INS/GNSS/CSAC/高度計組合導航微系統(tǒng)硬件設計*

王 琮 聶宜召 王雪博 蔣張濤 辛增獻

上海無線電設備研究所，上海 201109

0 引言

傳統(tǒng)的導航系統(tǒng)如衛(wèi)星導航系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)、無線電導航系統(tǒng)、多普勒導航系統(tǒng)等，均存在著一些不足和缺陷，已無法滿足現(xiàn)代人們的需求。大量研究和實踐表明組合導航系統(tǒng)的導航性能要優(yōu)于單一導航系統(tǒng)。組合導航也已經成為當前研究的一項熱門領域。

將慣性導航系統(tǒng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)相組合可有效克服其各自的缺點，大幅提高導航系統(tǒng)整體的性能[1]。文獻[2-3]針對衛(wèi)星信號易受干擾的問題，選擇用芯片原子鐘為衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供穩(wěn)定、精確的頻率信息，從而改善導航系統(tǒng)定位精度及定位穩(wěn)定性，進而降低衛(wèi)星信號受干擾后對導航系統(tǒng)產生的影響。文獻[2]中還利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)為芯片原子鐘提供一個穩(wěn)定的高精度秒脈沖信號，從而解決原子鐘自身的時間誤差累積問題。文獻[4]針對衛(wèi)星導航接收機受衛(wèi)星分布影響導致的垂直精度低于水平精度的問題，提出了一種利用氣壓高度計抑制導航系統(tǒng)中高度誤差和野值出現(xiàn)的方法。

基于以上背景及理論，本文以INS、GNSS、CSAC和高度計為基礎構建一體化的組合導航微系統(tǒng)。跑車實驗表明INS/GNSS/CSAC/高度計組合導航微系統(tǒng)的導航性能要優(yōu)于其中的單個導航系統(tǒng)，且抗干擾能力較強。

1 組合導航微系統(tǒng)工作原理

INS/GNSS/CSAC/高度計組合導航微系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。下面分別介紹圖中5個主要模塊的工作原理：

圖1 組合導航系統(tǒng)工作原理圖

1)CPT芯片原子鐘：基于相干布局囚禁原理輸出穩(wěn)定的頻率供GNSS接收機使用，可有效改善接收機的定位精度并使其環(huán)路更加穩(wěn)定且不容易失鎖[5]。當用GNSS接收機輸出的1PPS信號對芯片原子鐘進行馴服，便可實現(xiàn)外秒同步功能。

2)GNSS導航系統(tǒng)：利用天線接收太空中可見的衛(wèi)星信號，并對這些信號進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對定位方程進行解算求出載體當前的位置、速度信息[6]。

3)慣性導航系統(tǒng)：在對陀螺和加速度計輸出的數(shù)據(jù)進行補償后，通過更新姿態(tài)矩陣和進行積分運算，求出載體當前在導航坐標系下的導航參數(shù)[7]。GNSS接收機可利用其輸出的慣性信息改善自身的捕獲及跟蹤效果。

4)高度計模塊：利用氣壓傳感器測量當前氣壓和溫度，并進行必要的補償及校準，最后通過氣壓高度轉換公式求解載體當前的垂直高度信息。

5)組合導航系統(tǒng)：收到各個子系統(tǒng)傳來的導航信息后，會選擇融合模型，匹配濾波策略，并進行故障檢測，接著進行信息融合和信息分配，最后再對相關參數(shù)進行誤差修正后，輸出一個最優(yōu)的導航結果[8]。

2 組合導航微系統(tǒng)硬件設計

INS/GNSS/CSAC/高度計組合導航微系統(tǒng)主要由DSP+FPGA的組合導航信息處理板、微慣性測量單元、ARM+MS5611的數(shù)字氣壓高度計模塊和CSAC模塊構成。為了盡量縮減系統(tǒng)的體積和功耗，系統(tǒng)采用模塊化設計思路，整個組合導航微系統(tǒng)硬件設計如圖2所示。

圖2 組合導航微系統(tǒng)硬件設計

2.1 GNSS模塊設計

GNSS模塊負責進行衛(wèi)星定位導航，主要由射頻模塊、基帶處理模塊和信息處理單元構成。射頻模塊主芯片選用Maxim Integrated公司的MAX2769，該芯片集成度高、功耗低。在用FPGA實現(xiàn)一個SPI接口后，將其與MAX2769的8引腳(SDATA)、9引腳(SCLK)、10引腳(CS)相連，便可利用DSP對其內部寄存器進行配置和更改[9]。

基帶處理模塊要能采樣、量化射頻模塊輸出的信號，并產生本地載波實現(xiàn)載波剝離，產生本地偽碼實現(xiàn)偽碼剝離，解調出導航電文[10]?；鶐幚砟K主芯片選用Altera公司的EP4CE115F23I7N，該系列芯片具有低功耗、低成本和高性能三大優(yōu)勢。選用價格較低的EPCS64SI16N芯片作為其配置芯片?；鶐幚砟K中的衛(wèi)星信號相關器結構如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星信號相關器結構圖

相關器在收到射頻模塊的中頻信號后會對其重新進行量化編碼并傳給通道，各個通道會對重采樣的信號進行載波剝離、偽碼剝離以及積分累加清除等工作，并將處理后的信號及相關數(shù)據(jù)通過總線與DSP進行數(shù)據(jù)信息交互；I路和Q路信號經累加器進行鎖存并觸發(fā)累加中斷；TIC鎖存器會觸發(fā)TIC中斷并提供1PPS信號。

信息處理單元在收到FPGA的導航信息后要能實時解算出載體當前的位置、速度等信息。信息處理單元主芯片選用TI公司的TMS320C6747，該芯片具有低功耗、體積小等優(yōu)點，其計算能力可滿足系統(tǒng)實時性需求。為了實現(xiàn)DSP的自引導啟動，選用W25Q32系列的FLASH存儲器作為配置芯片。讓DSP與FPGA通過EMIFA接口連接，使它們可以快速進行數(shù)據(jù)交互。

2.2 慣性導航模塊設計

為了減少功耗和體積，選用某國產微慣性測量單元。慣性測量單元采用TTL通信，數(shù)據(jù)傳輸波特率為115200bps，數(shù)據(jù)更新頻率為200Hz，三軸陀螺儀的零偏穩(wěn)定性≤5(°)/h，三軸加速度計的零偏穩(wěn)定性≤0.5mg，滿足使用需求。信息處理單元中的DSP負責接收并處理微慣性測量單元的數(shù)據(jù)。當衛(wèi)星導航模塊正常定位后，進行靜態(tài)初始對準，完成對準后將衛(wèi)導解算的速度和位置信息取5s均值，作為慣導解算初值，之后在DSP的普通中斷中完成慣性導航解算，其中包括微慣性測量單元原始數(shù)據(jù)零偏補償、四元數(shù)更新算法、姿態(tài)更新、速度更新和位置更新[11]。慣導解算流程如圖4所示。

圖4 慣導解算運行流程圖

2.3 芯片原子鐘模塊設計

芯片原子鐘選用某國產CPT微型原子鐘，具有功耗低、體積小、快速啟動等特點。其工作電壓為3.3 V，輸出10 MHz的方波，具有外秒同步功能，百秒時頻率穩(wěn)定度可達10-11量級，頻率準確度可達10-11量級。

因為該款芯片原子鐘輸出的10MHz的峰-峰值要高于射頻模塊XTAL引腳的最大允許輸入值，所以需要在CLKIN和GND之間加入一個33Ω的電阻。之后需要利用DSP對射頻模塊的相關寄存器進行配置，以GPS和BDS為例。當想接收GPS信號時，先將射頻芯片的PNDIV設為7857，將PRDIV設為50，GPS射頻信號分頻f0通過下式計算：

(1)

式(1)中:fCSAC表示射頻芯片得到的基準頻率；PRDIV為鎖相環(huán)參考分頻比；PNDIV為鎖相環(huán)整數(shù)分頻比，已知GPS的L1頻點的載波頻率為fL1=1575.42MHz，那么可得LO頻率為：

fLO=PNDIV×f0=7857f0

(2)

進而可得中心頻率：

fGPScen=fL1-7857f0=4.02MHz

(3)

根據(jù)采樣頻率和中心頻率計算載波中心頻率和碼NCO中心頻率。若要接收BDS信號，則要將PNDIV設為7785，將PRDIV設為50，BDS射頻信號分頻f1通過下式計算：

(4)

因為BDS的B1頻點的載波頻率為fB1=1561.098MHz，那么可得BO的頻率為：

fBO=PNDIV×f1=7785f1

(5)

進而中心頻率為：

fBDcen=fB1-7785f1=4.098MHz

(6)

接著按GPS計算步驟算出相應參數(shù)，修改NCO的中心M值。經過計算和測試，若接收機接收的為GPS信號，則FCARRCENTER和FCODECENTER應設為0x3374BC6A和0x1A305532，若是BDS信號則對應的參數(shù)應當設為0x3474538F和0x3460AA65。

2.4 高度計模塊設計

考慮到成本、體積和功耗，本次高度計選用MEAS的MS5611-01BA數(shù)字氣壓高度計，該款高度計量程為10～1200hPa，分辨率為0.012hPa，提供IIC和SPI兩種接口方式。

由于單個高度計只能測量氣壓和溫度，所以需要一個數(shù)字處理模塊來對高度計的數(shù)據(jù)進行處理進而輸出高度信息，考慮到DSP本身已有較多任務需要處理，所以選用意法公司的STM32F107VCT6作為高度計的數(shù)字處理器，該芯片價格低廉，接口資源豐富，滿足設計需求。選用高度計的IIC接口進行通信，由于STM32上的固有的IIC接口并不穩(wěn)定，所以用STM32F107VCT6上兩個普通GPIO口模擬IIC與高度計進行通信。

在使用MS5611模塊前，需要對其進行復位操作，因為本次選用IIC方式進行通信，模塊的設備地址為111011Cx，地址中的C是引腳CSB的補碼值(取反)，根據(jù)模塊CSB引腳的硬件連線，可知地址為0xEE。在復位完成后需要先讀取MS5611模塊的PROM中C1～C6的值，然后進入轉換模式，讀取模塊中的數(shù)字壓力值和數(shù)字溫度值，但是這個數(shù)值并不準確，所以要用模塊內部的相關參數(shù)通過公式對壓力值和溫度值進行補償，依據(jù)實際溫度決定是否需要二階溫度補償。

為了降低誤差，將高度計模塊初期采集的氣壓和溫度的均值作為高度計系統(tǒng)初始化標定時的地面氣壓值和溫度值。根據(jù)氣壓高度計計算公式，并將相關常量代入，可得載體當前的高度值。此外在DSP收到高度計傳過來的高度數(shù)據(jù)前，需要先根據(jù)衛(wèi)星導航模塊的收星數(shù)和DOP值判斷衛(wèi)星導航模塊的工作狀況，在狀況良好的情況下將此時的衛(wèi)導解算出的高度信息傳給高度計模塊，用于校正初始高度，之后再用高度計的數(shù)據(jù)進行修正處理。高度計系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 高度計系統(tǒng)工作流程圖

3 實驗測試

為了驗證INS/GNSS/CSAC/高度計組合導航系統(tǒng)設計是否合理，在相關的軟件算法燒錄進樣機后，將樣機搭載在實驗車上并選擇一條較為空曠的城市路段進行跑車實驗，跑車實驗線路如圖6所示。

圖6 跑車實驗路線圖

在試驗中，實時采集INS/GNSS/CSAC/高度計組合導航系統(tǒng)中的單接收機數(shù)據(jù)、組合數(shù)據(jù)、高度計數(shù)據(jù)以及分體式閉環(huán)光纖組合導航系統(tǒng)SPAN-KVH1750的數(shù)據(jù)，并以SPAN- KVH1750的數(shù)據(jù)為基準。利用MATLAB對采集的試驗數(shù)據(jù)進行處理。位置誤差與速度誤差如圖7～12所示，圖中實線表示INS/GNSS/CSAC/高度計組合導航系統(tǒng)的組合數(shù)據(jù)與SPAN- KVH1750的誤差，虛線表示組合導航系統(tǒng)中衛(wèi)星導航模塊定位的數(shù)據(jù)與SPAN- KVH1750的誤差，點畫線表示組合導航系統(tǒng)中高度計模塊與SPAN- KVH1750的高度誤差。

圖7 緯度誤差對比

圖8 經度誤差對比

圖9 高度誤差對比

圖10 東向速度誤差對比

圖11 北向速度誤差對比

圖12 天向速度誤差對比

計算得到組合后均方根誤差：緯度誤差為0.86m，經度誤差2.63m，高度誤差1.88m，東向速度誤差0.03m/s，北向速度誤差0.05m/s，天向速度誤差0.05m/s，組合后導航系統(tǒng)的定位精度要優(yōu)于系統(tǒng)中單衛(wèi)導的定位精度。由圖9可知導航系統(tǒng)中的高度計模塊輸出的高度信息較為準確。此外系統(tǒng)中各個模塊運行穩(wěn)定，導航效果較好，達到設計預期。

4 結束語

提出了一種INS/GNSS/CSAC/高度計組合導航微系統(tǒng)的設計方案，基于模塊化設計思路，完成組合導航系統(tǒng)中各模塊的硬件選型及設計，該組合導航系統(tǒng)具有體積小、功耗低等優(yōu)點。經過實驗驗證：該組合導航系統(tǒng)能在較為復雜的環(huán)境下為用戶提供較為準確的導航信息。系統(tǒng)在智慧城市、交通運輸、農林漁業(yè)等方面均具有較好的發(fā)展前景。