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【6h】

无人机MIMU/GPS组合导航系统研究

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摘要

随着MEMS技术的日渐成熟，微惯性传感器和微惯性测量单元的的精度越来越高，虽然相比于传统的惯性器件，在精度上还存在着一定的差距。但是，由于高精度的INS的价格相对较为昂贵，在要求低功耗、体积小、成本低的应用环境下，MEMS器件的应用越来越广泛。
　　 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。传统INS具有误差随时间积累的缺点，而GPS的工作状态不受时间限制可以长时间提供高精度的位置信息，但隐蔽性较差。为了提高导航系统工作性能，通过卡尔曼滤波器设计，将二者的定位信息相组合，可以实现非常好的互补。MIMU作为新型的捷联惯导测量单元，与GPS的组合可以有效提高导航系统的精度与稳定性。
　　 本文针对无人机导航应用设计实现MIMU/GPS组合导航系统，完成从GPS定位信息捕获到导航系统信息融合的关键技术设计，最终完成了基于FPGA的系统硬件电路设计。
　　 首先在介绍GPS载波定位技术的基础上，按照接收机内信号的处理顺序，对GPS软件接收机中信号的捕获、跟踪以及数据码解算的过程和相关原理进行了详细说明，采用并行码相位搜索捕获方法，载波跟踪采用arctan鉴别器，码跟踪采用具有六个相关器的DLL。与硬件接收机相比，GPS软件接收机的灵活性更好，更易于实现GPS与MIMU的超紧组合。
　　 其次，针对MIMU捷联惯导系统，研究并建立了捷联惯导系统方程，分析研究了系统的误差特性，分别对陀螺漂移与加速度计零位误差特性进行了仿真验证。随后，基于对GPS系统以及MIMU基本量测方程的建立，完成了系统状态方程以及量测方程的设计，另一方面，考虑到系统的实用性，完成了GPS/MIMU组合导航系统的离散卡尔曼滤波器的设计，进行了组合导航系统数据融合算法的仿真分析。
　　 最后，选用Altera公司生产的CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8Q208C为导航解算核心，ADIS16350为微惯性测量单元，Maxim公司生产的通用单芯片GNSS接收芯片Max2769为射频前端接收芯片，完成了组合导航系统的硬件电路的设计，给出了组合导航系统软件的流程。

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