CN107063299A - 一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统。包括：数据收发模块，用于读取IMU数据和GPS数据，输出模拟秒脉冲后，发送所述IMU数据和GPS数据至导航计算机模块；导航计算机模块，用于接收数据收发模块发送的IMU数据和GPS数据，缓存后采用主从DSP的工作模式进行数据处理；数据显示模块，用于将导航计算机模块处理后的数据显示出来，离线动态复现运动状态，评估导航演示验证新算法的精度。本发明提供的一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统，用数据收发模块代替了真实的IMU和GPS接收机，降低了系统的物理损耗，提高了使用寿命，离线动态复现了系统运动状态，能够演示、验证导航新算法。

Description

一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统

技术领域

本发明涉及组合导航技术领域，可以应用于POS(Position and OrientationSystem，位置姿态测量系统)演示、验证实验,尤其涉及一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统。

背景技术

在惯性/卫星组合导航系统中，POS是航空对地观测系统完成测绘任务必不可少的关键通用设备，可为各类观测载荷提供位置、速度和姿态基准。它由高精度惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、POS计算机(POS Computer System，PCS)、POS后处理软件四部分组成。惯性测量单元敏感载体的运动，将陀螺和加速度计的敏感信息转化为数字信息发送到PCS进行捷联解算。同时PCS接收GPS的位置和速度信息，与捷联解算结果进行实时信息融合，将变化增量经过卡尔曼滤波器、反馈误差控制迭代运算为成像载荷提供实时位置、速度和姿态信息，生成并存储实时导航数据。

惯性/卫星组合导航能够充分利用惯性导航和卫星导航的优点。比如，惯性导航最显著的优点是完全独立自主的提供多种较高精度的导航参数(位置、速度、姿态)。同时，具有短时精度高、输出频率高、自主性强、动态范围大等特点。

惯性导航中出现的误差随时间累积，不适合长时间单独导航。卫星导航可以提供位置、速度信息，而且精度高，误差不累积，但是无法获得姿态信息。所以，惯性/卫星组合导航可以有效的利用GPS误差与时间无关，能长时间、全天候获取高精度位置和速度的优势，弥补惯性导航的缺点，使组合后导航系统性能大幅提高。

但是惯性/卫星组合导航系统价格昂贵，使用过程造成硬件物理损耗。而且许多的惯性/卫星组合导航方面新算法由于缺少充分的实验验证而无法应用。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的主要目的在于提供一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统，用数据收发模块代替了真实的IMU和GPS接收机，降低了系统的物理损耗，提高了使用寿命，离线动态复现了系统运动状态，能够演示、验证导航新算法。

本发明一方面提供了一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统，包括：数据收发模块、导航计算机模块和数据显示模块；

所述数据收发模块，利用串口程序读取IMU数据和GPS数据，并利用握手信号设置函数控制串口3的DTR引脚出模拟秒脉冲，将IMU数据以200Hz的频率通过串口1、GPS数据以1Hz的频率通过串口2发送至导航计算机模块；

所述导航计算机模块，用于接收数据收发模块发送的IMU数据和GPS数据，缓存后采用主从DSP的工作模式进行数据处理；包括FPGA子模块和DSP子模块，FPGA子模块用于接收数据收发模块发送的IMU数据和GPS数据，将所述的IMU数据和GPS数据缓存后发送至DSP子模块；DSP子模块采用主从DSP工作模式，负责IMU数据和GPS数据的数据处理；

所述数据显示模块，用于将导航计算机模块处理后的数据在显示界面显示出来，离线动态复现运动状态，评估导航演示验证新算法的精度。

进一步的，所述利用握手信号设置函数控制串口3的DTR引脚输出模拟秒脉冲，包括：

串口程序单元先设置定时器，之后在定时器的响应事件中设置握手信号设置函数，控制串口3的DTR引脚输出3.3V高电平信号，并调用高精度定时函数不断查询时钟周期；1毫秒后，控制串口3的DTR引脚输出低电平信号，从而实现模拟秒脉冲。

进一步的，所述DSP子模块，包括：

主DSP单元，用于负责IMU数据误差补偿、GPS数据解包、捷联解算，并将外部存储器接口EMIF和从DSP单元的并行主机接口HPI相连，将捷联解算结果和GPS数据发送至从DSP单元，并利用接收的从DSP单元发送的滤波估值对捷联解算结果进行反馈校正；

从DSP单元，用于负责捷联解算结果和GPS数据组合滤波，并将滤波估值发送至主DPS单元。

进一步的，所述评估导航演示验证新算法的精度，包括：

将导航计算机模块嵌入的算法和数据显示模块运行的导航演示验证新算法以相同的频率处理数据，以导航计算机模块嵌入的算法为导航演示验证新算法的参考基准，生成误差曲线图，通过误差曲线图求出误差曲线图中各误差量的标准差，评估导航演示验证新算法的精度。

其中，导航计算机模块嵌入算法计算的数据包括但不限于位置、速度、姿态、角速度、比力的一种或多种；IMU数据包括但不限于三轴角速度信息和/或三轴比力信息，GPS数据包括但不限于位置信息和/或速度信息。

本发明通过数据收发模块，读取IMU数据和GPS数据，输出模拟秒脉冲后，发送所述IMU数据和GPS数据至导航计算机模块；导航计算机模块，接收数据收发模块发送的IMU数据和GPS数据，缓存后采用主从DSP的工作模式进行数据处理；数据显示模块，将导航计算机模块处理后的数据显示出来，离线显示动态复现运动状态，评估导航演示验证新算法的精度，本发明用数据收发模块代替了真实的IMU和GPS接收机，降低了系统的物理损耗，提高了使用寿命，离线动态复现了系统运动状态，能够演示、验证导航新算法。

附图说明

图1为根据本发明的一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统的实施例的结构框图；

图2根据本发明的一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统的实施例的另一结构框图；

图3根据本发明的主从DSP的连接示意图；

图4根据本发明的显示界面示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明提供的一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统100，包括：数据收发模块1、导航计算机模块2和数据显示模块3；

所述数据收发模块1，利用串口程序12读取IMU数据11和GPS数据13，并利用握手信号设置函数控制串口3的DTR引脚出模拟秒脉冲，将IMU数据11以200Hz的频率通过串口1、GPS数据13以1Hz的频率通过串口2发送至导航计算机模块；

所述导航计算机模块2，用于接收数据收发模块发送的IMU数据和GPS数据，缓存后采用主从DSP的工作模式进行数据处理；包括FPGA子模块21和DSP子模块22，FPGA子模块21用于接收数据收发模块发送的IMU数据11和GPS数据13，将所述的IMU数据11和GPS数据13缓存后发送至DSP子模块22；DSP子模块22采用主从DSP工作模式，负责IMU数据11和GPS数据13的数据处理；

所述数据显示模块3，用于将导航计算机模块2处理后的数据在显示界面31显示出来，离线动态复现运动状态，评估导航演示验证新算法的精度。

进一步的，如图2所示，所述的数据收发模块将IMU数据和GPS数据发送给导航计算机模块，功能上替代了真实的IMU和GPS接收机，减少了硬件使用，降低了物理损耗。

进一步的，所述利用握手信号设置函数控制串口3的DTR引脚输出模拟秒脉冲，包括：

串口程序单元先设置定时器，之后在定时器的响应事件中设置握手信号设置函数，控制串口3的DTR引脚输出3.3V高电平信号，并调用高精度定时函数不断查询时钟周期；1毫秒后，控制串口3的DTR引脚输出低电平信号，从而实现模拟秒脉冲。

具体的，握手信号设置函数为函数EscapeCommFunction()。

具体的，高精度定时函数优选为函数QueryPerformanceCounter()。

优选的，模拟秒脉冲是指串口程序单元中的串口程序先设置定时器，SetTimer(1,1000,NULL)；之后在定时器的响应事件中设置握手信号设置函数EscapeCommFunction(hComm,SETDTR)，控制串口3的DTR引脚输出3.3V高电平信号，并调用高精度定时函数QueryPerformanceCounter()不断查询时钟周期；1毫秒后，设置握手信号设置函数EscapeCommFunction(hComm,CLRDTR)，控制串口3的DTR引脚输出低电平信号，从而实现模拟秒脉冲。

进一步的，所述DSP子模块，包括：

主DSP单元221，用于负责IMU数据误差补偿、GPS数据解包、捷联解算，并将外部存储器接口EMIF和从DSP单元的并行主机接口HPI相连，将捷联解算结果和GPS数据发送至从DSP单元，并利用接收的从DSP单元发送的滤波估值对捷联解算结果进行反馈校正；

从DSP单元222，用于负责捷联解算结果和GPS数据组合滤波，并将滤波估值发送至主DPS单元。

进一步的，所述评估导航演示验证新算法的精度，包括：

将导航计算机模块嵌入的算法和数据显示模块运行的导航演示验证新算法以相同的频率处理数据，以导航计算机模块嵌入的算法为导航演示验证新算法的参考基准，生成误差曲线图，通过误差曲线图求出误差曲线图中各误差量的标准差，评估导航演示验证新算法的精度。

一应用实例，本发明解决模拟秒脉冲产生的方法如下：打开串口时，对串口进行设置：将fOutxCtsFlow、fOutxDsrflow、fDstSentivity置为false，使其忽略对串口3的DSR引脚和CTS引脚的检测；用DTR_CONTROL_DISABLE和RTS_CONTROL_DISABLE将串口3的DTR引脚和RTS引脚初始化为低电平，并用SetCommState使设置有效。具体实现如下：模拟秒脉冲是指串口程序先设置定时器，SetTimer(1,1000,NULL)；之后在定时器的响应事件中设置握手信号设置函数EscapeCommFunction(hComm,SETDTR)，控制串口3的DTR引脚输出3.3V高电平信号，并调用高精度定时函数QueryPerformanceCounter()不断查询时钟周期；1毫秒后，设置握手信号设置函数EscapeCommFunction(hComm,CLRDTR)，控制串口3的DTR引脚输出低电平信号，从而实现模拟秒脉冲。

本发明中实现模拟秒脉冲、GPS数据13和IMU数据11发送的方法如下：首先用SetTimer设置定时器，SetTimer(1,1000,NULL)。在定时器的响应事件中编写模拟秒脉冲、GPS数据13和IMU数据11的发送程序，每隔1秒触发一次。在定时器的响应事件中，首先调用函数QueryPerformanceFrequency()和高精度定时函数QueryPerformanceCounter()开始计时。QueryPerformanceFrequency()获得机器内部定时器的时钟频率，QueryPerformanceCounter()获得机器开机以来执行的时钟周期数。接着控制串口3的DTR引脚输出3.3v高电平信号，再将GPS数据13从串口2、第一包IMU数据11从串口1发送出去，并调用高精度定时函数QueryPerformanceCounter()不断查询时钟周期数，直至两次时钟周期数差值除以时钟频率为1毫秒，此时控制串口3的DTR引脚再输出低电平信号。接着再调用高精度定时函数QueryPerformanceCounter()查询时钟周期直到5毫秒截止。计时到5毫秒后，再次调用高精度定时函数QueryPerformanceCounter()开始计时，将第2包IMU数据(11)从串口1发送出去，然后再调用高精度定时函数QueryPerformanceCounter()不断查询时钟周期数，直至两次时钟周期数差值除以时钟频率为5毫秒。再按照上述发送第2包IMU数据11方法，发送第3到199包IMU数据(11)。第199包IMU数据11发送计时到5毫秒到后，再发送一包IMU数据11。至此在1秒钟内完成了模拟秒脉冲、GPS数据13和IMU数据11的发送。

本发明主从DSP连接如图3所示：DSP子模块22包括主DSP单元221和从DSP单元222，主DSP单元221负责IMU数据11误差补偿、GPS数据13解包、捷联解算，从DSP单元222负责组合滤波。主DSP单元221通过外部存储器接口EMIF和从DSP单元222的并行主机接口HPI相连，并将IMU数据11经误差补偿后，进行捷联结算得出载体的位置、速度、姿态、角速度和比力。主DSP单元221解算完200包IMU数据11后，将捷联解算结果和GPS数据13发送给从DSP单元222。从DSP单元222将IMU数据11捷联解算得出的位置、速度与GPS数据13中的位置、速度之差作为量测量，进行卡尔曼滤波，并将滤波估值发送给主DPS单元221。主DSP单元221利用滤波估值对捷联解算结果进行反馈校正。

本发明验证导航算法实现方法如下：当数据显示模块3接收到导航计算机模块2发送的位置、速度、姿态、角速度和比力时，置标志位pflag＝1，未收到置标志位pflag＝0。由于数据显示模块3运行的新算法解算速度比导航计算机模块2解算速度快，新算法每解算一组导航数据后不断查询标志位pflag。如果pflag＝1，触发新算法将其捷联解算结果显示出来，显示界面31如图4所示。这样导航计算机模块2和新算法解算出来的数据就能实现数据时间标签对齐和同频率显示。数据显示模块3以导航计算机模块2嵌入的算法为基准，在显示界面31作出位置、速度、姿态的误差曲线图，并把误差值存储下来。解算结束后，读取存储的误差值，计算出各误差值的标准差，评估新算法精度，从而验证导航新算法。

本发明实施例通过数据收发模块，读取IMU数据和GPS数据，输出模拟秒脉冲后，发送所述IMU数据和GPS数据至导航计算机模块；导航计算机模块，接收数据收发模块发送的IMU数据和GPS数据，缓存后采用主从DSP的工作模式进行数据处理；数据显示模块，将导航计算机模块处理后的数据显示出来，离线显示动态复现运动状态，评估导航演示验证新算法的精度，本发明实施例用数据收发模块代替了真实的IMU和GPS接收机，降低了系统的物理损耗，提高了使用寿命，离线动态复现了系统运动状态，能够演示、验证导航新算法。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于数据复现的惯性/卫星组合导航演示验证系统，其特征在于，包括：数据收发模块、导航计算机模块和数据显示模块；

所述数据收发模块，利用串口程序读取IMU数据和GPS数据，并利用握手信号设置函数控制串口3的DTR引脚出模拟秒脉冲，将IMU数据以200Hz的频率通过串口1、GPS数据以1Hz的频率通过串口2发送至导航计算机模块；

所述导航计算机模块，用于接收数据收发模块发送的IMU数据和GPS数据，缓存后采用主从DSP的工作模式进行数据处理；包括FPGA子模块和DSP子模块，FPGA子模块用于接收数据收发模块发送的IMU数据和GPS数据，将所述的IMU数据和GPS数据缓存后发送至DSP子模块；DSP子模块采用主从DSP工作模式，负责IMU数据和GPS数据的数据处理；

所述数据显示模块，用于将导航计算机模块处理后的数据在显示界面显示出来，离线动态复现运动状态，评估导航演示验证新算法的精度。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述利用握手信号设置函数控制串口3的DTR引脚输出模拟秒脉冲，包括：

串口程序单元先设置定时器，之后在定时器的响应事件中设置握手信号设置函数，控制串口3的DTR引脚输出3.3V高电平信号，并调用高精度定时函数不断查询时钟周期；1毫秒后，控制串口3的DTR引脚输出低电平信号，从而实现模拟秒脉冲。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述DSP子模块，包括：

主DSP单元，用于负责IMU数据误差补偿、GPS数据解包、捷联解算，并将外部存储器接口EMIF和从DSP单元的并行主机接口HPI相连，将捷联解算结果和GPS数据发送至从DSP单元，并利用接收的从DSP单元发送的滤波估值对捷联解算结果进行反馈校正；

从DSP单元，用于负责捷联解算结果和GPS数据组合滤波，并将滤波估值发送至主DPS单元。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述评估导航演示验证新算法的精度，包括：

将导航计算机模块嵌入的算法和数据显示模块运行的导航演示验证新算法以相同的频率处理数据，以导航计算机模块嵌入的算法为导航演示验证新算法的参考基准，生成误差曲线图，通过误差曲线图求出误差曲线图中各误差量的标准差，评估导航演示验证新算法的精度。