CN201072343Y - 嵌入式导航解算装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种导航的解算装置。目前使用的解算装置存在软硬件分离、依赖操作***、速度慢、精度差、体积重量大、耗电多及稳定性差等缺点。本实用新型的解算装置包括FPGA处理器模块、存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、状态显示模块、电源控制模块。存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、状态显示模块均与FPGA处理器模块连接；存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、FPGA处理器模块均与电源控制模块连接。本实用新型可以提高解算精度和处理速度，有效地处理导航数据，降低误差。从而提高整个***的可靠性、反应速度、特别是数据处理速度，使***的导航能力大大提高。

Description

嵌入式导航解算装置

技术领域

本实用新型属于航空导航技术领域，涉及一种导航的解算装置。

背景技术

惯性导航***是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航***。它不但具有很好的隐蔽性，而且可以提供包括载体的位置、速度、航向和姿态角在内比较完整的导航数据。但是，惯性导航***的导航误差随着时间的增加累积，使得导航精度随着时间增长而变差，这是惯性导航***的主要缺点。目前，与惯性导航***配合使用的解算装置的主处理器多为工控机，一般包括中央处理器、接口电路、内存储器和电源等部分。存在软硬件分离、依赖操作***、速度慢、精度差、体积重量大、耗电多及稳定性差等缺点，制约了导航***的发展。

随着EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)技术的发展，基于FPGA(Filed Programmable Gate Array，场可编程门阵列)的SOPC(System on Programmable Chip，可编程片上***)技术已经成为嵌入式***设计领域中一个新热点，它已不是一种功能单一的单元电路，而是将接口技术、信号采集、信号处理等功能集成在一起，成为一个专门用途的电子***。将SOPC技术与导航定位理论相结合设计导航解算***，可以实现导航解算***的小型化、专用化，提高***的稳定性和可靠性。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种可靠性强、反应速度快、准确性高的解算装置。

本实用新型的解算装置包括FPGA处理器模块、存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、状态显示模块、电源控制模块。存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、状态显示模块均与FPGA处理器模块连接；存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、FPGA处理器模块均与电源控制模块连接。存储模块包括***配置存储模块和地面台数据库存储模块。

FPGA处理器模块、存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、状态显示模块、电源控制模块均采用现有的产品。如：

FPGA处理器模块采用ALTERA公司Cyclone系列FPGA，它内嵌NIOS II软核，控制解算***，完成***的初始化，并根据429接口接收到的数据和地面台的加载数据进行运算处理，解算出飞机所在的经、纬度，发送给惯性导航***。

ARINC429数字信息传输规范是专为航空电子***通信规定的航空工业标准。装置中，429接口通信模块采用HOLT公司的ARINC429接口集成芯片HI-8582-10。芯片具有两路数据传输速率可分别设置的接收器，一路传输数据速率可设的发送器。高速传输速率为100k，低速传输速率为12.5k。通过该接口，分别接收机载塔康设备输出的距离、方位、台站识别信息和机载大气数据计算机的气压高度数据，发送实时解算出的经度、纬度数据。

RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。在装置中，数据库加载模块通过该232接口通信模块为装置加载地面塔康台的位置信息。FPGA芯片虽然集成了UART的IP模块，能实现232接口通信模块的异步时序逻辑，但是不能直接驱动232接口通信模块，所以***通过RS232串口通信时，在FPGA和232接口通信模块之间要加电压转换芯片，本装置采用Maxim的max3232芯片。

存储模块主要是存放地面台的数据库信息以及***的软件代码。采用容量为4M的flash芯片EPCS4作为地面台数据库存储模块，另外，由于***运行时与flash芯片传输数据比较慢，设计中选用CYPRESS公司的容量为256K×16bit的高速静态存储器CY7C1041V33作为***配置存储模块，用于存储***运行过程中的程序和需要处理的大量临时代码。

状态显示模块采用LED作为装置运行状态指示，包括电源指示、接收大气机数据指示、接收塔康数据指示、发送数据指示、加载塔康台数据库指示。

电源控制模块为装置各个模块提供正常工作所需的电压。在导航解算装置硬件电路中，FPGA芯片需要3.3V和1.5V的直流电压，RS232接口芯片需要3.3V电压，429接口芯片的工作电压是直流5V和±10V。通过直流稳压电源可同时提供5V和±10V电压，直接为ARINC429接口芯片HI-8582供电，而要想得到3.3V和1.5V直流电压，需要使用DC-DC模块，将5V分别转换为3.3V和1.5V。5V转换为3.3V的电源转换模块选择固定输出的DC-DC模块LM1117-3.3，完成从5V到3.3V的转换过程。5V转换为1.5V的电路选用的是可调输出的DC-DC模块LM1117MPX-ADJ。

本实用新型的解算装置基于SOPC技术，在体积、重量、速度、精度、功耗、可靠性和自主知识产权等方面都有着很大的优越性，可以广泛应用于航空、汽车、船舰等运载器上。该装置通过航空电子***中机载塔康导航设备输出的距离、方位、地面塔康台的位置信息数据以及大气数据计算机输出的高度信息，实时解算出飞机的位置，为惯性导航***提供经度纬度，修正惯性导航***的累积误差。本实用新型在体积、重量、速度、精度、功耗和可靠性等方面都有着很大的优越性，可以广泛应用于航空、汽车、船舰等运载器上。

本实用新型的解算装置可以提高解算精度和处理速度，有效地处理导航数据，降低误差。从而提高整个***的可靠性、反应速度、特别是数据处理速度，使***的导航能力大大提高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为采用该装置解算中的三维球面位置关系图；

图3为图2解算方法中具体定位关系图。

具体实施方式

如图1，嵌入式导航解算装置包括FPGA处理器模块1、存储模块5、429接口通信模块4、232接口通信模块3、状态显示模块2、电源控制模块6。存储模块5、429接口通信模块4、232接口通信模块3、状态显示模块2均与FPGA处理器模块1连接；存储模块5、429接口通信模块4、232接口通信模块3、FPGA处理器模1块均与电源控制模块6连接。存储模块5包括***配置存储模块和地面台数据库存储模块。

处理器模块通过429接口模块接收机载塔康和机载大气数据计算机的数据，通过232接口模块为装置加载地面台数据库。存储模块存储232接口加载的数据库，同时保存装置运行时的临时代码。状态显示模块作为装置运行状态的指示，包括电源指示、接收大气机数据指示、接收塔康数据指示、发送解算数据指示、加载地面塔康台数据库指示。电源模块分别为装置各个模块提供正常工作的电压，其中处理器模块工作电压为3.3V和1.5V，存储模块工作电压为3.3V，232接口模块工作电压为3.3V，429接口模块工作电压为5V、10V和-10V。

该嵌入式导航解算装置的主处理器模块内嵌NIOS II软核，同时包括CPU与***电路的接口，完成导航解算工作和实现接口电路的控制；处理器存储模块包括存储***配置信息和数据库的存储芯片和存储装置运行时临时代码的存储芯片。***配置芯片采用处理器专用的配置芯片EPCS4，主要是存放软件代码和地面台数据库，加电时对FPGA进行配置；信息运行时，主要是通过片外SRAM存储***运行时的代码和数据。429接口通信模块采用HI-8582芯片，包括两路不同速率接收通路，分别用来接收机载塔康设备输出的距离、方位、台站识别信息和机载大气数据计算机的气压高度数据，其中接收大气机数据数率为100K每秒，接受塔康数据数率为12.5K每秒；芯片还包括一路发送通路，可以每秒12.5K的速率发送解算出的经度、纬度数据；地面台数据库加载模块主要是通过MAX 3232串口芯片为***加载地面塔康台的位置信息；状态显示模块主要通过LED显示数据接收、解算、发送等***的运行状态；导航解算装置主要功能包括：能够实现数据接收、数据库查询、位置解算、数据输出、自检、地面台数据库加载、状态显示控制等几项主要功能。

1)接收机载塔康设备数据

接收机载塔康设备输出的方位、距离、台站识别信息，用于位置解算。

2)接收大气机数据

接收大气数据计算机输出的高度信息，用于位置解算。

3)数据库查询

根据塔康地面台的频率或识别码，经内部数据库查询，能获得该塔康地面台的经度、纬度、标高和磁差修正数据等。

4)位置解算

根据飞机相对于地面塔康台的方位和斜距、地面塔康台的经度、纬度、磁差和标高，以及飞机相对于海平面的高度，解算出飞机的实时经度、纬度值。

5)数据库加载功能

地面人员通过数据加载设备加载塔康地面台数据库。

6)状态显示控制功能

通过改变设备前面板控制开关状态，可向惯导发送自检数据；通过设置在设备前面板的指示灯，实现***状态的显示，主要包括解算设备电源状态指示、大气数据计算机“数据传输中”指示、塔康“数据传输中”指示、惯导“数据传输中”指示以及自测试指示。

该嵌入式导航解算装置利用航空电子***中机载塔康设备输出距离、方位、台站识别信息和大气机的气压高度数据，通过导航解的位算芯片实时解算出飞机置，为惯性导航***提供经度、纬度信息，修正惯导***的累积误差。具体解算方法，如图2和3：

根据装置接受的大气机高度信息h，接受的机载塔康设备发送的飞机相对地面台的方位角α，飞机相对地面台的距离S，计算出飞机和地面台之间球面距离对应的大圆的圆心角ρ，再根据存储设备提供的数据库信息，包括地面台所在的经度jd₁、纬度u₁等信息，根据五要素公式(1)、(2)、(3)以及(9)、(10)、(11)等公式解算出飞机的所在的经度jd₂、纬度u₂。

产业上的利用可能性：采用可靠性设计原则，对各个单元模块进行可靠性估计和分配，充分考虑温度、湿度、压力、摔碰等环境因素的影响，并通过实验室及现场测试，确保***的可靠性。由于解算***完全脱离操作***，有良好的散热性和电磁兼容性、能够满足如高空、海洋等恶劣环境下工作的温度、湿度等要求且整个SOPC都是可编程的，具有灵活性，非常方便移植在各类导航设备中，如航空导航、汽车导航、船舶导航等***。因此，它有广阔的应用市场，有着良好的应用前景。

为了获得精确的导航定位数据，根据球面三角学计算原理，可以得到关于球面上大地问题的正解计算方法。图2所示为三维球面位置关系，其中P点为地面塔康台的位置，X点为飞机所在的位置，N为指北。可将三维球面位置关系三角形XPN画于图3。因为大圆的中心角与其所对的弧同度，故球面三角形的边与其对应的球心三面角的面角同度，根据球面三角形的正弦公式、边的余弦公式和正余弦公式(即五元素公式)有：

$\frac{\sin \mathrm{\Δ\ω}}{\sin \mathrm{\ρ}}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-u_2)}---\left(1\right)$

$\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-u_2)=\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-u_1)\cos \mathrm{\ρ}+\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-u_1)\sin \mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\α}---\left(2\right)$

$\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-u_2)\cos \mathrm{\Δ\ω}=\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-u_1)\cos \mathrm{\ρ}-\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-u_1)\sin \mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\α}---\left(3\right)$

整理得到：

sinρsinα＝sinΔωcosu₂                    (4)

sinu₂＝sinu₁cosρ+cosu₁sinρcosα           (5)

cosu₂cosΔω＝cosu₁cosρ-sinu₁sinρcosα    (6)

其中，u₁为地面台纬度，u₂为飞机所在点纬度，Δω为经度差；α为方位角，即塔康地面台所在位置北向与它到飞机连线的顺时针方向夹角的水平投影；ρ为飞机和地面台之间球面距离对应的大圆的圆心角，单位为弧度。整理可得：

sinu₂＝sinu₁cosρ+cosu₁sinρcos α    (7)

$\tan \mathrm{\Δ\ω}=\frac{\sin \mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\α}}{\cos u_1\cos \mathrm{\ρ}-\sin u_1\sin \mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\α}}---\left(8\right)$

从而得到飞机所在点的纬度u₂和与地面台的经度差Δω。

u₂＝arcsin(u₂)                        (9)

$\mathrm{\Δ\ω}=\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\α}}{\cos u_1\cos \mathrm{\ρ}-\sin u_1\sin \mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\α}}\right)---\left(10\right)$

又已知地面台的经度jd₁，进而获得飞机所在的经度jd₂，如下：

jd₂＝jd₁+Δω                         (11)。

Claims (1)

1.嵌入式导航解算装置，其特征在于该装置包括FPGA处理器模块、存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、状态显示模块、电源控制模块；存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、状态显示模块均与FPGA处理器模块连接；存储模块、429接口通信模块、232接口通信模块、FPGA处理器模块均与电源控制模块连接；所述的存储模块包括***配置存储模块和地面台数据库存储模块。

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