基于DSP+FPGA的SINS/GPS组合导航系统设计∗

闫强 程国建

（1.西安石油大学西安710065）（2.中兴通讯股份有限公司西安710065）

基于DSP+FPGA的SINS/GPS组合导航系统设计∗

闫强1，2程国建1

（1.西安石油大学西安710065）（2.中兴通讯股份有限公司西安710065）

小型化、低成本组合导航系统是现今惯性导航系统的重要发展趋势，论文设计了基于DSP+FPGA技术的SINS/ GPS组合导航系统。完成了计算机硬件电路的设计，用DSP+FPGA替代了原微处理器作为核心处理器工作模式的同时，设计了捷联解算算法，实现了系统通讯、数据采集以及导航数据解算的功能，并通过初始对准试验对设计方案进行了验证。

SINS/GPS；组合导航系统；DSP+FPGA；捷联解算算法

Class NumberTN96.2

1 引言

SINS/GPS组合导航是军用领域主要的导航方法［1～8］。作为外部信息源的GPS与捷联惯性导航系统（SINS）结合的组合导航系统可以解决它们单独工作的缺陷，相互弥补。SINS在很大程度上弥补了GPS信号易受干扰的缺陷，GPS则给出了SINS所需的外界校正信息，两者组合可实现系统在满足小型化、低成本要求的同时完成较高精度的长航时导航任务。计算机电路作为组合导航系统的大脑，要同时完成外部大量数据的采集、捷联惯性导航数据的解算、多数据的融合与计算结果的输出等工作。目前，大多数SINS仍采用PC104处理器，其体积大、集成度低、速度慢、实时性差，无法大批量的采集和解算数据。数字信号处理器（DSP）具有高集成度、高运算速率和高精度的特点［9～14］，现场可编程门阵列（FPGA）拥有编程灵活、集成度高、设计开发周期短等特点，因此本文采用DSP+FPGA的方案实现计算机电路的设计，DSP作为导航解算和控制的核心处理器，FPGA作为辅助设备，用于实现缓冲数据、扩展端口和逻辑控制等功能。

2 系统的硬件设计

SINS/GPS组合导航系统由加速度计、陀螺仪、电源电路、计算机电路等模块组成。计算机电路设计原理图如图1所示，包含最小系统电路与数据采集电路两部分。其中，加速度计采用石英加速度计，陀螺仪采用三轴一体激光陀螺仪。

图1计算机电路整体设计框图

2.1 DSP最小系统

DSP最小系统主要完成组合导航解算功能［15～17］，包括TMS320C6713、外扩FLASH存储器、外扩SDRAM存储器以及电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG仿真接口等几大部分。除了独立组成一个子系统外，DSP最小系统还必须提供与FPGA的接口，完成与外界的信息交换。图2为DSP最小系统的结构示意图。

图2DSP最小系统框图

其中，复位电路完成整个系统的复位操作，复位时间大于DSP TMS320C6713芯片10个时钟周期，采用手动复位和系统上电复位两种模式。时钟电路主要由锁相环（PLL）及锁相环控制器、锁相环电源滤波电路和时钟发生电路三个部分组成。锁相环电源滤波电路给锁相环控制器提供稳定的电源，锁相环控制器将外部输入的标准时经过倍频和分频后产生DSP内核时钟、EMIF总线时钟和两路外部输出时钟。最小系统板中使用三种电源电压：+5V为电压调整芯片输入电压，是整个系统的电源，+1.2V为DSP核心电源，+3.3V为DSP I/O口、PLL、FLASH和SDRAM电源，根据芯片的实际电气特性分析，电源电路分别选取了LD1117#12和LD1117#33两个具有固定输出电压的电源芯片来提供DSP芯片所需的核电压和I/O口电压。

2.2 数据采集系统

数据采集电路的功能是定时采集3路陀螺、3路加速度计的输入信号，并对输入的信号进行计数和锁存处理。通过串口接收GPS信号并与外界交换信息。数据采集电路主要包括输入信号整形、输入信号光耦隔离、串口通讯、FPGA模块等部分。除了独立完成组合导航数据采集功能外，还必须提供与DSP的接口，完成将数据采集结果上传给DSP的任务。图3为数据采集电路的结构示意图。

图3数据采集电路框图

数据采集电路的复位电路和时钟电路与DSP最小系统的相同。数据采集系统需要对3路加速度计的输入信号和1路频标输入信号进行整形处理，使输入信号满足TTL电平标准，提高系统工作可靠性。本系统采用RC滤波加施密特触发器实现对输入信号进行整形的目的。FPGA上电后通过专用引脚从PROM芯片中获取程序对其内部实施编程操作，完成对FPGA的配置。电源电路有三种电源电压，+5V是整个电路板的输入电压，+1.8V是FPGA芯片电源电压，+3.3V是施密特触发器、光耦芯片输出端上拉电源、串口芯片电源和PROM芯片电源。

3 系统的软件设计

计算机电路的功能需要通过软件设计进行实现。分别在最小系统电路和数据采集电路两个硬件平台进行［18～20］。

3.1 最小系统电路软件设计

最小系统电路主要完成导航数据的融合处理。其软件主要实现最小系统的引导装载以及将从数据采集电路得到的数据进行导航解算，并保存相关数据的功能。其中，主程序部分实现整个导航算法，包括SINS的误差补偿、初始对准、捷联惯性导航算法和组合导航融合算法等程序模块。主程序的编程语言采用C语言和汇编语言。SINS导航算法采用C语言编写，并嵌入了硬件电路控制的汇编语言。这样的编程方式有效利用了C语言的高效可读性，又利用了汇编语言的准确性、及时性，提高了程序的执行速度和可移植性，便于实现硬件的控制。

SINS/GPS组合导航系统初始对准主要任务是在对SINS进行误差补偿后为捷联解算算法确定载体坐标系和真实导航坐标系之间的捷联矩阵初始值，为后续组合导航算法提供准确的基准。初始对准流程图如图4所示。SINS系统初始对准分为粗对准和精对准两个过程。粗对准用来缩短对准时间，它要求在较短的时间内粗略地计算出初始姿态矩阵，在此基础上再进一步进行精对准，以达到对准的精度要求。

图4初始对准流程图

3.2 数据采集电路软件设计

数据采集电路FPGA的设计流程有设计输入、功能仿真、综合、实现、时序仿真、配置下载六个步骤，主要实现译码器、分频器、计数器、锁存器等功能，其中加速度计的计数锁存通道同光纤陀螺仪的计数锁存通道相似。当数据采集板开始工作时，各通道计数器分别对3路加速度计、3路陀螺的输入脉冲信号进行计数，同时分频器在接收到DSP输入的计数值后对外部输入的频标信号进行减1计数，当分频器数值为“0”时，向各路锁存器发出锁存信号，将相应的计数器数值锁存，同时向DSP发出中断请求信号，请求DSP读取锁存器中的计数值。DSP响应中断后由译码器依次选通各路锁存器，将锁存器中的数据读取到DSP中进行处理。程序采用比较通用的VHDL语言，程序的编写只需直接对对象进行系统级的逻辑行为描述，从而避开具体的器件结构来进行系统的设计，它的可移植能力和多层次设计描述能力比较强。

4 试验验证及结果分析

SINS/GPS组合导航系统设计完成后进行初始对准试验。实验地点选在试验室进行。当地纬度：34.1767°，经度：108.9511°。误差补偿完成后进行粗对准，时间为120s，可得到粗对准结束之后的三个方向上的失准角误差为：[-0.2353°，-2.8088°，-0.7530°]，即为精对准的初始失准角误差。精对准采用静基座条件下卡尔曼滤波方法来完成。在此设计了初始对准误差模型的卡尔曼滤波器，将SINS的速度作为量测量，在精对准过程中采用卡尔曼滤波器来估计失准角误差。滤波器每秒滤波一次，滤波时间总共300s。试验结果估计图如图5所示。从图中可以看出，东北天三个方向失准角的估计效果较好，收敛速度较快，其时间和精度均可满足实际使用要求。

图5失准角误差估计图

5 结语

本文设计完成了一种以DSP+FPGA为核心的SINS/GPS组合导航系统，用DSP+FPGA技术替代传统使用的微处理器作为核心处理器的工作模式，采用工程上较为实用的卡尔曼滤波方法进行初始对准试验，有效地验证了DSP最小系统和FPGA数据采集系统功能的有效性以及设计灵活性和高拓展性，实现了在保持系统精度的同时小型化、低成本的设计目的。

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Design of Strapdown Inertial Navigation System Based on DSP/ FPGA

YAN Qiang1，2CHENG Guojian1
（1.Xi'an Shiyou University，Xi'an710065）（2.ZTE Corporation，Xi'an710065）

That the integrated navigation system has the miniaturization and low cost is an important development trend of cur⁃rent.This paper designed the SINS/GPS integrated navigation system based on technology of DSP+FPGA.It designed the hardware circuit，using DSP+FPGA to replace the original microprocessor as the core processor working mode.At the same time，the strap⁃down decoding algorithm was designed.The design implemented the function about the system communication，data acquisition and navigation data decoding，and were verified by the initial alignment test.

SINS/GPS，integrated navigation system，DSP+FPGA，strapdown decoding algorithm

TN96.2

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.024

2017年1月3日，

2017年2月19日

程国建，男，教授，博士，研究方向：计算智能、机器学习、模式识别、数据挖掘、图像处理、智能油藏工程、商业智能、清洁能源及CO2封存及利用等。闫强，男，硕士研究生，研究方向：计算机应用技术研究。