崔 陸,魏志芳,鄧 攀
(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051)
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基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的INS/GNSS組合導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)
崔陸,魏志芳,鄧攀
(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051)
摘要:近年來(lái)INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的理論研究已趨于成熟,但是對(duì)于理論研究的結(jié)果卻難于驗(yàn)證. 利用高精度的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)完成INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn),對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究的理論與應(yīng)用具有重要的意義. 采用高速的PCI接口,基于已有的GNSS模擬器、 高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)搭建GNSS/IMU組合導(dǎo)航閉環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng),以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)作輸入輸出接口處理機(jī),二者以外部存儲(chǔ)器(EMIF)接口相聯(lián),并采用大容量SDRAM作為存儲(chǔ)單元,處理速度快,滿足了組合導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)對(duì)主控計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)吞吐和處理能力以及體積、 重量、 功耗諸方面的要求. 介紹了INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本構(gòu)成及其研制思路、 構(gòu)成和半實(shí)物仿真系統(tǒng)的工作流程,并給出了INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.
關(guān)鍵詞:慣性導(dǎo)航; 衛(wèi)星導(dǎo)航; 組合導(dǎo)航; 半實(shí)物仿真; 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)
由于INSS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的捷聯(lián)導(dǎo)航定位精度遠(yuǎn)高于單一方式導(dǎo)航定位,因此成為了諸多對(duì)導(dǎo)航定位精度有較高要求的各類型設(shè)備導(dǎo)航定位技術(shù)的主要發(fā)展方向之一. 應(yīng)用具有完全自主性的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成的INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng),是最具有應(yīng)用前景的組合導(dǎo)航系統(tǒng). 目前,INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的理論研究已經(jīng)相對(duì)成熟,但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,難于對(duì)現(xiàn)階段的理論研究成果進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證,而單純的數(shù)字模擬仿真難以滿足INS/GNSS組合導(dǎo)航理論與方法的實(shí)踐要求. 因此,采用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)完成INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn),對(duì)INS/GNSS組合導(dǎo)航研究的理論與應(yīng)用研究具有重要的意義[1,2].
本文以三軸轉(zhuǎn)臺(tái)作為慣導(dǎo)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載體,利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)源,完成INS/GNSS組合導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì),給出了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的工作流程,完成了INS/GNSS組合導(dǎo)航半實(shí)物仿真試驗(yàn).
1基于高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的INS/GNSS組合導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)的基本構(gòu)成
圖1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成Fig.1 Basic composition of the system
本系統(tǒng)是基于已有的GNSS模擬器、 高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)搭建的一個(gè)GNSS/IMU組合導(dǎo)航閉環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng). 該系統(tǒng)主要功能用于對(duì)INS/GNSS組合導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行半實(shí)物物理仿真,并能夠?qū)NS/GNSS接收機(jī)在相應(yīng)的場(chǎng)景下進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試.
系統(tǒng)的基本組成如圖1 所示. 應(yīng)用場(chǎng)景信號(hào)由IFEN公司NavX-NCS的GNSS模擬器產(chǎn)生,姿態(tài)仿真使用的高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)為中國(guó)航空工業(yè)公司北京航空精密機(jī)械研究所研制的SGT320E型三軸轉(zhuǎn)臺(tái),而IMU加速度采用數(shù)仿生成.
半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分:
1) 硬件電路部分: 以FPGA和DSP為核心的數(shù)據(jù)接收、 處理、 存儲(chǔ)、 變換與輸出主控系統(tǒng)板卡,實(shí)物圖見(jiàn)圖2:
圖2 主控系統(tǒng)板卡Fig.2 Main system control card
2) 硬件設(shè)備部分: 中國(guó)航空工業(yè)公司北京航空精密機(jī)械研究所研制的SGT320E型三軸轉(zhuǎn)臺(tái)及配套轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、 iFEN公司研制的NaX-NCS導(dǎo)航信號(hào)模擬器、 NoVatel公司研制的SPAN系列組合導(dǎo)航接收機(jī);
3) 軟件部分: 基于IMU數(shù)據(jù)融合板卡平臺(tái)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)仿真主控系統(tǒng),基于仿真計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的慣導(dǎo)/加速度數(shù)仿軟件;
4) 配件部分: 轉(zhuǎn)臺(tái)與IMU之間的固連結(jié)構(gòu)、 系統(tǒng)初始坐標(biāo)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、 電源以及各系統(tǒng)硬件接口及配件.
2半實(shí)物仿真系統(tǒng)的工作原理
仿真計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)包括數(shù)仿軟件和仿真主控系統(tǒng)兩個(gè)部分.
數(shù)仿軟件主要完成載體動(dòng)力學(xué)仿真,輸出載體姿態(tài)、 位置、 速度等慣性導(dǎo)航、 加速度信息,并以數(shù)據(jù)文件的形式保存,方便后續(xù)多次使用[6,7].
仿真主控系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心控制模塊,它在運(yùn)行中需要實(shí)時(shí)發(fā)送對(duì)iFEN模擬器、 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的控制信號(hào),同時(shí)從IMU模塊接收原始測(cè)量數(shù)據(jù),并與數(shù)仿軟件生成的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,輸出至組合導(dǎo)航系統(tǒng)[8].
系統(tǒng)在運(yùn)行中,要求模擬器與轉(zhuǎn)臺(tái)保持嚴(yán)格的同步關(guān)系,同時(shí)也要求IMU原始測(cè)量數(shù)據(jù)與加速度數(shù)據(jù)間保持同步關(guān)系. 模擬器在運(yùn)行中,通過(guò)后面板BNC接口輸出1 PPS秒脈沖信號(hào),主控軟件收到此脈沖信號(hào)后產(chǎn)生中斷,主控軟件以此時(shí)刻為分別產(chǎn)生20 PPS,100 PPS的均勻時(shí)間間隔分別觸發(fā)不同的DSP中斷.
根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)文件,該型號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)最大數(shù)據(jù)更新率可達(dá)1 kHz,因此設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制頻率為20 Hz. 在20 PPS中斷時(shí),主控軟件發(fā)送轉(zhuǎn)臺(tái)控制命令,控制轉(zhuǎn)臺(tái)的各軸按要求進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng).
在慣性解算數(shù)據(jù)融合模式下,在100PPS中斷時(shí),主控軟件將該時(shí)刻的慣性結(jié)算數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)時(shí)標(biāo)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,形成數(shù)據(jù)幀,通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口發(fā)送至組合導(dǎo)航系統(tǒng).
IMU數(shù)據(jù)融合板與組合導(dǎo)航機(jī)的接口需要兼容INS/GNSS組合導(dǎo)航接收機(jī)的IMU接口.
3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
3.1數(shù)仿軟件設(shè)計(jì)
數(shù)仿軟件需要產(chǎn)生提供給模擬器的航跡信息文件、 提供給主控軟件的用于控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)控制命令數(shù)據(jù)文件以及融合模式下IMU數(shù)據(jù)需要的融合加速度數(shù)據(jù)文件. 因此數(shù)仿軟件將基于STK軟件與C++語(yǔ)言進(jìn)行二次設(shè)計(jì)研發(fā),包括運(yùn)動(dòng)模型控制模塊、 姿態(tài)建模、 飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)生成模塊、 航跡數(shù)據(jù)生成模塊以及加速度數(shù)仿模塊[3].
3.2仿真主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1系統(tǒng)工作流程
仿真主控系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心控制模塊,系統(tǒng)在運(yùn)行中,要求模擬器與轉(zhuǎn)臺(tái)間保持嚴(yán)格的同步關(guān)系,同時(shí)也要求IMU原始測(cè)量數(shù)據(jù)與加速度數(shù)據(jù)間保持同步關(guān)系.
仿真主控系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示.
3.2.2系統(tǒng)同步控制模塊設(shè)計(jì)
為了保證系統(tǒng)在工作中個(gè)部分仿真數(shù)據(jù)時(shí)間嚴(yán)格的同步關(guān)系,需要從硬件板卡及主控軟件兩方面設(shè)計(jì)系統(tǒng)同步控制模塊.
1) 模擬器與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)同步控制模塊
在半實(shí)物仿真中,要求模擬器產(chǎn)生的導(dǎo)航信號(hào)與IMU所測(cè)得的三軸姿態(tài)信息在時(shí)間域和空間域同步,才能保證被測(cè)GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)正常工作. 因此要求模擬器導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生起始時(shí)刻與轉(zhuǎn)臺(tái)控制信號(hào)起始時(shí)刻嚴(yán)格同步[9,10].
為了避免硬件處理轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的延時(shí),本模塊先將需要發(fā)送給轉(zhuǎn)臺(tái)的控制命令幀提前存儲(chǔ)到大容量SDRAM中. 當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí),直接由DSP讀取命令幀并發(fā)送給三軸轉(zhuǎn)臺(tái),從而消除硬件延遲. 同時(shí)為了保證模擬器軌跡信號(hào)產(chǎn)生時(shí)刻與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻同步,本模塊利用觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)模擬器. 當(dāng)上位機(jī)控制軟件發(fā)送運(yùn)行命令時(shí),控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)用以觸發(fā)模擬器開(kāi)始運(yùn)行,同時(shí)此信號(hào)也作為能使DSP讀取并轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)臺(tái)控制命令幀的信號(hào). 從而實(shí)現(xiàn)了模擬器信號(hào)與轉(zhuǎn)臺(tái)位置控制指令發(fā)送的同步.
圖3 仿真主控系統(tǒng)工作流程Fig.3 The workfloe of The simulation control system
2) IMU實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)接收端實(shí)時(shí)同步模塊
GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)在接收IMU慣導(dǎo)數(shù)據(jù)時(shí)必須通過(guò)一個(gè)100 PPS的脈沖信號(hào)來(lái)控制,即每當(dāng)被測(cè)GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)接受到一個(gè)100 PPS脈沖上升沿,它將在500 μs之內(nèi)開(kāi)始接收數(shù)據(jù),如果在該上升沿延時(shí)500 μs之內(nèi)沒(méi)有接收到任何數(shù)據(jù)則視為接收數(shù)據(jù)失敗. 同時(shí),IMU設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)入硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)替換融合的操作,而替換融合后的IMU數(shù)據(jù)與GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)接收數(shù)據(jù)觸發(fā)信號(hào)(100 PPS脈沖信號(hào))延時(shí)必須小于500 μs才能被GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)準(zhǔn)確接收,因此IMU設(shè)備發(fā)送的測(cè)得數(shù)據(jù)與被測(cè)GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)接收端的實(shí)時(shí)同步就顯得尤為必要.
在本模塊內(nèi),控制系統(tǒng)首先接收到IMU設(shè)備輸出的100 PPS脈沖信號(hào),然后同步產(chǎn)生新的用于發(fā)送給GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)的100 PPS脈沖信號(hào); 同時(shí),基于高性能的DSP芯片,本模塊開(kāi)始進(jìn)行IMU數(shù)據(jù)替換融合處理,從而保證融合處理后的數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)觸發(fā)脈沖(100 PPS脈沖信號(hào))之間的延時(shí)小于120 μs,硬件系統(tǒng)處理信號(hào)所產(chǎn)生的延時(shí)降低到對(duì)結(jié)果影響可以忽略不記的范圍內(nèi),從而滿足被測(cè)GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)的指標(biāo)要求[4,5]
4系統(tǒng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1運(yùn)動(dòng)模型
圖4 STK運(yùn)動(dòng)軌跡模型Fig.4 The model of STK motion trail
4.2運(yùn)動(dòng)參數(shù)
表1 STK運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)
4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.3.1姿態(tài)角分析
圖5~圖7 分別為X軸(轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)軸),Y軸(轉(zhuǎn)臺(tái)中軸),Z軸(轉(zhuǎn)臺(tái)外軸)的運(yùn)動(dòng)角度,1號(hào)線為轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際角運(yùn)動(dòng),為轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量值,2號(hào)線為IMU積分后的角運(yùn)動(dòng),為IMU測(cè)量值,3號(hào)線為基于STK模型下的角度運(yùn)動(dòng),為數(shù)仿理想值(即真值).
從圖5~圖7 可以看出STK數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)重合度較高,即轉(zhuǎn)臺(tái)控制較理想.
圖5 X軸(俯仰角)角運(yùn)動(dòng)Fig.5 The motion of X axis (pitching Angle) angular
圖6 Y軸(滾轉(zhuǎn)角)角運(yùn)動(dòng)Fig.6 The motion of Y axis (roll Angle)
圖7 Z軸(航向角)角運(yùn)動(dòng)Fig.7 The motion of Z axis (course Angle)
圖8 IMU相對(duì)STK真值的角度誤差Fig.8 Angular error between IMU and STK
4.3.2角度誤差分析
圖8 為IMU測(cè)量值相對(duì)STK真值的絕對(duì)誤差,X,Y,Z軸誤差期望分別為: 0.852 8,1.028 6,3.617 6(單位: (°)); 標(biāo)準(zhǔn)差為: 0.351 1,0.489 9,2.225 1 (單位: (°)),IMU實(shí)測(cè)Bias Offset(偏置誤差)為: 12.686°/hr,IMU手冊(cè)性能指標(biāo)Bias Offset為: 20°/hr.
圖9 為轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量值相對(duì)STK真值的絕對(duì)誤差.X,Y,Z軸誤差期望分別為: 0,0.000 05,0.000 4(單位: (°)); 標(biāo)準(zhǔn)差為: 0,0.000 09,0.000 5(單位: (°)).
圖10 為IMU測(cè)量值相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量值的絕對(duì)誤差.X,Y,Z軸誤差期望分別為: 0.852 8,1.028 6,3.618 1 (單位: (°)); 標(biāo)準(zhǔn)差為: 0.351 1,2.225 3IMU實(shí)測(cè)Bias Offset(偏置誤差)為: 12.836°/hr,IMU手冊(cè)性能指標(biāo)Bias Offset為: 20°/hr.
圖9 轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)STK真值的角度誤差Fig.9 Angular error between Turntable and STK
圖10 IMU相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的角度誤差Fig.10 Angular error between IMU and turntable
5結(jié)論
5.1實(shí)驗(yàn)結(jié)論
1) 從圖9中曲線得出轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)和STK數(shù)據(jù)幾乎重合,誤差在0.0001數(shù)量級(jí),在轉(zhuǎn)臺(tái)誤差范圍內(nèi),由此認(rèn)為轉(zhuǎn)臺(tái)控制正確實(shí)現(xiàn);
2)由于IMU自身的零偏存在,所以IMU的數(shù)據(jù)誤差相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差較大,偏置量大小在IMU性能指標(biāo)偏置量的范圍之內(nèi),即認(rèn)為當(dāng)前IMU的誤差在是合理存在的;
3) IMU的零偏,隨著測(cè)試時(shí)間的增加,IMU積分所得到的角度的誤差變化不定;
4) 轉(zhuǎn)臺(tái)誤差為5″,轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)變化量為3.1833″.
5.2性能分析
1) 系統(tǒng)滿足了IMU更新速率最高100Hz要求,并根據(jù)實(shí)際被測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)IMU速率5~100 Hz可調(diào);
2) IMU數(shù)據(jù)融合板卡與GNSS模擬器的場(chǎng)景時(shí)間同步經(jīng)度5 ms;
3) 對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制經(jīng)度0.001°;
4) 載體數(shù)仿加速度經(jīng)度偏差絕對(duì)值不大于1 mg,加速度數(shù)仿偏差穩(wěn)定性絕對(duì)值不大于0.5 mg;
5) 仿真計(jì)算機(jī)測(cè)算的INS/GNSS接收機(jī)(采用NovAtel公司的SPAN-CPT組合導(dǎo)航接收機(jī))測(cè)試結(jié)果與設(shè)定的運(yùn)動(dòng)載體定位誤差不高于2 m(3DRMS),姿態(tài)誤差不高于0.05°,測(cè)速精度不低于0.01 m/s.
6結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了以下功能:
1) 組合導(dǎo)航閉環(huán)仿真軟件能夠建立載體運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型,完成載體動(dòng)力學(xué)仿真,輸出載體姿態(tài)、 位置、 速度等慣性導(dǎo)航(INS)信息,實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái);
2) 建立GPS與INS之間的系統(tǒng)交聯(lián),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和時(shí)間同步;
3) 仿真軟件能夠?qū)崟r(shí)驅(qū)動(dòng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬載體的姿態(tài)、 轉(zhuǎn)速,模擬加速度計(jì)輸出,并能同時(shí)驅(qū)動(dòng)GPS模擬器輸出與INS同步的GPS信號(hào).
在多次實(shí)驗(yàn)中,INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差處于不斷積累中,并隨轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)而表現(xiàn)出不同的趨勢(shì). 而半實(shí)物仿真系統(tǒng)的誤差一直穩(wěn)定在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi). 因此,INS/GNSS組合導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)真實(shí)有效地再現(xiàn)了慣性系統(tǒng)的誤差積累,其結(jié)果驗(yàn)證了理論方法的正確性,同時(shí)為INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用起到了有意義的借鑒作用.
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Design of INS/GNSS Integrated Navigation Hardware-in-the-Loop Simulation System Based on the Three-Axis Turntable
CUI Lu, WEI Zhifang, DENG Pan
(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)
Abstract:In recent years the study of the theory of the INS/GNSS integrated navigation system has been mature, but the results of the theoretical research are difficult to verify.Utilizing the high-accuracy-three-axis turntable to complete the INS/GNSS Integrated Navigation Semi-physical simulation is important to the theory and application on the research of integrated navigation. INS/GNSS integrated navigation hardware-in-the-loop simulation system with high speed PCI interface is based on the existing GNSS simulator, high precision Three-axis Turntable, A digital signal processor (DSP) and field programmable gate array (FPGA) which is connected with the external memory interface (EMIF) are used as the input and output interface processor.The using of large capacity SDRAM as storage unit lead to high processing speed,and the requirements of the main control computer in data throughput and processing capacity, volume, weight and power consumption are met.The basic composition of INS/GNSS integrated navigation system is presented, the idea and constitution of the INS/GNSS integrated navigation and the working process of the hardware-in-the-loop simulation system is described, the experiment results of INS/GNSS integrated navigation system is also given.
Key words:inertial navigation; satellite navigation; integrated navigation; hardware-in-the-loop simulation; three-axis turntable
中圖分類號(hào):TJ765.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.02.010
作者簡(jiǎn)介:崔陸(1989-),男,碩士,主要從事閉環(huán)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)研究.
收稿日期:2015-08-09
文章編號(hào):1671-7449(2016)02-0149-07