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高动态的GPS罗经设计与实现

陈强强  
【摘要】:GPS罗经(Satellite Compass)是一种利用卫星信号为载体提供航向信息的设备。相比磁罗经和电罗经,GPS罗经不受地磁场分布影响、没有累积误差,因此GPS罗经具有良好的性能,并且相对成本较低,在海陆空等领域具有广泛的应用前景。在实际应用过程中,载体快速机动的高动态情况下,GPS会出现信号失锁的情况,输出存在时间延迟和数据突跳现象。同时GPS罗经本身更新频率较低,一般在1Hz或者5Hz左右。基于此,本文主要对高动态环境下GPS罗经进行研究,即采用双天线GPS与MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)组合设计GPS罗经系统。MEMS惯导系统具有短时间内动态性能高、反应迅速的特点,从而可以弥补GPS更新频率低的不足,持续、准确反映载体运动时导航信息变化。同时双天线GPS与MEMS组合实现系统长航时稳定航向输出,在GPS信号较差或失锁的情况下仍能保证航向的正确输出。据此,本文的主要工作如下:首先,设计GPS罗经系统硬件平台。根据预期目标选择惯性传感器、GPS板卡,设计硬件电路;选择以FPGA和DSP的双核系统作为系统的架构,其中FPGA完成传感器的数据采集工作,DSP完成导航解算工作,SYS/BIOS内核进行系统任务的调度等。其次,建立传感器误差模型并进行误差补偿。分析MEMS惯性传感器的误差类型,选择误差模型标定方法,进行室内标定。安装不同天线基线长度,分析双天线GPS板卡输出的航向精度与基线长度的误差模型,从而得出最佳的GPS天线安装方案。再次,设计满足高动态情况的GPS罗经的数据融合算法。完成导航信息坐标系变换工作,设计信息融合的同步处理方法以及卡尔曼滤波算法。设计双天线GPS信息与惯导信息的融合算法时,通过算法对GPS信息有效性进行判断,当GPS信息有效时进行数据更新输出,在GPS航向信息不可用时,依靠惯导预测输出。最后,对所设计高动态的GPS罗经系统进行试验验证。分别进行静态试验和动态试验,对测试结果进行分析,改进系统。设计的GPS罗经系统,更新频率可以达到100Hz,在车载和船载情况下保持航向平均误差在2.5°之内并且在GPS信息失锁时,系统在3分钟内保证导航信息正常输出。


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