專利名稱：海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置，具有無源導(dǎo)航定位定向功能，適用于
導(dǎo)航與控制和海洋重力測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今社會的發(fā)展要求水面和水下運(yùn)動載體能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、自主、全天候、寂靜的 導(dǎo)航。為了實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，一般采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以實(shí)時提供多種導(dǎo)航信息如航向、 速度、位置和姿態(tài)等。但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差會隨時間積累，需要定期利用外部信號 進(jìn)行校正，否則會導(dǎo)致定位精度下降。重力場信息與星光、地形場和地磁場信息相比，抗干 擾能力強(qiáng)，具有全天候、無源性的優(yōu)點(diǎn)，所以重力輔助慣性導(dǎo)航對高精度、自主、全天候?qū)Ш?技術(shù)的提高具有重要意義。 上世紀(jì)90年代美國洛克希德馬丁公司發(fā)表了重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的專利 (A. Jircitano， D. E. Dosch， Gravity aided inertial navigation system, US5339684, 1994)，之后又研制出重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)由慣性平臺導(dǎo)航系統(tǒng)、重力梯度儀、重力 儀、重力梯度圖、重力圖和精密聲納導(dǎo)航模塊等組成。美國研制的重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)不僅體 積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本非常高。為了滿足無源導(dǎo)航性能的基本要求，本發(fā)明提供了一種 體積小、精度高和可靠性好的海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置。本發(fā)明裝置不僅能夠用于海洋 運(yùn)動載體的定位定向，而且還能夠進(jìn)行海洋重力測量，在導(dǎo)航與控制技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛 的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種體積小、精度高和可靠性好的海洋慣性重力 組合導(dǎo)航裝置。 技術(shù)方案本發(fā)明的海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置包括二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)、重力 傳感器、多普勒計(jì)程儀、測深儀、數(shù)字重力異常圖、組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和顯示終端，其中二環(huán)式 慣性平臺系統(tǒng)、重力傳感器、多普勒計(jì)程儀和測深儀與組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)相連，數(shù)字重力異常 圖存貯在組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)內(nèi)。 二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)的慣性測量傳感器是二個單自由度液浮陀螺儀、一個單軸速 率光纖陀螺儀和三個單軸石英撓性擺式加速度計(jì)。重力傳感器被放置在二環(huán)式慣性平臺系 統(tǒng)的臺體上，重力傳感器敏感軸與臺體水平面垂直。多普勒計(jì)程儀和測深儀通過串行接口 與組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)相連。組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)包含浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器(DSP)、可編程邏輯門陣 列(FPGA)、微控制器(MCU)和數(shù)字重力異常圖等模塊。 組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)接收二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)、重力傳感器、多普勒計(jì)程儀和測深儀 信息，對加速度計(jì)、陀螺儀、多普勒計(jì)程儀和測深儀的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，用減小厄特弗斯效應(yīng) 的重力匹配擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行重力匹配組合導(dǎo)航計(jì)算，經(jīng)反饋修正模塊對二環(huán)式慣 性平臺系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行修正，最后將修正后的導(dǎo)航參數(shù)顯示在終端上。
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有益效果本發(fā)明的特點(diǎn)在于(1)海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置能夠?qū)崿F(xiàn)海洋運(yùn) 動載體的高精度定位定向；(2)海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置能夠?qū)崿F(xiàn)海洋重力測量；(3)海 洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置體積小、可靠性好；(4)海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置結(jié)構(gòu)簡單、維 修方便。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖2為本發(fā)明的信號數(shù)據(jù)處理流程示意圖； 圖3為本發(fā)明的重力匹配組合導(dǎo)航算法流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)1采用二個單自由度液浮陀螺儀8、一個單軸速率光纖陀螺 儀9和三個單軸的石英撓性擺式加速度計(jì)10作為敏感載體角運(yùn)動和線運(yùn)動的傳感器，它們 被放置在臺體上，二個單自由度液浮陀螺儀的敏感軸分別于俯仰軸和橫滾軸平行，單軸速 率光纖陀螺儀的敏感軸垂直于臺體水平面。三個單軸石英撓性擺式加速度計(jì)敏感軸分別與 臺體的俯仰軸、橫滾軸和臺體水平面的垂直軸相平行。臺體由水平環(huán)架支撐，水平環(huán)架由與 運(yùn)載體固聯(lián)的環(huán)架支撐。當(dāng)臺體傾斜時，二個單自由度液浮陀螺儀通過校正網(wǎng)絡(luò)、調(diào)制放大 電路分別給俯仰角和橫滾角穩(wěn)定電機(jī)饋電，構(gòu)成穩(wěn)定回路，使臺體恢復(fù)到水平面，此時姿態(tài) 角傳感器輸出的信號為載體的姿態(tài)信號。當(dāng)臺體水平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，單軸速率光纖陀螺儀 將敏感方位角的變化，它通過解析積分計(jì)算就能得到臺體方位角的大小。
重力傳感器2采用石英零長彈簧軸對稱重力傳感器；多普勒計(jì)程儀3采用相控陣 聲學(xué)多普勒計(jì)程儀；測深儀4采用船用測深儀；數(shù)字重力異常圖5采用數(shù)字重力異常圖包 括EGM96重力異常數(shù)據(jù)和局部實(shí)測重力異常數(shù)據(jù)；組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)6主要由大規(guī)?？删幊?邏輯門陣列(FPGA)和數(shù)字信號處理器(DSP)構(gòu)成。 FPGA采集二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)、陀螺儀、加速度計(jì)和角度傳感器以及 重力傳感器、多普勒計(jì)程儀和測深儀的信號；DSP從FPGA中讀取導(dǎo)航參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn) 行數(shù)字信號處理、誤差補(bǔ)償，以及重力匹配擴(kuò)展卡爾曼濾波解算，并將解算后的導(dǎo)航參數(shù)寫 入FPGA，經(jīng)反饋修正模塊對二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行修正，最后將修正后的導(dǎo)
航參數(shù)顯示在終端上。 本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)1向組合導(dǎo)航計(jì) 算機(jī)發(fā)送速度、位置、俯仰角、橫滾角、航向角等導(dǎo)航信息，以及陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)字信 號信息。重力傳感器2向組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送當(dāng)?shù)刂亓y量信息。多普勒計(jì)程儀3和測深 儀4向組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送外部速度和深度信息。組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)6通過浮點(diǎn)數(shù)字信號處 理器(DSP)和可編程邏輯門陣列(FPGA)對二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)1、重力傳感器2、多普勒計(jì) 程儀3和測深儀4的發(fā)送的信息進(jìn)行信號調(diào)理和誤差補(bǔ)償，并依靠內(nèi)部存貯的數(shù)字重力異 常圖5，進(jìn)行重力匹配組合導(dǎo)航計(jì)算或海洋重力測量數(shù)據(jù)處理，最后將處理后的結(jié)果在終端 7上顯示。 本發(fā)明的信號數(shù)據(jù)處理流程示意圖如圖2所示。二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)向組合導(dǎo)航 計(jì)算機(jī)發(fā)送速度、位置、俯仰角、橫滾角、航向角、平臺姿態(tài)誤差角、陀螺儀和加速度計(jì)信息；重力傳感器向組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送當(dāng)?shù)刂亓y量信息；多普勒計(jì)程儀和測深儀向組合導(dǎo)航 計(jì)算機(jī)發(fā)送外部測量的速度和深度信息。組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)根據(jù)二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)發(fā)送的 信息做以下3件工作(l)對重力傳感器發(fā)送的地重力測量信息進(jìn)行重力誤差補(bǔ)償，即進(jìn)行 平臺誤差角影響和厄特弗斯效應(yīng)影響重力修正；(2)通過數(shù)字重力異常圖確定載體附近的 重力異常值；(3)與重力測量值、外部測量的速度值和深度值進(jìn)行重力匹配組合導(dǎo)航解算。 組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)根據(jù)多普勒計(jì)程儀和測深儀發(fā)送的信息首先進(jìn)行誤差補(bǔ)償，然后將補(bǔ)償后 的深度值對重力測量值進(jìn)行重力歸算；經(jīng)重力歸算后的重力數(shù)據(jù)以及補(bǔ)償后的速度值和深 度值作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測量，與二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)的導(dǎo)航信息做重力匹配組合導(dǎo)航 解算，得到誤差估計(jì)；最后對二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行修正，并將修正后的導(dǎo)航 參數(shù)顯示在終端上。 圖3為本發(fā)明的重力匹配組合導(dǎo)航算法流程示意圖。慣性重力組合導(dǎo)航裝置首先 需要初始化和初始對準(zhǔn)，確定慣性重力組合導(dǎo)航的初始位置、速度和初始俯仰角、橫滾角和 航向角，以及當(dāng)?shù)刂亓χ怠Ｔ谳d體導(dǎo)航中，二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)通過陀螺儀和加速度計(jì)敏 感載體的角運(yùn)動和線運(yùn)動，利用姿態(tài)角度傳感器和對光纖陀螺儀和加速度計(jì)的解析積分運(yùn) 算，得到載體的位置、速度、姿態(tài)角和航向角。當(dāng)載體位于重力適配區(qū)，則利用重力傳感器重 力測量值、多普勒計(jì)程儀外部速度測量值、測深儀深度測量值和二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)提供 的導(dǎo)航參數(shù)，進(jìn)行重力相關(guān)匹配和擴(kuò)展卡爾曼濾波計(jì)算，得到誤差估計(jì)，通過誤差修正和反 饋模塊對二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)以及多普勒計(jì)程儀和測深儀的誤差模型進(jìn)行修正。 最后將修正后的導(dǎo)航參數(shù)顯示在終端上。如果載體不在重力適配區(qū)內(nèi)，那么不進(jìn)行重力匹 配組合導(dǎo)航計(jì)算，直接把二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)發(fā)送到顯示在終端上。
權(quán)利要求
一種海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置，其特征在于該裝置包括二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)(1)、重力傳感器(2)、多普勒計(jì)程儀(3)、測深儀(4)、數(shù)字重力異常圖(5)、組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)(6)和顯示終端(7)，其中二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)(1)、重力傳感器(2)、多普勒計(jì)程儀(3)和測深儀(4)與組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)(6)相連，數(shù)字重力異常圖(5)存貯在組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)(6)內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置，其特征是二環(huán)式慣性平臺系 統(tǒng)(1)的慣性測量傳感器是二個單自由度液浮陀螺儀(8)、一個單軸速率光纖陀螺儀(9)和 三個單軸石英撓性擺式加速度計(jì)(10)。
全文摘要
海洋慣性重力組合導(dǎo)航裝置由二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)、重力傳感器、多普勒計(jì)程儀、測深儀、數(shù)字重力異常圖、組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和顯示終端組成。二環(huán)式慣性平臺系統(tǒng)的慣性測量傳感器是液浮陀螺儀、速率光纖陀螺儀、石英撓性擺式加速度計(jì)。本發(fā)明裝置不僅能夠用于海洋運(yùn)動載體的定位定向，而且還能進(jìn)行海洋重力測量。它體積小、精度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，在導(dǎo)航與控制技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G01C21/18GK101769742SQ20101001821
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者蔡體菁 申請人:東南大學(xué)