1 引 言
全球定位系統(tǒng)( GPS)具有全球覆蓋、全天候、實(shí)時導(dǎo)航、導(dǎo)航定位誤差不隨時間積累等優(yōu)點(diǎn)。但是，GPS衛(wèi)星信號容易受到人為干擾；在高動態(tài)環(huán)境下，將產(chǎn)生較大的衛(wèi)星信號跟蹤誤差， 不能滿足載體實(shí)時導(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)勢在于:
( 1)克服各自缺點(diǎn)， 取長補(bǔ)短， 組合導(dǎo)航精度高于兩個系統(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)動或干擾使衛(wèi)星信號失鎖時， 可以暫時由慣導(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， 既保證在高動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星信號的穩(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)星信號的完整性監(jiān)測， 增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性能和容錯能力;( 7)對于GPS 載波相位測量， 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與修復(fù)問題， 并且降低至少4顆衛(wèi)星同步可觀測的要求;( 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)使用一個卡爾曼濾波器， 當(dāng)GPS 不能正常工作時， 慣導(dǎo)系統(tǒng)暫時提供導(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， 能夠同時采集模擬信號和數(shù)字信號， 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， 對慣性測量器件進(jìn)行誤差補(bǔ)償、輔助GPS OEM 板的信號跟蹤環(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)對話的工作平臺， 由液晶顯示器和輸入鍵盤組成， 顯示導(dǎo)航信息， 對導(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；后者將外部測量數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)， 如氣壓測高數(shù)據(jù)、雷達(dá)測量數(shù)據(jù)等， 以對系統(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 個軟件功能模塊， 各個功能模塊之間的連接如圖4所示:
( 1)系統(tǒng)啟動與自檢模塊， 負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備開啟，檢測設(shè)備部件的運(yùn)行狀況， 對異常情況及時報(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)測定， 實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)。
( 4)數(shù)字信號處理模塊， 負(fù)責(zé)GPS接收機(jī)的數(shù)字信號處理。
( 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
基于微處理器強(qiáng)大的計(jì)算和通信能力， 解決對主被動導(dǎo)航的多傳感器數(shù)據(jù)融合問題， 克服了GPS導(dǎo)航機(jī)動性能差、衛(wèi)星信號失鎖、慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差隨時間漂移的主要缺點(diǎn)， 取長補(bǔ)短。使組合導(dǎo)航系統(tǒng)既增大了等效噪聲帶寬， 保證在高動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星信號的穩(wěn)定跟蹤， 又提高了接收機(jī)的抗干擾性能、系統(tǒng)可靠性能和容錯性能， 從而輸出平滑連續(xù)的導(dǎo)航信息。