SINS/GPS组合导航系统的研究

2016-12-23朱龙永赵艳霞

制造业自动化 2016年7期

关键词：样机高精度导航系统

王玲，刘义，朱龙永，赵艳霞

（沈阳理工大学自动化与电气工程学院，沈阳 110159）

SINS/GPS组合导航系统的研究

王玲，刘义，朱龙永，赵艳霞

（沈阳理工大学自动化与电气工程学院，沈阳 110159）

为了应对导航系统小型化、高精度的要求，提出了基于DSP的捷联惯性导航系统（SINS）/全球定位系统（GPS）组合导航系统。介绍了系统的基本原理、系统的硬件设计，采用无迹卡尔曼滤波（UKF）算法完成了信息融合，对导航样机进行试验。实验结果表明，该组合导航系统降低了成本、提高了精度、具有较高的稳定性。

DSP；SINS/GPS；低成本；UKF；组合导航

0　引言

随着现代科学技术的不断发展，人们对动态载体运动目标（导弹、飞机、卫星、坦克、车辆、舰船等）的跟踪精度和可靠性要求越来越高，多传感器的组合导航在实际需要的导航与跟踪及控制上比单一传感器的性能方面优越的多，其应用领域更广泛。捷联惯性导航系统具有结构简单、体积小、可靠性较好、重量轻、成本低、易于维修等特点，发展迅速，而且在一些武器中得到了实际的应用[1,2]。20世纪80年代末期，我国开始MEMS惯性器件研制，经过20多年的发展，在理论研究、原理样机开发等方面取得了一定的成果，初步具备工业生产的能力，但与工业发达国家相比在微型化、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，其定位的误差是随着时间而变化的，因此单个的MIMU导航系统难以完成高精度、长时间的导航任务[2]。MIMU的缺点是自主性差，抗干扰能力弱，接收机的数据更新时间长，难以满足导航系统的实时性。全球定位系统（GPS）是高精度实时卫星导航系统，定位的误差与时间无关。MIMU和GPS两者构成的组合导航系统的优点是克服了两者单独工作时的缺点，两者相互取长补短，能够完成较高精度、长时间的导航任务。

基于此，本文提出了一种易于工程实现的SINS/GPS组合导航系统结构，并设计出了该组合导航的样机，最后对样机进行的实验来验证该组合导航系统的实用性。

1　系统的基本原理

该组合导航系统分为以下三个部分：GPS、SINS和无迹卡尔曼滤波器（UKF）[4]。组合导航原理框图如图1所示。

图1　组合导航原理框图

2　系统硬件设计

SINS/GPS组合导航系统原理样机的硬件结构和实物图如图2、图3所示，包括以下五个部分：串口、MIMU、GPS接收机、AD转换模块和导航计算机[5]。

图2　系统的硬件结构

图3　硬件实物图

由于TMS320C6713BGDP内部没有异步串口，本文利用DSP多通道缓冲串行接口（McBSP）和全功能异步收发器（MAX3111）实现了由同步串口到异步串口的转换。硬件电路图如图4所示。

图4　McBSP与MAX3111的硬件电路图

MIMU采用ADI公司的单轴微惯性测量单元陀螺（ADXR620）和加速度（AD22279），其精度可以满足低速飞行器的要求。GPS接收机选用的是B1/B3/GPS/ GLONASS三模四频卫星导航接收模块；AD7606采用ANALOG DEVICES公司的产品，它的功能是16位、8个通道的同步采样模拟信号转换为数字信号的数据采集系统。硬件的尺寸直径80mm，高度为30mm，体现了系统的小型化。

3　UKF滤波算法

3.1UKF算法流程

若离散的非线性系统如下所示：

式中：xk为k时刻的状态向量，wk为状态噪声，uk为系统控制量，zk为观测向量，vk为观测噪声，它们的维数分别为n、q、p、m。假设噪声v和w都是均值为零的白噪声。且满足：

其滤波的具体步骤为，通过蒙特卡洛模拟法对σ进行采样，得到k时刻状态估计的σ点集合{kki/,χ}，并赋予对应的采样点的权值。

3.2预测方程

状态量的一步预测：

状态量的一步预测误差：

观测量的一步预测：

观测量的一步预测误差：

3.3更新方程

滤波增益矩阵：

滤波估计值：

滤波误差方差矩阵：

UKF是一定范围内的具有权重的点构成的集合，这些点在带入到非线性系统方程中就能够得到另外一群点的集合，后的到的这些点的集合用来反映下一时刻系统状态的预测值，其在传递函数关系上为非线性的数学模型，而实际处理的为一一对应的线性化，不再考虑面对一个具体系统模型的传递函数的具体表达式。算法不依赖于其他条件，应用范围广泛。利用此算法可以很好地完成对组合导航信息的融合。