基于北斗定位的组合导航设备的设计与实现

发布时间：2020-09-08 16:36

　　本论文讨论了基于北斗导航定位的组合导航设备设计和实现方法。随着航空设备国产化率提升的要求,在我国航空导航领域原有的基于GPS的定位系统,被逐步要求替换为我国的北斗卫星导航定位系统,在此基础上通过设计由北斗定位导航系统为基础,惯性导航模块为辅助的组合导航设备,将会使得航空导航设备这一专业领域的设备国产化率有所提高。以此同时,组合导航设备的使用在飞行器导航坐标的精确性,飞行器姿态控制中扮演者重要的角色。在大多数国内外的航空导航定位设备中,目前多采用GPS定位系统,随着北斗定位卫星的数量不断增多,北斗定位系统精度也不断提高。从国产定位导航系统对提高国内航空飞行器的安全性和降低导航设备成本的需求出发,设计和实现一款国内自主的基于北斗定位导航设备是十分必要的。同时,组合导航设备弥补了卫星导航系统在丢星,遮挡,多径和干扰等情况下测量不准的缺陷;在测量高速运动的载体时,可以输出200Hz的位置和速度信息,大大提高了位置和速度输出的连贯性。组合导航设备是一款高度集成化的产品,体积小,重量轻,适合大部分应用场合。其设备的设计原理为,由Ellipse2-E-M1惯导器件作为信号发送和传递介质,由Ellipse2-E-M1惯导设备通过传感器感知自身姿态并发送信号,对采集的飞行定位数据和惯性制导数据进行双通道收集;其接收信号的主要来源之一为Ellipse2-M1系列的惯性导航模块,另一路定位数据来源于基于北斗定位的OEM617D导航模块。Ellipse2-E-M1惯导设备内部的主要解算方法是EKF(扩展卡尔曼滤波)算法,通过该高效率的算法可以将动态惯性导航数据完美解析。组合导航仪器通过集成惯性传感器和北斗卫星定位模块组成,因为选择的Ellipse2-E-M1惯导设备内部同时提供了对北斗导航系统的融合算法,可将OEM617D导航模块解算出的北斗定位信息进行融合分析,因此可将接收的北斗数据进行完整输出。组合导航设备设计高低两种配置方式实现,低配方式集成Ellipse2-M1及OEM617D定位模块,使用辅助GPS技术,用于测向、定位及精确导航;高配配方式在原有低配方式集成的基础上,通过STM32低功耗控制器连接Ellipse2-M1及16GB的Emmc,Ellipse2-M1数据通过STM32串口存储于Emmc,STM32对Emmc进行SD化的驱动后对进行数据读写,文件系统为FATFS格式。系统要求:内置的北斗导航模块可通过2路信号接收天线,对飞行时速,飞行方向,经纬度信息进行数据解析;内置Ellipse2-M1惯性导航模块,对飞行器的加速度和角速度进行状态计算分析;对横滚角,俯仰角,航向角和升沉飞行姿态进行测量;经扩展卡尔曼滤波解算分析后的定位信息,航向数据,速度数据等信息可由高达200Hz的频率由组合导航总接口输处。数据存储,Ellipse2-M1惯性导航模块数据经由STM32芯片存储于16GB的Emmc。本论文首先简要介绍该组合导航设备的总体要求。再根据设备特性分析,提出了使用惯性导航模块为计算和传输核心,计算姿态信息和传输多路信息;位置信息的接收通过主从2根天线接收位置信息,通过OEM617D模块对北斗定位系统进行解算分析定位;以STM32处理器加Emmc数据存储。总体满足飞行器导航定位信息准确、姿态参数反馈及时、数据存储量大的功能要求。组合导航设备的设计基于北斗导航系统提高了导航设备应用的国产化率,同时该设备加载了高精度的惯性控制设备,使得组合导航在丢星和外部信号干扰的环境下依然能够提供精确的飞控参数。并在此基础上提供了其他通用性的案例,在原有的基本要求下设计了USB和CAN总线接口,对于除航空飞行器以外的其它行业的交通工具上的使用也具有现实意义。由于设计要求为低功耗,没有设计导航定位的冗余定位,同时在存储器件的选择上为了防止飞行器的震动使用的BGA封装的Emmc数据存储芯片,有可能在存储时出现存储满的情况,所以在设备每次上电复位时需要对存储器进行自检,对开机速度有一定影响。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN967.2
【部分图文】：

系统构成

图1.1 GPS 系统构成简图[1]除了采用 GPS 的导航定位设备以外，欧洲和其他一些国家还采用了民用卫星系统(GLASS— globalnavigation satellite system)，首先，通过先使用 G渡，通过对 GPS 系统的使用，掌进行导航定位技术储备后，移至 INMARS星导航系统作为临时方案。在此基础上，设计开发具备兼容 GPS、俄罗斯 GL系统的第二代 GLASS 导航系统。相关的设备厂商多数位于法国，如:阿尔卡 SBG 公司等大型导航设备厂商。俄罗斯的 GLONASS 卫星导航系统在俄军控制下，服务于俄罗斯国防部门并且始终由国防部独立运作。此外 INMARSAT 3 也在少量应用于日本国内。以上这些定位系统在我国应用范我国也于本世纪初，通过发射北斗导航卫星，逐步建立起了自己的卫星导统[5]，并且作为国家战略任务和国家战略性新兴产业，科技部发布了针对“置服务”的专项科技规划文件，并准备于“十二五”期间实施。2012 年我北斗系统空间信号接口控制文件正式版，北斗导航定位系统的商业化用途被

北斗,系统构成,存储模块

西安电子科技大学硕士学位论文4图1.2 北斗系统构成简图[5]相对于众多的国外产品，本设备在比较国内外大多数同类产品的功能上，做到了功能与其他产品功能性能相近，并且在此基础上具有数据的存储功能，数据存储是本次设计的重要部分，通过调查目前市场上的组合导航设备，基本上不设计存储模块。其原因有以下几方面：首先，存储模块的设计会影响设备的总体稳定性。再次，存储模块的开发不单单是物理设备的电气连接，需要通过软件和算法进行数据存储优化，设计成本较高。最后，存储设备占用外接信号线，对本就不太丰富的接口资源有较大的占用，并且存储模块的外部接口对总线接口而言是必须预留，但接口使用频率较低。因此

导航仪

图1.2 北斗系统构成简图[5]外产品，本设备在比较国内外大多数性能相近，并且在此基础上具有数据通过调查目前市场上的组合导航设备：首先，存储模块的设计会影响设备物理设备的电气连接，需要通过软件存储设备占用外接信号线，对本就不的外部接口对总线接口而言是必须预存储功能的设计，对市场上大多数的由于是自主研发，其产品价格远低于收机导航仪单价 12 万元人民币，组合人民币。SBG 导航仪，如下图 1.3 所

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