CN102890278A - 基于fpga北斗的/mimu深组合导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是基于FPGA的利用北斗软件接收机与MIMU深组合的组合导航系统，相比于松组合与紧组合，深组合具有更高的精度，另外能有效利用MIMU的信息辅助卫星导航接收机完成信号捕获与跟踪，可以应用于需要低成本的组合导航系统的无人机或者车载导航定位等情形。本发明应用北斗卫星导航系统，采用可以灵活更新算法的软件接收机的方式，采用体积小、低成本的MEMS惯性测量单元，充分利用软件接收机的特点完成深组合导航系统，组成示意图如图一所示。
Description
(一)技术领域
组合导航是近代导航理论和技术发展的结果。每种单一导航系统都有各自的独特性能和局限性。把几种不同的单一系统组合在一起，就能利用多种信息源，互相补充，构成一种有多余度和导航准确度更高的多功能系统。惯性导航系统与卫星导航系统的互补特性，使得INS/GNSS组合导航系统成为当今主流导航方式。惯性导航系统与卫星导航系统的组合可分为三种不同层次的组合模式：松散组合、紧组合和超紧组合。深组合模式是一种新兴的组合模式，它将GNSS跟踪环的I/Q信号与INS的导航参数相融合，并利用修正后的导航参数辅助GNSS的跟踪环路，如图1所示。深组合模式利用惯性信息减小载波相位跟踪环的带宽，在保证动态性能的同时，增强了GNSS接收机抗干扰能力并提高了组合导航系统的精度。深组合模式将INS和GNSS进行一体化设计，实现了GNSS和INS两者之间的相互辅助，可降低对INS的精度要求以及组合导航系统的成本和体积。
(二)背景技术
1.北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，2011年4月10日成功发射第八颗导航卫星后，北斗基本完成区域导航系统的建设。2012年年底前，将具备提供亚太地区服务的能力。北斗二代在精度性能方面也有一定的优势，目前而言，卫星信号强于现有的GPS，定位精度可以达到10米以内，理论上可以达到水平和垂直方向7.5米精度。
2.MIMU
微型惯性测量组合是一种重要的MEMS，它是由微型陀螺仪、微型加速度计、专用集成电路、嵌入式微机及相应的软件组成，可以提供载体的位置、速度和姿态信息。
3.软件无线电
软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势力要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理(A/D和D/A变换)尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。
(三)发明内容
1、设计硬件电路，包括MIMU部分、软件接收机天线射频前端部分、核心导航解算的FPGA部分。
具体地，天线的选择可以比较灵活，因为射频前端的核心器件Max2769能够连接无源或有源天线。在各种接收天线中，目前应用最流行的两种是四螺旋天线和贴片天线。这两种天线体积均较小，通常可以作为接收机的内置天线。贴片天线构造简单而价格便宜，但是它对地平线附近处的低仰角卫星信号的接收能力相对较差，而这反倒有利于其抵抗多路径。竖直形的四螺旋天线灵敏度高，并且在地平线附近方向处一般也有着较高的天线增益，因而它虽然容易受到多路径的影响，但是能比较容易地捕获低仰角卫星信号，从而改善可见卫星的几何分布。
从天线接收到的信号，引入射频前端部分，射频前端的核心器件Max2769的典型电路如图2所示。通过maxim公司的软件max2769 control software，如图3所示，可以对芯片进行设置，调整我们需要采集的信号的频率。经过下变频处理，将信号引入FPGA。
ADIS16350与FPGA采用SPI协议进行通信，读写操作需要按照MIMU指定格式进行。SPI接口引脚包括片选(CS)信号，串行时钟输入(SCK)，主输入从输出(MISO)，主输出从输入(MOSI)。FPGA与MIMU分别作为主从器件，时钟和片选信号由FPGA给出。
要保证FPGA的高速稳定工作，需要合理配置其外围电路，并不断验证其稳定性能。基于FPGA的导航计算机主要外围电路包括：电源电路、时钟电路、复位电路、配置芯片、SDRAM、JTAG接口以及RS232串口电路等。
2、完成软件接收机的信号捕获、跟踪和组合导航的算法及编程。
在硬件电路完成的前提下，设计的核心部分在于软件，快速、准确的捕获北斗卫星的信号，有效地滤除北斗和MIMU的误差因素，充分利用MIMU的自主性提高北斗卫星导航的鲁棒性，实现卫星导航对惯性导航累积误差的有效修正，这些关键问题都要通过软件来实现。
卫星导航系统中的信号处理都是基于通道结构的，如图4所示，单一接收机通道的组成包括捕获、跟踪(码跟踪和载波跟踪)、导航数据提取、伪距计算四个部分。捕获的目的是识别用户所有的可见卫星，如果某颗卫星可见，捕获的过程需要确定出信号的两个特性，频率和码相位。常用的三种捕获方法包括串行搜索捕获、并行频率空间搜索捕获和并行码相位搜索捕获。本设计采用并行码相位搜索捕获，该方法框图如图5所示，与另外两种方法相比，并行码相位搜索捕获的执行时间更少，但是算法的复杂性更高。载波与码跟踪的目的在于精 确化捕获过程得到的频率和码相位值，并保持跟踪。载波跟踪采用对180°相位不敏感的Costas环，其中的载波环路鉴别器算法采用最精确的arctan鉴别器。码跟踪采用改进的具有六个相关器的DLL(超前-滞后跟踪环的延迟锁定环)。
深组合通常又分为两种方式，常规组合和矢量跟踪组合。矢量跟踪组合的优势在于其弱信号条件下的表现。本发明采用矢量跟踪组合方式。
卡尔曼滤波是当前应用最广泛的数据融合方法。卡尔曼滤波假定状态转移矩阵、测量关系矩阵以及各种高斯噪声的协方差等所有滤波参数是已知的，但事实上要及时、准确地知道它们在不同时刻的值通常是相当困难的，因此最好的情况是卡尔曼滤波器能够自动地预测、调整这些参数。而本设计中采用的多态自适应(MMA)卡尔曼滤波器近来受到广泛关注，它由多个并联的、同时运行的卡尔曼滤波器组成。在这组卡尔曼滤波器中，每一个滤波器对未知的滤波参数分别做出相互不同的假设，然后按照自己的模型假设进行滤波计算，最后将它们对系统状态的各个估计值进行加权，并以此作为最优估计值输出。由于每一个卡尔曼滤波器有着不同的滤波参数，如果某一个能够比较准确的描述系统在某一时段、环境下的实际运行状况，该卡尔曼滤波器会表现为产生较小的测量残余，而它的权重在整组滤波器中就会自动地得到提升。
(四)附图说明
图1：INS/GNSS深组合示意图，给出了深组合系统中各个主要部分之间的关系。
图2：Max2769典型电路连接图，给出Max2769各引脚的典型连接。
图3：Max2769Control Software软件界面，通过软件可以对Max2769的工作模式进行设置。
图4：单一接收机通道，接收机中一条通道包括四个主要部分，捕获、跟踪、导航数据提取、伪距解算。
图5：并行码相位搜索算法框图，给出了并行码相位搜索算法的基本模块与流程。
图6：ADIS16350外观图，图中的立方体内包含了各个传感器，其尺寸大小约为23mm*23mm*23mm。
(五)具体实施方式
本设计的首要任务是完成MIMU部分和软件接收机射频前端部分，在FPGA中完成接收机的信号捕获跟踪以及导航结算，在捕获跟踪环节引入MIMU的信息，可以实现加速完成捕获跟踪的目的，另外一方面，可以减小搜索频率的带宽，有效地提高抗干扰性能。采用的主要器件：
1.射频前端核心器件：Max2769
Max2769是业界首款可以应用在GPS，GLONASS，Galileo多种卫星导航系统的GNSS接收芯片。能够提供高性能的、广泛的应用，包括各种移动设备。所有功能电路(LNA、混频器和ADC)都集成到了MAX2769中，可大大缩短产品的开发时间。该芯片提供了两个低噪放选择，第一个低噪放具有低至0.9dB的噪声系数、ANTENNA19dB的增益、-1dBm的IP3，配合无源天线使用；第二个低噪放具有1.5dB的噪声系数、较低增益/功耗和较高的IP3，配合有源天线使用。2.8V供电时，电流消耗仅为13mA～18mA，具体取决于电路配置。
2.FPGA：Cyclone II系列的EP2C8Q208C
FPGA是现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray)的缩写，它采用逻辑单元阵列(LOA，Logic Cell Array)作为基本单元，内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线三部分。其主要特点有：(1)FPGA利用内部LOA组成硬件电路实现系统设计，凸显并行处理能力。(2)FPGA具有丰富且配置方便的I/O端口，使电路设计更加简洁。(3)FPGA使用硬件描述语言进行设计，具有良好的可读性，并可以进行模块化设计，方便模块的复用，特别是IP核的利用，使系统开发更加灵活和方便。
3.MIMU：ADIS16350
ADIS16350是AD公司生产的一款六自由度惯性感应系统，传感器内部集成了三轴微陀螺仪、微加速度计和温度计，能够测量三个轴向的线加速度、角速度以及温度，同时传感器还包涵了微机械和混合信息处理技术，是一个高度集成的惯性测量解决方案。其外观如图6所示。
Claims (4)
1.基于FPGA的北斗/MIMU深组合导航系统，其主要特征是：
a.采用软件接收机方式完成北斗卫星导航，硬件电路简单，算法实现方便，射频前端采用通用GNSS射频前端器件Max2769作为核心；
b.采用MEMS惯性测量单元，高集成度，定位效果良好。
c.实现深组合方式，通过多态自适应(MMA)卡尔曼滤波器来完成；
d.以FPGA为核心，在FPGA中进行深组合算法的实现，北斗与惯导的信号经过前端的处理之后引入FPGA实现软件接收机的功能和深组合的导航解算；
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的北斗/MIMU深组合导航系统，其特征在于：北斗卫星导航软件接收机的内部，捕获采用并行码相位搜索捕获方法，载波跟踪采用Costas环，其中的载波环路鉴别器是arctan鉴别器。码跟踪采用改进的具有六个相关器的DLL(超前-滞后跟踪环的延迟锁定环)。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的北斗/MIMU深组合导航系统，其特征在于：北斗与MIMU的组合采用矢量跟踪组合方式，利用多态自适应(MMA)卡尔曼滤波器完成组合。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的北斗/MIMU深组合导航系统，其特征在于：体积小、成本低、算法更新方便、同等条件下精度更高。
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