（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的组合导航系统研究.pdf

目录硕士论文 abs tract the i ni e gr ated nav ig atio n s y s 让 mb asbec n amo n g th e m ain tr e n dsofthe nav i g at i 0 n sy s te md eve lo p m e ntb ec ause o f itsm uc hb e tt e r p e rfon 力 ancec o m p ar e d幼ththe s in g l e nav ig at i o n sy stem ， t h e a c hi e v e m entsonth e th e o ryinth e m o d em con tl o i fi el d ， e s p e ci al ly the d al 比p r o ce ss 吨 r n a n n e r s o f 。 杯 画z m g e sl j m at i o n th e o ry】l a v e p r o v l d edth e b as isfo r th e re a l i z a t i o n o f th e i n t e gr at e d n avi g atio n s y s t em. thisp a per pres e n tsre se aj 戈 h ofthe stra 卜 d o 认 叮加 e 币 alnav i g a d onsy s t e m ， th e gl o b al p o s i ti o ns y st e mandth e m a g n e 1 o r e sisi tives e 幻 o r s / ac c e l erom et e r attito de d c l e n 刀 访 成 j o n sys t e ms e p ar a t e 1 y，and th e n di sc us se s th e inte gr a t e d navi g 浦on sy 雍m . t h e n itdi sc usse s 加止h 盯 d w 肚 e and so ft w ar e desi g n s o f th e inte gr a t e d navl g 胡on sy st em， it目 som a k e s a p axti cul ardes c 6 p t i on o nthe 如p 比 m e n ta t i o no f the in l e gr a t e dnavi g a t l o ns y st e m . t 五 e b 盯 d w 田 限d e s i gncon 面璐山 e d a tas 引 刀 p l in g sys t e mb as e d o n mc uand the d a tap r o c es s in g 盯引 e 功b as edo n d s p，and the s o n w ar e des i gn uses th e ka1 m anfi l te r to加p l eme ntthe in fo rmatio n fhai ons o f th e in te g at e d n a v i g at i o n 斗 s t em. hiad d i t i o 几s o m e experi m e nts are exe c u t e d inthe p a p er，翻 re sultsin di c a t e t h a t t h e performanceofth 。 加 忱 乎 歌 e d navl sati on sys t e mismu chb e tt e r th anth e s 加 gl e n a v i gat i on syst em k ey w o r d s : s t r a p 一 d o wn in e rt i aln avi g at i on sys t e m ， g l o b a i p o s i ti o ns y s t e m ， i ni e 多a t e d n avi g atio n 盯s t e m ， 如1 刀 q a n fl l t 鱿d s p n 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 己 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 :奋 陪抑7 年 7 月 加 日 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 : 立五一种哟年 7 月 帕 南京理工大学硕士学位论文 基于dsp的组合导航系统研究 1 绪论 1 . 1 引言 1 . 1 . 1 导航技术的发展过程 导航技术的 发展是一 个漫长的历 史过程。 早期导航主要靠目 视导航， 如观星 导航， 到简单的仪表导航， 如指南针，到20 世纪，随 着人类空间 技术的迅 猛发展，导 航才 开始向多 样化， 高精度化，自 动化方向发展，30年代有了 无线电 导航， 40 年代出 现 了 超短 波的 伏尔导航， 50 年 代惯性导航开始用于飞机导航， 60 年 代研制了 远程无线 电 罗 兰c 导 航 系 统 11 ， 作 用 距 离 达2 o 00公 里， 同 时 还 研 制出 塔 康导 航系 统， 及 超 远 程的 奥米加导航， 作用距离己 达1 0 o 00公里， 1 9 63年出 现卫 星导 航12 ， 现己 发展成了 高 精度的 全球卫星导航系统。 与 此同时， 人们开始把多种导航 技术组合起来，以 此充 分利用各种导航技术的优点。 1 . 1 . 2 惯性导航系统 惯性导航技术是一 种工 作时不依赖外界信息， 也不向 外辐射能量的自 主式导 航技 术， 它通过惯性敏感器 件测量出 载体的加速度及角速度， 根据牛顿定 律，推算出 载体的 速度、 位置 和姿态角3j . 它 完全是依靠载体自 身设备独立自 主 地进行导航， 与外界不 发生任何光、声、 磁、电 的联系， 既不依 赖外界 任何信息， 也 不向 外界辐射能量， 能 够独立完成导航任务， 在军事 上得到了 一种绝对保密且不受千 扰的导 航系统。 由 于它 的 完全自 主性，己 广泛用 于航天， 航空， 航海和许多民 用领域， 成为目 前各种航 行体 上应用的一种主要导航设备， 能 够提供姿态及多 种导航 信息. 按 惯性测量装置 在载体 上的安 装方式， 惯性导 航系统( 创5 ， 功 e n i aln a v i g ations y st e m)可 分为平台 式惯性导 航 系统和捷联式惯性导航系统。 平台 式惯导系统是将惯性测 量装置安装在惯性平台的台 体上， 根据建立坐标系的 不同， 又分为空间 稳定和当 地水平 惯性导 航系统 两种一， 空间 稳定平台惯 性导航系统的 惯性 平台 相对惯性空间稳定， 用以 建立惯性坐标系。 地 球自 转、 重力 加速度等影响由 计算 机加以 补偿。 这种系统多用 于运载火箭的 主动段和一些航 天器上， 当 地水平 平台 式惯性导航系统的 特点是台体上的两个加速度计输 入轴所构成的 基准平面能 够始终 跟踪 载体所在点的 水平面， 因 此加速度计不受重力加速 度的 影响。 这种系统多用 于沿 地球 表面运动的飞 行器， 如飞 机、 巡航导弹等. 在平台 式惯性导 航系统中， 惯性平台 1 绪论硕士论文 能隔离载体的 角振动。 惯性测量仪表工作条件较好。 平台能直 接建立导 航坐标系， 计 算量小， 容易 补 偿和修正测量仪表的输出 ，但是结 构复杂， 尺寸大。 随 着计 算机的 迅猛发展， 出 现了 捷联式惯性导 航系统。 陀螺仪和加速度计直接安 装在载体上， 省 掉了 机电 式的 稳定 平台; 它将陀 螺敏感的 载体运动角速度， 送给导航 计算机， 通过 积分得到 载体坐标系到导航坐标系的 坐标转换 矩阵， 而后通过转换矩阵 将加速度计测量 所得的比力 进行变换， 即把沿载体坐标系各轴上测得的加速 度分量 转 换到导航坐标 系中 ， 从而在导航 坐标系内可进 行位置与速度的 计算; 根据转换 矩阵 和 姿态方位的唯 一关系， 可计算出 载体的姿态和方 位角。 由于 没有了 惯性 平台 实体， 捷 联惯导系统的 体积、重 量和成本都比 平台式惯导 系统大为降 低， 而可靠性大为 提高， 且提供了更多的导航、制导信息，维护和使用上也带来很多方便。 1 . 1 . 3gps 导 航系统 全球定位系 统g p s ( gl obalpos iti ons yste m ) 是一种基于卫星的无线电导 航系统， 是继惯性导航后导 航技术的又 一重大进展， 是美国 继阿 波罗登月飞船 和航 天飞机之后 的 “ 第三大航天工 程” 。 全球定 位系 统可以向数目 不限的 全球用户连续地提供高精度 的全天候三维坐 标、 三维 速度以 及时间 信息， 因而 广泛地应用于飞 机、 船舶和各种载 运工具的 导航、 高精度的 大地测量、 精密工程测 量、 地壳 形变监测、 地球物理测量、 海空救援、 水文测量、 近海资 源勘探、 航天发 射及卫星回 收等技术领域。 g p s 系统由 三大部分组 成， 分别是空间 星座部分、 地面监 控部分、 用户设备部分川 。 全球定位系统的空间卫星星座由 21 颗工作卫星和 3 颗随时可以启用的备用卫星 所组成。地面观测者见到地平面上的卫星颗数随时间和地点的不同而异，最少为 4 颗，最多可 达 11颗。 全球定 位系统的地面监测部分 包括一个主控站、 三个注入站 和 五 个监测 站。 为了 确保g ps系 统的良 好运行， 地面 监控系 统发挥了 极其重要的作用。 其主要任 务是: 监视卫星的 运行: 确定g ps时间 系统: 跟踪并预报卫星星历和卫 星钟 状态;向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。 全球定位系统用户设备部分主要 包括: g ps接收 机及其天 线， 微处理器及其终端设 备以 及电 源等。 而其中的 接收机和 天线，是用户设备的核心部分，一般习惯上统称为 g ps 接收机。 1 . 1 . 4组合导航系统 组合导航系 统是把两 种以 上的导 航技术组合在一 起， 充分利用各种导航技术的 特 点， 从 而 扩 大 导 航的 范围 和 提高 导 航 的 精 度 。 目 前 有 如下 几 种 组 合 导 航 系 统 11 : 惯 性 一多普勒导航 系统、 惯性一测向 测距导航系统、 惯性一奥米加导 航系统、 惯性一天文 导航系统、 惯性 一卫星导航系 统。 2 南京理工大学硕士学位论文 基于璐p 的组合导航系统研究 惯性导航是自 主导航， 有不需要外部信息、 不向外发射信息、 机动性好、 环境适 应力强、 短时精度高等优点。 g ps导航技术有定位和测速精度高、 基本不受地域和时 间限制、 长时间工作稳定性好、 使用方便、 成本低廉等优点。 惯性导航系统的误差随 时间而累 积， 导航精度随时间而发散， 不能 单独长时间 工作。 gps 导航系统也有其致 命的弱点， 当运载体作高速机动运动时， 接收机的码环和载波环容易失锁， 而丢失信 号， 从而丧失导航能力。 而且在许多特殊环境下( 如城市环境、 林荫道、 隧道等区域) ， 常常存在多路径效应干扰和g ps卫星信号被遮挡或失锁的问 题， 有时可见星会少于4 颗星，o ps接收机无法定位或者定位精度差，无法用于导航。 由此可见，为了满足高精度、高可靠性、 全球、 全天候、 环境适应力强等的导航 要求， 较好的途径就是将多种导航系统组合起来， 形成组合导航系统， 达到取长补短 的目的。 现代控制理论的发展与成就， 如最优估计理论的数据处理方法， 为组合导航 系统提供了很好的理论基础。 目前， 组合导航系统已 经成为导航系统发展的主要方向， 受到人们越来越多的关注，这也是本文研究的主要内容。 现在对于组合导航的研究很多， 大部分是将捷联惯导系统和卫星导航系统结合起 来，达到优化系统性能的目的。很多国外的研究机构都致力于组合导航技术的研究， 如德国的布朗施维格科技大学的航天系统研究所， 把基于固态传感器的惯性测量组件 “mu) 和g p s 通过卡尔曼滤波紧祸合的组合导航系统增强了微型航空飞行器系统的 可靠性。 国外的许多厂商也推出了 相应的产品， 如美国的克尔斯博 (crossbo的科技 公司推出的nav 4 20导航产品， 它结合了 航姿基准系统( ahr s)和全球定位系统， 体现 了m e ms 基础上的新型的测量和控制技术。 在很多武器上也使用了 基于固态传感器的 组合导航技术，比 如美国f 一 1 17隐身攻击机在伊拉克的“ 斩首行动”中， 首次使用了 增强型g b u 一 27制导炸弹，即在g b u 一 27激光制导炸弹基础上， 加装全球定位/ 捷联惯 导 (gp s / s i n s) 制导装置， 成为具有全天候、 多目 标攻击能力和很高命中精度的第4 代先进制导炸弹。 国内很多的大学、 研究院所以 及公司都对组合导航技术进行了 深入 研究， 取得了 很突出的 成就。 比如， 南京航空航天大学导航研究中心就一直致力于对 导航系统的研究， 取得了很丰硕的成果， 他们开发了 各种导航系统。 其中的惯性/ g n s s 组合导航系统采用标准的航空电源接口，用金属外壳来屏蔽各种干扰，内部集成有 gps/glo n a ss双星定 位接收机和d m u 一 h 6x惯性模块 (6 自由 度捷联惯性组件): 所开 发的惯性/gps组合导航系统， 具有工业计算机pc一 1 04嵌套的组合模块结构， 内 置惯 性1 枷组件以 及导 航计算机， 适合于无人机等小型飞 行器使用; 所研制的 低成本惯性 / g ps组合导航系统集成了g ps定位接收机和低成本惯性组件， 外嵌有磁航向 传感器， 适合各种军用、 民 用环境。 还有其他相关的导航产品， 这些产品都具有比 较高的导航 性能， 其中惯性/gn ss 组合导航系统的水平角姿态精度达到 0 . 15。 、航向角精度为 0 . 40“ 、 位置精度为 3 0m。东南大学仪器科学与工程系研制的 微型导 航计算机， 采用 1 绪论 硕士论文 了m 工 mu( 微惯性测量单元) /gps组合导航技术， 其中的m l 珊由3 个微加速度计和微压 电陀螺仪构成， 系统中 使用了d sp和a 明两个高性能的c pu， 为了 提高系统性能， 系 统的软硬件采用了 三模冗余技术， 使得系统运行3 05后的姿态角误差小于0 . 1 “ ， 3 0 05 后姿态角误差在2 . 0 。 内， 位置 误差不超过4 . 7 m 。其他的 一些如北京航空 航天大学等 学府也有很多 相关的 研究， 取得了 很多成绩。 北京七维航测公司推出了yh9 0 0 0 gi、 yh96o o gi 组合导航产品，重庆天箭公司也推出了dh捷联惯导/ 卫星组合导航系统， 还有其他一些机构和公司也研制了 相应的产品。 近年来， 国内 外出 现了一些对无陀螺 惯导系统的研究， 比 如用九个加速度计构建的惯导 测量单元等， 这使得系统的性能主 要取决于加速度计的性能， 虽然通过与g ps等卫星导航方式的结合以及采用高精度的 算法可以提高系统的性能， 但还不是很成熟， 存在很多限制因素， 有许多问题还有待 解决，与传统的设计相比 还有一定的 差距图。 我国在导航领域起步较晚， 捷联惯导系统以及捷联惯导与全球定位系统的组合导 航方面仍处于研制阶段，有许多理论问题、技术问题有待解决。 1 . 2关于本文 1 . 2 . 1 选题的依据和背景 导航技术是涉及自 动控制、 机械工程、 计算机、 微电 子、 通信、 光学、 数学、 力 学等多学科的高信息技术， 是实现航空航天运载体飞 行任务的关键技术; 也是巡航导 弹、 弹道导弹、 制导弹药等精确制导武器的 核心技术， 在海、 陆、 空、 天等高技术武 器和军事平台 得到广泛的应用。 随 着军事战略思想的不断发展， 武器系统对导航技术 也提出了更高的技术要求。 角速率陀螺、加速度计、gps 接收机、磁阻传感器等器件具有体积小、重量轻、 成本低等特点， 进行应用固态传感器结合g ps的组合导航技术研究， 研制在海上军事 平台， 制导武器及无人机等飞行载体上有潜在应用前景的低成本导航仪， 对推动应用 高新技术、研制新型简易制导弹药和改造常规弹药有着积极和重要的意义。 本文基于以 上背景， 设计基于固态传感器的 捷联惯导系统和g ps相结合的组合导 航系统，探索工程实施中有关的技术性问 题。 1 . 2 . 2 本文研究内容 前人的 工作主要 包括: 固 态传感器特性研究及数据的 采集， 组合导航算法的开发 及仿真， 嵌入式系统的 前期开发等。 前人的 研究工作给本人的 工作起了 很好的指导作 用，正是结合学长的 研究成果和本人工作， 才得以 使本文顺利完成。 4 南京理工大学硕士学位论文荃于d s p的组合导航系统研究 本文的 研究内 容主要 包括三个部 分: ( 1) 组合导 航系统的 硬件开发和功能扩展。 ( 2 ) 系统软件的 完善， 组合导航算法的实现。 (3) 对系统进行测试、 对实验结果进行分析。 本文的内容结构安排如下: 第一章 绪论，简 要介绍了 各导航技术及组合导航技术的 原理和发展状况。 第二章 介绍了各导 航系 统及组合导 航系统的 基本原理和工作方式，提出了 组合 系统的构建方式。 第三章 针对组合导 航系 统中的 信息融 合技术和方式 进行了理论性研究和探讨， 介绍了 导航系统的 组合方式、 组合导航的建模等。 第四 章 主 要介绍了组合导 航系 统具体的工 程实现， 包括硬件和软件的 两个方面 的设计。 第五章 对系统的 仿真结果、 实验测试结果分析、比 较。 最后对全文进行了总结， 分析了前景和不足， 并对以后的研究方向提出了一些建 议 。 2 组合导 航系统的原理与设计方案硕士论文 2 组合导航系统的原理与设计方案 2 . i gps 全球定 位系统 gps 全球定位系统是70年代中期美国国防部开始发展的第二代卫星导航系统。 o p s 可以 提供全球三维位置、 速度和时间等信息， 是三军通用的导航定位设备。 采 用p 码的精密定位服务 ( p p s ) ，定位精度为16m( s e p ) ;而采用c ia码的标准定 位服务(sp s)， 在引入人为的选择可用性误差后， 水平定位精度为10 0m ( z d 又 m s )， 垂直定位精度为157 m(2a) 。 g p s 全球定位系统由以下三部分组成: 空间部分 ( 导 航卫星) 、地面站和用户设备。 目 前gps有24 颗星在工作，而布置的星座是 ( 18+3) 星座，其中三颗备用 星， 18颗星布置在6 条近圆轨道上， 轨道高 度为2 0183m ， 倾角为55“， 交升点赤 经互隔6 少 ，每条轨道上均匀分布三颗卫星，运行周期 nh58 d i 功。两条轨道上的 卫星相隔 4 00 ，每隔一条轨道配置一颗备用星。不过，( 18+ 3) 星座存在覆盖不 良 的情况， 特别是在中纬度地区， 存在性能恶化区;而且对卫星的故障非常敏感， 一旦有一颗卫星不能正常工作，就会突然出 现gps 性能恶化;另外gps 接收机的 工作受空中 载体机动的影响，当空中载体的机动超过 g p s接收机的动态范围时， 接收机会失 锁或者动态误差太大超过允许值， 使得接收机不能正常工作。 因 此， g p s 接收机不能作为唯一的导航设备使用，而只能作为辅助导航工具. 2 . 1 . igps 定位原理 gps 是利用几何与物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星以 及卫星与地面 观测点之间的 距离来确定位置的。 假如卫星的位置是已知的， 通过一定的方法又得 到了观测点a 到卫星的距离5 ，那么a 点一定位于以卫星为圆心，以5 为半径的圆 球上。 如果我们能够同时测得观测点a 至其他两颗卫星的距离， 那么观测点a 一定 位于三个圆 球相交的两个点上. 进而根据地理知识， 就能很容易的确定其中一个点 是观测点a 的 实际 位置。 从测量的角度， 相 似于测距后方交会. g ps卫星是分布在 20000 多公里高空的 运动体，需要在同一时间测得三个距离才可以定位，要实现同 步必须具有统一的时间 基准， 从解析几何的 角度看， g ps定位包括确定一个点的三 维坐标和实现同 步四 个未知参数， 因 此必须通过测定到至少四 颗卫星的 距离 才能定 位。 g ps的 距离测量主要有两种方式: 一种是测量g ps卫星发射的 测距码信号到达 南京理工大学硕士学位论文墓于dsp 的组合导航系统研究 用户接收机的时间， 即 伪距测量; 另一种是测量具有多普勒频移的g ps卫星载波信 号与接收机产生的 参考载波信号之间的相位差， 即载波相位测量。 通过对四颗或四 颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量就可以 推算出接收机的位置。 g ps采用伪距观测量定 位速度最快， 而采用载波相位观测量定位精度最高。 对 于地面接收机而言， 根据其运动状态可将g ps定位分为静态定位和动态定位。 静态 定位是指将接收 机放在固定不动的待定点上观测数分钟或者更长的时间， 以 确定观 测点的三维坐标， 又称为绝对定位。 若将两台 或更多台接收机置于不同的点上， 通 过一段时间的观测确定观测点间的相对位置关系， 称为相对定位。 动态定位是指至 少有一台接收机处于运动状态， 确定各观测时刻运动中的接收机的绝对位置或相对 位置关系。 2 . 1 . zgps 测速原理 gps 除了能为用户提供三维位置坐标及精密时间 外， 还可提供三维的速度分量。 其测速的基本原理是基于电磁波的多普勒效应， 通过测量电波载频的多普勒频移而 获得伪距变化率。 多普勒效应是指发射源和接收器之间有相对的径向 运动时， 虽然发射源所发射 的信号频率固定不变， 但接收器所接收到的信号频率却相对于发射源的频率发生了 变化，变化量的 大小与二者之间的相对运动速度有关。 由 于gps 导 航卫星绕地球运行， 接收机与gps 卫星间存在相对运动，因而使 接收 机接收 的gps 卫 星 信号中 存 在多 普 勒 频 移。 假 设 卫 星发 射信号的 频率人 ， 接 收 机接收到的 卫 星信号 频 率为f.， 则犷= f.一 f.即 为 多 普勒 频移， 现用儿表示， 即 几= 丫= 人一 再。 根据多普勒效应可得: f， jj=j，一j，=几 ，r 是 卫星相 对接收 机的距离 变 化率， 即 卫 星的 径向 速度，c 为 光速. ， 若能 测定多 普勒 频移人， 即 可获得卫 星 与 接收 机间 距离 变化率的 观测值: ， 一 贪 “ = “ 狈 0 定多普勒频移的基本方法是利用接收机的基准频率与卫星信号频率的频差 2 组合导航系统的原理与设 计方案硕士论文 来 测 定 。 假 设接 收机的 本 机振 荡频 率为儿，卫 星发射信 号的载波 频率为儿， 接收 机 接收 到的 卫 星信号 频 率为 儿，则 有: f.= 儿一 几 将接收机本机振荡的信号与 接收到的卫星信号 进行混频， 可得频差为: 兀= fo一 f.= fo一 天+ 儿 故 有: 儿= 儿一 fo十 几 因fo 与五为 己 知量， 故 测定 本 机基准频 率fo与 接收信号 频率f. 之差儿即可 获 得 载 波 多 普勒 频移儿，进 而 求得 距离变 化率观 测值r 。 考虑到接 收机时 钟钟差的 影响， 实际测得的是 伪距 变化率p ，因 此有: p= r 十 曲; 根据距离变化率与 接收机运 动速度分量的函数 关系， 从而可以 求出接收机的运 动速度. 2 . 1 . 3gps 接收机 gps 接收机， 是gps 导航卫 星的用户设备， 是实现gps 卫星导航定位的终端 仪器。 它是一 种能够 接收、跟 踪、 交换和测量 gp s卫星导 航定位信号的无线电 接 收设备，既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信 号的特性。 gps 接收 机多 种多样. 按接收 机的 用途， 可分为 导航型接收机、 测地型接收机 和授时型接收机;按接收机的载波频率，可分为单频接收机和双频接收机:按接收 机通道数， 可分为多通 道接收 机、 序贯通道接收机和多路复 用通道接收机; 按接收 机的工 作原理， 可分为 码相关 型接收机、 平方型接收 机、 混合 型接收 机和干涉型接 收机。目 前， 世界 上已 有几百 家工厂 生产出 各种型号的 g p s 接收机， 产品也有几 千种。 本 课题使用的g ps接收机是北 京天一指航科技有限公司 生产的j upi t er系列接 收机。 j 叩i t er并行12通道g ps接收 机是24颗g ps卫 星制造商著名的美国r 叱 k well 公司的 产品， 它体积小、 重量轻、 功耗低; 首次 定位和重新捕获时间 短; 有 极强的 抗树荫 和高 楼遮挡能 力; 提供载 波相位输出 ;无静态漂 移; 操作简便、易 于开发; 南京理工大学硕士学位论文墓于璐p 的组合导航系统研究 非常适合在各种导航定位设备及车/ 船等移动目 标中使用。该接收机的主要性能指 标如下: 结构:并行 1 2 通道，l i 波段 ( 1 5 7 5 . 4 2 阳2 ) ， c / a 码 ( 1 . 0 2 3 mhz 码片速率) +载波跟踪 ( 载波辅助跟踪) ; 跟踪能力:同时跟踪 12颗卫星; 动态性能:速度1 5 50米/ 秒， 加速度9 9 一1 2 9 ; 捕获时间:ttff 典型重捕获时间2 . 0 秒; ttff典型温启动巧秒，典型初始化 启动45秒; tff f 典型冷启动90秒; 定 位精度: 5 米( 无s a 时) ，口 其 中口 。 = 7 .2 9 2 1 1 5 1 4 7 * 1 0 一， 弧 度 渺 ( 地 球自 转 角 速 率) . (l 0 )姿态速率的计 算 峥 b 姿态速率必 神 可以 通过下式得出: 扁= 赢一 瓦= 赢 一 t-l( 石 p一 p 甲+口. ( 2 . 1 0 ) ( n )姿态角的 计算 姿 态 矩阵 可 以 表 示 成 格网 航向 角叽 ， 俯 仰 角 夕 ， 横 滚 角r 的 关 系 ， 即 5 尹 cos 俨 a 一 sin r s ino s in少 。 一 c o s g sin 叽s in r c o s 叽 + cos r s in o s in 叽 5 了 sin 笋 。 + sin 厂 sin夕 c os梦 g c o s 夕 cos 梦 。 sinr s in 叽 一 cos 了 s in口 。 0 5 俨 。 一 s in r cos 夕s in ocos y co s o 陆leej 一一 t 那么 可 由 下 式 计 算叽、6 、 r 的 主 值 : 龟= s in 一 ， 吸 _ _ ， 一 兀， r 主 一心 若一 更 3 3 2组合导航系统的原理与设计方案硕士论文 _ _ ， 一不 2 尹g 主一 19气二一 1 22 由 凡、 八、 叽主 来 判 断 其 真 值 0 、 y 、 叽的 公 式如 下: 2 护 当 兀 ， 。 时 + 1 5 0 0 ， 当 兀 3 0 了 主 0 ，。 咐 、 洲 ha+3 60 ” ， 当 几 0， 叽 主 t 俨 g 主 +l80 口 ， 当 几 “ 时 又 洲 枉 +l 8 00，当 几 0， 枉 0，a 主 “ 时 a 州 “ 主 + 3 6 0 ， 当 q z ” ，吐 12.3 ;固态磁阻 传感 器h mclo 53分辨率为1 加u g a u s s ， 满量程电 压为s v ， 刻度因子为l m v /g auss， 可 得n 1 5 .4 。 因此， 可 选取n = 1 6 的刃d芯片。 转换速率根据系统10 o hz 的更新频率、 带宽以 及数字滤波的要求设定，一 般大于 ik s p s的 转换速率可满足要求。另系统 模 拟量为份s v ， 而数据采集芯片核心电压是3 3 v ， 习d转换器应当具备 合适的电 平 匹配功能。 本系统采用a d公司 生产的16位a /d 转换芯片a d 7 6 5 6 。a d 7 6 56有 6 个独立的 ad 转换 通道， 支持 双极性的 模拟输入， 可以同时 进行采样转换; 模拟输入范围 为土 sv 或士 1 0v，可以由硬件或软件来 设定; 采样速率为 2 5 0 ksps: 支持内 部和外部参考电 源; sv电 源供电， 在2 5 o k s ps下功耗为1 60袱: 支持并行和串 行接口 。以 上的特点使 得a d 7 6 56适合于电 力监 测系统、 仪表设备、 控制系统， 特别 适合于三轴系统的设计。 系统中 选用两片ad7 6 56构 成a /d转换单元. 南京理工大学硕士学位论文 基于o s p的组合导航系统研究 图4 . 2 . 1 模数转换电 路示意图 图4 . 2 . 1 是a /d转换单 元的电路示意图。 通过硬件方式来设定模拟输入的电 压范 围、串 行/ 并行模式、模拟输入引脚保护电 压范围、字节 / 字传输 模式、 内部/ 外部参 考电源;采用查询忙信号的方式来进行数据的读取。 4 . 2 . 2印5 接口单元 gps数据采集单元由 接收 部分 ( j u p i t e r lz接收机) 、控制部 分 ( tl16 c 7 52 b及 d s p ) 、电平转换电路 ( s n 74l v c 4 2 4 5 a)组成。 . o e m板3 0 本课题使用的gps 接收机是北京天一指航科 技有限公司的j o p i ter系列接收机。 jupiter 并 行12通 道gps 接收 机 是24颗gps 卫星 制 造 商 著名 的 美国 ro c k 场 呢 l l 公 司的产品，它体积小、重量轻、功耗低;首次定位和重新捕获时间短:能提供位置、 速度、时间、 定位与导航信息，以 载波相位输出、ipp s 时标 和 1 0 k 妇 2方波 输出， 数 据输出 可以 为二进制格式和n m e a 一 0 18 3 两种格式， 适合各种导航定位的应 用。 有极 强的抗树荫和高 楼遮挡能力; 提供载波相位输出; 无静态漂移; 操作简便、 易于开发; 非常适合在各种导航定位设备及匀船等移动目 标中 使用。 ju p i t er接收机标准2 x 10插针接头 输出引 脚定义如下: 4 组合导航系统的工程实现硕士论文 表4 . 2 . i j u p i t e r 12 接收机接口引 脚定义 引脚号名称说明 引脚号名称说明 lp r 五a 人仰预放大器电源输入 1 1 s d o l 1 号串行数据输出口 2p w侧囚一 5主+5v 直流电源输入 1 2 一 s d l l1 号串行数据输入口 3一 vbr tc备 用电 源 1 3 cnd地 4p wrj入一 3保留 l 4s doz 2 号串行数据输出口 5m一 rs t主复位输入 1 5s diz 2 号串行数据输入口 6gp i oi 保留 l 6cnd地 7一 ig p i o z n 卜 任a 协议选择 一 n /c 保留 8gp i o3 r o m缺省选择 l 8 gnd一地 9gh04保留l 9丁marki p p s 时标 1 0 一 c n d 地 2 01 0 k 2 i o k 月 2 时钟方波 jup i t er接收 机可 输出r ock w e ll二 进制 和阴e a 一 。 1 8 3 两种 格式的 数据。 通过 设 置g p102管脚，可以设定芯片的输出方式，如果该管脚是高电平， 输出r 沉k w e ll二 进制格式的 数据， 反之输出nme a 一 0183格式的 数据。 本系统接收r ock w e ll二进制格 式的串 行数据输出，其通信协议为: 9 6 0 0 b ps， 无校验， 8个数据位，1个停止位. r ock w e l l 二进制格式以 语句字头来区分不同 信息的 语句。 r ock wel l 二进制语句字头格式为: 字 1 :1 0 0 00 0 0 11 1 1 11 1 1 1( o x 8 1 f f ) 字 2 :1 0 0 0 号语句的i d 号 ( 0 x 0 3 e8) 字3 :语句长度 字4 :d c l eq r 产 n0 0 xx x x xx 字5 :字头校验和 字1 为固定格式 语句， 含有g ps定 位信息的10 00号语句的id号是o x03 es， 在接 收串 行数据的 过程中 ， 通过查 询所 接收 数据的 字头 信息( 即 查 询。 xff 8le 8 o 3 ) ， 可以 判定随即接收下来的输出 数据数据是否为g ps定位信息语句，一共是55个字长。接 收完数据以 后， 根据最后一个字的 数据校验和来判断语句是否完整， 如果完整， 就进 行处 理。 10 00号 语 句中 主要 包 括的gps 定位 信息有 经 度、 纬度、高 度、 地面速 度、 真北方向、磁差、爬升律、误差信息等。 控制部分13 刃 由 于本课题所选用的d s p 并不具备异步串口 通信功能， 所以 另选用tl公司生产 的u a r t( u ni v er s al a 匀 巾 c 坛 。 n ous reee 访 e r an d tr an s m 讯 e r ) 收发 器几1 6 c 7 52 b 完 成 功能的 扩展。 其功能 扩展示意图如下所示: 南京理工大学硕士学位论文基于d sp的组合导航系统研究 九针串口 图4 . 2 . zt l 1 6 c 7 5 2 b 的连接示意图 几16 c 752 b内 置两套u a r i系统，可独立工作; 工作时， 最高波特率可以 达到 1 .s k lb p s ( 使用2 4 n 任 12晶 体时) 或3 n 币 p s ( 使用48入 11 1 2 振荡 器或时 钟源时) : 具有 64 字节发送了 接收f if o( 接收f 正0包含错误标志) 。 收、 发f if o的触发等级可通 过软件编程实现，可减少了c p u的中断次数;接收f if o的启动和停止等级可以 通 过软件编程来实现: 具有两种控制模式:软件流控制模式可通过编程xon/ xoff字 符来实现， 而硬件流控制模式则可通过设置 rts和 c t s引脚及相应的寄存器来实 现;波特率可编程;可编程下列串 行数据格式:5 、6 、7 、8四种字符;数据奇偶校 验或者无校验:1 、1 . 5 、 zbits 停止位。 对tl16c 7 52b的操作主要是针对其三个地址线ao、 a l 、 az 对应的特定寄存器 而进行的. 表4. 2. 2 为tl16 c 7 52b的内部功能模块，该器件内部共有20 个寄存器， 这些寄存器可分别用于实现通信参数的设置、对线路及mo d e m 状态的访问、数据 的发送和接收以 及中断管理等功能。其地址可分别通过 a o az 地址线和某些寄 存器的特定位来确定，由 于有些寄存器的地址是重叠的， 所以 还必须通过读/ 写信号 加以区分。 表4. 2. 2 中加粗部分的寄存器为二次寻址的寄存器. 4 组合导 航系统的工程实现硕士论文 表4 . 2 . zt l 1 6 c 7 5 2 b 内部寄存器功能模块 a2a，a0读方式写方式 0 00 接收保持寄存器 ( r h r )发送保持寄器 ( t h r ) oo1 中 断使能寄 存器 (i e r )中 断使能寄存器 (i e r ) 010 中 断标志寄 存攀 (i ir)f i f o控制寄存器 ( f c r) 。一， 1 线 路 控 制 寄 存 器(l c r )一 线 路 控 制 寄 存 器( lc r ) ，一 。 0 m o d e m控制寄 存毯 ( m c r )m 】 o e 期控制寄存 ( mc r ) 101 线海状态衍 存指(l阳 ， 110 m oo e m状态寄存器 ( m s r 111暂存寄存器 ( s r p )暂存寄存器 ( s r p ) 000 低位除 数寄 存器 ( o ll)低位除 数寄 存器 ( o ll) 00， 高侠除 数寄 存 器 ( o l h )高侠除数寄 存器 ( o lh ) o10 增强功能 寄 存器 ( efr )增强功能寄 存器 ( e f r ) ，一 0 。 x o n iw0 r dx o n 一 嘴wo rd 101x o n zw0 r dxon魂 wo川 ，1 ， 。 xo ff- iw0 tdxo ff. iw0 rd 111x o ff.zw0 r dx o ff-zwo 川 110 发送控制寄存 器 (tc r )发送控制寄存器 仃c r ) ，一1 1 触发等级寄存器 ( t l r )触发等级寄 存器 ( t 以) ，一 ， 1 fi f o就绪寄存器 t i6 l c 752 b的数据线和d s p 的低8 位数据线直接连接， 地址线a o 八 2连接d s p 的 低3 位地址线。 通过t l16 c 752 b的地址线ao 八 2以 及读写信号ror / iow可以 访 问 和设定其片内 寄 存器。 d s p 的pag e o 和a 1 9 一 a 21地址线通过c p l d ， 实现3 一 8 译 码功能， 3 一8 译码器的输出连接到tl16c 7 52b的片选信号 倪 咬 / c 昭， 读写信号ror/ i o w， 如此一来， tl1 6 c 7 5 2 b的通道被定 位在d s p 的加o o 0 0 h 2 0 0 0 0 7h地址范围 内 ，b通道被定位于2 8 0 0 0 0 0 h 州 2 8 0 0 0 0 7h 地址范围内。 t l 1 6 c 7 5 2 b的中断输出 信号 石 勺 砚 咬 和了 m 阴，石 v z 咬 和 t ms 320vc 33 的外部中断乃 ? 1 相连接，复位信号 r 卫 s e t 也 通 过cpld 处 理后， 交由d s p 接 收。 数 据收、 发 采用查询方式。 3. 6 8 64 m h z 晶 振 则连接到x 】 n和x o u t两引脚，提供参考时钟信号。 软件上通过tl16 c 7 52b的片内 寄 存器设定其通信协议， 使之与g ps接收机的协 议一致， 即: 9 6 0 o b ps， 无校验， 8 个数据位， 1 个停止位。 此外， 在读写tl16 c 7 52b 寄存器r l r 和t h r 时， 最好不要连续读写，而是在每读、写一次 后延时一段时间， 然后再进行下一次读写。 由 于g p s 接收 机的拍 电 压为s v ， 所以 在其 和几16 c 7 52b 连接时 需使用电 平 转换芯 片. tl16 c 7 52 b a通道的 数 据发 送引 脚和数 据接收引 脚和gps 接收 机通过电 平转换后的 数据发送引 脚和数据接收引 脚连接; d s p 对tl1 6c7 52b的 操作如同对外 围 存储外设备的操作，通过对特定的地址空间读写，即可实现其采集g p s信号的功 南京理工大学硕士学位论文基于d sp的组合导航系统研究 能。 电平转换电路 sn74lvc 4245 是n公司生产的电 平转换芯片， 适用于各种通信接口.其能通 过设置d ir引脚， 使s v电 平转换为3 3 v电 平。 加p i t er接收机采用十 sv电 源供电， 为了 满足不同电 源电 压的逻辑器件的无损连接，将 j upi t er 接收机的 输出 信号 通过 s n 7 4 lvc 4 2 4 5 电 平转换芯片后的 异步串口 接收。 4 . 2 . 3 数据处理模块设计 传统的 导 航系统大多以玩 加 1 系列 等 通用型 处理器( 如3 86、 4 86等c p u)作为导航 计算机的