本發(fā)明涉及一種機(jī)載分布式POS(PositionandOrientationSystem,位置姿態(tài)測量系統(tǒng))設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用于多節(jié)點(diǎn)的慣性導(dǎo)航、慣性/GPS(GlobalPositionSystem,全球定位系統(tǒng))組合導(dǎo)航系統(tǒng)以及分布式節(jié)點(diǎn)測量。
背景技術(shù)：
：高精度POS可以為高分辨率航空遙感系統(tǒng)提供高頻、高精度的時(shí)間、空間基準(zhǔn)信息，通過運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償提高成像精度和效率。隨著航空遙感對(duì)高分辨率成像需求的不斷提高，新型高效多任務(wù)成像載荷聯(lián)合成像技術(shù)、長基線微波載荷干涉和陣列技術(shù)逐漸成為提高成像效率和分辨率的有效手段。針對(duì)柔性長基線一主兩子干涉SAR，因其通過機(jī)翼下掛天線吊艙，無需飛機(jī)改裝、較易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)在近年來受到廣泛重視。但對(duì)于同一載機(jī)的三個(gè)觀測載荷，采用傳統(tǒng)的單一POS無法滿足不同安置點(diǎn)多載荷的高精度運(yùn)動(dòng)參數(shù)測量的需求，而且因體積、重量、成本等因素的限制，在各觀測載荷處均安裝一個(gè)高精度POS也不現(xiàn)實(shí)。因此，迫切需要建立起高精度分布式POS測量系統(tǒng)。分布式POS測量系統(tǒng)是用來解決多節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息測量，和單一POS只能測量單一節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息相比，分布式POS測量系統(tǒng)能夠完成主節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航解算、并通過傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)時(shí)輸出兩個(gè)子IMU的位置、速度、姿態(tài)信息。分布式POS測量系統(tǒng)是包含采集線速度和角速度的三個(gè)慣性測量單元，分布式PCS(PCS表示POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng))和差分GPS設(shè)備。其中分布式POS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊，分布式電源模塊，GPS-OEM模塊，分布式存儲(chǔ)模塊和分布式母版模塊，該數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊采用TMS320C6678的8核DSP+FPGA的架構(gòu)。中國發(fā)明專利《一種分布式POS用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01410099312.2)只是一種可以用于分布式POS測量系統(tǒng)中的一個(gè)模塊，而且它是采用FPGA+6片DSP的架構(gòu)，體積大且數(shù)據(jù)處理能力有限。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有的機(jī)載單POS測量系統(tǒng)不能進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)測量的不足，提供一種機(jī)載分布式位置姿態(tài)測量系統(tǒng)，能夠高頻實(shí)時(shí)輸出多節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息。本發(fā)明技術(shù)解決方案是：本發(fā)明的機(jī)載分布式POS測量系統(tǒng)，利用三路慣性測量單元(IMU)測量三個(gè)節(jié)點(diǎn)的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)，并通過422總線傳送給分布式PCS的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，同時(shí)，差分GPS以232或者TTL電平也傳送給分布式PCS的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)；分布式PCS包含了分布式電源模塊，GPS-OEM模塊，分布式存儲(chǔ)模塊，分布式母板模塊和分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊。分布式PCS利用分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊把接收到的三路IMU數(shù)據(jù)和一路GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，在線補(bǔ)償，捷聯(lián)解算，時(shí)間同步，傳遞對(duì)準(zhǔn)和組合濾波；最后，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊把三路IMU原始數(shù)據(jù)和一路GPS數(shù)據(jù)以及組合濾波結(jié)果發(fā)送到存儲(chǔ)板模塊、外部載荷和監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以便后處理、實(shí)時(shí)成像和監(jiān)控。最終，分布式POS同步完成三個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，速度和姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)信息的精確測量。本發(fā)明的原理是：機(jī)載分布式POS測量系統(tǒng)，利用三路慣性測量單元(IMU)測量三個(gè)節(jié)點(diǎn)的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)，并通過422總線傳送給分布式PCS的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，同時(shí)，差分GPS以232或者TTL電平也傳送給分布式PCS的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)；分布式PCS包含了分布式電源模塊，GPS-OEM模塊，分布式存儲(chǔ)模塊，分布式母板模塊和分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊，分布式PCS利用分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊把接收到的三路IMU數(shù)據(jù)和一路差分GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，在線補(bǔ)償，捷聯(lián)解算，時(shí)間同步，傳遞對(duì)準(zhǔn)和組合濾波；最后，分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊把三路IMU原始數(shù)據(jù)和一路GPS數(shù)據(jù)以及組合濾波結(jié)果發(fā)送到存儲(chǔ)板模塊、外部載荷和監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以便后處理、實(shí)時(shí)成像和監(jiān)控。最終，分布式POS測量系統(tǒng)同步完成三個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，速度和姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)信息的精確測量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明的分布式POS測量系統(tǒng)通過三路IMU和分布式PCS能夠完成三個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息的同步采集，接收，實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)輸出。并且能完成大量、高精度的數(shù)據(jù)運(yùn)算，能實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航解算，同時(shí)通過傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)時(shí)輸出兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的位置、速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)信息，是分布式雷達(dá)成像的前提。(2)本發(fā)明的分布式POS測量系統(tǒng)通過差分GPS能完成實(shí)時(shí)載波相位差分信號(hào)的接收，解算，傳輸?shù)椒植际綌?shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行組合導(dǎo)航，進(jìn)一步提高主節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航精度，進(jìn)而提供高精度的傳遞對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)。(3)本發(fā)明的分布式POS測量系統(tǒng)通過分布式存儲(chǔ)模塊能實(shí)現(xiàn)多種波特率和多種傳輸方式的接收分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊發(fā)送的三個(gè)節(jié)點(diǎn)的高頻IMU原始數(shù)據(jù)，三個(gè)節(jié)點(diǎn)的高頻組合導(dǎo)航信息以及GPS-OEM解算的差分GPS數(shù)據(jù)，提高了分布式POS測量系統(tǒng)的靈活度和可靠度，為分布式POS測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后處理奠定了基礎(chǔ)。附圖說明圖1為本發(fā)明的機(jī)載分布式POS組成框圖；圖2為本發(fā)明的機(jī)載分布式POS工作原理圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，本發(fā)明包括一個(gè)分布式PCS、三個(gè)IMU和差分GPS設(shè)備。其中，分布式PCS是機(jī)載分布式POS的核心，它并行接收三個(gè)IMU發(fā)送的422數(shù)據(jù)和差分GPS數(shù)據(jù)，同時(shí)為三個(gè)IMU和RTK機(jī)載電臺(tái)提供28V直流穩(wěn)壓電源，為并為成像載荷和監(jiān)控計(jì)算機(jī)提供三個(gè)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航信息；三個(gè)IMU為分布式PCS并行提供三個(gè)節(jié)點(diǎn)的角速度和加速度，并以422形式發(fā)送到分布式PCS的分布式母板模塊,繼而送入到分布式PCS的分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊，完成捷聯(lián)解算；差分GPS設(shè)備包括地面基準(zhǔn)站設(shè)備和機(jī)載流動(dòng)站設(shè)備，地面基準(zhǔn)站設(shè)備由GPS基準(zhǔn)站天線、GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)、RTK基準(zhǔn)站數(shù)傳電臺(tái)和RTK電臺(tái)發(fā)射天線組成，GPS基準(zhǔn)站天線接收GPS信號(hào)，然后由GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)解算并傳送到RTK基準(zhǔn)站電臺(tái)，最后由RTK電臺(tái)發(fā)射天線送出；機(jī)載流動(dòng)站設(shè)備包括RTK機(jī)載天線、RTK機(jī)載電臺(tái)和GPS流動(dòng)站天線組成，RTK機(jī)載天線接收RTK電臺(tái)發(fā)射天線的信號(hào)，并送入分布式PCS的GPS-OEM模塊，同時(shí)GPS流動(dòng)站天線也接收GPS信號(hào)送入分布式PCS的GPS-OEM模塊，完成差分解算。當(dāng)分布式PCS的GPS-OEM模塊完成差分解算，把實(shí)時(shí)差分位置和速度送入到分布式PCS的分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊，并經(jīng)過桿臂補(bǔ)償，和同時(shí)刻的主節(jié)點(diǎn)的捷聯(lián)解算進(jìn)行組合濾波。兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)IMU的實(shí)時(shí)導(dǎo)航不采用INS/GPS的方法，而采用基于多級(jí)桿臂補(bǔ)償?shù)目柭鼮V波方法將主節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息分別與兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的捷聯(lián)解算信息融合，得到高精度的子節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果；將桿臂長度誤差作為狀態(tài)量引入系統(tǒng)模型，可以更加準(zhǔn)確的估計(jì)出主/子節(jié)點(diǎn)之間的基線長度，提高桿臂補(bǔ)償精度；采用測量參數(shù)“速度+位置”的匹配方法，更容易估計(jì)出動(dòng)態(tài)桿臂的誤差，并進(jìn)行誤差修正，對(duì)撓曲運(yùn)動(dòng)噪聲以及慣性器件的測量噪聲具有較好的積分平滑作用；針對(duì)分布式POS測量系統(tǒng)，在其數(shù)據(jù)采集階段進(jìn)行了時(shí)間同步處理，保證了各IMU數(shù)據(jù)采集的時(shí)間同步性。該濾波器的狀態(tài)方程和量測方程如下：系統(tǒng)狀態(tài)方程為：X·=FX+W]]>式中X為18維狀態(tài)變量，包括3個(gè)姿態(tài)誤差、3個(gè)速度誤差、3個(gè)位置誤差、3個(gè)陀螺儀偏置、3個(gè)加速度計(jì)偏置和3個(gè)桿臂長度誤差，F(xiàn)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；W為系統(tǒng)噪聲，并假設(shè)其為零均值高斯白噪聲；F的表達(dá)式：F=F1F2F3Cbn03×3Cbnωibb×F4F5F603×3Cbn03×303×3F7F803×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×3]]>式中：F1=0ωiesinL+VxtanLRN+H-(ωiecosL+VxRN+H)-(ωiesinL+VxtanLRN+H)0-VyRM+HωiecosL+VxRN+HVyRM+H0]]>F2=0-1RM+H01RN+H00tanLRM+H00F3=00Vy(RM+H)2-ωiesinL0-Vx(RN+H)2ωiecosL+Vxsec2LRN+H0VxtanL(RN+H)2]]>F5=VytanLRN+H-VzRN+H2ωiesinL+VxtanLRN+H-2ωiecosL-VxRN+H-2(ωiesinL+VxtanLRN+H)-VzRM+H-VyRM+H2(ωiecosL+VxRN+H)2VyRM+H0]]>F4=0-fzfyfz0-fx-fyfx0F6=2ωieVycosL+VxVysec2LRN+H+2ωieVzsinL0VxVz-VxVytanL(RN+H)2-(2ωiecosL+Vxsec2LRN+H)VE0VyVz+Vx2tanL(RN+H)2-2ωieVxsinL0-Vx2+Vy2(RN+H)2]]>F7=01RM+H0secLRN+H00001F8=00-Vy(RM+H)2VxsecLtanLRN+H0-VxsecL(RN+H)2000]]>式中RM和RN分別為沿子午圈和卯酉圈的主曲率半徑，H為載體高度，ωie為地球自轉(zhuǎn)角速度，fE、fN和fU分別為東向比力、北向比力和天向比力。量測方程如下：量測量Z為經(jīng)過桿臂補(bǔ)償后的速度誤差和位置誤差，量測矩陣H為：H＝[HVHP]THV=[03×3,100010001,03×9,Cbnωibb×]HP=[03×6,RM+H000RN+H0001,03×9]]]>如圖2所示，三個(gè)IMU是分別用來測量三個(gè)不同節(jié)點(diǎn)的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過IMU內(nèi)部的數(shù)據(jù)預(yù)處理后，并以422總線形式經(jīng)過分布式PCS的分布式母板模塊送入到分布式PCS的分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊，進(jìn)行捷聯(lián)解算。在此過程中，GPS流動(dòng)站天線和RTK機(jī)載電臺(tái)在整秒點(diǎn)向分布式PCS的GPS-OEM模塊發(fā)送GPS流動(dòng)站信息和基準(zhǔn)站信息，進(jìn)而GPS-OEM模塊完成實(shí)時(shí)差分解算，送入到分布式PCS的分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊和主節(jié)點(diǎn)捷聯(lián)解算的結(jié)果完成組合濾波，并通過主節(jié)點(diǎn)的組合濾波結(jié)果完成兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的傳遞對(duì)準(zhǔn)，輸出兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的組合濾波結(jié)果。分布式PCS的分布式數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)模塊把三個(gè)節(jié)點(diǎn)的組合濾波結(jié)果以CAN或者422總線形式送入到三個(gè)成像載荷。三個(gè)IMU原始數(shù)據(jù)，GPS原始數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)濾波結(jié)果送入到分布式PCS的分布式存儲(chǔ)模塊，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，提供更高的導(dǎo)航精度。提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3