機(jī)載DGPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究

摘 要：隨著飛機(jī)機(jī)動(dòng)性的增大和航程的加長(zhǎng)，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足機(jī)載導(dǎo)航要求。解決問題的方法是采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種基于DGPS/INS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)滿足高精度、長(zhǎng)航時(shí)、高可靠性的要求。

關(guān)鍵詞：組合導(dǎo)航系統(tǒng) DGPS/INS

中圖分類號(hào)：V249.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（c）-0005-01

DGPS是一種高精度和高實(shí)時(shí)性的GPS實(shí)用模式。DGPS與INS相互組合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以顯著提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度。組合系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中校準(zhǔn)和高度通道的穩(wěn)定，同時(shí)慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助可以提高GPS跟蹤衛(wèi)星的能力，從而提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾性。

1 系統(tǒng)的總體框架

圖1系統(tǒng)工作原理：在飛行的過程中，利用GPS接收機(jī)的雙頻天線所測(cè)得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生差分修正值，來減少DGPS接收機(jī)的誤差，提高定位精度。DGPS接收機(jī)將所測(cè)得定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，將飛機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)信息傳遞給導(dǎo)航處理機(jī)，同時(shí)慣導(dǎo)系統(tǒng)將陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給導(dǎo)航處理機(jī)進(jìn)行捷聯(lián)解算，并且和DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，然后在顯示器顯示飛機(jī)的位置、速度、高度、姿態(tài)等導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

2 導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2整個(gè)導(dǎo)航信息處理板可劃分為五個(gè)部分：GPS導(dǎo)航模塊、慣性導(dǎo)航模塊、溫度補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)融合與解算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊。

2.1 GPS導(dǎo)航模塊

GPS模塊采用雙天線DGPS接收機(jī)，在飛機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾方向安裝兩個(gè)反饋天線，以差分測(cè)量的方式提高GPS定位精度，達(dá)到飛機(jī)導(dǎo)航定位的要求。本系統(tǒng)選取美國JAVAD公司生產(chǎn)的Duo-G2D接收機(jī)，它可以同時(shí)接入最多兩個(gè)天線，DGPS定位精度可達(dá)0.5m，數(shù)據(jù)更新率最大100 Hz。GPS接收機(jī)輸出的是RS232電平，所以經(jīng)過MAX232芯片處理后轉(zhuǎn)化為TTL電平，由FPGA采集完數(shù)據(jù)后輸送給DSP等待信息融合。

2.2 慣性導(dǎo)航模塊

慣性導(dǎo)航模塊主要是包括陀螺儀和加速度計(jì)兩部分。光纖陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)已經(jīng)是數(shù)字式的，不存在模數(shù)轉(zhuǎn)換的問題；而加速度計(jì)需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換來完成信號(hào)輸出。慣性器件的數(shù)據(jù)采集是通過FPGA完成，最后傳遞給DSP進(jìn)行捷聯(lián)解算。光纖陀螺儀選用中航捷銳光電技術(shù)有限公司的F120型閉環(huán)光纖陀螺，動(dòng)態(tài)范圍±300 Deg./h，零偏穩(wěn)定性0.02 Deg./h，它適用于航空慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)、地面定位定向等系統(tǒng)。加速度計(jì)選取北京星網(wǎng)宇達(dá)科技公司生產(chǎn)的XW-AS1910石英加速度計(jì)，電流標(biāo)定因數(shù)1.2±0.15 mA/g，量程±25 g，它具有量程大、精度高、抗過載性強(qiáng)、體積小、功耗低、價(jià)格廉等特點(diǎn)。

2.3 溫度補(bǔ)償模塊

由于光纖陀螺的測(cè)量精度隨著溫度的增加會(huì)有所降低，所以采取溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綔p小熱噪聲的影響。系統(tǒng)安裝了四個(gè)溫度傳感器，其中三個(gè)裝在光纖環(huán)內(nèi)部，還有一個(gè)裝在陀螺的殼體外部，整個(gè)溫度的采集是通過FPGA芯片分時(shí)采集四路溫度數(shù)據(jù)，最后輸送給DSP處理。

2.4 數(shù)據(jù)融合與解算模塊

數(shù)據(jù)融合和解算是整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，由于FPGA適合大量高速數(shù)據(jù)處理，所以DGPS和慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)傳輸由FPGA芯片完成。FPGA芯片選取XILINX公司的SPANTAN3系列的XC3S400-4208，它有40萬個(gè)系統(tǒng)門，208個(gè)引腳，可以出色的完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。DSP適合高速數(shù)據(jù)的融合和解算，所以系統(tǒng)的管理和控制工作主要由DSP來完成。本系統(tǒng)采用32位浮點(diǎn)型TMS320C6713芯片可以滿足系統(tǒng)對(duì)高速運(yùn)算和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍大的要求。該芯片可以同時(shí)執(zhí)行8條指令，最高時(shí)鐘頻率為300 MHz，適合于對(duì)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)量有高要求的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

它包括顯示器，主要作用是顯示導(dǎo)航信息。液晶顯示器選擇陜西華經(jīng)顯示技術(shù)有限公司的TDM-K500，該產(chǎn)品是一款專業(yè)用于軍用航空領(lǐng)域的高亮、寬溫全加固液晶顯示器。DGPS接收機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)經(jīng)過組合解算后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示在顯示器上，它是整個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)與外界聯(lián)系的界面。

3 軟件設(shè)計(jì)流程

首先慣導(dǎo)系統(tǒng)初始化對(duì)準(zhǔn)，精確地確定姿態(tài)矩陣。然后開始采集陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)，在采集光纖陀螺儀數(shù)據(jù)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度，當(dāng)溫度過高時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采集完數(shù)據(jù)后執(zhí)行捷聯(lián)導(dǎo)航算法，解算出慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，再與系統(tǒng)接收的DGPS數(shù)據(jù)融合，通過自適應(yīng)濾波算法，用DGPS誤差校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)量誤差，最后輸出高精度導(dǎo)航信息。

4 結(jié)論

該導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過仿真分析得出它能夠滿足機(jī)載導(dǎo)航要求，定位精度能夠達(dá)到1 m，并且具有精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展，未來可以嵌入北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，其應(yīng)用前景非常廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] 田波，王養(yǎng)柱，崔中興.無人機(jī)下滑著陸DGPS/INS導(dǎo)航及引導(dǎo)系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2006（9）.

[2] 劉建業(yè)，曾慶化，趙偉，等.導(dǎo)航系統(tǒng)理論與應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010（3）.

[3] 李緒友，梁輝，鄒繼斌.光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2005（3）.