中等精度惯性卫星组合导航系统设计..docx

中等精度惯性/卫星组合导航系统设计王超一 ZY1203209张天钧 ZY1203233张鑫 ZY1203234系统功能惯性/卫星组合系统简介组合导航是弹道导弹等大型空间飞行器导航定位技术主要的发展方向之一。应用具有完全自主性的惯性导航系统和高精度卫星导航系统构成惯性/ 卫星组合导航系统，是最具有应用前景的组合导航架构。全球定位系统(Globe Position System，GPS)和捷联惯性导航系统(SINS)都是目前世界上应用广泛的导航方法之一。GPS易受地形地物的影响而导致定位中断，并且受制于人，而SINS定位误差随时间而积累，若将它们组合起来可形成优势互补并且在短期和长期上都有保证。随着现代电子信息技术的发展．嵌人式技术的应用越来越广泛，尤其是在导航领域，导航设备正朝小型化、微型化应用发展，而且对系统精度和实时性要求也越来越高。SINS／GPS组合导航能够增强导航系统容错能力和余度能力，研究高精度、高可靠性、小体积、低成本的SINS／GPS组合导航系统具有重要意义。在飞机、舰船或其他对导航系统体积和性能有严格要求的领域具有潜在的应用价值。为克服GPS和SINS各自的缺点，根据SINS和GPS的导航功能互补的特点，取长补短，构成一个有机的整体，提高系统的整体导航精度及导航性能以及空中对准和再对准的能力。GPS接收机在惯导位置和速度信息的辅助下，也将改善捕获、跟踪和再捕获能力，并在卫星分布条件差或可见星少的情况下导航精度不致下降过大。由于优点显著，SINS /GPS组合系统被一致认为是飞行载体最理想的组合导航系统。系统基本构成组合导航系统的基本组成如图1 所示。在图 1 中，只保留惯性导航系统、卫星导航系统与信息融合系统，就构成惯性/ 卫星组合导航系统的基本组成。其中惯性导航系统有陀螺稳定平台导航系统与捷联惯性测量组合导航系统2 种类型。捷联惯性测量组合精度较低，一般仅在中近程空间飞行器上使用。在组合导航系统研究工作中，惯性导航系统为三轴陀螺稳定平台，其应用对象一般为中远程大型飞行器应用。信息融合系统的主要组成为卡尔曼滤波器。图1组合导航系统的基本组成为满足系统的设计要求，本文设计的组合导航系统将主要由惯性器件IMU、卫星接收机GPS、磁罗盘HMR、导航计算机以及渐消记忆Kalman滤波器五部分组成。其中导航计算机采用了单片机+DSP的双CPU方案．具有4个RS232串行口．分别为两个单片机串口和两个DSP串口。导航计算机通过单片机串口0与惯性器件相连，采集IMU数据；通过单片机串口1与卫星接收机相连，采集GPS数据，然后通过Kalman滤波器将二者的数据进行滤波并利用结果对IMU进行修正；通过DSP串口1与磁罗盘HMR2300相连，采集HMR数据；同时还通过DSP串I=10与显控计算机串口0相连，负责将导航解算结果传送到显控计算机供显示和保存，同时接受显控计算机的控制命令。系统主要功能根据设计要求，系统的主要功能有以下几部分：1、系统具有三种导航状态：“组合导航”、“惯性导航”、“卫星导航”。“组合导航”状态是开机默认状态。 为实现上述功能，需要将IMU和GPS两个导航模块相互独立出来，因为上述两模块是通过单片机相连的，所以在为系统选择导航模式时，可以通过软硬件的设计，为系统添加选择按钮。当按钮选择的是惯性导航模式时，导航计算机将与GPS相连接的串口关闭，使系统处于只使用IMU进行导航的状态，此时，Kalman滤波器也将不工作，即此时系统只是一个单纯的惯性导航系统；同样当按钮选择的是卫星导航模式时，导航计算机将与IMU相连接的串口关闭，使系统处于只使用GPS进行导航的状态，此时，Kalman滤波器也将不工作，即此时系统只是一个单纯的卫星导航系统；当按钮选择的是组合导航模式时，整个系统全部工作，GPS模块开始接收位置、速度信息，IMU导航解算模块将加速度计和陀螺的输出按照捷联惯组导航算法进行导航解算, 输出导航定位数据，然后Kalman滤波模块将IMU的导航解算数据和接收的GPS定位数据进行滤波, 然后利用滤波结果对IMU进行修正使其变成组合导航系统。2、系统在初始对准前接受初始经度、纬度、高度等参数的装订。如不通过装订来更新，主惯导系统从存储器中读取上次的参数进行初始对准。 3、系统具有数据存储功能，能保存所有IMU与GPS的原始数据与导航数据。 4、具有加电开机自检测、周期自检测、人工自检测、对检测结果进行显示并给出操作提示的功能。上述三项功能均需要在软硬件设计期间，将相应功能对应的电路板以及代码进行事先的准备，并加入相应的输出元件和接口程序，例如LED显示屏等。在初始对准前需要将系统连接计算机，执行相应的程序，进入程序界面进行经纬高度等参数的装订，在系统中加入储存模块用于保存导航系统的参数、原始数据、导航数据和导航