Cpci嵌入式导航计算机系统及组合导航算法
【专利摘要】本发明属于系统设计领域，公开了一种CPCI嵌入式导航计算机系统，包括：通过CPCI总线互联的PowerPC嵌入式信息处理板、信息采集预处理板、数据记录板和电源板；PowerPC嵌入式信息处理板以Vxworks系统作为嵌入式操作系统；信息采集预处理板用于传感器的信息采集、信息交互过程的数据缓存、以及信息采集预处理板与PowerPC嵌入式信息处理板的CPCI接口；数据记录板包括UART电路、存储阵列、CPCI桥接口电路，ARM作为数据记录板的控制核心，通过FPGA实现UART通信、PCI通信、数据存储和数据交互所需的FIFO的控制。本发明能够满足导航的需求及导航控制一体化的需求，开发成本低、可扩充性强，系统能耗低，可靠性强，导航精度高。
【专利说明】CPCI嵌入式导航计算机系统及组合导航算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于系统设计领域，涉及一种CPCI嵌入式导航计算机系统及组合导航算 法。
【背景技术】
[0002] 导航计算机作为导航系统的硬件平台，制约导航解算方法的实现。导航计算机需 要实现的主要功能包括：传感器数据采集、导航解算、数据记录。
[0003] 嵌入式系统以应用为中心，软硬件可裁剪，能够满足应用系统对功能、可靠性、成 本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设 备、嵌入式操作系统和应用软件等组成。
[0004] 目前导航计算机一般采用DSP+FPGA架构，这一架构满足小型化方案，但是可移植 性不高，导航应用程序开发周期较长，且不满足导航控制一体化设计。采用商用计算机提供 导航解算，外扩数据采集卡和数据记录卡，能够获得最高性能，但是功耗和尺寸是瓶颈。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 本发明要解决的技术问题是：提供一种高性能的嵌入式导航计算机系统，实现体 积小、成本低、以及可移植性高和满足导航控制一体化的需求。
[0007] (二）技术方案
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种CPCI嵌入式导航计算机系统，其包括： 通过CPCI总线互联的PowerPC嵌入式信息处理板、信息采集预处理板、数据记录板和电 源板；所述PowerPC嵌入式信息处理板以Vxworks系统作为嵌入式操作系统；所述信息采 集预处理板用于传感器的信息采集、信息交互过程的数据缓存、以及信息采集预处理板与 PowerPC嵌入式信息处理板的CPCI接口；所述数据记录板包括UART电路、存储阵列、CPCI 桥接口电路，ARM作为数据记录板的控制核心，通过FPGA实现UART通信、PCI通信、数据存 储和数据交互所需的FIFO的控制；所述电源板用于为其他各部分供电。
[0009] 优选地，所述传感器包括頂U、GPS、磁强计、高度表和人机接口，数据缓存由SDRAM 实现。
[0010] 优选地，所述PowerPC嵌入式信息处理板包括：PowerPC处理器、时钟电路、flash 电路、电源电路、422串口转换实现的UART电路、PCI-PCI桥电路、接口电路和存储电路。 [0011] 优选地，所述传感器的电路包括磁传感器采集模块、惯性传感器采集模块、气压高 度计模块和GPS采集模块。
[0012] 优选地，所述磁传感器采集模块包括磁传感器模块、与磁传感器模块连接的差分 运算放大器、与差分运算放大器连接的ADC模数转换、以及为上述三个部分供电的LDO线性 电源模块，磁传感器采集模块采集的到的数字信号下行传输至FPGA。
[0013] 优选地，所述惯性传感器采集模块包括MEMS IMU传感器采集模块和光纤IMU传感 器采集模块；所述MEMS IMU传感器采集模块直接提供数字量输出，包括角速率、加速度、温 度，直接下行传输至FPGA ;所述光纤MU传感器采集模块包括闭环光纤数字陀螺仪和石英 加速度计，输出信号经过电阻采样，抗混叠滤波过滤高频噪声，运算放大器将弱电压信号放 大之后，在进行AD数模转换，最终下行传输至FPGA。
[0014] 优选地，所述气压高度计模块通过其SPI接口直接与FPGA相连。
[0015] 优选地，所述GPS采集模块采用天线作为射频组件，通过其串行输入输出接口直 接与FPGA连接进行数据交互。
[0016] 本发明还提供了一种基于CPCI嵌入式导航计算机系统的组合导航算法，其包括 以下步骤：
[0017] (1)组合导航解算初始化：利用磁强计输出的航向角Vb和加速度计计算得到的 水平姿态角，构成姿态矢量A ;
[0018] (2)利用IMU测量得到的角速率4和加速度义，进行捷联惯性导航解算，解算得 到位置矢量、速度矢量和姿态矢量;
[0019] (3)GPS通过测量得到的伪距、伪距率P p P ，结合卫星星历提供的卫星位置和速 度，进行可见星判断，并结合步骤（1)和（2)中的信息，进行WLS导航解算，得到卫星的位置 信息4,4,义；
[0020] (4)利用解算的户J ,结合当前可见卫星的位置和速度，以及气压高度计的Hb, 得到伪距伪距率预测P1, P1，与步骤（3)测量的Pp Ptj做差，得到伪距、伪距率的量测修 正信息；
[0021] (5)磁强计输出的Vp和Vins，做差得到航向角的量测修正信息；
[0022] (6)组合导航滤波算法分为预测和更新两个过程，预测过程，利用组合导航状态方 程，计算得到误差状态量X的预测值；滤波更新过程，利用步骤（4)和（5)得到的量测修正 信息，修正组合导航误差状态量X的预测值，获得组合导航误差状态X ;
[0023] (7)最后从步骤⑵中计算得到的中，补偿掉步骤（6)中修正得到的误差 状态X，得到准确的导航结果。
[0024] (三）有益效果
[0025] 上述技术方案所提供的嵌入式导航计算机系统基于CPCI嵌入式导航计算机系统 的组合导航算法，不仅能够满足导航的需求，还能够满足导航控制一体化的需求，开发成本 低、可扩充性强，系统能耗低，可靠性强，导航精度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为本发明实施例嵌入式导航计算机系统的硬件架构图；
[0027] 图2为本发明实施例信息采集预处理板接口示意图；
[0028] 图3为本发明实施例PowerPC嵌入式信息处理板示意图；
[0029] 图4为本发明实施例数据记录板架构图；
[0030] 图5为本发明实施例磁传感器原理图；
[0031] 图6为本发明实施例磁传感器采集模块结构示意图；
[0032] 图7为本发明实施例MEMS MUADIS16350传感器原理图；
[0033] 图8a和8b为本发明实施例MEMS IMU或光纤IMU传感器采集模块示意图；
[0034] 图9为本发明实施例气压高度计MS5534B原理图；
[0035] 图10为本发明实施例气压高度计采集模块示意图；
[0036] 图Ila和Ilb为本发明实施例GPS模块的接口原理图；
[0037] 图12为本发明实施例GPS采集模块示意图；
[0038] 图13为本发明实施例组合导航解算示意图；
[0039] 图14为本发明实施例组合导航EKS平滑算法示意图。
【具体实施方式】
[0040] 为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具 体实施方式作进一步详细描述。
[0041] 参照图1所示，本实施例CPCI嵌入式导航计算机系统的硬件架构图，其包括通过 CPCI总线互联的PowerPC嵌入式信息处理板、信息采集预处理板、数据记录板和电源板，其 中电源板采用通用CPCI电源板。
[0042] 参照图2所示，信息采集预处理板主要完成传感器的信息采集、信息交互过程的 数据缓存、以及信息采集预处理板与PowerPC嵌入式信息处理板的CPCI接口。其中，传感 器包括MU、GPS、磁强计、高度表和人机接口，数据缓存由SDRAM实现，CPCI接口包括PLX的 PCI9054、PCI9052、PCI9056 等。
[0043] 参照图3所示，PowerPC嵌入式信息处理板包括：PowerPC处理器（选用MPC8315)、 晶振构成的时钟电路、Nor flash构成的flash电路、5V输入的LDO电源转换模块构成的电 源电路、422串口转换实现的UART电路、INTEL21152构成的PCI-PCI桥电路、RTL8211B构 成的Ethernet接口电路、HY5PS121621CFP构成的DDR2SDRAM存储电路。其中，Powerpc嵌 入式信息处理板仅保留必要最小核心电路和必要的PCI-PCI桥接口电路等，降低了信息处 理板的功耗和成本。图3中Vxworks系统为移植到信息处理板的嵌入式操作系统，导航信 息融合算法为应用程序。
[0044] 参照图4所示，数据记录板包括：422串口构成的UART电路，NAND flash组成的存 储阵列，PCI9054/PCI9052构成的CPCI桥接口电路，ARM作为数据记录板的控制核心，通过 FPGA实现UART通信、PCI通信、数据存储和数据交互所需的FIFO的控制。
[0045] 为了丰富数据记录板功能，增加数据自动存储功能，ARM通过Periodic TC产生定 时中断，接受传感器原始数据和导航结果，并存储。为降低系统功耗，增加休眠唤醒功能，通 过中断唤醒ARM进入正常工作模式，通过CPCI总线发送启动数据存储、待存储数据、数据存 储完毕进入休眠模式等命令。
[0046] 传感器电路包括以下各部分：
[0047] 磁传感器采集模块：磁传感器选择单轴的HMC1051、双轴的HMC1052,简化硬件设 计可以选择三轴的HMC1053。图5所示为磁传感器电路原理图，HMC1051/HMC1052需要的电 信号VCC30由LDO电源模块提供，磁传感器为差分输出CX+/CX-、CY+/CY-、CZ+/CZ-，S/R+为 设置和复位引脚。图5中IRF7509为MOS管，由Ctrl输入信号，产生S/R+信号。
[0048] 图6所示为磁传感器采集模块结构示意图，包括磁传感器模块、与磁传感器模块 连接的差分运算放大器、与差分运算放大器连接的ADC模数转换、以及为上述三个部分供 电的LDO线性电源模块构成，磁传感器采集模块采集的到的数字信号下行传输至FPGA。 [0049] 惯性传感器组件（MU):为了提高系统的适用度，分别设计了 MEMS MU采集模块 和光纤MU采集模块，MEMS MU的硬件原理图如图7所示，电源为VCC5V，INSRESET为复位 引脚，SCLK1、MIS01、M0SI1、YEXO 为四线 SPI 引脚。
[0050] 图8a和图8b分别示出了 MEMS MU和光纤MU传感器采集模块示意图，MEMS MU adisl6350能够直接提供数字量输出，包括角速率、加速度、温度，可以直接下行传输至 FPGA。光纤IMU通常由闭环光纤数字陀螺仪、石英加速度计组成，属于中高精度IMU，通常能 够达到0. 01° /S量级的测量精度，输出信号通常包括陀螺的差分信号和石英加速度计的 微弱电流信号，对微弱的电流信号，经过精密电阻采样，抗混叠滤波过滤高频噪声，运算放 大器将弱电压信号放大之后，在进行AD数模转换，最终下行传输至FPGA。
[0051] 气压高度计模块：气压高度计模块选择MS5534B，硬件原理图如图9所示，包括有 源晶振和MS5534B，输出信号为SPI接口。气压高度计采集模块示意图如图10所示，气压高 度计的SPI接口可以直接与FPGA相连。
[0052] GPS采集模块：图I Ia和图I Ib为GPS硬件原理图，模块为串行IO (SCIRXDC/ SCITXDC)，电源信号为VCC5V，RF为天线组件，LT1763CS8-3. 3为LDO电源转换芯片。图12 为GPS采集模块示意图，GPS采集模块的串行IO可以直接与FPGA进行数据交互。
[0053] 基于上述嵌入式导航计算机系统，参照图13,其组合导航算法的实施步骤如下：
[0054] (1)首先进行组合导航解算初始化：利用磁强计输出的航向角Vb和加速度计计 算得到的水平姿态角，构成姿态矢量A。
[0055] (2)利用IMU测量得到的角速率 <和加速度义，进行捷联惯性导航解算（SINS解 算），解算得到位置矢量、速度矢量和姿态矢量J。
[0056] (3)GPS部分通过测量得到的伪距、伪距率P e，Pe，结合卫星星历提供的卫星位 置和速度，进行可见星判断，并结合上述信息，进行WLS导航解算，得到卫星的位置信息 A,'，6,'，。
[0057] (4)利用SINS解算的农,结合当前可见卫星的位置和速度，以及气压高度计 的Hb，得到伪距率预测P1, P1，与步骤（3)测量的Pp Ptj做差，得到伪距、伪距率的量测修 正信息。
[0058] (5)磁强计的输出的Vp和Vins，做差得到航向角的量测修正信息。
[0059] ￠)EKF组合导航滤波算法分为预测和更新两个过程，预测过程，利用组合导航状 态方程，计算得到误差状态量X的预测值。滤波更新过程，利用步骤（4)和（5)得到的量测 修正信息，能够修正EKF的组合导航误差状态量X的预测值，获得更为精确的组合导航误差 状态X。
[0060] (7)最后从步骤（2)中计算得到的户/,J中，补偿掉步骤（6)中修正得到的误差 状态X，进而得到更为准确的导航结果。
[0061] 结合图14组合导航EKS (Extended Kalman Smoother)平滑算法，平滑状态估计值 是对滤波估计值元的修正，平滑状态估计值因为有状态估计时刻k以后的验后信息，因 此平滑值< 比前向滤波估计值毛，更为接近组合导航的真实误差。
[0062] 平滑过程需要借助于前向滤波，需要存储前向滤波的预测互协方差C .V|，SINS 解算值，状态预测值和估计值Xk+l|k、i，协方差预测值和估计值Pk+l|k、Pk。
[0063]利用前向滤波存储的Aaim、、xk+l|k、毛、Pk+l|k、P k等矩阵变量，结合EKS算 法和组合导航前向滤波所涉及的相关状态方程和量测方程，迭代得到平滑状态估计值。
[0064] 导航参数的RTS平滑反馈校正可表示为解算值与误差状态平滑值的差：
[0065] Xl=Xk^l-Ml
[0066] 前向滤波反馈矫正得到的组合导航结果为，EKS平滑反馈矫正得到的组合导 航结果为。
[0067] 由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
[0068] 本发明的硬件平台包括PowerPC嵌入式信息处理板、信息采集预处理板、数据记 录板、电源板。
[0069] 相比于DSP+FPGA的导航计算机架构，采用PowerPC核心，其运算性能优于DSP，且 通过移植Vxworks嵌入式操作系统，将导航应用软件和低层硬件分离，便于导航应用软件 的移植。本发明提出的嵌入式导航计算机系统设计，并不仅仅局限于满足导航的需求，也能 满足导航控制一体化的需求。通过移植Vxworks操作系统，简化导航应用软件的开发，节约 了软件研发成本，便于开发和实现更为复杂的导航算法：例如本文的组合导航算法和组合 导航EKS平滑算法。
[0070] 本发明提供了数据记录设计，完善了导航计算机的数据记录功能。数据记录板具 有存储阵列，能够实现大容量存储；具备休眠和中断唤醒功能，降低了系统功耗。
[0071] 本发明提供的数据采集预处理板，不仅适用于MEMS IMU搭建的组合导航系统，也 适用于光纤MU搭建的组合导航系统，增加了系统的灵活性；扩展了气压高度计、磁强计等 传感器采集模块，增加了导航系统的冗余度。
[0072] 本发明提供的嵌入式导航计算机设计，采用CPCI高速总线，实现各个功能板的互 连，保证了较高的通信速率；也实现了对导航计算机的加固，增加了导航计算机的可靠性。
[0073] 本发明采用组合导航前向EKF滤波和验后EKS平滑算法，通过增加验后EKS平滑， 增加了导航设备的数据现场处理能力，该功能可用于设备自检测和精度分析。
[0074] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种CPCI嵌入式导航计算机系统，其特征在于，包括：通过CPCI总线互联的 PowerPC嵌入式信息处理板、信息采集预处理板、数据记录板和电源板；所述PowerPC嵌入 式信息处理板以Vxworks系统作为嵌入式操作系统；所述信息采集预处理板用于传感器的 信息采集、信息交互过程的数据缓存、以及信息采集预处理板与PowerPC嵌入式信息处理 板的CPCI接口；所述数据记录板包括UART电路、存储阵列、CPCI桥接口电路，ARM作为数据 记录板的控制核心，通过FPGA实现UART通信、PCI通信、数据存储和数据交互所需的FIFO 的控制；所述电源板用于为其他各部分供电。
2. 如权利要求1所述的CPCI嵌入式导航计算机系统，其特征在于，所述传感器包括 IMU、GPS、磁强计、高度表和人机接口，数据缓存由SDRAM实现。
3.如权利要求1所述的CPCI嵌入式导航计算机系统，其特征在于，所述PowerPC嵌入 式信息处理板包括：PowerPC处理器、时钟电路、flash电路、电源电路、422串口转换实现的 UART电路、PCI-PCI桥电路、接口电路和存储电路。
4. 如权利要求2所述的CPCI嵌入式导航计算机系统，其特征在于，所述传感器的电路 包括磁传感器采集模块、惯性传感器采集模块、气压高度计模块和GPS采集模块。
5. 如权利要求4所述的CPCI嵌入式导航计算机系统，其特征在于，所述磁传感器采集 模块包括磁传感器模块、与磁传感器模块连接的差分运算放大器、与差分运算放大器连接 的ADC模数转换、以及为上述三个部分供电的LD0线性电源模块，磁传感器采集模块采集的 到的数字信号下行传输至FPGA。
6. 如权利要求4所述的CPCI嵌入式导航计算机系统，其特征在于，所述惯性传感器采 集模块包括MEMSIMU传感器采集模块和光纤IMU传感器采集模块；所述MEMSIMU传感器采 集模块直接提供数字量输出，包括角速率、加速度、温度，直接下行传输至FPGA;所述光纤 IMU传感器采集模块包括闭环光纤数字陀螺仪和石英加速度计，输出信号经过电阻采样，抗 混叠滤波过滤高频噪声，运算放大器将弱电压信号放大之后，在进行AD数模转换，最终下 行传输至FPGA。
7. 如权利要求4所述的CPCI嵌入式导航计算机系统，其特征在于，所述气压高度计模 块通过其SPI接口直接与FPGA相连。
8. 如权利要求4所述的CPCI嵌入式导航计算机系统，其特征在于，所述GPS采集模块 采用天线作为射频组件，通过其串行输入输出接口直接与FPGA连接进行数据交互。
9. 一种基于CPCI嵌入式导航计算机系统的组合导航算法，其特征在于，包括以下步 骤： (1) 组合导航解算初始化：利用磁强计输出的航向角和加速度计计算得到的水平 姿态角，构成姿态矢量A; (2) 利用IMU测量得到的角速率和加速度义，进行捷联惯性导航解算，解算得到位 置矢量、速度矢量和姿态矢量八; (3)GPS通过测量得到的伪距、伪距率Pp ，结合卫星星历提供的卫星位置和速度， 进行可见星判断，并结合步骤（1)和（2)中的信息，进行WLS导航解算，得到卫星的位置信 息声G，PG，^G; (4) 利用解算的足，结合当前可见卫星的位置和速度，以及气压高度计的HB，得到 伪距伪距率预测PD ，与步骤（3)测量的做差，得到伪距、伪距率的量测修正信 息； (5) 磁强计输出的和VINS，做差得到航向角的量测修正信息； (6) 组合导航滤波算法分为预测和更新两个过程，预测过程，利用组合导航状态方程， 计算得到误差状态量x的预测值；滤波更新过程，利用步骤（4)和（5)得到的量测修正信 息，修正组合导航误差状态量x的预测值，获得组合导航误差状态x; (7) 最后从步骤（2)中计算得到的中，补偿掉步骤（6)中修正得到的误差状态x，得到准确的导航结果。
【文档编号】G01C21/20GK104406591SQ201410698405
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】吴旭, 张流 申请人:中国航天科工集团第三研究院第八三五七研究所