[发明专利]CPCI嵌入式导航计算机系统及组合导航算法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

(一)要解决的技术问题

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。

(二)技术方案

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。

优选地，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。

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。

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。

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。

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。

优选地，所述气压高度计模块通过其SPI接口直接与FPGA相连。

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。

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：

(1)组合导航解算初始化：利用磁强计输出的航向角ψ_B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

(3)GPS通过测量得到的伪距、伪距率ρ_G,ρ_G，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)利用解算的结合当前可见卫星的位置和速度，以及气压高度计的H_B,得到伪距伪距率预测ρ_I,ρ_I，与步骤(3)测量的ρ_G,ρ_G做差，得到伪距、伪距率的量测修正信息；

(5)磁强计输出的ψ_P和ψ_INS，做差得到航向角的量测修正信息；