统的系统结构、算法和软件都已发展了二十多年，已接近于成 熟和完善。因此在实际应用中的主要要求以集中在硬件实现上，即如何在系统 运行中最大可能地实现先进算法和软件所能达到的精度。这就意味着系统的物 理结构要紧凑，体积小，重量轻，运算速度快等。 d s p 凭借其自身诸多优点，已在航空航天，军事领域中初露头角，在惯性 技术应用方面，主要有数据采集及控制系统在转台控制中的应用1 13 1 ) 为减小 捷联系统的体积、重量和功耗研制的用d s p 实现的主从式紧耦合捷联导航计算 机1 6 1 。在其他方向，例如多普勒雷达的信号处理| 9 1y 都已有初步尝试。在遥 测系统中，已有基于高速数字信号处理技术和现场可编程逻辑器件( f p g a ) 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 数字高动态解扩接收机方案1 1 0 。 目前国内在该应用领域尚处在初始研究阶段。由于d s p 技术是于二十世纪 九十年代后半期新兴的技术，因此国外在d s p 的该领域应用也处于研究阶段， 大多集中在使用d s p 作为g p s 组合导航中g p s 信号的采集和译码处理方面1 ， 将d s p 作为捷联航姿系统的处理器的研究未见有相应论文发表。 1 2 研究内容及主要工作 基于以上原因，我开始了对v c 3 3 d s p 处理器的研究，主要目标是设计一 款符合要求的捷联航姿系统。为了使课题研究有序而有效的推进，我制定了全 面计划。对于航姿系统来说，方案设计承担蓿整个系统结构和软硬件设计的重 要任务，是极其关键的一环，直接影响着航姿系统性能的高低。具体到方案设 计，主要包括以下几个部分：整体结构和原理框图，芯片确定及接口设计，硬 件电路设计和软件算法仿真。 传统航姿系统和其它大多数系统主要以通用处理器为中心展开，但随着集 成电路的发展、集成度和复杂度的提高，再要使用原来的方法，要想保证体积 小和其它要求必须要以大量物力投入为代价。这就要求有新的手段来完成，于 是d s p 出现并被广泛使用。特别在进入九十年代后期后，d s p 技术不仅仅是实 现实时数字处理系统的方法，而且成为各个领域的实现方法，为各个应用领域 提供了先进的设计与实现手段。 我的研究在广泛地收集和分析了大量资料的基础上，借鉴了其他许多成功 的以d s p 处理器实现的系统，经过了将近一年的努力，我独立地自行完成了一 个用d s p 完成的捷联航姿系统设计，并且通过了电路验证和算法仿真。 论文的主要工作有以下几点： l 、 系统整体构架设计。 2 、 编写航姿计算软件，并进行了数字仿真研究。在这里所使用的陀螺 仪为压电陀螺，其精度为5 0 一1 0 0 度小时，加速度计为微机械加速度计，其 精度为0 0 0 1 9 o 0 1 9 。根据加速度计和陀螺仪的输出，编写了航姿计算软 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 件。 3 、芯片选择及接口设计。 4 、硬件电路设计。 1 3 论文内容的安排 本论文是按照作者在d s p 微处理器的捷联惯性导航系统中的实现的研究 设计工作来安排的，论文的重点在后面两章即硬件和软件的具体设计上。 论文的第一章为绪论部分。第三章首先讨论捷联航姿系统的理论原理，着 重阐述了该领域的算法。第四章进行了数字信号处理器的概述，简要介绍了d s p 处理器的发展和体系结构上的特点，再就数字信号处理器的应用领域、d s p 芯 片的种类以及d s p 系统的构成和设计的一般过程，d s p 芯片的选择方法做出了 阐述，然后具体到本课题的研究对象t m s 3 2 0 v c 3 3d s p 上，对它的体系结构 进行了分析。一方面使读者对d s p 处理器有一个具体的概念，另一方面也为系 统的设计提供了依据。在接下来的两章中，把该捷联航姿系统的设计分三部分 作了详细的阐述，第五章详细描述了作者用浮点d s p ( t m s 3 2 0 v c 3 3 ) 为核心 处理器实现的捷联航姿系统硬件结构和功能特点。第六章着重阐述了主要算法 和计算机实现等。对该算法进行了仿真，这两章大致是按照系统总体结构组成 硬件设计软件算法，这样的结构来编排的。这样做的目的主要是为了 脉络清晰，以达到方便读者阅读的目的。 本论文工作的进度如下： ( 一) 三月一五月，查阅有关资料，确定系统总体方案及结构，选定所有 需要的芯片，开发工具及设备。 ( 二) 六月一七月，电路设计。 ( 三) 八月一九月，算法研究。 ( 四) 九月一十二月，程序编写及算法仿真调试，根据对算法的仿真评估 对系统方案设计作出适当调整和修改。 ( 五) 十二月二月，撰写论文。 西北工业大学硕士学位论文第二章坐标系和参数说明 第二章坐标系和参数说明 2 1 坐标系的说明 常用坐标系主要有以下几种： 地心惯性坐标系( f 系一y ，互轴) 原点在地球中心，它不参与地球 的自转，z 轴沿地球自转轴指向北极，x ，、y i 在赤道平面内，指向空间的两颗恒 星，x y , 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( p 系ty 。乙轴) 原点在地球中心，z e 轴和地球自转轴 重合，x 。轴在赤道平面内指向格林威治子午线，儿在赤道平面内，指向东经9 0 。 的方向，x 。y 玉构成右手坐标系。地球坐标系( e ) 和地球固连，地球坐标系相 对惯性坐标系以地球自转角速率6 0 i 。旋转。 地理坐标系( f 系e n u 轴) 原点在飞行器重心，e 轴指东，n 轴指北， u 轴沿地垂线指向天。这个坐标系也可以叫做东北天坐标系。地理坐标系相对 地球坐标系的方位关系就是飞行器的地理位置( 经度九和纬度( p ) 机体坐标系( 6 系k y 。z 。轴) 机体坐标系( 6 ) 和飞行器固连，坐 标原点在飞行器的重心，y b 沿飞行器的纵轴方向，札和飞行器的横轴一致指 向飞机右翼，缸沿飞行器竖轴向上，x t y b z b 构成右手坐标系。机体坐标系相对 地理坐标系的方位为飞行器的姿态和航向。 计算坐标系( c 系x c y c z c 轴) 惯导系统利用本身计算的载体位置来 描述导航坐标系时，坐标系因惯导系统有位置误差而有误差，这种坐标系称为 计算坐标系( c 系x c y c z c 轴) 。它是计算机认为的当地地理系，和真实的当 地地理系有小角度的位置误差。 导航坐标系( n 系x y 。z 。轴) 对平台式惯导系统来说，理想的平台坐 标系就是导航坐标系。例如，指北系统的平台理想指向为地理坐标系，在此， 地理坐标系也是指北系统的导航坐标系；对捷联式惯导系统来说，导航参数并 西北工业大学硕士学位论文第二章坐标系和参数说明 不在载体坐标系内求解，它必须将加速度计信号分解到某个求解导航参数较为 方便的坐标系( 地理坐标系) 内，再进行导航计算，此坐标系就是导航坐标系。 平台坐标系( p 系x p y p z p 轴) 平台坐标系的原点在载体的中心，它是 根据测量与计算需要用惯性系统模拟的一种基准坐标系，在平台惯导系统中， 指的是平台指向的坐标系，与平台固连，模拟的是地理坐标系。在捷联惯导系 统中，它指的是“数学平台”，通过存储在计算机中的姿态矩阵实现。平台坐标 系模拟导航坐标系。 2 2 参数说明 在本文中常用到的一些参数及变量如下： 1 地球半径r e 和e 将地球看作一个椭球体时： 地球长半轴r e = 6 3 7 8 13 7 k m e 为地球的椭圆度，e = 1 2 9 8 2 5 7 将地球看作一个球体时： 地球半径r e = 6 3 7 1 k m 2 ( d 和九 ( p 和九分别表示当地的纬度和经度。 3 ( 0 。和g ( o i 。为地球自转的角速度，0 ) i 。= 1 5 0 4 1 l ( 。) l l = 7 2 9 2 1 2 x 1 0 。5 r a d s g 为重力加速度，它由引力加速度和离心加速度合成。在地球表面附近， 重力加速度g 可以近似用下式计算得到： g ( h ) = g o ( 1 2 h r 。) 在仿真中取地球为球体模型，因此，g = g o = 9 8 m s 2 ，g o 为椭球赤道表面上 的重力加速度值，h 为高度。 4 r 和r n r e 为当地子午面内的主曲率半径，r n 为与子午面垂直的平面上的主曲率半 径，艮、r n 与纬度q 的关系为： 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章坐标系和参数说明 瓦1 。去( 化地s i n 2 妒) 土：( 1 一p s i n z 妒) r r 。、 “ 5 叭y 和e v 为飞机的航向角。飞机纵轴在水平面上的投影与地理子午线n 之间的夹 角即为飞机的航向角。航向角的数值是以地理北向为起点j 颐时针方向计算的。 y 为飞机的倾斜角。飞机纵向对称面( x 。y 。组成的平面) 与纵向铅垂平面( x b 和d 组成的平面) 之间的夹角即为倾斜角。倾斜角从铅垂平面算起，右倾为 正，左倾为负。e 为飞机的俯仰角。飞机纵轴和纵向水平轴之间的夹角即为俯 仰角，向上为正，向下为负。 6 v e 、v n 和v u 飞机速度在地理坐标系下的三个速度分量，本文中有时也用v 。、v ，、v ： 表示，其中v 。= v 。，v ，= v 。，v ：z v u 。 西北工业大学硕士学位论文第三章捷联航姿系统理论基础 第三章捷联航姿系统理论基础 3 1 航姿系统概述 航姿系统属于惯性系统的一种。惯性系统主要有惯导系统、航姿系统和惯 性航位推算系统三类。其中，惯导系统又有两类，即捷联惯导系统和平台惯导 系统。平台惯导系统虽然精度较高，但是，其结构复杂、成本高、体积大，可 靠性差。因此，低成本惯性g p s 组合导航系统一般都是选用捷联方案。航姿系 统也有两类，即框架陀螺航姿系统和捷联航姿系统，前者完全不能作惯性导航 用。捷联航姿系统结构简单。 航向姿态系统的功用： 指示飞机的航向度、倾斜角、和俯仰角； 指示无线电罗盘( 或近程导航、定向仪) 相对方位和相对方位角； 指示惯性导航真航向、偏流角、偏航距： 指示近程导航( 即塔康) 航道偏差和方位告警： 指示微波着陆系统航向偏差、下滑偏差及两者告警； 向机上飞行参数记录仪、近程导航系统、系统导航计算机等设备输出 航向、倾斜、俯仰等信号。 为了完成导航的任务，即正确的引导航行体沿着预定的航线在规定的时间 内到达目的地，需要随时知道航行体的瞬时地理位置、航行速度、航行体的姿 态航向等参数。这些参数通常称作导航参数，导航系统可以自动地提供需要的 各种导航参数。航姿系统就是一种导航系统，它只提供各种导航参数，而不直 接参与对航行体航行的控制，因此它是一个开环系统，在一定意义上也可以说 航姿系统是一个信息处理系统，即把导航仪表所钡4 量的航行信息处理成需要的 各种航姿参数。 惯性导航技术是一种自主式的导航方法。它完全依靠机载设备自主地完成 导航任务，和外界不发生任何光、电联系。因此，隐蔽性好，工作不受气象条 西北工业大学硕士学位论文第三章捷联航姿系统理论基础 件的限制。这一独特的优点，对作为军事目的而应用的各种飞行器特别重要。 惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础的，在载体内用加速度计测 量载体相对于陀螺坐标系的运动加速度，通过积分运算得到载体的速度和位置 信息1 2 2 1 。捷联式航姿系统与捷联式惯导系统( s t r a p - - d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o n s y s t e m ，s i n s ) 的基本原理是相同的，它们都是将加速度计和陀螺仪直接安装 在载体上，在计算机中实时计算姿态矩阵，即计算出载体坐标系与导航坐标系 之间的关系，从而可以把来自于载体固联的加速度计测量的飞行器沿机体坐标 系轴向的加速度信息转换为导航坐标系上的信息，然后从姿态矩阵的元素中提 取姿态和航向信息。 3 2 航姿系统与惯性导航系统 与捷联惯导系统相比较，捷联航姿系统精度较低，但是其成本低，体积功 耗小、抗冲击与振动的能力强，两者的主要差别在于选用陀螺及加速度计的类 型及精度等级不同，捷联惯导系统主要以激光陀螺和高端的挠性、光纤陀螺为 核心，不仅能输出精确的航向与姿态信息，而且也能输出比较精确的速度与位 置信息，而捷联航姿系统的陀螺则主要采用微机械陀螺、压电陀螺或低端的挠 性、光纤陀螺，由于惯性器件的精度较低，导航误差较大，一般只输出航向与 姿态信息，微机械惯性器件和压电惯性器件长足进步，为低成本捷联航姿系统 提供了一条很好的实现途径。 “捷联”原文为“s t r a p d o w n , 有“直接固联”的意思。捷联式航姿系统即 指将惯性器件( 陀螺和加速度计) 直接安装在载体上的系统。从结构上说，捷 联式与平台式的主要区别是，去掉了实体的惯性平台而代之以存贮在计算机里 的“数学平台”。 我国捷联航姿系统的研究工作主要是围绕挠性陀螺捷联航姿系统进行的， 以休拉原理为理论基础，只是精度较低而不提供位置与速度信息。 我国捷联航姿系统的发展，高端系统可以以挠性或光纤陀螺为主，低成本 系统则由微机械加速度计与压电陀螺构成，同时积极开展微机械惯性器件及其 9 西北工业大学硕士学位论文第三章捷联航姿系统理论基础 航姿系统的理论与应用研究工作。由压电陀螺与微机械加速度计构成的压电陀 螺捷联航姿系统与纯微机械捷联航姿系统有许多共同点，其研究成果与相关技 术对发展微机械捷联航姿系统有直接参考价值，应当给予重视。一旦国外开放 微机械陀螺市场，可以替换陀螺得到微机械捷联航姿系统。 捷联式具有许多优点，同时，惯性仪表直接安装在机体上也带来了新的问 题，就是使惯性仪表的工作环境恶化了。 3 3 捷联航姿系统的基本原理及模型简述 导航需要的参数有很多，如飞行器的瞬时地理位置、地速、飞行器的姿态 和航向、偏流角、已飞距离、待飞距离、航迹角等，在这些导航参数中，最基 本是飞行器的瞬时地理位置和飞行器的姿态航向信息。航姿系统主要得到姿态 航向信息，但本文中的捷联航姿系统也可得到地理位置信息。因为在计算姿态 航向信息的过程中已经得到了计算地理位置所需要的数据，只需增加一步简单 数学运算即可得到地理位置。 飞行器的瞬时地理位置，当用经纬度表示时，实际上就是地理坐标系( n ) 和地球坐标系( e ) 之间的方位关系。地理坐标系e n u 和地球坐标系x 。y 。z 。之 间的变换矩阵用c ：表示。由于飞行器的地理位置可以从c ! 的元素中计算得到， 也就是说c ：的元素c 。是飞行器地理位置的函数，所以，变换矩阵c ! 有时也叫 作位置矩阵。如果在飞机飞行过程中，随时能得到这个变换矩阵的各个元素， 那么可以根据c ：的元素值，通过计算得到飞机的位置。 妒= s i n l ( c 3 3 ) 五：噜( 宴) l 3 l 可见，确定飞机的地理位置，实质就是确定地理坐标系e n u 和地球坐标系 之间的方位关系。但实际系统的算法中是利用此对应关系用已计算出的经纬度 来计算位置矩阵的。如果导航坐标系采用地理坐标系时，则可以比较简单的采 用速度信息积分运算得到( p 和九。如果导航坐标系采用其他水平坐标系，如自由 西北工业大学硕士学位论文第三章捷联航姿系统理论基础 方位水平坐标系或游移方位水平坐标系，则导航计算机就要计算位置矩阵，再 根据位置矩阵的元素和飞行器地理位置的关系提取位置信息。 飞行器的姿态和航向实际上就是机体坐标系x b y 。z b 和地理坐标系e n u 之间 的方位关系。当飞行器绕垂线u 转动时，飞行器纵轴y 、在水面上的投影与地理 子午线n 之间的夹角叫作飞行器的航向角，用v 表示。航向角的数值是以地理 北向为起点顺时针方向计算的，定义域为o 一3 6 0 。当飞行器绕横向水平轴转动 时，则飞行器纵轴和纵向水平轴之间的夹角叫做飞行器的俯仰角0 。飞行器纵向 对称平面( y b z b 组成的平面) 与纵向铅垂平面( y b 和u 组成的平面) 之间的夹 角叫作飞行器的倾斜角t ，实际上就是飞行器绕纵轴y 。的转角。姿态角和航向角 就是机体坐标系x b y 。z b 和地理坐标系e n u 之间的方位关系。 捷联航姿系统由于没有机械平台，不能直接测出姿态角和航向角，故要 得到姿态角和航向角，必须在导航计算机中建立“数学平台”，即通过机体坐 标系相对地理坐标系的方向余弦阵( 又称姿态矩阵) 来计算机体的姿态角和航向 角。 表1 飞机的动态参数 角速度低 中 高 倾斜 ：k 1 0 0 q f s2 0 0 0 f s士5 0 0 0 ，s 俯仰 a ：4 0 0 s8 0 0 s4 - 1 2 0 0 s 偏航 ：1 ：4 0 0 s8 0 0 s1 2 0 0 s 角加速度 倾斜 士5 0 0 0 s 21 0 0 0 0 s 2士1 5 0 0 0 s 2 俯仰 偏航 线加速度 士5 91 0 9 15 9 由于飞行器姿态变化速率较快( 高性能歼击机的动态参数见表1 ) ，因此实 时地计算姿态矩阵是一个比较困难的课题，是捷联式航向姿态系统主要技术问 题之一一。 惯性器件输出的信号通常是模拟信号，而计算机只能处理数字信号，因此 需要将惯性器件的输出从模拟信号转换成计算机能接收的数字信号。通常有两 西：l t ；i 业大学硕士学位论文第三章捷联航姿系统理论基础 种转换方式，即电压频率转换方式和a ，d 转换方式。惯导系统和高端捷联航 姿系统一般采用电压频率转换方式( 图1 ) ，将惯性器件输出的电压信号转换成 脉冲信号；具体的说，就是陀螺输出的模拟角速率信号被转换成脉冲形式的角 度增量信号：加速度计输出的模拟加速度( 比力) 信号被转换成脉冲形式的速 度增量信号。然后由可逆计数器接收。由于各个通道各需要一套高精度的模拟 一数字转换和计数器装置，完整的系统转换阵列至少各需要6 套转换装置和计 数装置，因此，电压频率转换的成本相对较高。该转换方式的最大好处在于量 化器是抗量化的，量化误差不会随时间积累。 导 卜一卜可逆航 电压频率珊 计数器 计 转换阵列 矿 阵列算 l 加捧度l + 机 i计 图l 高精度捷联系统组成结构 而在a d 转换方式，陀螺和加速度计的输出可以分时共用一套模拟一数字 转换装置，而且不需要可逆计数器阵列。如果两种模拟一数字转换方式的成本 大致相同，图2 结构的模拟一数字转换的成本显然不到图l 结构的1 6 。该 转换方式的不足之处在于角速度与加速度计的量化误差会分别导致姿态角与速 度的误差随时间积累。 陀螺卜一 导 i j 航 a i d 转换 计 算 i i 机 加速度计卜。 图2 低成本捷联系统硬件组成 西北工业大学硕士学位论文第三章捷联航姿系统理论基础 i 加速 j 度表r i 陀螺l 飞行器 3 4 低成本捷联航姿系统的算法结构 。： - i 姿态矩阵l a 暑【 导航 i 位置 一l 控。 l 一一阜j 戢7 e i 磷。一耍墓赢 线 j 7 l ! 尘 主 姿态角t - 1 计算1 数学平台 图3 捷联式航姿系统原理示意图 如图，加速度计和陀螺直接安装在飞行器上，用陀螺测量的角速度信息： 减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度：，则得到机体坐标系相对导航 坐标系的角速度：。，利用这个信息进行姿态矩阵的计算。有了姿态矩阵，就 可以把机体坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系轴向，然后进行导航计 算，同时利用姿态矩阵的元素，提取姿态和航向信息。 姿态矩阵的计算。在捷联式惯导中，飞行器地理位置就是地理坐标系相对 地球坐标系的方位。而飞行器的姿态和航向则是机体坐标系相对地理坐标系的 方位关系。姿态矩阵和位置矩阵，主要用到这样几种算法：欧拉角法、方向余 弦法、四元数法和等效转动矢量法。这四种方法，都可以用来确定一个动坐标 系相对参考坐标系的方位关系。在捷联式惯导系统中，既可以用来计算姿态矩 阵，也可以用来计算位置矩阵，在实际的捷联式惯导系统中，由于姿态矩阵的 实时计算的速度要快，所以，比较多的是采用四元数法。而位置矩阵的实时计 算速度可以较慢，一般采用方向余弦法。 航姿系统对导航计算机的主要要求是计算精度和计算速度。保证精度的主 西北工业大学硕士学位论文第三章捷联航姿系统理论基础 要方法是采用足够的数据字长，通常采用3 2 到6 4 位。如果导航系统中采用最 优滤波器，则需要6 4 位字长，在惯性导航中计算的变量动态范围很大，所以 通常采用浮点运算。导航计算机的指令系统除了通常的加、减、乘、除等算术 运算之外，还需要有正弦、余弦、反正切、求平方根等计算。 西北工业大学硕士学位论文第四章d s p 处理器体系结构及外围器件综述 第四章d s p 处理器体系结构及外围器件综述 4 1 数字信号处理器概述 d s p 是数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 或数字信号处理器( d 强t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的英文缩写，这里指数字信号处理器。它是伴随着微电子学、 数字信号处理技术和计算技术的发展而产生的专用于信号处理的新型微处理 器。以它为基础的实时数字信号处理技术正在迅速发展，现在已经广泛应用于 图像处理、语声处理、智能化仪表、生物医学工程、通信、雷达和自动控制等 领域。 在2 0 世纪8 0 年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得 不到广泛的应用。直到世界上第一片单片可编程d s p 芯片诞生，才将理论研 究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发 展。可以毫不夸张的说，d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 年来通信、计算机、 控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。 4 1 1 数字信号处理器的发展 自1 9 8 5 年t m s 3 2 0 c 1 0 问世以来，d s p 发展大致经历了三个阶段，也形成 了目前d s p 产品的三个档次：第一阶段是以t m s 3 2 0 c 1 0 c 2 x 为代表的1 6 b i t 定 点d s p 。后来又有了新的型号，如：a d s p 2 1 x x t m s 3 2 0 c 2 5 c 5 x c 2 x x c 5 4 x 等 型号：第二阶段推出3 2 b i t 浮点d s p ，代表型号：a d s p 2 1 0 2 0 一t m s 3 2 0 c 3 x 。最 近几年则推出了并行d s p 和超高性能d s p 。如a d s p 2 1 0 6 x a d s p 2 1 1 6 0 一 t m s 3 2 0 c 4 x t m s 3 2 0 c 6 7 x 。 早期的d s p 处理器具有的一些共同的特征是： 拥有1 6 位或者2 4 位定点算术单元，3 2 位浮点算术单元。 1 6 位、2 4 位或者3 2 位指令长度。 每个机器周期执行一条指令。 西北工业大学硕士学位论文第四章d s p 处理器体系结构及外围器件综述 指令集由很复杂，很多操作复合的指令组成。 专门的地址形成单元，以及特定的寻址方式。 具有同时支持多个访问的片上存储器结构。 为循环和其他的执行控制设置了专用的硬件单元。 特定的片上外设和i o 接口。 低功耗、低成本、低存储器占用率。 经过多年的发展，现在的d s p 发展主要特点是： 更高的运行速度和信号处理速度 多d s p 协同工作 更方便的开发环境 大量专用d s p 的出现( d s p 核) 更低的价格，或更高的性能价格比 更广泛的应用( 每年以3 0 增长) 更低的功耗( 5 5 x0 0 5 m w m i p s ) 尽管v l s i ( 超大规模集成电路) 技术已经产生峰运算为每秒1 0 亿次的 d s p ，但是对于人们要求的每秒几百亿到上千亿次运算来说仍然远远不够。而 且v l s i 技术发展受到其开关速度极限的限制，进一步提高d s p 主频所遇到 的难度和付出的成本越来越大，单处理器性能的提高空间受到限制，为此在d s p 研制中引入并行处理技术。其实在很多d s p 中已经引入了片内并行技术， t m s 3 2 0 c 6 x 进一步发展了超长指令字( v l i w ) 和流水线技术。 不同的d s p 的应用场合也不同。早期的d s p 都是定点的，它的成本较低， 可以胜任大部分数字信号处理，但是在某些场合，数据的动态范围很大，按定 点处理会发生数据溢出或者下溢出，严重时候处理无法进行。浮点d s p 的出 现解决了这个问题，它拓展了数据的动态范围，3 2 b i t 浮点数的动态范围为1 5 3 d b ， 此外浮点d s p 具备更大的访问空间，高级语言的编译器也主要面向浮点d s p ， 如a d s p 2 1 0 6 x 的c 编译器，直接把c 程序编译好以后放到d s p 上去运行， 简化了编写程序的过程。 西托工业大学硕士学位论文第四章d s p 处理器体系结构及外围器件综述 4 。1 2 数字信号处理器的特点 除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对数字信号处 理，d s p 处理器在体系结构，指令系统，指令流程上都有与之相应的设计，一 般都有专门设计的指令集。 主要特点如下： 哈佛结构( b a y a r ds t r u c t u r e ) l 一指鑫 、程序部分 数据部 i1 ( 通常为外邮存储器) l r 磊令寄存器i j 程序存li 数据存l i l 发生器l 彘刊 储器ll 储器i l r r _ j。1 - 1 一 j 。一 + 0 i 0 l i 程序存储 00数据存储 0 程序存储 00 ， r 数据存储 啐j 窜审 ( a ) 采用哈佛结构的d s p 处理器 地址总线 数据总线 ( b ) 指令流的定时关系 图4 哈佛结构 计算机的总线结构可分为两种。一种是冯诺依曼结构。其特点是程序和 数据共用一个存储空间。统一编址依靠指令计数器提供的地址来区分是指令数 据还是地址。由于对数据和程序进行分时读写，执行速度慢，数据吞吐量低。 但是，半导体工艺的飞速发展克服了这一缺陷。同时，由于这一结构使计算机 结构得到简化，它成为了计算机发展的一个标准。但由于它原理上的特点，这 一结构并不适合于进行具有高度实时要求的数字信号处理。另外一种结构为哈 西北工业大学硕士学位论文 第四章d s p 处理器体系结构及外围器件综述 佛结构( 见图4 ) ，与冯诺依曼结构相比，其主要特点是程序和数据具有独 立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线。显然这使计算机的结构 变得复杂。但是由于可以同时对数据和程序进行寻址，它大大地提高了数据处 理能力，非常适合于实时的数字信号处理。t i 公司的d s p 芯片的结构是基本 哈佛结构的改进类型。改进之处在于数据总线和程序总线之间存在局部的交叉 连接( 见图5 ) 。这一改进使得：允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算 指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使处理 能力达到最高，以实现全速运行。另一点是，指令可以存储在高速缓存器中 ( c a c h e ) ，省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。如 t m s 3 2 0 c 3 x 具有6 4 个字的c a c h e 。这样就比冯诺依曼结构有更高的指令执行 速度。 程序总线 数据总线 图5 改进的哈佛结构 流水线操作( p i p e l i n e ) 在改进的哈佛结构的基础上，d s p 芯片广泛地采用了流水线操作，即每 条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等多个步骤， 西北工业大学硕士学位论文第四章d s p 处理器体系结构及外围器件综述 从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令执行的时间，从而进一步增强 处理器的数据处理能力。流水线的深度为二级以上，不同的产品深度也各不相 同。第一代产品用了两级流水线，在t m s3 2 0c 6 0 0 0 中深度达到了8 级。这就 意味着器件可以同时运行8 条指令。不仅如此，可以并行运行的指令的条件在 不断降低，指令的范围也在不断地扩大。这也提高了d s p 的运算能力。四级流 水线操作的例子如表2 所示。 指令周期fdre m 3w m 2xw m 1yxw zy xw m + 1zyx m 十2zy m + 3z f 一取指令；畦谭码；r 一读指令：e 一执行 表2 四级流水线操作 采用硬件乘法器 在一般的计算机上，算术逻辑单元( a l u ) 只能完成两个操作数的加、减及 逻辑运算。而乘法( 或除法) 则由加法和移位来实现。因此，在这样的计算机的 汇编语言中虽然有乘法指令，但在机器内部，实际上还是由加法和移位来实现 的。因此它们实现乘法运算就比较慢，但在数字信号处理运算中，一般的算法 中都有大量的乘法运算存在。乘法运算的速度是数字信号处理实现中的一个瓶 颈问题，而各种算法的改进也将降低算法中的乘法运算次数作为一项最主要的 目标；在算法上减少乘法运算次数的同时，与一般的计算机不同，数字信号处 理器都有硬件乘法器，使得乘法运算可以在一个指令周期内完成。在t m s 3 2 0 c 3 x 系列d s p 芯片中，有一个硬件乘法器：在t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中则有两个硬件乘 法器。针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 相应 地在一个时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算，大大加快了运算速度。 特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设计的指令 1 9 西北工业大学硕士学位论文第四章d s p 处理器体系结构及外围器件综述 系统，这样使得它具有多种寻址方式。循环寻址( c i r c u l a ra d d r e s s i n g ) ，位 倒序( b i t r e v e r s e d ) 等特殊指令，使f f t 、卷积等运算中的寻址、排序及计 算速度大大提高。1 0 2 4 点f f t 的时间已小于l m s 。 快速的指令周期 c m o s 技术、先进的工艺及集成电路的优化设计、工作电压的下降( 5 v 3 3 v 1 2 v ) ，使得d s p 芯片的主频不断提高。目前t i 的c 6 0 0 0 系列、c 5 0 0 0 系列的最高工作主频已经到达2 0 0 m h z ，也即t m s3 2 0 c 6 0 0 0 系列及t m s3 2 0 c 5 0 0 0 系列芯片的指令周期已经降到了5n s 。可以预见，随着微电子技术的发展， 工作频率还将继续提高，指令周期将进一步缩短。 良好的多机并行运行特性 随着d s p 芯片的逐年广泛使用和价格的不断降低，多个d s p 芯片的并行处 理已经成为了近年来的一个研究热点，并逐渐在应用中崭露头角。这类似于高 性能的m p u 巨型机。现在的d s p 中大多都提供了串v i 和并口，使多个处理器可 以很方便的并行或串行工作。 独立的d m a 总线和控制器 有一至多组独立的d m a 总线和d m a 通道控制器，可以与c p u 的程序、数据 总线弗行工作。在不影响c p u 工作的条件下，d m a 速度已达8 0 0 m b y t e s 以上。 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄 存器用于寻址，他们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，指向下一个要 访问的地址。具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 片内具有快速r a m