《高動態捷聯慣性導航系統的高可信嵌入式計算研究》是依託浙江大學，由馬龍華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高動態捷聯慣性導航系統的高可信嵌入式計算研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：馬龍華
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高動態捷聯慣性導航系統的可信實時計算問題至今沒有解決，約束特殊環境飛行器的導航套用。高動態捷聯慣性導航系統是一種複雜的信息物理系統(CPS), 高可信計算是CPS的關鍵理論基礎。本課題研究高動態條件下基於FPGA平台的高可信捷聯慣導系統硬體超高速解算實現所需要解決的關鍵理論問題，主要研究內容如下：高動態條件下捷聯式慣導系統姿態更新算法的適用性定量分析；捷聯式慣導系統姿態、導航計算的並行化處理方法；適用於FPGA的並行處理的捷聯式慣導系統姿態、導航並行算法；基於FPGA硬體平台的超高聲速飛行器捷聯式慣導系統姿態、導航算法並行處理的高可信設計和實現。利用仿真和實驗平台對在不同錐運動頻率下，滿足姿態更新算法漂移精度要求的多子樣高可信最佳化算法實現能力進行驗證研究。並最終發展成一套適應於航空航天領域的CPS的高可信計算方法體系，為航空航天領域複雜計算問題的高可信實時計算提供有效的解決方案。
結題摘要
本項目研究高動態下的捷聯慣導系統並行實現方法，通過PFGA計算平台，實現導航計算的高可信計算。研究的內容涉及初始對準算法、並行卡爾曼濾波器設計、捷聯解算算法、並行捷聯解算算法設計以及FPGA實現技術，以及基於SINS/GPS的組合導航信息融合算法。取得了以下學術成果： 1. 類似於組合導航中的耦合機制，在對捷聯慣導系統導航計算機的功能需求以及性能需求進行分析的基礎上，提出了深並行體系架構和全並行體系架構，在全並行體系架構中，所有的計算均是並行化執行的，因此就需要設計全新的捷聯慣導系統初始對準和捷聯解算算法，即並行初始對準算法和並行捷聯解算算法等。 2. 針對提高卡爾曼濾波對準算法實時跟蹤運載體真實姿態變化的局限性，提出了一種基於法捷耶夫算法的卡爾曼濾波器並行脈動陣列結構實現。可將卡爾曼濾波器表示為一些列矩陣運算形式，然後基於法捷耶夫算法將其映射為並行脈衝陣列結構來實現。 3. 針對高超聲速巡航飛彈的高速高機動運動特性，提出了一種適合高動態的捷聯慣導系統捷聯解算算法。提出了一種新的廣義最佳化圓錐補償算法和划槳補償算法。其相對於現有的圓錐和划槳補償算法，當慣性器件的輸出採樣速率恆定時，圓錐和划槳補償算法的更新速率與慣性器件的輸出採樣個數無關，即在圓錐和划槳補償算法的高更新速率下可採用高階更新算法。 4. 考慮到姿態更新算法是捷聯解算算法的核心，也是影響系統精度的主要因素，特別是對作高速高機動運動的高超聲速巡航飛彈等運載體，定量分析了圓錐補償算法的階次以及更新周期對算法誤差的影響大小。 5. 針對捷聯慣導系統減小更新周期(即提高更新速率) 可提高其精度的特點，特別是對作高速高機動的高超聲速巡航飛彈，提出了一種並行捷聯解算算法結構。根據並行算法的設計技術(即分治策略和流水線技術)，對捷聯解算算法進行了並行化設計，且進行了定量分析。為研究提高高動態環境下的捷聯慣導系統精度提供了重要基礎。 6. 針對捷聯慣導系統的並行捷聯解算算法和並行卡爾曼濾波初始對準算法的FPGA實現，分別從系統的角度進行了詳細分析。其中，利用Xilinx嵌入式軟核MicroBlaze控制和調度並行捷聯解算算法和並行卡爾曼濾波初始對準算法中的各模組執行。通過車載試驗驗證了這種捷聯慣導系統FPGA硬體實現的可行性。
