1 引 言
全球定位系統(tǒng)( GPS)具有全球覆蓋、全天候,、實(shí)時(shí)導(dǎo)航,、導(dǎo)航定位誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)。但是,，GPS衛(wèi)星信號(hào)容易受到人為干擾,；在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，將產(chǎn)生較大的衛(wèi)星信號(hào)跟蹤誤差,， 不能滿足載體實(shí)時(shí)導(dǎo)航與制導(dǎo)要求,。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主式、隱蔽性導(dǎo)航,， 工作環(huán)境不受介質(zhì)限制,， 能提供豐富的導(dǎo)航信息， 以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出率高等優(yōu)點(diǎn),。
由于GPS 與慣導(dǎo)均存在其自身難于克服的缺陷,。因此， 在實(shí)際工程應(yīng)用中,， GPS /慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用較為廣泛,。如圖1所示。GPS與慣導(dǎo)組合后的優(yōu)勢(shì)在于:
( 1)克服各自缺點(diǎn),， 取長(zhǎng)補(bǔ)短,， 組合導(dǎo)航精度高于兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立工作的精度;( 2)提供利用GPS導(dǎo)航" title="GPS導(dǎo)航">GPS導(dǎo)航信息校正慣性傳感器的有效手段， 實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)在線校正;( 3)當(dāng)載體機(jī)動(dòng)或干擾使衛(wèi)星信號(hào)失鎖時(shí),， 可以暫時(shí)由慣導(dǎo)系統(tǒng)提供導(dǎo)航數(shù)據(jù);( 4)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供連續(xù)寬帶的位置,、速度和姿態(tài)估計(jì)比單獨(dú)使用GPS的結(jié)果平滑;( 5)利用慣導(dǎo)系統(tǒng)速度信息輔助GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)， 可以增大等效噪聲帶寬,， 既保證在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤,， 又提高接收機(jī)的抗干擾性能;( 6)組合系統(tǒng)有利于GPS衛(wèi)星信號(hào)的完整性監(jiān)測(cè)， 增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性能和容錯(cuò)能力;( 7)對(duì)于GPS 載波相位測(cè)量,， 慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的信息有利于GPS衛(wèi)星整周模糊度參量的快速解算,，可以很好地解決周跳探測(cè)與修復(fù)問(wèn)題， 并且降低至少4顆衛(wèi)星同步可觀測(cè)的要求;( 8)采用中,、低精度的慣性儀表與GPS OEM 板集成,， 不僅技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)， 滿足實(shí)際應(yīng)用的精度要求,， 而且設(shè)備研制成本低,， 可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益,。
圖1 GPS /慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的互補(bǔ)性
2 GPS /慣導(dǎo)組合模式
依據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)， GPS 與慣導(dǎo)系統(tǒng)有多種組合形式,， 但其本質(zhì)都是一致的,。其中較為先進(jìn)的是利用偽距和偽距率信息的緊耦合組合模式。如圖2所示,， 緊耦合模式的優(yōu)點(diǎn)在于:
( 1) GPS與慣導(dǎo)系統(tǒng)集成,， 實(shí)現(xiàn)硬件一體化， 導(dǎo)航計(jì)算精度高,， 實(shí)際應(yīng)用更為有效,。
( 2)不需要同時(shí)跟蹤4 顆以上的衛(wèi)星， 才能進(jìn)行組合導(dǎo)航計(jì)算,。
( 3)使用一個(gè)卡爾曼濾波器,， 當(dāng)GPS 不能正常工作時(shí)， 慣導(dǎo)系統(tǒng)暫時(shí)提供導(dǎo)航參數(shù),。
圖2 GPS /慣導(dǎo)緊耦合模式原理框圖
3 緊耦合GPS /慣導(dǎo)組合系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
GPS /慣導(dǎo)緊耦合系統(tǒng)硬件可以分為五個(gè)部分,，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 緊耦合GPS /S INS系統(tǒng)硬件組織設(shè)計(jì)圖
( 1)數(shù)據(jù)采集部分,， 由GPS接收天線,、GPS OEM板、陀螺儀,、加速度計(jì),、數(shù)據(jù)采集卡和雙口RAM 組成。其中,， 數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)具有不同的采樣頻率,， 能夠同時(shí)采集模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)， 由8051單片機(jī)加上一些外圍芯片組成的數(shù)據(jù)采集卡,；也可以使用專(zhuān)用的GPS+ 慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡,， 如TMS320C25數(shù)據(jù)采集卡。在GPS,、慣導(dǎo)系統(tǒng)與導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理器( CPU )之間的數(shù)據(jù)傳輸可以利用雙口RAM,， 以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存取。
( 2)導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理部分,， 采用單片機(jī)(如80196單片機(jī)或8086 /8087單片機(jī)) ,， 通過(guò)總線從ROM 中將應(yīng)用程序調(diào)入導(dǎo)航處理器( CPU )進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果再次放回總線,， 對(duì)慣性測(cè)量器件進(jìn)行誤差補(bǔ)償,、輔助GPS OEM 板的信號(hào)跟蹤環(huán)路、顯示導(dǎo)航信息,、傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)和外部通信接口等,。此外,， 還負(fù)責(zé)系統(tǒng)部件的協(xié)調(diào)與管理， 維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,。
( 3)用戶界面部分是人機(jī)對(duì)話的工作平臺(tái),， 由液晶顯示器和輸入鍵盤(pán)組成， 顯示導(dǎo)航信息,， 對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù),。
( 4)電源部分， 由電源模板,、電子模板,、高壓甚高壓模板和配電系統(tǒng)構(gòu)成,， 為GPS OEM 板,、慣導(dǎo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡,、以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理器等提供各種標(biāo)準(zhǔn)電源支持,。
( 5)通信接口部分包括系統(tǒng)內(nèi)部元件接口通信和系統(tǒng)與外部接口通信， 前者采用M IL STD1553總線,；后者將外部測(cè)量數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng),， 如氣壓測(cè)高數(shù)據(jù)、雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)等,， 以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正或多系統(tǒng)組合導(dǎo)航,， 也可以將系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備。
4 緊耦合GPS /慣導(dǎo)組合系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
GPS /慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備包括8 個(gè)軟件功能模塊,， 各個(gè)功能模塊之間的連接如圖4所示:
( 1)系統(tǒng)啟動(dòng)與自檢模塊,， 負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備開(kāi)啟，檢測(cè)設(shè)備部件的運(yùn)行狀況,， 對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警,， 提示工作人員給予相應(yīng)的指示操作。
( 2)系統(tǒng)管理模塊,， 負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備的協(xié)調(diào),、管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與清理工作,。
( 3)系統(tǒng)初始化模塊,， 使用GPS 進(jìn)行快速定位和姿態(tài)測(cè)定， 實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn),。
( 4)數(shù)字信號(hào)處理模塊,， 負(fù)責(zé)GPS接收機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理。
( 5)數(shù)據(jù)采集模塊,， 負(fù)責(zé)GPS,、慣導(dǎo)系統(tǒng)基本觀測(cè)量的數(shù)據(jù)提取,， A /D轉(zhuǎn)換等工作。
( 6)數(shù)據(jù)傳輸模塊,， 將GPS,、慣導(dǎo)基本觀測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU， 進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理,， 將最終導(dǎo)航信息傳輸?shù)綄?dǎo)航顯示設(shè)備和控制系統(tǒng)等,。
( 7)導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊， 負(fù)責(zé)各種導(dǎo)航算法的實(shí)現(xiàn),。
( 8)用戶界面模塊,， 提供用戶界面， 具有顯示導(dǎo)航信息,、數(shù)據(jù)查詢和錯(cuò)誤提示等功能,。
圖4 GPS /慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)軟件模塊化實(shí)現(xiàn)框圖
5 結(jié)束語(yǔ)
基于微處理器強(qiáng)大的計(jì)算和通信能力， 解決對(duì)主被動(dòng)導(dǎo)航的多傳感器數(shù)據(jù)融合問(wèn)題,， 克服了GPS導(dǎo)航機(jī)動(dòng)性能差,、衛(wèi)星信號(hào)失鎖、慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差隨時(shí)間漂移的主要缺點(diǎn),， 取長(zhǎng)補(bǔ)短,。使組合導(dǎo)航系統(tǒng)既增大了等效噪聲帶寬， 保證在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤,， 又提高了接收機(jī)的抗干擾性能,、系統(tǒng)可靠性能和容錯(cuò)性能， 從而輸出平滑連續(xù)的導(dǎo)航信息,。