專利名稱：Ins/gps組合導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是關(guān)于組合導(dǎo)航技術(shù)，具體涉及一種INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System - GPS)是美國從本世紀(jì)70年代開始研 制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí) 時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)通過接收分布在空中的24 顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的無線信號來計(jì)算定位信息，具有全球、全天候、高精度、實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位 等優(yōu)點(diǎn)，可為用戶提供精確的位置、速度和授時(shí)數(shù)據(jù)，但不能提供載體的姿態(tài)信息。而且 其工作性能受環(huán)境條件、載體機(jī)動(dòng)飛行情況和無線電干擾的影響，很難準(zhǔn)確定位甚至無法 定位。另外，GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出頻率低，在高動(dòng)態(tài)場合，難以滿足用戶數(shù)據(jù)更新率高的要 求。
INS (慣性定位導(dǎo)航系統(tǒng))系統(tǒng)具有自主導(dǎo)航能力，不受環(huán)境、載體機(jī)動(dòng)及無線電干 擾的影響，能連續(xù)地提供載體位置、速度和姿態(tài)等定位導(dǎo)航參數(shù)，其數(shù)據(jù)更新率快、量程 較大，且具有短時(shí)間內(nèi)較高的相對精度。但I(xiàn)NS系統(tǒng)隨著工作時(shí)間的延長，導(dǎo)航誤差隨時(shí) 間積累增長，需要利用外部觀測信息經(jīng)常修正INS系統(tǒng)，控制其誤差隨時(shí)間的積累，難以 滿足用戶的精度要求。
INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)恰好利用相對低精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)加上GPS實(shí)現(xiàn)高精度慣導(dǎo)的性 能，可提供載體高速率實(shí)時(shí)姿態(tài)和導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航的功能，解決了慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)的定位導(dǎo)航誤差隨時(shí)間延續(xù)不斷增大的技術(shù)問題，也解決了 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新率低 及易受環(huán)境和無線電干擾等所導(dǎo)致的定位誤差大的技術(shù)問題。
因此，以INS/GPS組合技術(shù)為核心的組合導(dǎo)航是21世紀(jì)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向之 一，其在提高精度、降低成本、全天候、全球?qū)Ш降确矫嫒〉昧伺e世矚目的成就。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是，利用現(xiàn)有的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)，提供了一種高精度的 INS/GPS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括慣性測量單元、INS處理模塊和GPS接收機(jī)，所述 慣性測量單元用于輸出慣性測量數(shù)據(jù)，所述INS處理模塊接收慣性測量單元輸出的數(shù)字信 號，通過導(dǎo)航積分計(jì)算，獲得載體位置、速度、姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，所述GPS接收機(jī)用于輸 出導(dǎo)航測量信息、可用星歷數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，其特征在于，還包括一卡爾曼濾 波計(jì)算模塊，該卡爾曼濾波計(jì)算模塊接收上述INS處理模塊和上述GPS接收機(jī)的輸出信號， 通過N狀態(tài)卡爾曼濾波計(jì)算，修正INS處理模塊的參數(shù)，并將上述修正參數(shù)反饋到INS 處理模塊和GPS接收機(jī)，INS處理模塊接收卡爾曼濾波計(jì)算模塊反饋的修正參數(shù)，得到組 合導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
所述慣性測量單元包括三軸正交安裝的陀螺儀、三軸正交安裝的加速度計(jì)、溫度傳感 器和用于傳輸信號的數(shù)字電路單元，所述陀螺儀，用于提供三軸角速度測量值，所述加速 度計(jì)用于提供三軸加速度測量值，所述溫度傳感器用于用于測量系統(tǒng)內(nèi)部溫度。
所述慣性測量單元還包括一三軸正交安裝的磁強(qiáng)計(jì)，用于測量空間環(huán)境中的磁場強(qiáng) 度，以提供載體相對地球磁場的方位。
所述陀螺儀可為光纖陀螺儀。
所述加速度計(jì)可為硅微加速度計(jì)。
所述數(shù)字電路單元可包括驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述驅(qū)動(dòng)電路用于將慣性測量單 元輸出的信號輸送到A/D轉(zhuǎn)換模塊,所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將慣性測量單元的信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信息。
所述驅(qū)動(dòng)電路可包含一低通濾波器和一信號預(yù)處理電路，低通濾波器用于消除噪聲， 信號預(yù)處理電路用于將慣性測量單元的輸出信號變換到A/D轉(zhuǎn)換模塊的信號范圍內(nèi)。
進(jìn)一步，還包括一控制和顯示模塊，該模塊用于完成導(dǎo)航工作狀態(tài)控制，用戶命令控 制輸入，導(dǎo)航控制參數(shù)輸出，導(dǎo)航工作狀態(tài)參數(shù)輸出，系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)初始化任務(wù)分配和 系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視。
進(jìn)一步，還包括電源模塊，用于給整個(gè)系統(tǒng)供電。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是
1、本實(shí)用新型的INS/GPS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)將全球定位系統(tǒng)GPS與傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航 系統(tǒng)INS緊密結(jié)合，利用GPS導(dǎo)航定位準(zhǔn)確無漂移、24小時(shí)全天候工作的特點(diǎn)與INS的 短時(shí)精度高、可提供載體高速率實(shí)時(shí)姿態(tài)和導(dǎo)航參數(shù)的特點(diǎn)，利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、通過 卡爾曼濾波計(jì)算完美組合，提高了GPS信號重捕獲能力，實(shí)現(xiàn)了高精度導(dǎo)航功能，解決了 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位導(dǎo)航誤差隨時(shí)間延續(xù)不斷增大的技術(shù)問題，也解決了 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新率低及易受環(huán)境和無線電干擾等所導(dǎo)致的定位誤差大的技術(shù)問題。
2、 本實(shí)用新型的INS/GPS組合導(dǎo)航采用間接法進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)誤差，采用緊密組合方 式，把GPS的偽距、偽距率和相應(yīng)的慣導(dǎo)給出的偽距、偽距率之差綜合在一起作為卡爾曼 濾波計(jì)算的量測方程，在用卡爾曼濾波進(jìn)行狀態(tài)誤差估計(jì)后，采用反饋校正的方式對慣導(dǎo) 系統(tǒng)力學(xué)編排中的位置、捷聯(lián)矩陣進(jìn)行反饋校正。
3、 INS/GPS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)使用低成本、低精度的硬件，組合成中等精度的測量系 統(tǒng)，在軍工、民用領(lǐng)域均能廣泛推廣使用。
4、 INS/GPS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS模塊是雙頻接收模塊，既能接收GPS衛(wèi)星信 號又能GLONASS衛(wèi)星信號，提高系統(tǒng)定位精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性；
5、 INS/GPS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)可接收差分?jǐn)?shù)據(jù)，以獲得更高精度定位信息。


圖1為本實(shí)用新型INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為本實(shí)用新型INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的處理流程圖3為本實(shí)用新型中INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的INS模塊的處理流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述
根據(jù)圖1所示，本實(shí)用新型包括慣性測量單元(IMU模塊)1、 INS處理模塊2、 GPS 接收機(jī)3、卡爾曼濾波計(jì)算模塊4、控制和顯示模塊5以及一電源模塊。
IMU模塊1包括三軸陀螺11、三軸加速度計(jì)12、溫度傳感器13、驅(qū)動(dòng)電路14和 A/D轉(zhuǎn)換模塊15。所述的三軸陀螺11用于測量載體的運(yùn)動(dòng)角速度；三軸加速度計(jì)12用于 測量載體的線性加速度；溫度傳感器13用于測量系統(tǒng)內(nèi)部溫度，對陀螺和加速度計(jì)進(jìn)行 溫度補(bǔ)償，消除溫漂；驅(qū)動(dòng)電路14包含一低通濾波器和一信號預(yù)處理電路，低通濾波器 用于消除噪聲，信號預(yù)處理電路用于將陀螺和加速度計(jì)的輸出信號變換到A/D采樣模塊的 范圍內(nèi)；A/D轉(zhuǎn)換模塊15用于將采樣的陀螺信號和加速度計(jì)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，給INS處 理模塊2提供慣性測量單元的原始數(shù)據(jù)以進(jìn)行導(dǎo)航積分計(jì)算。IMU模塊l還可以包括一三 軸正交安裝的磁強(qiáng)計(jì)，用于測量空間環(huán)境中的磁場強(qiáng)度，以提供載體相對地球磁場的方位。
INS處理模塊2包括DSP構(gòu)成的微處理器運(yùn)算電路板，用于接收IMU模塊1給出的 原始三軸角速度和線加速度信號，通過導(dǎo)航積分計(jì)算，獲得載體位置、速度、姿態(tài)和航向
5數(shù)據(jù)，并給卡爾曼濾波計(jì)算模塊提供導(dǎo)航狀態(tài)參數(shù)信息，用于和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)模塊3的數(shù)
據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波信息融合。
GPS接收機(jī)3包括GPS接收模塊31和天線。GPS接收模塊的主要功能是接收來自天 線的信號，經(jīng)過變頻、放大、濾波等一系列處理過程，實(shí)現(xiàn)對GPS和GLONASS信號的跟蹤、 鎖定和測量，從而產(chǎn)生計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息，包括緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、 星歷等，給卡爾曼濾波計(jì)算模塊4提供lHz的位置信息、偽距、偽距率測量值和可用星歷 數(shù)據(jù)，并提供系統(tǒng)時(shí)鐘和全系統(tǒng)時(shí)間同步，同時(shí)接收差分信號及濾波反饋測量修正。
卡爾曼濾波計(jì)算模塊4接收INS處理模塊給出的導(dǎo)航狀態(tài)信息和GPS接收機(jī)3給出的 導(dǎo)航測量信息、可用星歷數(shù)據(jù)及衛(wèi)星健康狀態(tài)。通過N狀態(tài)卡爾曼濾波計(jì)算，反饋狀態(tài)跟 蹤修正參數(shù)，同時(shí)對INS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)進(jìn)行校正。
控制和顯示模塊5用于完成導(dǎo)航工作狀態(tài)控制，用戶命令控制輸入，導(dǎo)航控制參數(shù)輸 出，導(dǎo)航工作狀態(tài)參數(shù)輸出，系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視、任務(wù)分配等。
根據(jù)圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)工作過程如下上電后，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，并開始初始化，一 切正常且初始化完成后，IMU模塊1的陀螺儀和加速度計(jì)分別敏感載體的角速度和線性加 速度，通過IMU模塊1采集三個(gè)軸的角速度和加速度值，進(jìn)入INS模塊2經(jīng)過一系列處理 和導(dǎo)航積分計(jì)算得到載體的位置、速度和姿態(tài)，根據(jù)這些值計(jì)算相應(yīng)于慣導(dǎo)位置和速度的 偽距、偽距率；同時(shí)GPS接收機(jī)3接收天線信號經(jīng)過變頻、放大、濾波、計(jì)算等一系列處 理得到偽距、偽距率測量值；將GPS接收機(jī)的測量偽距、偽距率與INS模塊2計(jì)算的偽距、 偽距率作差，作為卡爾曼濾波計(jì)算模塊4的量測值；通過卡爾曼濾波計(jì)算模塊4估計(jì)出慣 導(dǎo)系統(tǒng)和GPS的誤差量，然后對兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行反饋校正；最后將校正后的組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)經(jīng) 過控制和顯示模塊5輸出給用戶或其它設(shè)備，其中用戶也可輸入一些控制命令等。其中， 卡爾曼濾波計(jì)算模塊4對狀態(tài)參數(shù)采用反饋校正的間接估計(jì)法，即把組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)誤 差估計(jì)反饋到慣導(dǎo)系統(tǒng)INS模塊2和GPS接收機(jī)3中，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行校正。其中把GPS 接收機(jī)3的測量偽距和相應(yīng)的慣導(dǎo)INS模塊2給出的偽距之差及GPS接收機(jī)3的測量偽距 率和相應(yīng)得慣導(dǎo)INS模塊2給出的偽距率之差綜合在一起作為卡爾曼濾波計(jì)算模塊4的量 測方程。
圖3給出了系統(tǒng)中INS模塊2的原理圖，INS模塊2的具體工作過程用陀螺儀測量
的三軸角速度信息5:減去計(jì)算得到的平臺坐標(biāo)系相對慣性坐標(biāo)系得角速度^;,則得到載
體坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度6二，利用這個(gè)信息進(jìn)行姿態(tài)矩陣C^"的計(jì)算。利用計(jì)算得到的姿態(tài)矩陣c;;，可以把載體坐標(biāo)系的加速度信息^變換到平臺坐標(biāo)系3么，然后進(jìn)行 導(dǎo)航計(jì)算得到載體的位置和速度。同時(shí)，利用姿態(tài)矩陣c^"的元素，可以提取飛行器的姿態(tài)、
航向信息。其中INS模塊2算法的核心是姿態(tài)矩陣C;"的計(jì)算，所有導(dǎo)航信息的提取與姿態(tài)
矩陣c:息息相關(guān)。而姿態(tài)矩陣c;:的計(jì)算取決于姿態(tài)四元素的計(jì)算，姿態(tài)四元素的求解依 據(jù)(i)式。.
A" sin-
+ l) = {cos —/+ , 同}一) (1)
根據(jù)(1)式得到四元素三階算法為
2
1 A/9
《("+ 1) = {(1 - + (; - j)網(wǎng)}《(")(2 )
82 48
已知四元素的初始值并通過不斷地迭代可以得到實(shí)時(shí)的四元素值，由此實(shí)時(shí)地計(jì)算出
姿態(tài)矩陣c;;。
以上通過詳細(xì)實(shí)施例描述了本實(shí)用新型所提供的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，本領(lǐng)域的技
術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本實(shí)用新型做一定的變形或 修改。
權(quán)利要求1、一種INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括慣性測量單元、INS處理模塊和GPS接收機(jī)，所述慣性測量單元用于輸出慣性測量數(shù)據(jù)，所述INS處理模塊接收慣性測量單元輸出的數(shù)字信號，通過導(dǎo)航積分計(jì)算，獲得載體位置、速度、姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，所述GPS接收機(jī)用于輸出導(dǎo)航測量信息、可用星歷數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，其特征在于，還包括一卡爾曼濾波計(jì)算模塊，該卡爾曼濾波計(jì)算模塊接收上述INS處理模塊和上述GPS接收機(jī)的輸出信號，通過N狀態(tài)卡爾曼濾波計(jì)算，修正INS處理模塊的參數(shù)，并將上述修正參數(shù)反饋到INS處理模塊和GPS接收機(jī)，INS處理模塊接收卡爾曼濾波計(jì)算模塊反饋的修正參數(shù)，得到組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
2、 如權(quán)利要求1所述的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述慣性測量單元包括三軸正交安裝的陀螺儀、三軸正交安裝的加速度計(jì)、溫度傳感器和用于傳輸信號的數(shù)字電路單元，所述陀螺儀，用于提供三軸角速度測量值，所述加速度計(jì)用于提供三軸加速度測量值，所述溫度傳感器用于用于測量系統(tǒng)內(nèi)部溫度。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述慣性測量單元還包括一三軸正交安裝的磁強(qiáng)計(jì)，用于測量空間環(huán)境中的磁場強(qiáng)度，以提供載體相對地球磁場的方位。
4、 如權(quán)利要求2所述的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述陀螺儀為光纖陀螺儀。
5、 如權(quán)利要求2所述的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述加速度計(jì)為硅微加速度計(jì)。
6、 如權(quán)利要求2所述的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字電路單元包括驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述驅(qū)動(dòng)電路用于將慣性測量單元輸出的信號輸送到A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將慣性測量單元的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。
7、 如權(quán)利要求6所述的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路包含一低通濾波器和一信號預(yù)處理電路，低通濾波器用于消除噪聲，信號預(yù)處理電路用于將慣性測量單元的輸出信號變換到A/D轉(zhuǎn)換模塊的信號范圍內(nèi)。
8、 如權(quán)利要求1所述的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，還包括一控制和顯示模塊，該模塊用于完成導(dǎo)航工作狀態(tài)控制，用戶命令控制輸入，導(dǎo)航控制參數(shù)輸出，導(dǎo)航工作狀態(tài)參數(shù)輸出，系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)初始化任務(wù)分配和系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視。
9、 如權(quán)利要求1或8所述的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，還包括電源模塊，用于給整個(gè)系統(tǒng)供電。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)包括慣性測量單元、INS處理模塊、GPS接收機(jī)和卡爾曼濾波計(jì)算模塊，慣性測量單元用于輸出慣性測量數(shù)據(jù)，INS處理模塊接收慣性測量單元輸出的數(shù)字信號，通過導(dǎo)航積分計(jì)算，獲得載體位置、速度、姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，GPS接收機(jī)用于輸出導(dǎo)航測量信息、可用星歷數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，卡爾曼濾波計(jì)算模塊接收上述INS處理模塊和上述GPS接收機(jī)的輸出信號，通過N狀態(tài)卡爾曼濾波計(jì)算，修正INS處理模塊的參數(shù)，并將上述修正參數(shù)反饋到INS處理模塊和GPS接收機(jī)，INS處理模塊接收卡爾曼濾波計(jì)算模塊反饋的修正參數(shù)，得到組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了高精度導(dǎo)航功能。
文檔編號G01C21/10GK201266089SQ20082011033
公開日2009年7月1日 申請日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者艷 張, 揭建英, 賀宏宇 申請人:北京七維航測科技發(fā)展有限公司