專利名稱：一種具有ecef模型的mimu系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型慣性測(cè)量組合(MIMU)系統(tǒng)，更特別地說，是指一種具有ECEF 模型的MIMU系統(tǒng)，以及用本發(fā)明MIMU系統(tǒng)輔助GPS跟蹤環(huán)路的方法。
背景技術(shù)：
微型慣性測(cè)量組合(MIMU,miniature inertial measurement unit)是一種重要 的MEMS，它是由微型陀螺儀、微型加速度計(jì)，專用集成電路(ASIC)、嵌入式微機(jī)及相應(yīng)的導(dǎo) 航軟件組成，可以提供運(yùn)動(dòng)載體的位置、速度和姿態(tài)信息。2010年第2期總第244期的《計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程》中公開了 “北斗雙星/SINS組 合導(dǎo)航中的捷聯(lián)慣導(dǎo)算法研究”。在該文章的圖1中介紹了一種由計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、控 制顯示、加速度計(jì)組合和陀螺組合形成的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(1賂)。該INS是基于地理坐標(biāo)系作 為導(dǎo)航坐標(biāo)系的。2008年2月第37卷第1期《測(cè)繪學(xué)報(bào)》中公開了 “MEMS IMU輔助的高性能GPS接 收機(jī)設(shè)計(jì)”。為了改善GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)條件下或低信噪比條件下的性能，在GPS跟蹤環(huán) 路中引入MIMU輔助信息。MIMU輔助的衛(wèi)星接收機(jī)示意圖如圖1所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)，該MIMU系統(tǒng)基于ECEF模 型，利用磁通、加表和GPS的參數(shù)得到初始對(duì)準(zhǔn)的姿態(tài)矩陣，通過利用陀螺輸出的角速度和 加表輸出的比力信號(hào)，獲得三軸速度+力和三軸位置+力作為輔助GPS接收機(jī)跟蹤 環(huán)路的信息。本發(fā)明融合后的數(shù)據(jù)能夠輔助GPS接收機(jī)對(duì)環(huán)路的跟蹤，以及提高跟蹤環(huán)路 的相對(duì)帶寬，從而提高了 GPS接收機(jī)的抗干擾能力；同時(shí)本發(fā)明設(shè)計(jì)MIMU系統(tǒng)也解決了光 纖慣導(dǎo)輔助GPS接收機(jī)平臺(tái)體積大、成本高的問題。本發(fā)明的一種具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)，MIMU系統(tǒng)用于接收加速度計(jì)組合(10) 輸出的載體加速度信息AFltl = {AFX10, AFY10, AFZltJ、陀螺組合Q0)輸出的載體角速度信 M, AG20 = {AGX2Q，AGY2tl，AG^J、以及磁力計(jì)組合(30)輸出的磁通信息 AH3tl = (AHX30, AHY30, AHZ30I ；該MIMU系統(tǒng)包括有信號(hào)調(diào)理模塊(1)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊O)、平滑濾波模塊(3)、模式 設(shè)置模塊(4)、誤差模型模塊( 、模式解碼模塊(6)、ECEF模型(7)、慣性與DPS同步信息產(chǎn) 生模塊(8)、狀態(tài)控制字產(chǎn)生模塊(9) ；AFXltl表示加速度計(jì)的X軸輸出的載體加速度信息， AFY10表示加速度計(jì)的Y軸輸出的載體加速度信息，AFZ10表示加速度計(jì)的Z軸輸出的載體 加速度信息，AGX^1表示陀螺的X軸輸出的載體角速度信息，AGY2tl表示陀螺的Y軸輸出的載 體角速度信息，AG^1表示陀螺的Z軸輸出的載體角速度信息，AHX3tl表示磁力計(jì)的X軸輸出 的磁通信息，AHY3tl表示磁力計(jì)的Y軸輸出的磁通信息，AHZ3tl表示磁力計(jì)的Z軸輸出的磁通 fn息；信號(hào)調(diào)理模塊⑴用于對(duì)載體加速度信息AFltl = {AFX10, AFY10, AFZ10I、載體角速 度信息 AG2tl = (AGX20, AGY20, AG;}、以及磁通信息 AH3tl = (AHX30, AHY30, AHZ30I 進(jìn)行噪聲抑制濾波，得到調(diào)理后的調(diào)理-陀螺AG1、調(diào)理-加表AFp以及調(diào)理-磁通AH1 ；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊⑵對(duì)接收的AGpAF1和AH1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字_陀螺AG2、數(shù) 字-加表AF2和數(shù)字-磁通AH2 ；平滑濾波模塊⑶對(duì)接收的數(shù)字-陀螺AG2、數(shù)字-加表AF2和數(shù)字-磁通AH2進(jìn) 行野點(diǎn)剔除和兩級(jí)平滑濾波處理，得到平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3和平滑后-磁 通 AH3 ；模式設(shè)置模塊(4)用于接收上位機(jī)下發(fā)的模式命令，然后根據(jù)該命令進(jìn)行不同模 式啟動(dòng)，并將模式設(shè)置命令M4輸出給模式解碼模塊(6)；所述的模式命令包括有松組合模 式切換命令、緊組合模式切換命令、輔助解算模式切換命令和GPS更新率；誤差模型(5)用于接收上位機(jī)下發(fā)的MIMU誤差模型參數(shù)，然后根據(jù)該MIMU誤差 模型參數(shù)進(jìn)行不同模式啟動(dòng)，并將誤差模型數(shù)據(jù)M5輸出給模式解碼模塊(6)；該MIMU誤差 模型參數(shù)主要包括有三軸陀螺和三軸加表的誤差模型參數(shù)；模式解碼模塊(6)用于對(duì)接收的模式設(shè)置命令M4和誤差模型數(shù)據(jù)M5進(jìn)行解碼和 校驗(yàn)，然后輸出CRC校驗(yàn)后命令MD6給ECEF模型(7)；狀態(tài)控制字產(chǎn)生模塊(9)用于產(chǎn)生狀態(tài)控制字命令ST9,并將該狀態(tài)控制字命令 ST9輸出給ECEF模型(7)；慣性與GPS同步信息產(chǎn)生模塊⑶對(duì)接收的平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3 和平滑后-磁通AH3和GPS數(shù)據(jù)仏=行數(shù)據(jù)狀態(tài)字、GPS數(shù)據(jù)和慣性
傳感器數(shù)據(jù)的整合，產(chǎn)生與接收信息相同步的同步陀螺信息祐、同步加表信息冗、同步磁通 信息Magb、ECEF下初始三軸速度)和ECEF下初始三軸位置)，然后將生產(chǎn)的同步 信息輸出給ECEF模型(7)；所述的數(shù)據(jù)狀態(tài)字分別為系統(tǒng)狀態(tài)字、傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)狀態(tài)字、 GPS數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)控制字；ECEF模型(7)依據(jù)CRC校驗(yàn)后的命令MD6、狀態(tài)控制字命令ST9對(duì)接收到的三軸陀 螺數(shù)據(jù)祐、三軸加表數(shù)據(jù)冗6、三軸磁通數(shù)據(jù)Magb、ECEF下初始三軸速度《(Γ )、ECEF下初始 三軸位置d(^)、GPS初始緯度L、GPS初始經(jīng)度λ信息進(jìn)行ECEF模型解算，得到ECEF的速 度信息< (Τ + r)和位置信息& (Τ + τ)；然后將ECEF的速度信息< (T + r)和位置信息& (Τ + τ) 傳送給GPS接收機(jī)進(jìn)行跟蹤環(huán)路的輔助，提高GPS接收機(jī)的抗干擾能力。本發(fā)明具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于1.以ECEF模型，并結(jié)合GPS數(shù)據(jù)對(duì)GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路進(jìn)行輔助，從而提高了 GPS 接收機(jī)的抗干擾能力。2.以GPS數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)來進(jìn)行慣性數(shù)據(jù)的速度與位置的高速融合。3.采用野點(diǎn)剔除和兩級(jí)平滑濾波相結(jié)合的方法對(duì)陀螺組合數(shù)據(jù)AG2、加速度計(jì)組 合數(shù)據(jù)AF2和磁力計(jì)組合數(shù)據(jù)AH2進(jìn)行處理，處理后數(shù)據(jù)的方差比原始數(shù)據(jù)的方差降低了 10 倍左右，從而提高了慣性傳感器數(shù)據(jù)的信噪比，從而從根源上提高了導(dǎo)航解算的精度。4.慣性與GPS同步信息產(chǎn)生模塊利用系統(tǒng)狀態(tài)字、傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)狀態(tài)字和GPS 數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)控制字對(duì)GPS數(shù)據(jù)和慣性數(shù)據(jù)進(jìn)行打包同步控制，以作為第二 DSP解算的控制標(biāo)志ο5.通過MD6和ST9對(duì)第二 DSP處理器進(jìn)行設(shè)置，能夠靈活控制MIMU系統(tǒng)的模式選擇，以及GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)更新率的選擇，以及MIMU數(shù)據(jù)的模型參數(shù)。6.采用在ECEF下獲取初始姿態(tài)矩陣G (Γ )，實(shí)現(xiàn)了 MIMU系統(tǒng)在ECEF坐標(biāo)下的姿 態(tài)矩陣G (Γ + 0的實(shí)時(shí)更新。7.本發(fā)明采用DSP和FPGA處理器的硬件平臺(tái)，其尺寸小(由四塊電路板組成，分 別為97mmX 70mm、92mmX 65mm、45mmX 25mm、:35mmX 25mm)、成本低(由微機(jī)械傳感器芯片組 成，相對(duì)光纖慣性傳感器成本較低)。8.在硬件平臺(tái)上，作為系統(tǒng)邏輯和時(shí)序控制核心的FPGA不僅是系統(tǒng)的總控制器， 同時(shí)能在FPGA內(nèi)部完成傳感器數(shù)據(jù)的平滑濾波，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的消噪。


圖1是本發(fā)明具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明ECEF模型的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖1所示，本發(fā)明的一種具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)，該MIMU系統(tǒng)包括有信 號(hào)調(diào)理模塊1、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2、平滑濾波模塊3、模式設(shè)置模塊4、誤差模型模塊5、模式解碼 模塊6、ECEF模型7、慣性與DPS同步信息產(chǎn)生模塊8、狀態(tài)控制字產(chǎn)生模塊9。本發(fā)明MIMU系統(tǒng)用于接收加速度計(jì)組合10輸出的載體加速度信息AF1(I、陀螺組 合20輸出的載體角速度信息AG2Q、以及磁力計(jì)組合30輸出的磁通信息AH3q ；本發(fā)明MIMU系統(tǒng)用于輸出ECEF(Earth Centered Earth Fixed，地固地心直角 坐標(biāo)系)坐標(biāo)系下的三軸速度ve\(r + r)、三軸位置《(Γ + Ο給GPS接收機(jī)40。該三軸速度
+ 和三軸位置《(r + r)用于輔助GPS接收機(jī)40中的跟蹤環(huán)路，從而提高了 GPS接收 機(jī)的抗干擾能力。 在本發(fā)明中，平滑濾波模塊3、模式解碼模塊6、慣性與DPS同步信息產(chǎn)生模塊8和 狀態(tài)控制字產(chǎn)生模塊9由FPGA處理器實(shí)現(xiàn)。FPGA芯片用Verlog HDL硬件描述語(yǔ)言編程。在本發(fā)明中，模式設(shè)置模塊4和誤差模型5由第一 DSP處理器實(shí)現(xiàn)。ECEF模型7 由第二 DSP處理器實(shí)現(xiàn)。DSP芯片上用C語(yǔ)言編程。下面將對(duì)本發(fā)明具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)中的各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行詳細(xì)說 明。(一 )信號(hào)調(diào)理模塊1信號(hào)調(diào)理模塊主要是對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲抑制濾波。輸入三軸陀螺數(shù)據(jù) AG20 (即Ah。= (AGX20, AGY20, AGZ20I，X、Y和Z表示陀螺的三個(gè)軸)、三軸加表數(shù)據(jù)AFltl (即 AF10 = {AFX10, AFY10, AFZ10I，X、Y和Z表示加表的三個(gè)軸)和三軸磁通數(shù)據(jù)AG3tl (即AH30 = IAHX30, AHY30, AHZ30I，X、Y和Z表示磁通的三個(gè)軸)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理輸出調(diào)理后的三軸陀螺 數(shù)據(jù)AG1 (簡(jiǎn)稱為調(diào)理-陀螺AG1)、三軸加表數(shù)據(jù)AF1 (簡(jiǎn)稱為調(diào)理-加表AF1)、以及三軸磁 通數(shù)據(jù)AH1 (簡(jiǎn)稱為調(diào)理-磁通AH1)。在本發(fā)明中，AG1JF1和AH1中分別也包括了 X、Y和Z 三軸，即9路信息，為了方便說明，此后的文字不作X、Y和Z三軸的分別敘述。由于傳感器輸出的原始信號(hào)存在高頻噪聲，若直接進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊會(huì)導(dǎo)致誤差較大，所以要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理。在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前選用TI公司的運(yùn)算 放大器0PA2350，構(gòu)成一階有源低通濾波器，不僅可以消除高頻噪聲，而且還可以解決輸入 輸出阻抗不匹配的問題。0PA2350及其外圍電路組成的低通濾波電路的截止頻率應(yīng)為MIMU 信號(hào)帶寬的5倍，這里通過0PA2350附加外圍電路設(shè)計(jì)的一階有源低通濾波的截止頻率是 1000HZ，這樣有效的濾除了高頻噪聲的干擾。( 二)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2對(duì)AG1JF1和AH1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字_陀螺AG2、數(shù)字-加表 AF2和數(shù)字-磁通AH2,并將A(i2、AF2和AH2輸出給平滑濾波模塊3。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2選用三片TI公司的ADS1274芯片，其最大的采集速率是144kSPS， M位高精度數(shù)據(jù)輸出。(三)平滑濾波模塊3平滑濾波模塊3對(duì)數(shù)字-陀螺AG2、數(shù)字-加表AF2和數(shù)字-磁通AH2進(jìn)行野點(diǎn)剔 除和兩級(jí)平滑濾波處理，得到平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3和平滑后-磁通AH3,并 將AG3、AF3和AH3輸出給慣性與DPS同步信息產(chǎn)生模塊8。微慣性傳感器輸出的原始值噪聲較大，若直接用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算會(huì)大大影 響解算的精度，通過(一)的信號(hào)調(diào)理模塊從硬件設(shè)計(jì)上已經(jīng)對(duì)噪聲進(jìn)行了抑制，在利用傳 感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解算前在FPGA處理器中還需要軟件方面的平滑濾波。為了消除傳輸過程中 個(gè)別點(diǎn)受到干擾以及提高信噪比，本發(fā)明提出了野點(diǎn)剔除和兩級(jí)平滑濾波相結(jié)合的方法。上述平滑濾波模塊是在FPGA中完成的，利用了 FPGA處理器的強(qiáng)大的并行處理能 力，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)AG2、AF2和AH2數(shù)據(jù)分別同時(shí)進(jìn)入平滑濾波模塊進(jìn)行并行處理， 經(jīng)過平滑濾波后的數(shù)據(jù)輸出并行的AG3、AF3和AH3，下面以陀螺輸出的角信息進(jìn)行平滑濾波 為例進(jìn)行平滑濾波步驟說明，依據(jù)同樣的方法能夠計(jì)算出加表、磁通的閾值。步驟3-1 首先記錄下慣性傳感器前后兩次采樣的閾值。具體方法為由于陀螺的 量程為士300° /s,以IOkHz的前端采樣率進(jìn)行采樣，正常情況下兩個(gè)數(shù)之間轉(zhuǎn)過的最大角 度為300/10k，由于陀螺的刻度系數(shù)為0.05，根據(jù)陀螺的數(shù)據(jù)手冊(cè)換算到3 δ (3倍方差)的 電壓值計(jì)算可以得到閾值大約等于18。步驟3-2 =FPGA中設(shè)置一個(gè)存儲(chǔ)寄存器存儲(chǔ)上一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，下一個(gè)數(shù)據(jù)到 來后和前一個(gè)做差，若其差的絕對(duì)值大于第一步求得的閾值，即認(rèn)為是野值，則野點(diǎn)剔除模 塊輸出的值是上一個(gè)正確的IMU ；若當(dāng)前的IMU值不是野值，則將當(dāng)前IMU值輸出，并且存 儲(chǔ)寄存器的值更新為當(dāng)前的IMU值。步驟3-3 對(duì)步驟3-2野點(diǎn)剔除輸出的數(shù)據(jù)每10個(gè)進(jìn)行一次相加取平均值，將 這個(gè)平均值作為最終數(shù)據(jù)輸出給步驟3-4，通過這步操作，相當(dāng)于將IOk的采集速率降為 IOOOHz。步驟3-4 對(duì)步驟3-3輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行窗口長(zhǎng)度為8的滑窗平滑。所謂的窗口類 似長(zhǎng)度為8的FIFO隊(duì)列，每次把窗口中的8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，然后把最早到窗口的數(shù) 據(jù)移出窗口，其它窗口數(shù)據(jù)依次移位，收取一個(gè)當(dāng)前新的數(shù)據(jù)到窗口的末尾。步驟3-5 對(duì)步驟3-4輸出的窗口輸出數(shù)據(jù)每10個(gè)再進(jìn)行一次相加取平均值，通 過這步操作，將這個(gè)平均值作為最終數(shù)據(jù)輸出給步驟3-6，相當(dāng)于將步驟3-4輸出的數(shù)據(jù)采 集速率降為IOOHz。
步驟3-6 對(duì)步驟3-5輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步驟3-4的窗口長(zhǎng)度為8的滑窗平滑。并 將平滑后的數(shù)據(jù)作為最終的平滑濾波輸出數(shù)據(jù)。通過以上幾個(gè)操作步驟，將原始數(shù)據(jù)的干擾點(diǎn)剔除，并且消除了傳感器數(shù)據(jù)的原 始噪聲，使數(shù)據(jù)更加平滑數(shù)據(jù)平滑，經(jīng)過實(shí)際證明，經(jīng)過野點(diǎn)剔除和兩級(jí)平滑濾波模塊的數(shù) 據(jù)其方差比原始數(shù)據(jù)的方差降低了 10倍左右，從而提高了慣性傳感器數(shù)據(jù)的信噪比，從而 從根源上提高了導(dǎo)航解算的精度。(四)模式設(shè)置模塊4模式設(shè)置模塊4用于接收上位機(jī)下發(fā)的模式命令，然后根據(jù)該命令進(jìn)行不同模式 啟動(dòng)(簡(jiǎn)稱為模式設(shè)置命令M4),并將模式設(shè)置命令M4輸出給模式解碼模塊6。該模式設(shè)置 命令M4主要包括有模式切換命令(松組合、緊組合和輔助解算)和GPS更新率。在本發(fā)明中，模式設(shè)置模塊4在第一 DSP處理器上實(shí)現(xiàn)，該第一 DSP處理器通過 RS232總線接受上位機(jī)的模式設(shè)置命令。上位機(jī)(即計(jì)算機(jī))是一種能夠按照事先存儲(chǔ)的 程序，自動(dòng)、高速地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。最低配置為 CPU 2GHz，內(nèi)存2GB，硬盤180GB ；操作系統(tǒng)為windows2000/2003/XP。接收的上位機(jī)的命令 格式如下面所示每一個(gè)數(shù)據(jù)包中采用的數(shù)據(jù)類型描述如下BYTE 8-bit 無(wú)符號(hào)整數(shù)。SINGLE :32-bit0-byte)單精度浮點(diǎn)數(shù)，采用〃 ANSI/IEEE Std 754SINGLE 〃格 式。發(fā)送的第一、二個(gè)字節(jié)發(fā)送的是小數(shù)的低16位，第三個(gè)字節(jié)包含偏移階碼的最低位 和小數(shù)的高7位；第四個(gè)字節(jié)包含尾數(shù)符號(hào)位和偏移階碼的高7位。實(shí)際階碼=偏移階 碼-127。加上隱含的小數(shù)點(diǎn)前面的1，SINGLE尾數(shù)實(shí)際包含M-bit有效位。低字節(jié)先發(fā)送。信息的發(fā)送和接收，都采用下面的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，每一個(gè)數(shù)據(jù)包順序以下面兩個(gè)字 節(jié)開頭<DLE>ASCII 字符，1-byte，= IOh<id> 數(shù)據(jù)包標(biāo)志符，Ι-byte，可取 OOh FFh 中除 IOh(ASCIKDLE〉)和 03h (ASCIKETX 中任何值，其取值和定義見后面說明。每一個(gè)數(shù)據(jù)包順序以下面兩個(gè)字符結(jié)束<DLE>ASCII 字符，1-byte，= IOh<ETX>ASCII 字符，1-byte，= 03h模式命令M4格式采用集合形式表達(dá)為M4 = {<DLE>, <id>, <DATA>, <CRC>, <DLE>, <ETX>}。數(shù)據(jù)包中每個(gè)“data byte”可取任何8-bit數(shù)，但如果data byte = 10h DLE>)， 則該byte必須發(fā)兩次。<CRC>幀校驗(yàn)字，2bytes，校驗(yàn)算法采用CRC校驗(yàn)，對(duì)id和DATA進(jìn)行校驗(yàn)，但多發(fā) 的DLE不參與校驗(yàn)。如果CRC byte = IOh (<DLE>)，則該byte必須發(fā)兩次。本系統(tǒng)規(guī)定系統(tǒng)模式切換命令的id號(hào)06H，其具體含義如下
權(quán)利要求
1. 一種具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)，MIMU系統(tǒng)一方面用于接收加速度計(jì)組合(10)輸出 的載體加速度信息AFltl = {AFX10, AFY10, AFZ1J、陀螺組合Q0)輸出的載體角速度信息AG2tl ={AGX2Q，AGY2tl，AGZ2J、以及磁力計(jì)組合(30)輸出的磁通信息 AH3tl = (AHX30, AHY30, AHZ30I, MIMU系統(tǒng)另一方面用于輸出ECEF坐標(biāo)系下的三軸速度ve\(r + r)、三軸位置d(Γ +r)給GPS 接收機(jī)(40)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS接收機(jī)00)的跟蹤環(huán)路進(jìn)行跟蹤；其特征在于該MIMU系統(tǒng)包括 有信號(hào)調(diào)理模塊(1)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊( 、平滑濾波模塊C3)、模式設(shè)置模塊(4)、誤差模型模 塊(5)、模式解碼模塊(6)、ECEF模型(7)、慣性與DPS同步信息產(chǎn)生模塊⑶、狀態(tài)控制字 產(chǎn)生模塊(9) ；AFXltl表示加速度計(jì)的X軸輸出的載體加速度信息，AFYltl表示加速度計(jì)的Y 軸輸出的載體加速度信息，AFZltl表示加速度計(jì)的Z軸輸出的載體加速度信息，AGX2tl表示陀 螺的X軸輸出的載體角速度信息，AGY2tl表示陀螺的Y軸輸出的載體角速度信息，AGZ2tl表示 陀螺的Z軸輸出的載體角速度信息，AHX3tl表示磁力計(jì)的X軸輸出的磁通信息，AHY3tl表示磁 力計(jì)的Y軸輸出的磁通信息，AHZ30表示磁力計(jì)的Z軸輸出的磁通信息；信號(hào)調(diào)理模塊⑴用于對(duì)載體加速度信息AFltl= {AFX1(1，AFYltl，AFZiaK載體角速度信息 AG20 = (AGX20, AGY20, AGZ20I、以及磁通信息 AH3tl = (AHX30, AHY30, AHZ30I 進(jìn)行噪聲抑制濾波， 得到調(diào)理后的調(diào)理-陀螺AG1、調(diào)理-加表AFp以及調(diào)理-磁通AH1 ；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊⑵對(duì)接收的AGpAF1*AH1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字-陀螺A(i2、數(shù)字-加 表AF2和數(shù)字-磁通AH2 ；平滑濾波模塊C3)對(duì)接收的數(shù)字-陀螺AG2、數(shù)字-加表AF2和數(shù)字-磁通々吐進(jìn)行野點(diǎn) 剔除和兩級(jí)平滑濾波處理，得到平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3和平滑后-磁通AH3 ； 模式設(shè)置模塊(4)用于接收上位機(jī)下發(fā)的模式命令，然后根據(jù)該命令進(jìn)行不同模式啟 動(dòng)，并將模式設(shè)置命令M4輸出給模式解碼模塊(6)；所述的模式命令包括有松組合模式切 換命令、緊組合模式切換命令、輔助解算模式切換命令和GPS更新率；誤差模型( 用于接收上位機(jī)下發(fā)的MIMU誤差模型參數(shù)，然后根據(jù)該MIMU誤差模型 參數(shù)進(jìn)行不同模式啟動(dòng)，并將誤差模型數(shù)據(jù)M5輸出給模式解碼模塊(6)；該MIMU誤差模型 參數(shù)主要包括有三軸陀螺和三軸加表的誤差模型參數(shù)；模式解碼模塊(6)用于對(duì)接收的模式設(shè)置命令M4和誤差模型數(shù)據(jù)M5進(jìn)行解碼和校驗(yàn)， 然后輸出CRC校驗(yàn)后命令MD6給ECEF模型(7)；狀態(tài)控制字產(chǎn)生模塊(9)用于產(chǎn)生狀態(tài)控制字命令ST9，并將該狀態(tài)控制字命令ST9輸 出給ECEF模型(7)；慣性與GPS同步信息產(chǎn)生模塊⑶對(duì)接收的平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3和平 滑后-磁通AH3和GPS數(shù)據(jù)仏=· <(Γ),Γ(Γ),Ζ,^進(jìn)行數(shù)據(jù)狀態(tài)字、GPS數(shù)據(jù)和慣性傳感器數(shù)據(jù)的整合，產(chǎn)生與接收信息相同步的同步陀螺信息紀(jì)、同步加表信、同步磁通信息 Mag\ ECEF下初始三軸速度<(Γ)和ECEF下初始三軸位置，然后將生產(chǎn)的同步信息輸 出給ECEF模型(7)；所述的數(shù)據(jù)狀態(tài)字分別為系統(tǒng)狀態(tài)字、傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)狀態(tài)字、GPS數(shù) 據(jù)標(biāo)識(shí)控制字；ECEF模型(7)依據(jù)CRC校驗(yàn)后的命令MD6、狀態(tài)控制字命令STJf接收到的三軸陀螺數(shù) 據(jù)硿、三軸加表數(shù)據(jù)冗、三軸磁通數(shù)據(jù)Magb、ECEF下初始三軸速度ν〗 (Τ )、ECEF下初始三軸 位置<P)、GPS初始緯度L、GPS初始經(jīng)度λ信息進(jìn)行ECEF模型解算，得到ECEF的速度信息< (T + r)和位置信息& (Τ + τ)；然后將ECEF的速度信息< (T + r)和位置信息力(T + r)傳送 給GPS接收機(jī)進(jìn)行跟蹤環(huán)路的輔助，提高GPS接收機(jī)的抗干擾能力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)，其特征在于平滑濾波模塊(3)、 模式解碼模塊(6)、慣性與DPS同步信息產(chǎn)生模塊⑶和狀態(tài)控制字產(chǎn)生模塊(9)由FPGA 處理器實(shí)現(xiàn)；模式設(shè)置模塊(4)和誤差模型(5)由第一 DSP處理器實(shí)現(xiàn)；ECEF模型(7)由 第二 DSP處理器實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)，其特征在于平滑濾波模塊(3) 對(duì)陀螺輸出的角信息進(jìn)行平滑濾波包括有下列處理步驟步驟3-1 首先記錄下慣性傳感器前后兩次采樣的閾值；具體方法為由于陀螺的量程 為士300° /s,以IOkHz的前端采樣率進(jìn)行采樣，正常情況下兩個(gè)數(shù)之間轉(zhuǎn)過的最大角度為 300/10k,由于陀螺的刻度系數(shù)為0. 05，根據(jù)陀螺的數(shù)據(jù)手冊(cè)換算到3 δ的電壓值計(jì)算可以 得到閾值大約等于18 ；步驟3-2 =FPGA中設(shè)置一個(gè)存儲(chǔ)寄存器存儲(chǔ)上一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，下一個(gè)數(shù)據(jù)到來后 和前一個(gè)做差，若其差的絕對(duì)值大于第一步求得的閾值，即認(rèn)為是野值，則野點(diǎn)剔除模塊輸 出的值是上一個(gè)正確的IMU ；若當(dāng)前的IMU值不是野值，則將當(dāng)前IMU值輸出，并且存儲(chǔ)寄 存器的值更新為當(dāng)前的IMU值；步驟3-3 對(duì)步驟3-2野點(diǎn)剔除輸出的數(shù)據(jù)每10個(gè)進(jìn)行一次相加取平均值，將這個(gè)平 均值作為最終數(shù)據(jù)輸出給步驟3-4，通過這步操作，相當(dāng)于將IOk的采集速率降為1000Hz ；步驟3-4:對(duì)步驟3-3輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行窗口長(zhǎng)度為8的滑窗平滑；所謂的窗口類似長(zhǎng)度 為8的FIFO隊(duì)列，每次把窗口中的8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，然后把最早到窗口的數(shù)據(jù)移出 窗口，其它窗口數(shù)據(jù)依次移位，收取一個(gè)當(dāng)前新的數(shù)據(jù)到窗口的末尾；步驟3-5 對(duì)步驟3-4輸出的窗口輸出數(shù)據(jù)每10個(gè)再進(jìn)行一次相加取平均值，通過這 步操作，將這個(gè)平均值作為最終數(shù)據(jù)輸出給步驟3-6，相當(dāng)于將步驟3-4輸出的數(shù)據(jù)采集速 率降為IOOHz ；步驟3-6 對(duì)步驟3-5輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步驟3-4的窗口長(zhǎng)度為8的滑窗平滑；并將平 滑后的數(shù)據(jù)作為最終的平滑濾波輸出數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)，其特征在于ECEF模型解算執(zhí)行 下列步驟步驟7-1 依據(jù)MD6、ST9，進(jìn)行自身程序初始化控制；步驟7-2 在初始對(duì)準(zhǔn)單元中對(duì)L、λ、Magb、《信息進(jìn)行初始化，獲取載體坐標(biāo)系到 ECEF下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的初始姿態(tài)矩陣G (Γ )；載體姿態(tài)航向角記為Ψ、俯仰角記為θ和橫滾角記為Φ ；具體航跡推算為推導(dǎo)步驟一求初始航向角初始對(duì)準(zhǔn)要求磁阻傳感器測(cè)得的值在水平面內(nèi)，如果不在水平面內(nèi)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行坐標(biāo)變 換，變換方法為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有ECEF模型的MIMU系統(tǒng)，該MIMU系統(tǒng)包括有信號(hào)調(diào)理模塊(1)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(2)、平滑濾波模塊(3)、模式設(shè)置模塊(4)、誤差模型模塊(5)、模式解碼模塊(6)、ECEF模型(7)、慣性與GPS同步信息產(chǎn)生模塊(8)和狀態(tài)控制字產(chǎn)生模塊(9)；MIMU系統(tǒng)是基于DSP和FPGA處理器的嵌入式平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了以GPS數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)來進(jìn)行慣性數(shù)據(jù)的速度與位置的高速融合。本發(fā)明融合后的數(shù)據(jù)能夠輔助GPS接收機(jī)對(duì)環(huán)路的跟蹤，以及提高跟蹤環(huán)路的相對(duì)帶寬，從而提高了GPS接收機(jī)的抗干擾能力。
文檔編號(hào)G01S19/21GK102109349SQ20101058746
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者劉鑫鵬, 富立, 王玲玲 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)