基于Zynq7020 的组合导航处理平台软硬件系统的设计与实现

王世臣，张代省，范兴民

（1.安徽四创电子股份有限公司，合肥 230031；2.北斗卫星导航技术安徽省重点实验室，合肥 230031）

1 组合导航处理平台

惯性导航系统的理论基础是牛顿力学定律—惯性定律，利用惯性敏感元件、基准方向和初值位置确定载体的位置、速度和姿态，为自主式导航系统。但惯导系统会随着时间累积误差，严重时会影响导航精度，需引入外部数据对惯导系统进行定时校正，采用两种或两种以上的导航设备组合，构建组合导航系统，目前主流的组合方式为卫星导航系统（GNSS）和惯性导航系统（INS）相组合[1][2]，组合导航系统中的导航处理平台一般采用FPGA+DSP 的架构实现，缺点是体积大、功耗高。随着组合导航系统集成化程度的要求越来越高，我们提出一种基于Zynq 处理器构建组合导航处理平台的方案，充分利用平台优势，有效减小系统体积和功耗。

2 总体设计方案

组合导航系统平台系统架构如图1所示：

图1 组合导航处理平台系统架构图

该处理平台由ZYNQ7020，ADC，DDR3，eMMC，UART，网络及422/485等接口组成。主要完成信号处理（对陀螺信号、加速度计信号、卫导信号等进行处理）、数据采集、导航解算、数据存储、数据传输等功能。

①陀螺仪和加速度计输出为TTL 信号，利用ZYNQ7020的PL 端采集两个TTL 脉冲信号，并进行计数。

②陀螺控制板与ZYNQ7020 PL 端采用UART TTL 通信，用于实现陀螺仪的抖频和稳频控制。

③卫星导航接收机通过RS422差分输入，经电平转换后与PL 端进行通信，用于卫星导航接收机的原始观测量数据和导航信息的采集。

④采用RS422接口输出导航解算结果至外部系统，提升通信可靠性和抗干扰能力。

⑤系统预留网络和RS485等接口，便于系统调试和软件升级。

⑥系统采用大容量的存储（eMMC）和运行内存（DDR3），PL 和PS 端共享内存，用于数据采集和解算处理。

Zynq7020 作为平台核心，是基于Xilinx 所有可编程SOC（APSOC）架构，由PS 和PL 两大部分组成，两者之间通过AXI接口通信，AXI-HP 和AXI-ACP 协议下，PS 仅能读数据，在AXI-GP 模式下，PS 可以读写数据。Zynq7020架构如图2所示：

图2 Zynq7020架构

3 软件设计方案

基于系统稳定性和可扩展性考虑，软件设计采用高内聚低耦合的设计思想。划分为多个模块，各模块间接口统一，易于维护和升级。组合导航处理平台软件设计架构如图3所示。

（1）PL 端软件主要包括温度信号采集，陀螺信号和加速度计信号采集与处理，卫星导航信号的数据采集与存储。

（2）Zynq 处理器的PS 端有两个ARM 处理器，分别完成不同功能。其中，一个ARM 处理器将PL 端采集和处理的信号，进行惯性导航解算，输出姿态和加速度信息。并与卫星导航构建组合导航系统，实现滤波算法，输出高精度位置、姿态和速度信息。同时还完成系统初始对准、杆臂校正及误差估计等功能，为整个系统的核心。

图3 系统软件架构图

①初始对准模块：根据加速度计、激光陀螺完成初始对准并确定姿态矩阵。根据卫星导航模块或用户输入的位置信息确定当地经纬度。

②惯性导航解算：姿态、速度、位置更新模块分别用于计算载体的姿态、速度、位置数据。

③组合导航滤波：根据当前的工作模式，选择使用惯导系统输出的姿态、速度信息，卫星导航设备输出的位置信息，根据不同的变量建立卡尔曼滤波方程，然后进行信息融合处理。

④杆臂校正：完成载体坐标系和导航坐标系间的姿态变换。

⑤误差估计：完成陀螺及加速度计的零偏估计，进一步提升系统的精度。

（3）Zynq 处理器的ARM 端软件，主要完成系统接口控制，协议转换和数据存储等功能，用于完成组合导航系统与外部系统对接。

4 数学模型及仿真

组合导航处理平台的算法实现所采用的数学模型主要包括姿态矩阵、四元数法、比利方程、速度更新、位置更新及卡尔曼滤波等[3][4]。

4.1 导航坐标系（n 系）到载体坐标系（b 系）转换

4.2 四元数法表示姿态

四元数法与姿态矩阵的关系：

4.3 比利方程

4.4 速度更新

速度更新微分方程：Vk+1=f（Vk，fb（tk）），速度增量：

4.5 位置更新

4.6 组合导航滤波算法

采用卡尔曼滤波器组合导航算法，实现误差最有估计，具体实现流程如图4所示。

图4 组合导航滤波算法框图

5 结束语

通过采用Zynq7020处理器平台，构建组合导航系统，可以大大降低系统的设计复杂度，充分利用该平台的多核应用架构，总线内部完成数据交互，缩短了数据缓存延迟。通过算法优化，利用双ARM 处理器协同工作，提升产品性能，提高系统的稳定性和可靠性。