雙天線GPS/SINS組合導航系統設計

摘要：本系統作為淺組合導航系統的一種，利用了雙天線定向GPS與光纖陀螺的組合，以基于DSP+FPGA多處理器結構作為導航計算機平臺，在原有的位置與速度基礎上加入了姿態作為第三個量測量，應用卡爾曼濾波算法將GPS姿態信息作為對慣性導航系統數據的初始值和修正。設計的系統通過跑車實驗驗證后表明達到了設計要求，具有實時性好，運算精度高等優點。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/203227.htm

關鍵詞：定向GPS；組合導航；卡爾曼濾波

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.012

引言

現代導航對系統有能夠實時、準確地獲取載體運動信息的要求。在組合導航領域，衛星導航（目前最常用的是GPS）與捷聯式慣性導航（SINS）組合的導航系統能夠彌補各自單獨導航情況下的不足，而且具有高精度、低成本、結構簡單等優點，目前已經成為最熱門的研究方向。GPS/SINS組合導航一般是以位置，速度作為量測量來修正慣性導航系統，隨著GPS定向系統的逐漸發展，將姿態與位置和速度同樣作為量測量的全組合方法正在成為研究熱點[1]。本文根據GPS/SINS全組合導航系統的機理和特點在基于DSP+FPGA的導航計算機平臺上設計了可靠的信息融合技術，通過相關的試驗證明本系統具有較好的效果。

組合導航系統軟硬件設計

導航系統軟件設計

導航計算機軟件設計必須滿足實時性與準確性的要求。計算機上電后會執行整個系統的初始化，通過后開始捷聯慣導算法運算，組合導航算法在GPS數據獲取后將其作為初始數據進行運算，如果有GPS數據丟失狀況發生，系統將單獨運行捷聯慣導解算，經解算后的數據被送入Kalman濾波器中處理。系統軟件流程圖如圖2所示。

組合導航系統算法

由于系統將定向GPS給出的數據作為修正數據，系統量測值在位置和速度值的基礎上加入了姿態信息。位置量測值為慣導系統與GPS給出的緯度、經度和高度差，相應的速度量測值為慣導系統與GPS給出的在慣性系統中各坐標下的差值，而慣導系統與雙天線GPS給出的姿態差值作為第三組量測值。

試驗結果

為了驗證本文提出的雙天線GPS/ SINS組合導航系統的可行性，在南京某地進行了跑車實驗。其中姿態GPS模塊定位精度小于5m，速度精度0.1m/s，航向精度0.1°。IMU常值漂移小于0.1°/h。跑車過程中以高精度GPS作為真實值，將組合導航系統輸出值與高精度GPS數據進行比較。整個系統中每5ms進行一次慣導數據解算，通過卡爾曼濾波算法進行數據修正的頻率為1次/s。將跑車過程中導航計算機輸出數據存入文件，通過MATLAB進行數據處理。圖3中給出一次跑車中組合導航系統與高精度GPS同一時刻輸出數據的差值，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，在動態情況下本文提出的組合導航系統具有較高的定位精度，從與高精度GPS數據對比中可以看，此系統定位誤差在4m以內，而速度誤差在0.1m/s左右，達到了系統的要求，充分滿足了實際應用需求。

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