双天线GPS/SINS组合导航系统设计

摘要：利用双天线定向GPS与光纤陀螺进行组合，以基于DSP+FPGA多处理器结构作为导航计算机平台，应用卡尔曼滤波算法将GPS姿态信息作为量测量对惯性导航系统进行修正。通过跑车实验验证该系统具有实时性好，运算精度高等优点。

关键词：定向GPS 组合导航 卡尔曼滤波

引言

现代导航系统要求能够实时、准确的获取载体运动信息。目前，在组合导航领域GPS/SINS组合导航系统因具有高精度、低成本、结构简单等优点，已经成为最热门的研究方向。而GPS/SINS组合导航大多都是以位置，速度作为量测量来修正惯性导航系统，随着GPS定向系统的逐渐发展，以姿态、位置和速度的全组合方法正在成为研究热点[1]。本文根据GPS/SINS全组合导航系统的机理和特点在基于DSP+FPGA的导航计算机平台上设计了可靠的信息融合技术，通过相关的试验表明本系统具有较好的效果。

一、组合导航系统软硬件设计

1导航计算机总体设计

为了便于野外跑车试验，本文中导航系统采用一体化、模块化设计：通过接口将导航计算机固连于IMU器件内，计算机与IMU方便更换。IMU数据更新率是200hz，而GPS数据输出频率为1hz，因此计算机必须能够在5ms内完成整个系统算法运行。单纯的采用一个核心处理器的方法不能够满足系统实时性要求，此计算机采用了DSP+FPGA双核设计方式，DSP选用TI公司的TMS6747而FPGA型号为Xilinx公司的XC3S500E。系统硬件结构如图1所示。其中，DSP6747主要负责IMU解算，卡尔曼滤波等数据处理算法，6747具有高性能的浮点运算能力，最高主频可达到450MHz，能够实现高速运算。FPGA主要完成外部接口扩展（2路RS232口，1路RS422口），数据的采集与传输及逻辑时序控制。

2组合导航系统的量测方程

将定向GPS作为修正数据时，系统量测值包括位置、速度和姿态。位置量测值为惯导系统与GPS给出的纬度、经度和高度差，相应的速度量测值为惯导系统与GPS给出在惯性系统中各坐标下的差值，而惯导系统与双天线GPS给出的姿态差值作为第三组量测值。

参考文献：

[1]Li Y, Zhang K, Roberts C , Murata M. On-the-fly GPS-based Attitude Determination Using Single-and Double-differenced Carrier Phase Measurement s. Springer _ verlag , 2004.

[2]付梦印．Kalman滤波理论及其在导航系统中的应用[M]．北京：科学出版社，2003．

[3]何晓峰，胡小平．基于SINS／GPS组合的低成本船用姿态确定系统[J]．中国惯性技术学报．2004，12(05)：21—25

[4]王惠南，GPS导航原理与应用[M].北京：科学出版社，2003.

[5]Yanjuan Yang, Weifeng Tian, Zhihua Jin. Study on a Novel Marine INS/GPS Integrated Navigation Technology. IEEE Seventh International Conference on Control, Automation , Robotics and Vision,2002 : 1563～1567