FPD200_GPS-INS融合定位定向系统

FPD200 GPS/INS Fused Position And Direction System FPD200 GPS/INS融合定位定向系统 西安奥通数码科技有限公司 （Software Version 2.02）September 2005 目 录 TU1．UT TU基本描述UT..................................................................................................................................1 TU2．UT TU系统结构UT..................................................................................................................................2 TU3. 系统原理UT...................................................................................................................................4 TU3.1 GPS 测量方法UT...................................................................................................................4 TU3.2 整周模糊度解算方法UT .......................................................................................................4 TU3.3 GPS/INS组合技术UT .............................................................................................................5 TU4． 技术指标UT..................................................................................................................................6 TU4.1 输出参数UT ...........................................................................................................................6 TU4.2 组合精度（天线间距 4 米）UT ...........................................................................................6 TU4.3 GPS技术指标UT.....................................................................................................................6 TU4.3.1 接收器基本特征UT .....................................................................................................6 TU4.3.2 天线UT .........................................................................................................................6 TU4.3.3 动态性能UT .................................................................................................................7 TU4.3.4 捕获时间UT .................................................................................................................7 TU4.3.5 定时精度 (1PPS)UT....................................................................................................7 TU4.3.6 GPS精度UT..................................................................................................................7 TU4.3.7 坐标基准UT .................................................................................................................7 TU4.4 惯性系统技术指标UT ...........................................................................................................8 TU4.4.1 角速率传感器：UT .....................................................................................................8 TU4.4.2 加速度传感器：UT .....................................................................................................8 TU4.5 测量范围UT ............................................................................................................................9 TU4.6 分辨率UT................................................................................................................................9 TU4.7 数据更新率UT ........................................................................................................................9 TU4.8 温度　UT................................................................................................................................9 TU4.9 输出方式UT ............................................................................................................................9 TU4.10 供电方式UT ..........................................................................................................................9 TU4.11 硬件描述UT ........................................................................................................................10 TU5． 系统配置UT................................................................................................................................11 TU5.1 系统配置框图UT .................................................................................................................11 TU5.2 系统实物照片UT .................................................................................................................12 GPS/INS Fused Position And Direction System 1． 基本描述 传统的定向手段大多存在精度不高、所需时间长、受外界环境影响大等缺陷， 因此在众多场合使用不方便。GPS 定向技术是一项近年来发展起来的新兴技术， 它具有精度高、速度快、使用方便、受外界环境影响小等优势，因而在众多领域 广受青睐。 众所周知，要想使 GPS 具有定向功能，必须使用双天线以上的接收机，而这 种带有定向功能的接收机目前国内外尚不多见。这是因为常用 GPS 接收机所能 测量的伪距精度还不足以用于定向，要想提高 GPS 定位定向的精度，必须使用 载波的测量数据，而且必须首先解决一个所谓载波周期模糊数求值的难题。这个 模糊数无法直接观测，也不能直接计算，只能通过复杂的数学模型从众多的候选 值中进行挑选。虽然目前国内外存在不少求解模糊数的数学模型，但绝大多数因 为所需的计算量太大而不能用于实时计算，只适用于后加工处理，因而不能用于 实时系统。目前，AUTGPS-I 型 GPS 定向定位仪采用了世界上最优秀的理论和 模型成果，并采用了独创的选择计算方法，大大减少了所需的求值计算时间，从 而实现了使用单频接收机进行实时定向运算，而且定位精度也高于其它产品。 惯性系统 ( INS ) 是一种完全自主的导航系统，因此惯性系统可以在 GPS 信 号强度低的情况下辅助定向。惯性系统具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射 性强、全天候等优点，是能提供多种导航参数的重要导航设备。但它的误差随时 间而积累，长时间工作后会产生大的误差，使得惯性系统不宜作远距离长时间使 用。 针对上述情况，我们研制出了 FPD200 GPS/INS 融合定位定向系统，由全球 卫星导航系统(GPS) 、惯性导航系统( INS) 和信息处理系统三部分构成。该系统 运用 GPS 载波测量技术、信息融合技术获得高精度定位、定向信息，可广泛应 用于车辆、船舶、雷达制导站、发射车、单兵作战等领域的高精度快速授时、定 位、定向。 系统功能包括： z 获得精确时间 z 获得载体三维位置数据(经、纬度和高度，WGS84 坐标系)； 1 GPS/INS Fused Position And Direction System z 获得载体方向角； z 获得载体俯仰角； z 显示； z 数据记录； z I/O 输出。 2． 系统结构 系统结构包括： ◆ GPS 系统 ◆ 惯性系统 ◆ 数据融合系统 ◆ 数据显示系统 ◆ 数据输出系统 系统结构图如下图所示： 2 GPS/INS Fused Position And Direction System 3 GPS/INS Fused Position And Direction System 3. 系统原理 3.1 GPS 测量方法 　GPS 测量方法有伪距法、多普勒法和载波相位法。前两种都存在着测 量精度不高的缺点。本系统 GPS 测量方法采用载波相位法。由于 L1 载波的 波长为 0.1903 m，远小于伪距观测码(C/A 码)的波长，在相同的相位分辨率 下，用载波相位观测的准确度比用伪距观测时要高两个数量级以上。用载波 相位观测替代伪距观测可以大大提高观测的精度。由于载波不携带有测距码 的任何信息，所以载波相位测量通常也称为无码测量，载波是一种周期性的 正弦信号。因此，采用载波相位法是保证系统测量精度的保证。 　 本系统接收 L1 载波信号，有 16 个 L1 C/ A 码独立信道。系统启动后， 满足解算条件后，便可自动对整周模糊度进行初始化，初始化结束后，解算 模式转到固定整周模式，以 10HZ 频率输出解算结果，基线 4m 时定向精度 0.05°，基线长度增加，可提高定向精度。 若在载体上配置不共线的三个 GPS 天线, 可构成两条互相独立的基线。 通过这两条基线在载体坐标系和地理坐标系中的坐标位置可以在载体坐标 系中建立三个互相正交的矢量，从而解算出三维姿态参数。 3.2 整周模糊度解算方法 为了获得高精度定位、定向信息，必须使用载波相位观测量和解算未知 的整周相位模糊度，对于高精度的姿态测量问题，整周模糊度的解算是必须 解决的首要问题。整周模糊度的解算通常分为三个步骤： 1) 估计位置、速度和浮点模糊值(最小二乘或卡尔曼滤波) 。 2) 根据初值和精度建立搜索空间和搜索可能的模糊组合。 3) 检测正确的模糊组合。 载波相位初始整周模糊度的快速解算。GPS 载波相位初始整周模糊度的 解算速度直接决定了 GPS 系统的初始化时间的长短。目前国内外研究这一技 4 GPS/INS Fused Position And Direction System 术的人很多，但真正可用于动态实时系统的算法尚不多见。 目前 FPD200 GPS/INS 融合定位定向系统已经成功解决了快速解算整周 模糊度的难题，解算速度、解算结果完全达到实时效果，具有国际先进水平。 3.3 GPS/INS组合技术 GPS 系统和 INS 系统有极强的互补性, 通过卡尔曼滤波器把二者结合 起来成为性能非常完善的新系统。采用组合模式, 利用 GPS 提供的高精度数 据, 修正 INS 的误差，从而得到高精度的定位定向信息，并且可以提高系统 的可靠性。卡尔曼滤波器是组合系统的关键。 GPS/INS 融合系统框图 5 GPS/INS Fused Position And Direction System 4． 技术指标 4.1 输出参数 „ 时间 „ 位置（经度、纬度、高度） „ 方向角 „ 俯仰角 4.2 组合精度（天线间距 4米） „ 经纬度： CEP＜＝2m „ 三维定位：CEP＜＝2.5m „ 方向角：＜＝0.05º „ 俯仰角：＜＝0.1º 4.3 GPS技术指标 4.3.1 接收器基本特征 „ 1　 6 个并行通道 „ L1 1575.42MHZ 　 „ C/A　 码(1.023MHZ 码片速率) „ 　载波跟踪(载波辅助跟踪) 4.3.2 天线 „ 　有源天线 „ 　接收器提供电源：15 mA ，3Vdc 6 GPS/INS Fused Position And Direction System 4.3.3 动态性能 „ 　速度：不低于 515 米/秒(1000knots) „ 　高度：不低于 18000 米 „ 　加速度：4g „ 　颠簸：5 米/秒 „ 　振动：7.7g 4.3.4 捕获时间 „ TTFF　 （首次定位时间）典型值<3.5 秒(当拥有当前的天历、位置、 时间和星历数据时) „ TTFF　 典型值<33 秒(当拥有当前的天历，位置和时间数据时) „ TTFF 典型值<60 秒(冷起动) „ 　典型重捕获时间<1.0 秒 4.3.5 定时精度 (1PPS) „ 　<500 纳秒(1 )　 ，有 SA 时 4.3.6 GPS 精度 „ 　 水平定位：2.0 m „ 　 三维定位：2.5m „ 　 水平定速：0.02m/s „ 　 纵向定速：0.03m/s „ 　 水平定向：0.05° „ 　 俯仰角：0.1° „ 　 水平角速度：1°/s „ 　 纵向角速度：2°/s 4.3.7 坐标基准 „ 　 WGS　 -84 7 GPS/INS Fused Position And Direction System 4.4 惯性系统技术指标 4.4.1 角速率传感器： „ 输入电压（Vdc）： +5+5%V „ 输出电流（mA）： 30 mA „ 测量范围： +75°/s - +900°/s „ 满量程输出电压（V）： 0 - 5V „ 零偏电压（V）： 2.5+0.1V „ 长期（100h）零偏稳定性（°/s）：≤ 1.0°/s „ 非线性度（%FR）： ≤ 0.5%FR „ 分辨率： ≤ 0.06°/s - 10°/s „ 启动时间（ms）： ≤ 35ms „ 带宽： ≤ 40Hz „ 可靠性： MTBF100000 小时 „ 工作温度： -40℃ - +85℃ „ 存储温度： -55℃ - +100℃ „ 冲击（不供电 0.5ms）： 1000g „ 冲击（供电 0.5ms）： 500g 4.4.2 加速度传感器： „ 输入电压（Vdc）： +5+5%V „ 输出电流（mA）： 30 mA „ 测量范围： +1g - +100g „ 满量程输出电压（V）： 0 - 5V „ 零偏电压（V）： 2.5+0.1V „ 非线性度（%FR）： ≤ 0.2%FR „ 分辨率： ≤ 0.002g – 0.01g „ 启动时间（ms）： ≤ 35ms „ 带宽： ≤ 40Hz 8 GPS/INS Fused Position And Direction System „ 可靠性： MTBF100000 小时 „ 工作温度： -40℃ - +85℃ „ 存储温度： -55℃ - +100℃ „ 冲击（不供电 0.5ms）： 1000g „ 冲击（供电 0.5ms）： 500g 4.5测量范围 „ 高 度： 不低于 18000m „ 速 度： 不低于 515m/s „ 方向角： 0~360º „ 俯仰角： ±180º 4.6分辨率 „ 　 位置： 0.1m „ 　 姿态角：0.01º 4.7数据更新率 „ 　 数据输出率：10Hz 4.8温度　 „ －40℃~+70℃ 4.9输出方式 „ 　 RS-232 4.10供电方式 „ 　 190-250VAC 50Hz 9 GPS/INS Fused Position And Direction System 4.11硬件描述 „ 体积： 252×186×305 mm3 „ 重量： 2.5kg 10 GPS/INS Fused Position And Direction System 5． 系统配置 5.1 系统配置框图 系统配置框图 11 GPS/INS Fused Position And Direction System 5.2 系统实物照片 12 1． 1． 基本描述 2． 系统结构 3. 系统原理 3.1 GPS 测量方法 3.2 整周模糊度解算方法 3.3 GPS/INS组合技术 4． 技术指标 4.1 输出参数 4.2 组合精度（天线间距4米） 4.3 GPS技术指标 4.3.1接收器基本特征 4.3.2天线 4.3.3动态性能 4.3.4捕获时间 4.3.5定时精度 (1PPS) 4.3.6 GPS精度 4.3.7坐标基准 4.4 惯性系统技术指标 4.4.1角速率传感器： 4.4.2加速度传感器： 4.5测量范围 4.6分辨率 4.7数据更新率 4.8温度 4.9输出方式 4.10供电方式 4.11硬件描述 5． 系统配置 5.1 系统配置框图 5.2 系统实物照片