[发明专利]基于FPGA的去偏转换量测卡尔曼滤波器的设计方法

摘要

本发明公开了一种基于FPGA的去偏转换量测卡尔曼滤波器的设计方法，首先设计基于FPGA的去偏转换量测卡尔曼滤波的系统，增益矩阵模块包含平均真实协方差子模块和增益矩阵子模块；状态更新模块包含坐标转换子模块、平均真实偏差子模块、新息子模块和状态更新子模块；所述的三角函数模块、一步预测模块、预测误差协方差模块、滤波误差协方差模块、平均真实协方差子模块、增益矩阵子模块、坐标转换子模块、平均真实偏差子模块、新息子模块和状态更新子模块分别调用了浮点加、减、乘、除运算模块。本发明采用结构层次化设计，底层模块运用VHDL输入，顶层采用原理图输入方式，可提高代码的可读性，易于模块划分，且方便在设计过程中进行仿真。

主权项

一种基于FPGA的去偏转换量测卡尔曼滤波器的设计方法，其特征在于首先设计基于FPGA的去偏转换量测卡尔曼滤波的系统，包括三角函数模块、一步预测模块、预测误差协方差模块、增益矩阵模块、状态更新模块、滤波误差协方差模块和FIFO模块，其中增益矩阵模块包含平均真实协方差子模块和增益矩阵子模块；状态更新模块包含坐标转换子模块、平均真实偏差子模块、新息子模块和状态更新子模块；所述的三角函数模块、一步预测模块、预测误差协方差模块、滤波误差协方差模块、平均真实协方差子模块、增益矩阵子模块、坐标转换子模块、平均真实偏差子模块、新息子模块和状态更新子模块分别调用了浮点加、减、乘、除运算模块；三角函数模块：三角函数模块的输入端口为目标的俯仰角和方位角、时钟信号、复位信号和输入使能信号；输出端口为俯仰角与方位角的三角函数值和下一模块的握手信号；在三角函数模块中，俯仰角与方位角的三角函数值计算一次，然后在坐标转换模块、量测转换的平均真实偏差模块和量测转换的平均真实协方差的模块需要时读取这些数据，牺牲少量的寄存器来换取宝贵的乘法单元；一步预测模块：输入端口为上一时刻目标的状态估计值、时钟信号、复位信号和输入使能信号；输出端口为一步提前预测值和下一模块的握手信号；其中复位信号的作用是每处理完一帧数据，对内部计数器进行复位；输入使能信号的作用是提示并允许接收上一时刻目标状态估计值；握手信号的作用是使能状态更新模块、新息子模块接收一步预测值；预测误差协方差模块：输入端口为上一时刻的滤波误差协方差值、时钟信号、复位信号和输入使能信号；输出端口为预测误差协方差值和下一模块的握手信号；增益矩阵模块：在计算增益矩阵时，需要先求出量测噪声的协方差矩阵，即DCMKF的平均真实协方差，然后计算增益矩阵的值，对于整个增益矩阵模块而言，输入端口为目标的俯仰角与方位角的三角函数值、径向距离、预测误差协方差值、时钟信号、复位信号和上述各值的输入使能信号；输出端口为增益矩阵的值和状态更新模块、滤波误差协方差模块的握手信号；滤波更新模块：在计算滤波更新值时，需要经过球坐标到笛卡尔坐标的坐标变换、去偏修正、新息计算、滤波更新四个过程；对于整个滤波更新模块而言，输入端口有目标的径向距离、目标的俯仰角与方位角的三角函数值、状态一步预测值、增益矩阵的值、时钟信号、复位信号和上述各值的输入使能信号；输出端口为状态估计值和握手信号，其中该握手信号为LPM_FIFO1模块的写使能信号；滤波误差协方差模块：输入端口为预测误差协方差值、增益矩阵的值、时钟信号、复位信号和两个数据输入使能信号；输出端口为滤波误差协方差值和握手信号，其中该握手信号为LPM_FIFO2模块的写使能信号；FIFO模块：调用两个FIFO模块，其中LPM_FIFO1模块用于暂存每一次滤波更新值，LPM_FIFO2模块用于暂存滤波误差协方差的值，以便在下一时刻调用。