机载DGPS/INS组合导航系统研究

摘 要：随着飞机机动性的增大和航程的加长，单一的导航系统已经无法满足机载导航要求。解决问题的方法是采用组合导航系统，本文设计了一种基于DGPS/INS的组合导航系统，系统满足高精度、长航时、高可靠性的要求。

关键词：组合导航系统 DGPS/INS

中图分类号：V249.32 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0005-01

DGPS是一种高精度和高实时性的GPS实用模式。DGPS与INS相互组合，取长补短，可以显著提高导航系统精度。组合系统的主要优点是可以实现惯导系统的空中校准和高度通道的稳定，同时惯导系统的辅助可以提高GPS跟踪卫星的能力，从而提高接收机的动态特性和抗干扰性。

1 系统的总体框架

图1系统工作原理：在飞行的过程中，利用GPS接收机的双频天线所测得的数据产生差分修正值，来减少DGPS接收机的误差，提高定位精度。DGPS接收机将所测得定位数据进行修正后，将飞机动态参数信息传递给导航处理机，同时惯导系统将陀螺仪和加速度计测量的数据传输给导航处理机进行捷联解算，并且和DGPS数据进行信息融合，然后在显示器显示飞机的位置、速度、高度、姿态等导航数据。

2 导航系统硬件设计

图2整个导航信息处理板可划分为五个部分：GPS导航模块、惯性导航模块、温度补偿模块、数据融合与解算模块、数据显示模块。

2.1 GPS导航模块

GPS模块采用双天线DGPS接收机，在飞机的机头和机尾方向安装两个反馈天线，以差分测量的方式提高GPS定位精度，达到飞机导航定位的要求。本系统选取美国JAVAD公司生产的Duo-G2D接收机，它可以同时接入最多两个天线，DGPS定位精度可达0.5m，数据更新率最大100 Hz。GPS接收机输出的是RS232电平，所以经过MAX232芯片处理后转化为TTL电平，由FPGA采集完数据后输送给DSP等待信息融合。

2.2 惯性导航模块

惯性导航模块主要是包括陀螺仪和加速度计两部分。光纤陀螺仪输出的数据已经是数字式的，不存在模数转换的问题；而加速度计需要经过模数转换来完成信号输出。惯性器件的数据采集是通过FPGA完成，最后传递给DSP进行捷联解算。光纤陀螺仪选用中航捷锐光电技术有限公司的F120型闭环光纤陀螺，动态范围±300 Deg./h，零偏稳定性0.02 Deg./h，它适用于航空惯性导航、制导、地面定位定向等系统。加速度计选取北京星网宇达科技公司生产的XW-AS1910石英加速度计，电流标定因数1.2±0.15 mA/g，量程±25 g，它具有量程大、精度高、抗过载性强、体积小、功耗低、价格廉等特点。

2.3 温度补偿模块

由于光纤陀螺的测量精度随着温度的增加会有所降低，所以采取温度补偿的方式减小热噪声的影响。系统安装了四个温度传感器，其中三个装在光纤环内部，还有一个装在陀螺的壳体外部，整个温度的采集是通过FPGA芯片分时采集四路温度数据，最后输送给DSP处理。

2.4 数据融合与解算模块

数据融合和解算是整个导航系统的核心，由于FPGA适合大量高速数据处理，所以DGPS和惯性导航的数据传输由FPGA芯片完成。FPGA芯片选取XILINX公司的SPANTAN3系列的XC3S400-4208，它有40万个系统门，208个引脚，可以出色的完成数据采集的任务。DSP适合高速数据的融合和解算，所以系统的管理和控制工作主要由DSP来完成。本系统采用32位浮点型TMS320C6713芯片可以满足系统对高速运算和数据的动态范围大的要求。该芯片可以同时执行8条指令，最高时钟频率为300 MHz，适合于对运算能力和存储量有高要求的应用场合。

2.5 数据显示模块

它包括显示器，主要作用是显示导航信息。液晶显示器选择陕西华经显示技术有限公司的TDM-K500，该产品是一款专业用于军用航空领域的高亮、宽温全加固液晶显示器。DGPS接收机和惯导系统经过组合解算后的导航数据必须实时准确地显示在显示器上，它是整个组合导航系统与外界联系的界面。

3 软件设计流程

首先惯导系统初始化对准，精确地确定姿态矩阵。然后开始采集陀螺仪和加速度计数据，在采集光纤陀螺仪数据过程中实时监控温度，当温度过高时进行温度补偿。采集完数据后执行捷联导航算法，解算出惯导系统测量的飞机运动参数，再与系统接收的DGPS数据融合，通过自适应滤波算法，用DGPS误差校正惯导系统的测量误差，最后输出高精度导航信息。

4 结论

该导航系统设计完成后，通过仿真分析得出它能够满足机载导航要求，定位精度能够达到1 m，并且具有精度高、实时性好、抗干扰的优点。随着北斗系统的发展，未来可以嵌入北斗导航系统，其应用前景非常广泛。

参考文献

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