低成本GPS_SINS组合导航系统的设计及实现方案

技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第３－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》嵌入式系统应用引言现有的各种导航系统各自有其优势和特色但也有其不足之处。

捷联惯性导航系统（ＳＩＮＳ）是利用惯性元件来感测载体的运动加速度，经过积分运算求出导航参数以确定载体位置；全球定位系统（ＧＰＳ）采用多星、高轨测距体制，通过四颗卫星同时进行距离测量从而解算出接收机的位置。

ＧＰＳ和ＳＩＮＳ都是目前世界上最先进的导航方法，二者各有优缺点，谁也代替不了谁。

惯性导航与卫星定位组合导航系统，能充分发挥各自优势，利用ＧＰＳ的长期稳定性与适中精度，来弥补ＩＮＳ的误差随时间传播而增大的缺点；利用ＩＮＳ的短期高精度来弥补ＧＰＳ接收机在受到干扰时误差增大或被遮挡时丢失信号的缺点。

ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合导航技术，可以大大提高输出数据更新率，防止导航定位误差随时间积累，提高了可靠性和抗干扰能力，是目前最先进、全天候、自主式导航定位技术。

１系统硬件设计本文所设计的ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合导航系统，按功能分为ＧＰＳ模块、ＳＩＮＳ模块、数据采集处理模块、ＬＣＤ显示模块和外围电路五大部分。

（１）ＧＰＳ模块：该模块采用ＧＡＲＭＩＮ公司的ＧＰＳ１５－ＯＥＭ板。

它是１２通道的ＧＰＳ接收机，供耗小，数据更新率为每秒一次。

（２）ＳＩＮＳ模块：该模块由一个ＡＤＩ公司的ＡＤＸＬ３３０三轴加速度计，和３个ＡＤＩ公司的ＡＤＸＲＳ１５０单轴陀螺仪构成。

ＡＤＸＬ３３０测量范围±３ｇ，ＡＤＸＲＳ１５０测量范围±３００°／ｓ。

（３）数据采集处理模块：本部分选用ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＬＰＣ２２１０ＡＲＭ处理器。

ＬＰＣ２２１０采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ微控制器，自带８路１０位逐次逼近式Ａ／Ｄ转换器。

最低转换时间２．４４ｕｓ。

２捷联惯性导航系统原理与初始对准２．１捷联惯性导航系统原理捷联式惯导系统最大的特点是没有实体平台，陀螺和加速度计直接安装在载体上，惯性元件的敏感轴安装在载体坐标系（ｂ系）三轴方向上，因为都是固连在载体上，所以测得的都是载体坐标系下的物理量。

陀螺仪输出的是载体相对于惯性空间转动的角速度在载体系中投影ωｂｉｂ，加速度计测量的是载体相对与惯性空间的加速度在载体系中的投影ａｂｉｂ，该量也称为比力，对于捷联惯性导航系统来讲，导航计算并不在载体系中进行，而要在导航坐标系（ｎ系）完成，因此，首先利用陀螺仪测得的ωｂｉｂ计算载体坐标系至导航坐标系的坐标变换矩阵Ｃｎｂ；然后利用此矩阵将加速度计测得的ａｂｉｂ变换到导航坐标系中；最后通过两次积分，即可得到导航参数。

另外，利用坐标变换矩阵的元素，又可以提取载体姿态信息，因此有时称之为姿态矩阵。

计算姿态矩阵、提取姿态角和比力变换这三项构成了捷联惯性导航系统的“数学平台”，代替了物理平台。

捷联惯导系统基本原理示意图如下图：２．２捷联惯性导航系统的初始对准初始粗准是通过确定初始的捷联矩阵将初始平台坐标系确定在一定的导航坐标上。

其目的就是在较短的时间内粗略地确定姿态矩阵Ｃｎｂ，为精对准提供基础。

Ｃｎｂ的初值可以通过加速度计和陀螺的测量求得，但是计算得到的矩阵实际是，为计算导航坐标系，与真正的导航坐标系ｎ不完全重合，存在一个偏角φｎ，不能准确地描述载体坐标系和导航坐标系之间的关系。

当求出系与ｎ系之间的夹角φｎ就可以对进行修正，进而得到较为准确的初始姿态矩阵Ｃｎｂ。

低成本ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合导航系统的设计及实现方案ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＬｏｗ－ＣｏｓｔＧＰＳ／ＳＩＮＳＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎ（苏州大学）皮运生施国梁ＰＩＹＵＮＳＨＥＮＧＳＨＩＧＵＯＬＩＡＮＧ摘要：本文利用微型惯性测量元件和ＧＰＳ－ＯＥＭ板，以ＡＲＭ处理器为核心，设计了一种低成本、轻小型的嵌入式ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合导航系统。

文中介绍了捷联惯导的原理和初始对准，给出了采用卡尔曼滤波前后系统的误差曲线，和ｕＣ／ＯＳ－ＩＩ操作系统下组合导航系统软件的结构。

关键词：捷联惯性导航；ＧＰＳ导航；组合导航；卡尔曼滤波中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｅｍｂｅｄＧＰＳ／ＳＩＮＳｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｅｏｆＡＲＭｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｌｏｗ－ｃｏｓｔｉｎｇＭＩＭＵａｎｄＧＰＳ－ＯＥＭｐａｎｅｌｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｓｔｒａｐｄｏｗｎｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｉｎｉｔｉａｌａｉｍｉｎｇｉｎｄｅｔａｉｌｓ．ＧｉｖｅｔｈｅｅｒｒｏｒｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｗａｒｅｂａｓｅｄｏｎｕＣ／ＯＳ－ＩＩ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔｒａｐｄｏｗｎｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；Ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；Ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇ文章编号：１００８－０５７０（２００８）０３－２－００２２－０２皮运生：硕士研究生ÁC X n X nÁC ２２－－邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新嵌入式系统应用《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注在进行初始对准时，设当地经度为λ，纬度为φ（由ＧＰＳ得到），地球的自转角速度和重力加速度已知，因此，和在ｎ系中分量都是确定的。

构造一新向量。

根据导航坐标系与载体坐标系之间的变换矩阵Ｃｎｂ可得到：上式中，可以测得，可通过计算获得，因此，解上述九个方程，就可以求出近似的姿态矩阵。

然后利用不同坐标系加速度值和角速度值之间的转化关系就可得到Ｆｎ：其中（为加速度计和陀螺的测量值）则ｎ系与系的转换关系为（考虑为正交矩阵）；由可得因此，利用求出的Ｆｎ，按上述公式即可对计算出的姿态矩阵进行修正。

在粗对准中没有考虑陀螺和加速度计的测量误差，为提高对准精度，精对准中必须加以考虑。

精对准采用卡尔曼滤波的方法进行计算，状态变量包括三个失准角、三个速度误差、三个陀螺漂移和三个加速度计误差，共计十二维状态变量。

卡尔曼滤波方程如下：其中Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ为平台误差角；为速度在东、北、天方向上的误差；为陀螺随机漂移；为加速度计误差。

Ｆ，Ｇ为组合导航中的动态矩阵及其噪声。

初始对准过程中采用速度匹配算法，则：按上述模型进行滤波解算，求出平台误差角，从而对计算的姿态矩阵进行修正，得到准确的初始姿态矩阵，达到精对准的目的。

３仿真实验组合导航系统所参照的坐标系均为当地“东北天”地理坐标系，捷联解算的频率为１０Ｈｚ，组合滤波的频率为１Ｈｚ。

引入ＧＰＳ接收机的位置和速度测量信息对ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合导航系统的误差进行卡尔曼滤波校正。

纯捷联惯导系统和组合导航系统的速度误差曲线如下图所示：纯惯导系统的北向速度误差曲线组合导航系统的北向速度误差曲线纯惯导系统的东向速度误差曲线组合导航系统的东向速度误差曲线仿真结果表明，基于卡尔曼滤波的ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合导航系统的定位精度要优于单独ＧＰＳ或ＳＩＮＳ系统的定位精度。

４系统软件设计由于导航计算的复杂性和实时性，很难用一个主循环和几个顺序调用的子程序模块的程序设计方法来进行处理。

所以我们选择了源码公开的实时操作系统ｕＣ／ＯＳ－ＩＩ。

本文所设计的组合导航系统软件部分如下图所示，共有七个模块组成：ＧＰＳ数据处理模块，ＳＩＮＳ数据处理模块，显示数据处理模块，姿态矩阵计算模块，导航计算模块，姿态计算模块，卡尔曼滤波模块。

每个模块均看成独立的任务。

在程序设计中我们设定微惯性测量单元的采样频率为１０Ｈｚ，ＧＰＳ的采样频率为１Ｈｚ，位置、速度信息的输出频率为１Ｈｚ，我们设计ＡＲＭ处理器每２０ｍｓ计算一次姿态矩阵，每１００ｍｓ进行一次导航计算和姿态角计算，并输出位置和速度信息，每１０００ｍｓ进行一次卡尔曼滤波，估计惯导系统的误差，用于反馈控制。

５结语ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合导航系统可以充分利用ＧＰＳ与ＳＩＮＳ之间的互补特性，无论在精度、可靠性方面，组合系统都优于单独的子系统。

随着电子工业的发展，各种低成本、高性能的微惯性元件层出不穷，这就为低成本组合导航系统提供了很好技术条件。

组合导航系统的应用范围也由单一军用导弹导航扩展到民用车辆、舰船、飞机导航等领域。

组合导航系统将会发挥越来越大的作用。

本文作者创新点：本文设计的ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合导航系统成本低廉，采用Ｋａｌｍａｎ滤波技术得到的导航数据精度可靠，具有很高的性价比。

软件方面使用ｕＣ／ＯＳ－ＩＩ操作系统实现了组合导航的实时性。

这三者的结合使用目前在国内的车辆组合导航领域应用的比较少，实现了技术应用上的创新。

参考文献［１］高社生，李华星等ＩＮＳ／ＳＡＲ组合导航定位技术与应用［Ｍ］西安：西北工业大学出版社２００４［２］付梦印，邓志红，张继伟Ｋａｌｍａｎ滤波理论及其在导航系统中的应用［Ｍ］北京：科学出版社２００３（下转第１８页）２３－－技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第３－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》嵌入式系统应用系统，一方面采用当前先进的嵌入式技术（包括嵌入式处理器及嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统）为核心进行设计；另一方面，改进了ＰＸＡ２７０处理器的接口及音视频解码模块接口，从而不仅使该系统支持ＰＣＩ总线协议，也支持优化的音视频硬件解码模块，而且还使系统具有更好的移植性。

该系统已经在一定应用场合得到了实践应用，并取得令人满意的结果。

本文作者创新点：采用３２位的ＩｎｔｅｌＰＸＡ２７０嵌入式处理器设计流媒体携带式系统，并且对处理器的接口系统进行了改进，使本不支持ＰＣＩ协议的处理器能够支持ＰＣＩ协议。

参考文献［１］ＶＬＣＭｅｄｉａＰｌａｙｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｖｉｄｅｏｌａｎ．ｏｒｇ／［２］邓丽娜，基于嵌入式操作系统的流媒体技术的研究与应用［Ｊ］．中国优秀博硕士学位论文，２００６［３］周多，陈章进，郑昌陆，ＰＣＩ协议接口的设计及验证［Ｊ］微计算机信息，２００５，５－２１：１９４－１９６［４］ＩｎｔｅｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＩｎｔｅｌＰＸＡ２７０ＰｒｏｃｅｓｓｏｒＤａｔａＳｈｅｅｔ，２００５［５］陈学凯，陈耀武，汪乐宇，基于流媒体的网络化嵌入式多媒体播放系统［Ｊ］．专题论坛，２００５作者简介：谢于晨（１９８３—），女，硕士研究生，研究方向为信号与信息处理，信号检测与处理；刘晔（１９５７—），女，教授，硕导，研究方向为通信技术与系统，信号检测与处理。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＸｉｅＹｕ－ｃｈｅｎ，Ｆｅｍａｌｅ，ＭａｓｔｅｒｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉ－ｔｙ，Ｓｔｕｄｙｆｉｅｌｄ：ｓｉｇｎａｌａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｓｉｇｎａｌｍｅａｓｕｒ－ｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＬｉｕＹｅ，Ｆｅｍａｌｅ，ａｎｄｐｒｏｆｅｓｓｏｒｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｍｅｎｔｏｒｏｆｍａｓｔｅｒ，Ｓｔｕｄｙｆｉｅｌｄ：ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙａｎｄｓｙｓｔｅｍ，ｓｉｇｎａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．（３３００３１南昌南昌大学信息工程学院电子信息工程系）谢于晨刘晔（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉ－ｔｙ，３３００３１）ＸｉｅＹｕ－ｃｈｅｎＬｉｕＹｅ通讯地址：（３３００３１江西江西省南昌市南昌大学红谷滩新区学府大道９９９号信息工程学院）刘晔转谢于晨（收稿日期：２００８．０１．０５）（修稿日期：２００８．０２．２０）（上接第２页）当需要增加或删除目标时，我们通过串口模块ＵＡＲＴ与主机进行命令交互，对串口的操作，／／初始化串口，设置波特率等ＸＵａｒｔＬｉｔｅ＿Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ（＆ＵＡＲＴ，ＸＰＡＲ＿ＵＡＲＴＬＩＴＥ＿ＤＥ－ＶＩＣＥ＿ＩＤ）？；／／发送和接收数据ＸＵａｒｔＬｉｔｅ＿Ｓｅｎｄ（＆ＵＡＲＴ，＆ｓｅｎｄ＿ｄａｔａ，１）？；ＸｕａｒｔＬｉｔｅ＿Ｒｅｃｖ（＆ＵＡＲＴ，＆ｒｅｃｖ＿ｄａｔａ，１）？；当需要增加一个探测目标时，给目标分配新的编号，同时将波门信息存入ｂ２指向的波门表，并如前插入排序，待下一次扫描周期到来时，按顺序进入跟踪寄存器，进行目标的跟踪。