專利名稱：航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，特別是一種航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
二十世紀九十年代以來，隨著微米/納米技術(shù)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，從半導(dǎo)體集成 電路(IC)技術(shù)發(fā)展而來的MEMS (Micro Electromechnical System，簡稱MEMS)技術(shù)日漸 成熟。利用這一技術(shù)可以制作各種能敏感和檢測力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量 的微型傳感器，這些傳感器的體積和能耗小，可實現(xiàn)許多全新的功能，便于大批量和精密生 產(chǎn)，單件成本低，易構(gòu)成大規(guī)模和多功能陣列。微型慣性測量組合包括微型陀螺儀和微型加 速度計，是MEMS技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域成功應(yīng)用。與傳統(tǒng)的慣性器件相比，MSINS在設(shè)計、材 料和制造等方面都采用了全新的、革命性的工藝和方法，使其具有前所未見的小體積和重 量、商業(yè)級的低價格、極高的可靠性和壽命。MSINS的這些特點使得慣性測量技術(shù)的應(yīng)用從 不計成本的軍事領(lǐng)域擴展到市場廣闊的民用、商用領(lǐng)域。以往在戰(zhàn)機上使用的三維姿態(tài)慣 性測量技術(shù)現(xiàn)在通過MSINS器件應(yīng)用在商用機器人甚至航模飛機中；以往導(dǎo)彈使用的捷聯(lián) 慣性導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)在通過MSINS與GPS組合也可以應(yīng)用在汽車導(dǎo)航。雖然目前這些MSINS的 精度與傳統(tǒng)慣導(dǎo)級器件還相差1個到3個數(shù)量級，但其發(fā)展速度迅猛，呈現(xiàn)從精度上逐步接 近傳統(tǒng)慣性器件的趨勢。全球定位系統(tǒng)(GPS是一種高精度的全球二維實時的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位誤差不 隨時間積累，已在軍民領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但是GPS的不足之處在于它的自主性差，容 易受到干擾，數(shù)據(jù)更新頻率低，單獨使用時難以滿足高速、實時導(dǎo)航的要求。要使導(dǎo)航系統(tǒng) 性能得到提高，僅靠提高單一導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，不僅在技術(shù)上難度很大，而目無法滿足高精 度、低成本、體積小等多方面的要求。MSINS與GPS構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以克服兩者單獨工作的缺點，兩者相互取長 補短；GPS可以作為MSINS強有力的外部修正信息源，而MSINS可以提高GPS的跟蹤和抗干 擾能力，兩者組合可完成較高精度的長期導(dǎo)航任務(wù)，并目它們都具有體積小和成本低的特
點o隨著導(dǎo)航技術(shù)及信息融合技術(shù)的發(fā)展，MSINS/GPS/微磁羅盤/氣壓高度計組合 導(dǎo)航系統(tǒng)已成為現(xiàn)有的最先進和最穩(wěn)定的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。雖然精度有較大提高，但由于高 度計、磁羅盤(由一個一維磁羅盤和一個二維磁羅盤組成)，成本及系統(tǒng)不穩(wěn)定源也隨之增 加，系統(tǒng)體積也相對較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，而提供一種航空用多傳 感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多普勒觀測值推算加速度信息，將氣壓高度計從現(xiàn)有組合 導(dǎo)航系統(tǒng)中去掉，并采用單個三維磁羅盤，使導(dǎo)航精度和穩(wěn)定性進一步提高、體積進一步減 小，成本進一步降低。
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如上構(gòu)思，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在 于由微慣性測量單元MSINS、GPS單元、磁羅盤單元、液晶顯示單元、嵌入導(dǎo)航算法軟件的 組合導(dǎo)航計算機、數(shù)據(jù)傳輸接口單元、數(shù)據(jù)存儲單元和電源裝置組成；組合導(dǎo)航計算機通過 數(shù)據(jù)傳輸接口單元接收微慣性測量單元MSINS、GPS單元、磁羅盤單元的輸出數(shù)據(jù)，并對其 進行處理和信息融合之后輸出載體的位置、速度和姿態(tài)信息；數(shù)據(jù)傳輸接口單元的輸出端 分別連接液晶顯示單元、數(shù)據(jù)存儲單元。上述微慣性測量單元MSINS由X軸MEMS陀螺儀、Y軸MEMS陀螺儀、Z軸MEMS陀螺 儀、X軸MEMS加速度計、Y軸MEMS加速度計、Z軸MEMS加速度計、MSINS運算放大器、MSINS A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、串行傳輸接口依次連接組成；其中，MEMS陀螺儀和MEMS加速度計輸 出角速度和線加速度的模擬信號，經(jīng)過MSINS運算放大器和MSINS A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字 信號，通過數(shù)據(jù)傳輸接口單元送給組合導(dǎo)航計算機。上述數(shù)據(jù)傳輸接口單元由串行傳輸接口、串行傳輸接口芯片、微處理器和并行傳 輸接口組成；所述數(shù)據(jù)處理單元一方面對GPS數(shù)據(jù)包進行解析，以提取出位置、速度信息， 另一方面把它和磁羅盤以及MSINS的數(shù)據(jù)進行打包，傳送給算法處理單元。上述嵌入導(dǎo)航算法軟件的組合導(dǎo)航計算機包含中央處理單元CPU、運算內(nèi)存、存儲 單元、并行傳輸接口組成；中央處理單元CPU通過并行傳輸接口接收數(shù)據(jù)傳輸接口單元打 包送過來的GPS定位單元、磁羅盤單元、MSINS單元的信息，將其存儲在存儲在存儲器中，同 時經(jīng)導(dǎo)航解算軟件處理后輸出最后的精確的位置、姿態(tài)信息將其也存儲在存儲器中并同時 送給液晶顯示單元顯示。上述GPS定位單元包含GPS接收天線、GPS接收器及串行傳輸接口，由GPS接收天 線接收到衛(wèi)星信號，經(jīng)GPS接收器計算出經(jīng)緯度和速度等信息，通過數(shù)據(jù)傳輸單元將數(shù)據(jù) 傳輸給組合導(dǎo)航計算機。上述磁羅盤單元采用單個三軸磁羅盤。上述組合導(dǎo)航計算機中嵌入的導(dǎo)航算法采用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法，該算法由位置 子濾波器、速度子濾波器、三維姿態(tài)子濾波器和一個總濾波器組成，位置子濾波器接收由微 慣性測量單元MSINS和GPS單元所測的位置信息并進行故障檢測，速度子濾波器接收由微 慣性測量單元MSINS和GPS單元所測的位置信息并進行故障檢測，三維姿態(tài)子濾波器接收 磁羅盤單元輸出的三維姿態(tài)信息；位置子濾波器、速度子濾波器和三維姿態(tài)子濾波器輸出 端連接主濾波器。上述位置子濾波器、速度子濾波器、三維姿態(tài)子濾波器和一個總濾波器采用聯(lián)邦 卡爾曼濾波器。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點和積極效果1、利用GPS的多普勒觀測值推導(dǎo)出載體的加速度信息和航向信息，與MSINS組合 進一步提高定位定速精度，其中定位精度可以達到米級，尤其高度定位同樣可達到米級；定 速精度可達厘米級，垂直方向定速精度同樣可達到厘米級，大大優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)。進而可在有 更高精度的情況下將現(xiàn)有系統(tǒng)中氣壓高度計去掉，降低成本，減小系統(tǒng)體積，其電路板采用 等長布線，減少系統(tǒng)不穩(wěn)定源使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。2、本系統(tǒng)采用單個三軸磁羅盤使系統(tǒng)安裝更合理、體積更小，姿態(tài)推算更精確。3、本發(fā)明的航空用組合導(dǎo)航系統(tǒng)利用GPS模塊接收的經(jīng)緯度等信息校正由捷聯(lián)
4慣導(dǎo)算法解算出的位置信息，即當(dāng)慣導(dǎo)的位置和速度結(jié)果發(fā)散時，可用GPS進行恢復(fù)。以 及在衛(wèi)星信號被遮擋、GPS模塊接收經(jīng)緯度信號受干擾時，可僅靠INS系統(tǒng)進行較精確的導(dǎo) 航，故相對與現(xiàn)有技術(shù)，該系統(tǒng)減少了速度誤差和位置誤差，解決了 INS系統(tǒng)的定位導(dǎo)航誤 差隨時間延續(xù)不斷增大，即誤差積累、漂移大的問題，從而提高了該導(dǎo)航系統(tǒng)的定位導(dǎo)航精度。4、在實際中引入的改進型自適應(yīng)聯(lián)邦卡爾曼濾波器，提高了關(guān)于實際參數(shù)變動的 魯棒性，保證了濾波結(jié)果的無偏性和濾波的穩(wěn)定性，并使算法的計算復(fù)雜性適中，提高了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。5、為了解決量測相關(guān)并提高系統(tǒng)的容錯性，在實際中引入了一種改進型自適應(yīng)聯(lián) 邦容錯卡爾曼濾波器，采用有反饋的融合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對導(dǎo)航誤差的濾波估計，并能對故障進 行隔離和系統(tǒng)重構(gòu)。該方案采用兩個并行的改進型自適應(yīng)卡爾曼子濾波器，分別對位置和 速度進行估計，然后通過一個主濾波器融合各子濾波器的狀態(tài)估計，子濾波器的更新周期 和主濾波器的融合周期均為Is ；采用三層故障檢測實現(xiàn)容錯設(shè)計，提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的 故障隔離和重構(gòu)的能力。6、本系統(tǒng)具有記錄、顯示功能，界面友好，適用范圍更廣(如車載，民用飛機等)。7、MSINS輸出速率更快，可達到500Hz，載體位置、速度、姿態(tài)信息更具連續(xù)性。8、增加存儲單元，具有保存原始數(shù)據(jù)及保存計算結(jié)果功能。


圖1為本發(fā)明的航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的導(dǎo)航解算流程圖；圖3本發(fā)明的微慣性測量單元的結(jié)構(gòu)圖；圖4本發(fā)明的液晶顯示單元的結(jié)構(gòu)圖；圖5本發(fā)明的組合導(dǎo)航計算機、存儲單元的結(jié)構(gòu)圖；圖6本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸接口單元的結(jié)構(gòu)圖；圖7本發(fā)明的GPS定位單元的結(jié)構(gòu)圖；
圖8本發(fā)明的俯視安裝示意圖；圖9本發(fā)明的側(cè)視安裝示意具體實施例方式如圖1所示一種航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，由微慣性測量單元MSINS、GPS 單元、磁羅盤單元、液晶顯示單元、嵌入導(dǎo)航算法軟件的組合導(dǎo)航計算機、數(shù)據(jù)傳輸接口單 元、數(shù)據(jù)存儲單元和電源裝置組成；組合導(dǎo)航計算機通過數(shù)據(jù)傳輸接口單元接收微慣性測 量單元MSINS、GPS單元、磁羅盤單元的輸出數(shù)據(jù)，并對其進行處理和信息融合之后輸出載 體的位置、速度和姿態(tài)信息；數(shù)據(jù)傳輸接口單元的輸出端分別連接液晶顯示單元、數(shù)據(jù)存儲 單元。如圖2所示組合導(dǎo)航計算機中嵌入的導(dǎo)航算法采用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法，該算 法由位置子濾波器、速度子濾波器、三維姿態(tài)子濾波器和一個總濾波器組成，位置子濾波器 接收由微慣性測量單元MSINS和GPS單元所測的位置信息并進行故障檢測，速度子濾波器接收由微慣性測量單元MSINS和GPS單元所測的位置信息并進行故障檢測，三維姿態(tài)子濾 波器接收磁羅盤單元輸出的三維姿態(tài)信息；位置子濾波器、速度子濾波器和三維姿態(tài)子濾 波器輸出端連接主濾波器。上述位置子濾波器、速度子濾波器、三維姿態(tài)子濾波器和一個總 濾波器選用聯(lián)邦卡爾曼濾波器。如圖3所示MSINS單元，其中由X軸MEMS陀螺儀、Y軸MEMS陀螺儀、Z軸MEMS 陀螺儀、X軸MEMS加速度計、Y軸MEMS加速度計、Z軸MEMS加速度計、MSINS運算放大器、 MSINS A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、串行傳輸接口組成。MEMS陀螺儀和加速度計輸出角速度和線 角速度的模擬信號，經(jīng)過MSINS運算放大器和MSINS A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，之后送給 微處理器(如C8051F)進行高速數(shù)據(jù)采集，通過平滑和低通濾波器預(yù)處理得到載體高精度 低噪聲的角速率和加速度信息，對數(shù)據(jù)進行打包后通過數(shù)據(jù)傳輸接口單元送給組合導(dǎo)航計 算機。圖4所示為液晶顯示單元，其中包含液晶屏、微處理器、串行傳輸接口。微處理器 通過串行傳輸接口接收組合導(dǎo)航計算機解算出的位置、姿態(tài)、航向信息，然后將這些信息送 往液晶屏進行顯示。圖5所示為組合導(dǎo)航計算機，其中包含CPU中央處理器、運算內(nèi)存、存儲單元、并行 傳輸接口。CPU中央處理器通過并行傳輸接口接收數(shù)據(jù)傳輸接口單元打包送過來的GPS定 位單元、磁羅盤單元、MSINS單元的信息，將其存儲在存儲在存儲器中，同時經(jīng)導(dǎo)航解算軟件 處理后輸出最后的精確的位置、姿態(tài)信息將其也存儲在存儲器中并同時送給液晶顯示單元顯不。如圖6所示為數(shù)據(jù)傳輸接口單元，其中包含串行傳輸接口、串行傳輸接口、串行傳 輸接口、串行傳輸接口、串行傳輸接口芯片、微處理器、并行傳輸接口。該單元在系統(tǒng)上電 后，由微處理器先初始化串行傳輸接口芯片，然后再對GPS定位單元和磁羅盤單元發(fā)送初 始化命令，該單元在系統(tǒng)正常工作時還對GPS的數(shù)據(jù)報文進行解析，以提取出所需信息，之 后和GPS定位單元、磁羅盤單元的數(shù)據(jù)一起打包，通過并行傳輸接口送給組合導(dǎo)航計算機。圖7為GPS定位單元，其中包含GPS接收天線、GPS接收器及串行傳輸接口，由GPS 接收天線接收到衛(wèi)星信號，經(jīng)GPS接收器計算出經(jīng)緯度和速度等信息，通過數(shù)據(jù)傳輸接口 單元與其它數(shù)據(jù)一起交由組合導(dǎo)航計算機運行導(dǎo)航系統(tǒng)運算控制軟件，得到最后的導(dǎo)航信 肩、o圖8和圖9為具體組裝圖，圖中，1為組合導(dǎo)航計算機板，2為MSINS的信號處理板， 3為X軸陀螺儀，5為Y軸陀螺儀，6為Z軸陀螺儀，4為信號電平轉(zhuǎn)換板，7為電源板，8為X 軸加速度計，9為Y軸加速度計，10為Z軸加速度計。整個系統(tǒng)最后置于一個屏蔽盒內(nèi)。
權(quán)利要求
一種航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于由微慣性測量單元MSINS、GPS單元、磁羅盤單元、液晶顯示單元、嵌入導(dǎo)航算法軟件的組合導(dǎo)航計算機、數(shù)據(jù)傳輸接口單元、數(shù)據(jù)存儲單元和電源裝置組成；組合導(dǎo)航計算機通過數(shù)據(jù)傳輸接口單元接收微慣性測量單元MSINS、GPS單元、磁羅盤單元的輸出數(shù)據(jù)，并對其進行處理和信息融合之后輸出載體的位置、速度和姿態(tài)信息；數(shù)據(jù)傳輸接口單元的輸出端分別連接液晶顯示單元、數(shù)據(jù)存儲單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于上述微慣性測 量單元MSINS由X軸MEMS陀螺儀、Y軸MEMS陀螺儀、Z軸MEMS陀螺儀、X軸MEMS加速度 計、Y軸MEMS加速度計、Z軸MEMS加速度計、MSINS運算放大器、MSINS A/D轉(zhuǎn)換器、微處理 器、串行傳輸接口依次連接組成；其中，MEMS陀螺儀和MEMS加速度計輸出角速度和線加速 度的模擬信號，經(jīng)過MSINS運算放大器和MSINS A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)傳輸 接口單元送給組合導(dǎo)航計算機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于上述數(shù)據(jù)傳輸 接口單元由串行傳輸接口、串行傳輸接口芯片、微處理器和并行傳輸接口組成；所述數(shù)據(jù)處 理單元一方面對GPS數(shù)據(jù)包進行解析，以提取出位置、速度信息，另一方面把它和磁羅盤以 及MSINS的數(shù)據(jù)進行打包，傳送給算法處理單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于上述嵌入導(dǎo)航 算法軟件的組合導(dǎo)航計算機包含中央處理單元CPU、運算內(nèi)存、存儲單元、并行傳輸接口組 成；中央處理單元CPU通過并行傳輸接口接收數(shù)據(jù)傳輸接口單元打包送過來的GPS定位單 元、磁羅盤單元、MSINS單元的信息，將其存儲在存儲在存儲器中，同時經(jīng)導(dǎo)航解算軟件處 理后輸出最后的精確的位置、姿態(tài)信息將其也存儲在存儲器中并同時送給液晶顯示單元顯7J\ o
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于上述GPS定位 單元由GPS接收天線、GPS接收器及串行傳輸接口組成，由GPS接收天線接收到衛(wèi)星信號， 經(jīng)GPS接收器計算出經(jīng)緯度和速度等信息，通過數(shù)據(jù)傳輸單元將數(shù)據(jù)傳輸給組合導(dǎo)航計算 機。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于上述磁羅盤單 元采用單個三軸磁羅盤。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于組合導(dǎo)航計算 機中嵌入的導(dǎo)航算法采用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法，該算法由位置子濾波器、速度子濾波器、三 維姿態(tài)子濾波器和一個總濾波器組成，位置子濾波器接收由微慣性測量單元MSINS和GPS 單元所測的位置信息并進行故障檢測，速度子濾波器接收由微慣性測量單元MSINS和GPS 單元所測的位置信息并進行故障檢測，三維姿態(tài)子濾波器接收磁羅盤單元輸出的三維姿態(tài) 信息；位置子濾波器、速度子濾波器和三維姿態(tài)子濾波器輸出端連接主濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于上述位置子濾 波器、速度子濾波器、三維姿態(tài)子濾波器和一個總濾波器采用聯(lián)邦卡爾曼濾波器。
全文摘要
一種航空用多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括MSINS單元、GPS單元、磁羅盤單元、液晶顯示單元、數(shù)據(jù)傳輸接口單元、組合導(dǎo)航計算機、數(shù)據(jù)存儲單元、電源裝置。MSINS單元采集加速度計和陀螺儀信號，通過濾波和放大送給DSP進行算法處理；GPS模塊用于輸出GPS測量的經(jīng)度、緯度、高度和基于地心坐標(biāo)系的X、Y、Z軸速度值；磁羅盤單元輸出三軸磁羅盤測量的三維姿態(tài)信息；組合導(dǎo)航計算機接收慣性測量單元、GPS模塊、磁羅盤的輸出信號，運用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法對數(shù)據(jù)進行融和處理，得到組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲單元保存原始數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性高和精度高的優(yōu)點。
文檔編號G01C21/24GK101865693SQ20101019074
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者劉衛(wèi)華, 廖云, 張興會, 張利民, 李廣輝, 李耀輝, 童勇木, 胡建明 申請人:天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)