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基于微處理器的緊耦合組合導航系統設計
摘要: 首先分析了GPS導航與慣性導航各自的優缺點, 闡述了GPS /慣導組合導航系統的先進性, 其次介紹了眾多組合模式中的利用偽距和偽距率信息的緊耦合組合模式, 最后基于微處理器從軟硬件兩方面對組合導航系統進行了設計。
Abstract:
Key words :

 

  摘  要: 首先分析了GPS導航慣性導航" title="慣性導航">慣性導航各自的優缺點, 闡述了GPS /慣導組合導航" title="組合導航">組合導航系統的先進性, 其次介紹了眾多組合模式中的利用偽距和偽距率信息的緊耦合" title="緊耦合">緊耦合組合模式, 最后基于微處理器從軟硬件兩方面對組合導航系統進行了設計。

  1  引  言

  全球定位系統( GPS)具有全球覆蓋、全天候、實時導航、導航定位誤差不隨時間積累等優點。但是,GPS衛星信號容易受到人為干擾;在高動態環境下,將產生較大的衛星信號跟蹤誤差, 不能滿足載體實時導航與制導要求。

  慣性導航系統具有自主式、隱蔽性導航, 工作環境不受介質限制, 能提供豐富的導航信息, 以及導航數據輸出率高等優點。

  由于GPS 與慣導均存在其自身難于克服的缺陷。因此, 在實際工程應用中, GPS /慣導組合導航系統設計和應用較為廣泛。如圖1所示。GPS與慣導組合后的優勢在于:

  ( 1)克服各自缺點, 取長補短, 組合導航精度高于兩個系統獨立工作的精度;( 2)提供利用GPS導航" title="GPS導航">GPS導航信息校正慣性傳感器的有效手段, 實現慣導系統在線校正;( 3)當載體機動或干擾使衛星信號失鎖時, 可以暫時由慣導系統提供導航數據;( 4)慣導系統提供連續寬帶的位置、速度和姿態估計比單獨使用GPS的結果平滑;( 5)利用慣導系統速度信息輔助GPS接收機跟蹤環, 可以增大等效噪聲帶寬, 既保證在高動態環境下對衛星信號的穩定跟蹤, 又提高接收機的抗干擾性能;( 6)組合系統有利于GPS衛星信號的完整性監測, 增強系統可靠性能和容錯能力;( 7)對于GPS 載波相位測量, 慣導系統提供的信息有利于GPS衛星整周模糊度參量的快速解算,可以很好地解決周跳探測與修復問題, 并且降低至少4顆衛星同步可觀測的要求;( 8)采用中、低精度的慣性儀表與GPS OEM 板集成, 不僅技術上容易實現, 滿足實際應用的精度要求, 而且設備研制成本低, 可以獲得較好的經濟效益。

GPS /慣導組合導航系統的互補性

圖1  GPS /慣導組合導航系統的互補性

  2  GPS /慣導組合模式

  依據不同的分類標準, GPS 與慣導系統有多種組合形式, 但其本質都是一致的。其中較為先進的是利用偽距和偽距率信息的緊耦合組合模式。如圖2所示, 緊耦合模式的優點在于:

  ( 1) GPS與慣導系統集成, 實現硬件一體化, 導航計算精度高, 實際應用更為有效。

  ( 2)不需要同時跟蹤4 顆以上的衛星, 才能進行組合導航計算。

  ( 3)使用一個卡爾曼濾波器, 當GPS 不能正常工作時, 慣導系統暫時提供導航參數。

GPS /慣導緊耦合模式原理框圖

圖2  GPS /慣導緊耦合模式原理框圖

  

 

  3  緊耦合GPS /慣導組合系統硬件設計

  GPS /慣導緊耦合系統硬件可以分為五個部分,其結構如圖3所示。

緊耦合GPS /S INS系統硬件組織設計圖

圖3  緊耦合GPS /S INS系統硬件組織設計圖

  ( 1)數據采集部分, 由GPS接收天線、GPS OEM板、陀螺儀、加速度計、數據采集卡和雙口RAM 組成。其中, 數據采集卡應具有不同的采樣頻率, 能夠同時采集模擬信號和數字信號, 由8051單片機加上一些外圍芯片組成的數據采集卡;也可以使用專用的GPS+ 慣導系統數據采集卡, 如TMS320C25數據采集卡。在GPS、慣導系統與導航數據處理器( CPU )之間的數據傳輸可以利用雙口RAM, 以實現數據的快速存取。

  ( 2)導航數據處理部分, 采用單片機(如80196單片機或8086 /8087單片機) , 通過總線從ROM 中將應用程序調入導航處理器( CPU )進行數據處理,處理結果再次放回總線, 對慣性測量器件進行誤差補償、輔助GPS OEM 板的信號跟蹤環路、顯示導航信息、傳輸到控制系統和外部通信接口等。此外, 還負責系統部件的協調與管理, 維護系統的正常運行。

  ( 3)用戶界面部分是人機對話的工作平臺, 由液晶顯示器和輸入鍵盤組成, 顯示導航信息, 對導航系統進行人工干預。

  ( 4)電源部分, 由電源模板、電子模板、高壓甚高壓模板和配電系統構成, 為GPS OEM 板、慣導系統、數據采集卡、以及導航數據處理器等提供各種標準電源支持。

  ( 5)通信接口部分包括系統內部元件接口通信和系統與外部接口通信, 前者采用M IL STD1553總線;后者將外部測量數據傳入系統, 如氣壓測高數據、雷達測量數據等, 以對系統進行校正或多系統組合導航, 也可以將系統內部數據傳輸到其它設備。

  4  緊耦合GPS /慣導組合系統軟件設計

  GPS /慣導組合導航系統設備包括8 個軟件功能模塊, 各個功能模塊之間的連接如圖4所示:

  ( 1)系統啟動與自檢模塊, 負責系統設備開啟,檢測設備部件的運行狀況, 對異常情況及時報警, 提示工作人員給予相應的指示操作。

  ( 2)系統管理模塊, 負責系統設備的協調、管理、數據存儲與清理工作。

  ( 3)系統初始化模塊, 使用GPS 進行快速定位和姿態測定, 實現慣導系統的初始對準。

  ( 4)數字信號處理模塊, 負責GPS接收機的數字信號處理。

  ( 5)數據采集模塊, 負責GPS、慣導系統基本觀測量的數據提取, A /D轉換等工作。

  ( 6)數據傳輸模塊, 將GPS、慣導基本觀測量的數據傳輸到CPU, 進行導航數據處理, 將最終導航信息傳輸到導航顯示設備和控制系統等。

  ( 7)導航數據處理模塊, 負責各種導航算法的實現。

  ( 8)用戶界面模塊, 提供用戶界面, 具有顯示導航信息、數據查詢和錯誤提示等功能。

GPS /慣導組合導航系統軟件模塊化實現框圖
 

圖4  GPS /慣導組合導航系統軟件模塊化實現框圖

  5  結束語

  基于微處理器強大的計算和通信能力, 解決對主被動導航的多傳感器數據融合問題, 克服了GPS導航機動性能差、衛星信號失鎖、慣導系統誤差隨時間漂移的主要缺點, 取長補短。使組合導航系統既增大了等效噪聲帶寬, 保證在高動態環境下對衛星信號的穩定跟蹤, 又提高了接收機的抗干擾性能、系統可靠性能和容錯性能, 從而輸出平滑連續的導航信息。

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