基于DSP和ARM的GNSS/INS车载组合导航系统设计

摘要

目前，各类工程应用对低成本、高精度、小型化导航系统的需求越来越大。GNSS/INS组合导航作为近几十年来大力研究的重点，其设计结构和方法也逐渐增多。惯性导航不需要接收外部信息，也不向外界辐射能量，属于自主式的导航系统。它拥有很好的隐蔽性和抗干扰性，产生的导航信息连续性好而且很少受噪声污染。但是其误差会随着时间的推移不断累积，长期精度较差。因此与其它导航相比，惯性导航精确度不高、定向性不好。卫星导航观测时间短，精确度较高，但在遇到不良环境时难以接收可靠的卫星信号，导致定位失效，从而使得卫星导航不连续。惯性导航和卫星导航的优缺点是互补的，因此组合导航可将两者的优点结合起来，并实现能够连续输出精确导航信息的导航功能。 在世界向智能化社会迈进的同时，中高精度的车载导航系统参与到不同行业的工程应用中已是一个趋势。本文以农业耕作、港口装卸等工程应用为背景，设计了一套基于DSP和ARM的GNSS/INS车载组合导航系统。主要工作概括如下。 首先，根据应用背景和实际要求，研究了组合导航的组合模式、滤波算法、硬件组成等，制定了车载组合导航系统的总体方案。将系统划分为卫星导航接收模块、惯性导航接收模块和信息处理模块三个部分。然后，依据各功能模块的性能，设计了以DSP+ARM数据信息处理器为核心的组合导航硬件系统。该硬件系统包括卫星接收机设备与配套天线、惯性测量单元、DSP与ARM处理芯片等。为了提升硬件系统的可靠性、实时性、稳定性与集成度，本文还设计了信息处理一体化板卡。 其次，完成了软件方案的设计和算法程序的编写与测试。本文设计了单天线GNSS/INS组合导航、双天线GNSS/INS组合导航和RTK组合导航三种模式的导航系统。采用惯性测量单元和惯性导航方程组成组合导航的惯性系统部分，将惯性系统的结果和卫星导航算法部分的结果运用扩展卡尔曼滤波算法进行处理，解算出最终的组合导航结果。本文在CCS和Keil环境下实现系统各部分的软件程序功能，主要包括惯性导航程序、卫星接收机数据处理程序、组合导航判断程序以及组合导航卡尔曼滤波算法程序等。 最后，建立了测试平台，对所设计的组合导航系统进行测试实验。通过测试，验证了本文组合导航系统的整体性能。实验结果表明所设计的组合导航系统能够实现较高精度的定位，可满足田间作业和港口装卸等领域的导航要求，有广阔的工程应用前景。

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