[发明专利]一种捷联惯性导航传递对准算法并行实现方法

说明书

技术领域

本发明属于捷联惯性导航领域，特别是涉及到一种捷联惯性导航系统传递对准算法的并行实现方法。

背景技术

为适应现代战争的需要，战术导弹已发展成为日益重要的中等规模打击武器。同时，随着战争的发展对战术导弹的反应速度和命中精度的要求也越来越高。战术导弹一般由运载体进行发射，一般采用惯性中制导和光、电末制导，在导弹发射前，弹载捷联惯导系统的初始化通常采用传递对准完成。机翼和飞机结构的挠曲变形及子惯导的安装误差使装订值与子惯导的真实姿态阵不一致，所引起的子惯导的失准角可达一度左右。因此，快速而准确地在运载体上对战术导弹惯导系统进行初始对准就成为战术导弹的一项关键技术。

提高传递对准过程中对准算法中导航解算和数字滤波的运算频率，可在设定时间内提高传递对准的精度，进而提升武器的打击精确度。传统的提高运算频率的方法是采用更高频的计算芯片。目前，多采用DSP作为主处理芯片，在DSP芯片中所有运算指令都是串行执行的，这样的特点使得传递对准算法计算频率难以得到大幅度的提高。

近年来以FPGA为代表的可编程逻辑器件技术取得了快速发展，高端FPGA器件不仅集成了丰富的可配置逻辑块资源，还包含大量的面向计算密集应用的DSP48(E)单元。就硬件而言，FPGA在并行计算领域具有不可比拟的优势。

将传统的串行捷联惯导传递对准算法进行并行化处理，并由FPGA器件实现，是一种提高捷联惯导传递对准算法运算频率的可行方案。应用FPGA的并行计算特性，将传递对准算法执行过程进行并行化处理，并使传递算法各模块按多个流程同时进行，可大大加快传递对准算法的计算速率，对捷联惯导传递对准精度的提高具有重大价值。

发明内容

为解决传统串行捷联惯导传递对准算法运算速率难以有效提高的问题，本发明提供了一种基于FPGA的捷联惯导传递对准并行实现方法，该方法将传递对准算法模块化，对各模块进行并行设计，并在单个FPGA上设计实现，大大加快了捷联惯导传递对准算法运算速率，提高了传递对准的精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种捷联惯性导航传递对准算法并行实现方法，采用速度加姿态匹配算法，由一次装订模块、地球相关参数解算模块、子惯导系统导航解算模块、滤波参数计算模块、卡尔曼滤波模块和对准输出模块组成。

所述的一次装订模块根据本地存储的补偿四元数、臂杆矢量对接收的主惯导数据，对运载体姿态四元数和运载体对地速度进行补偿计算后，作为传递对准算法导航解算的初始值。一次装订模块包括了姿态装订模块和速度装订模块两个并行运行的子模块。

所述的地球相关参数解算模块根据主惯导传递的运载体位置、速度信息计算得到地球自转角速度、主惯导所在导航坐标系相对地球的旋转角速度和主惯导所在位置的重力加速度等信息。地球相关参数解算模块包括了地球自转角速度解算模块、导航坐标系对地角速度解算模块和当地重力加速度解算模块三个并行运行的子模块。

所述的子惯导系统导航解算模块根据子惯导提供的角速度和比力信号，以一次装订后的输出为初值进行导航解算，其中姿态解算算法采用四元数算法，速度解算算法采用单子样速度算法。子惯导系统导航解算模块包括了姿态四元数解算模块和速度解算模块两个并行运行的子模块。

所述的滤波参数计算模块计算卡尔曼滤波所需噪声分配矩阵、状态转移矩阵和匹配量后，将计算结果传递给卡尔曼滤波模块，进行一次卡尔曼滤波计算。滤波参数计算模块包括了速度差值计算模块、计算姿态误差角计算模块、噪声分配矩阵计算模块和状态转移矩阵计算模块四个并行运行的子模块。

所述的卡尔曼滤波模块包括了状态预测模块、估计协方差预测模块、卡尔曼增益计算模块、状态估计模块和协方差估计模块五个模块，其中状态预测模块、估计协方差预测模块根据滤波参数并行运行，运行结束后估计协方差预测模块将估计协方差预测值送至卡尔曼增益计算模块计算出卡尔曼增益和量测均方差，最后启动并行模块状态估计模块和协方差估计模块，得出状态估计值和协方差估计值。

所述的对准输出模块根据卡尔曼滤波估计得到的误差角对子惯导姿态四元数做一次修正，并结合补偿后的子惯导速度值和主惯导位置信息作为子惯导导航解算的初始值输出。

与现有技术相比，本发明的优点是：将传递对准串行算法的各模块划分成了若干并行执行的子模块，并采用FPGA实现进一步提高算法并行度，大大提高了捷联惯导传递对准的运算速率。如表1所示，以北向不对准角的估计为例，运算速率越快则对准精度越高，因此，提高运算速率可以提高了传递对准的精度，具有重要的意义。