王 玲，劉 義，朱龍永，趙艷霞

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究

王 玲，劉 義，朱龍永，趙艷霞

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

為了應(yīng)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)小型化、高精度的要求，提出了基于DSP的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）/全球定位系統(tǒng)（GPS）組合導(dǎo)航系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用無(wú)跡卡爾曼濾波（UKF）算法完成了信息融合，對(duì)導(dǎo)航樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該組合導(dǎo)航系統(tǒng)降低了成本、提高了精度、具有較高的穩(wěn)定性。

DSP；SINS/GPS；低成本；UKF；組合導(dǎo)航

0　引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)動(dòng)態(tài)載體運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（導(dǎo)彈、飛機(jī)、衛(wèi)星、坦克、車(chē)輛、艦船等）的跟蹤精度和可靠性要求越來(lái)越高，多傳感器的組合導(dǎo)航在實(shí)際需要的導(dǎo)航與跟蹤及控制上比單一傳感器的性能方面優(yōu)越的多，其應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性較好、重量輕、成本低、易于維修等特點(diǎn)，發(fā)展迅速，而且在一些武器中得到了實(shí)際的應(yīng)用[1,2]。20世紀(jì)80年代末期，我國(guó)開(kāi)始MEMS慣性器件研制，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，在理論研究、原理樣機(jī)開(kāi)發(fā)等方面取得了一定的成果，初步具備工業(yè)生產(chǎn)的能力，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比在微型化、高精度、可靠性等各方面有很大差距[3]。由于MIMU的精度不是很高，其定位的誤差是隨著時(shí)間而變化的，因此單個(gè)的MIMU導(dǎo)航系統(tǒng)難以完成高精度、長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)航任務(wù)[2]。MIMU的缺點(diǎn)是自主性差，抗干擾能力弱，接收機(jī)的數(shù)據(jù)更新時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。全球定位系統(tǒng)（GPS）是高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位的誤差與時(shí)間無(wú)關(guān)。MIMU和GPS兩者構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是克服了兩者單獨(dú)工作時(shí)的缺點(diǎn)，兩者相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，能夠完成較高精度、長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)航任務(wù)。

基于此，本文提出了一種易于工程實(shí)現(xiàn)的SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出了該組合導(dǎo)航的樣機(jī)，最后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)用性。

1　系統(tǒng)的基本原理

該組合導(dǎo)航系統(tǒng)分為以下三個(gè)部分：GPS、SINS和無(wú)跡卡爾曼濾波器（UKF）[4]。組合導(dǎo)航原理框圖如圖1所示。

圖1　組合導(dǎo)航原理框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理樣機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖2、圖3所示，包括以下五個(gè)部分：串口、MIMU、GPS接收機(jī)、AD轉(zhuǎn)換模塊和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)[5]。

圖2　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖3　硬件實(shí)物圖

由于TMS320C6713BGDP內(nèi)部沒(méi)有異步串口，本文利用DSP多通道緩沖串行接口（McBSP）和全功能異步收發(fā)器（MAX3111）實(shí)現(xiàn)了由同步串口到異步串口的轉(zhuǎn)換。硬件電路圖如圖4所示。

圖4　McBSP與MAX3111的硬件電路圖

MIMU采用ADI公司的單軸微慣性測(cè)量單元陀螺（ADXR620）和加速度（AD22279），其精度可以滿足低速飛行器的要求。GPS接收機(jī)選用的是B1/B3/GPS/ GLONASS三模四頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊；AD7606采用ANALOG DEVICES公司的產(chǎn)品，它的功能是16位、8個(gè)通道的同步采樣模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件的尺寸直徑80mm，高度為30mm，體現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化。

3　UKF濾波算法

3.1UKF算法流程

若離散的非線性系統(tǒng)如下所示：

式中：xk為k時(shí)刻的狀態(tài)向量，wk為狀態(tài)噪聲，uk為系統(tǒng)控制量，zk為觀測(cè)向量，vk為觀測(cè)噪聲，它們的維數(shù)分別為n、q、p、m。假設(shè)噪聲v和w都是均值為零的白噪聲。且滿足：

其濾波的具體步驟為，通過(guò)蒙特卡洛模擬法對(duì)σ進(jìn)行采樣，得到k時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)的σ點(diǎn)集合{kki/,χ}，并賦予對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)的權(quán)值。

3.2預(yù)測(cè)方程

狀態(tài)量的一步預(yù)測(cè)：

狀態(tài)量的一步預(yù)測(cè)誤差：

觀測(cè)量的一步預(yù)測(cè)：

觀測(cè)量的一步預(yù)測(cè)誤差：

3.3更新方程

濾波增益矩陣：

濾波估計(jì)值：

濾波誤差方差矩陣：

UKF是一定范圍內(nèi)的具有權(quán)重的點(diǎn)構(gòu)成的集合，這些點(diǎn)在帶入到非線性系統(tǒng)方程中就能夠得到另外一群點(diǎn)的集合，后的到的這些點(diǎn)的集合用來(lái)反映下一時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)值，其在傳遞函數(shù)關(guān)系上為非線性的數(shù)學(xué)模型，而實(shí)際處理的為一一對(duì)應(yīng)的線性化，不再考慮面對(duì)一個(gè)具體系統(tǒng)模型的傳遞函數(shù)的具體表達(dá)式。算法不依賴(lài)于其他條件，應(yīng)用范圍廣泛。利用此算法可以很好地完成對(duì)組合導(dǎo)航信息的融合。

4　實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果

將樣機(jī)進(jìn)行車(chē)載試驗(yàn)，跑車(chē)線路如圖5所示。

圖5　跑車(chē)線路圖

將收集到的數(shù)據(jù)同過(guò)MATLAB來(lái)仿真，得到位置曲線如圖6所示。

圖6　位置曲線

圖7、圖8是整個(gè)車(chē)載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中解算出來(lái)的SINS/ GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量運(yùn)載體的姿態(tài)和誤差曲線。

通過(guò)車(chē)載試驗(yàn)證明了該樣機(jī)具有較高的精度和穩(wěn)定性。

圖7　姿態(tài)曲線

圖8　誤差曲線

5　結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性及UKF算法的正確性。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)導(dǎo)航信息能夠?qū)崟r(shí)處理，能夠提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的導(dǎo)航信息，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 李傳軍,彭鐘鋒,李興城.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自適應(yīng)輔助GNSS矢量跟蹤方法[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2014,05：74-79.

[2] 袁克非.組合導(dǎo)航系統(tǒng)多源信息融合關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2012.

[3] 王菲.SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D].北京：北京理工大學(xué),2015.

[4] 秦永元,張洪鉞,汪叔華.卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航系統(tǒng)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,1998：44-56.

[5] 劉向宇.DSP嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009：63-90.

Research on SINS/GPS integrated navigation system

WANG Ling, LIU Yi, ZHU Long-yong, ZHAO Yan-xia

V249.3

A

1009-0134(2016)07-0093-03

2016-03-28

王玲（1960 -），男，教授，研究方向?yàn)榍度胧接?jì)算機(jī)應(yīng)用及非線性控制系統(tǒng)。