双天线GPS/SINS组合导航系统设计
编者按：本系统作为浅组合导航系统的一种，利用了双天线定向GPS与光纤陀螺的组合，以基于DSP+FPGA多处理器结构作为导航计算机平台，在原有的位置与速度基础上加入了姿态作为第三个量测量，应用卡尔曼滤波算法将GPS姿态信息作为对惯性导航系统数据的初始值和修正。设计的系统通过跑车实验验证后表明达到了设计要求，具有实时性好，运算精度高等优点。
引言
现代导航对系统有能够实时、准确地获取载体运动信息的要求。在组合导航领域，卫星导航(目前最常用的是GPS)与捷联式惯性导航(SINS)组合的导航系统能够弥补各自单独导航情况下的不足，而且具有高精度、低成本、结构简单等优点，目前已经成为最热门的研究方向。GPS/SINS组合导航一般是以位置，速度作为量测量来修正惯性导航系统，随着GPS定向系统的逐渐发展，将姿态与位置和速度同样作为量测量的全组合方法正在成为研究热点[1]。本文根据GPS/SINS全组合导航系统的机理和特点在基于DSP+FPGA的导航计算机平台上设计了可靠的信息融合技术，通过相关的试验证明本系统具有较好的效果。
组合导航系统软硬件设计
导航计算机总体设计
捷联式惯性导航系统中将陀螺仪、加速度计、电子线路和金属台体合称为惯性测量装置(IMU)，它是整个系统的核心部件。本文中导航系统采用方便野外跑车实验的一体化、模块化设计，通过接口将导航计算机固连于IMU器件内，计算机与IMU方便更换。本系统中设置IMU数据更新率为200Hz，GPS数据输出频率为1Hz，因此计算机必须能够在5ms内完成整个系统算法运行，这样的速率要求使得单纯采用一个核心处理器的方法已无法满足系统实时性要求，故本系统中计算机采用了DSP+FPGA双核设计方式，DSP选用TI公司的TMS320C6747，TMS320C6747具有高性能的浮点运算能力，最高主频可达到450MHz，能够实现高速运算;而FPGA型号为Xilinx公司的XC3S500E。系统硬件结构如图1所示，其中，DSP6747主要负责IMU解算、卡尔曼滤波等数据处理算法，FPGA主要完成外部接口扩展(2路RS232口，1路RS422口)、数据的采集与传输及逻辑时序控制的功能。
导航系统软件设计
导航计算机软件设计必须满足实时性与准确性的要求。计算机上电后会执行整个系统的初始化，通过后开始捷联惯导算法运算，组合导航算法在GPS数据获取后将其作为初始数据进行运算，如果有GPS数据丢失状况发生，系统将单独运行捷联惯导解算，经解算后的数据被送入Kalman滤波器中处理。系统软件流程图如图2所示。
组合导航系统算法
(1)组合导航的状态方程
目前，GPS/SINS组合导航方式主要分为松散组合和紧密组合。而松散组合大多采用位置、速度组合模式，而本文中加入双天线GPS姿态角作为量测量进而实现全组合方式。其状态方程如公式(1)所示：
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