[发明专利]一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，属于惯性技术领域，可以应用于POS(Position and Orientation System，位置姿态测量系统)，也可以应用于惯性导航、惯性/GPS(Global Position System，全球定位系统)组合导航系统的数据采集及预处理。

背景技术

对于高分辨率航空遥感系统，除了高分辨率遥感载荷之外，制约遥感系统成像分辨率的主要因素是高精度POS。高精度POS为遥感载荷提供高精度位置姿态基准，同时为惯性稳定平台提供精确的指向。无论对于高分辨率光学相机，还是机载三维成像激光雷达，高精度POS是提高成像分辨率的关键，已成为制约我国高分辨率遥感系统发展的技术瓶颈。数据采集及预处理系统是POS系统的重要组成部分，直接关系到POS系统功能的实现及性能的提高。

国外在高分辨率遥感载荷发展的牵引下，高精度POS技术也得到了快速发展，美国、加拿大、德国等发达国家已经形成了产品，并广泛应用于高性能航空遥感领域。加拿大APPLANIX公司是当今世界上POS技术发展水平的代表，其研制了一系列POS，其中POS/AV610激光陀螺POS系统，应用于航空相机、成像光谱仪、激光雷达和合成孔径雷达等，其IMU采用的是Honeywell公司的micro ISR，由于技术封锁，没有相关micro ISR数据采集及预处理系统的报道。Honeywell是当今世界上陀螺及惯性导航系统技术发展水平的代表，其高精度激光陀螺惯性测量单元HG9900采用的是TI的TMS320VC33浮点处理器作为核心处理器。

国内在POS用惯性测量系统技术方面，虽然起步较晚，但是目前已经开展了相应的研究工作，并取得了一定的进展。我国第一代机载POS试验样机，成功应用于中科院电子所机载微波遥感系统。研制的第二代POS原理样机用挠性陀螺惯性测量系统；研制的高精度POS原理样机用光纤陀螺惯性测量系统，姿态精度高达0.02°，为高精度POS研制提供了技术支撑，其数据采集及预处理系统采用单FPGA加外围芯片的组合方式，实现数据采集，但FPGA是定点处理器，无法进行高精度数据滤波，所以单FPGA数据采集方案无法满足激光陀螺POS系统需求。国防科技大学制作的激光陀螺惯性导航系统，其数据采集及预处理系统采用PC-104作为主处理器，但是PC-104体积大、功耗大，难以满足POS系统小体积、低功耗、高精度的发展需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，从而满足POS系统高频率和高精度的需求。

本发明技术解决方案是：一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统包括：FPGA数据采集模块和DSP数据预处理模块；FPGA数据采集模块包括I/F转换电路、光耦隔离电路、正交解码电路、FPGA最小子系统和温度信号调理电路；DSP数据预处理模块包括DSP最小子系统和RS-422串口发送电路；三路激光陀螺正交编码信号经过光耦隔离电路发送给正交解码电路，正交解码电路解码完成后得到激光陀螺解码信号，发送给FPGA最小子系统；三路加速度计电流信号经过I/F转换电路转换为加速度计脉冲，然后经过光耦隔离电路发送给FPGA最小子系统；GPS秒脉冲信号经过光耦隔离电路发送给FPGA最小子系统；激光陀螺温度信号和加速度计温度信号经过温度信号处理电路进行信号放大和A/D转换后，经过光耦隔离电路通过SPI通信方式发送给FPGA最小子系统；FPGA最小子系统通过硬件描述语言在FPGA中搭建硬件电路系统，实现激光陀螺数据和加速度计数据2KHz-20KHz的高频采样，具体实现为通过采集脉冲方式采集GPS秒脉冲同步FPGA数据采集时钟，通过采集脉冲和电平的方式采集激光陀螺信号，通过采集脉冲的方式采集加速度计信号，通过SPI通信方式采集激光陀螺温度信号和加速度计温度信号；DSP最小子系统读取FPGA最小子系统采集的三路激光陀螺信号、三路加速度计信号、激光陀螺温度信号和加速度计温度信号，并进行预处理，预处理包括对三路激光陀螺数据及三路加速度计数据进行低通数字滤波；利用激光陀螺温度数据和加速度计温度数据分别对激光陀螺数据和加速度计数据进行查找表式温度补偿；利用激光陀螺数据对加速度计数据进行振动误差补偿；将经过低通滤波、温度误差补偿和振动误差补偿的激光陀螺数据和加速度计数据进行加和平滑，最后通过RS-422串口通信电路将预处理结果发送给导航计算机；DSP最小子系统通过提高DSP硬件利用率和软件算法执行效率，实现系统小体积、低功耗和高运算性能。