專利名稱：北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于組合導(dǎo)航技術(shù)，具體涉及ー種北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou(COMPASS) Navigation Satellite System),是中國(guó)研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括北斗一號(hào)和北斗二號(hào)的2代系統(tǒng)。北斗一號(hào)是ー個(gè)已投入使用的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗二號(hào)則是ー個(gè)正在建設(shè)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗一號(hào)由三顆(兩顆工作衛(wèi)星、一顆備用衛(wèi)星)北斗定位衛(wèi)星、地面控制中心、北斗用戶終端三部分組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)可向用戶提供全天候、二十四小時(shí)的即時(shí)定位服務(wù)。時(shí)間精度可達(dá)數(shù)十納秒的同步精度，其理論精度與GPS相當(dāng)，但由于GPS已經(jīng)運(yùn)行多年，實(shí)際精度上北斗系統(tǒng)還稍精確于GPS。北斗二號(hào)是中國(guó)開發(fā)的獨(dú)立的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，不是北斗一號(hào)的簡(jiǎn)單延伸，更類似干，GPS全球定位系統(tǒng)和伽利略。正在建設(shè)的北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段將由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，提供即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10米，授時(shí)精度為10納秒， 測(cè)速精度為0. 2米/秒。授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性イ目息。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(duì)精度。但I(xiàn)NS系統(tǒng)隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累增長(zhǎng)，需要利用外部觀測(cè)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。北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)恰好利用相對(duì)低精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)加上北斗導(dǎo)航實(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)不斷増大的技術(shù)問題，也解決了北斗導(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，以北斗/慣性組合技術(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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，利用現(xiàn)有的北斗、INS導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)，提供了ー種高精度的北斗 /慣性組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括慣性測(cè)量単元、INS處理模塊和北斗接收機(jī)， 所述慣性測(cè)量單元用于輸出慣性測(cè)量數(shù)據(jù)，所述INS處理模塊接收慣性測(cè)量單元輸出的數(shù)字信號(hào)，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)，所述北斗接收機(jī)用于輸出導(dǎo)航測(cè)量信息，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處理模塊和上述北斗接收機(jī)的輸出信號(hào)，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處理模塊和北斗接收機(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(cè)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(hào)的數(shù)字電路單元，所述陀螺儀，用于提供三軸角速度測(cè)量值，所述加速度計(jì)用于提供三軸加速度測(cè)量值，所述溫度傳感器用于用于測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部溫度。所述慣性測(cè)量單元還包括一三軸正交安裝的磁強(qiáng)計(jì)，用于測(cè)量空間環(huán)境中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以提供載體相對(duì)地球磁場(chǎng)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(cè)量單元輸出的信號(hào)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(cè)量單元的信號(hào)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(hào)預(yù)處理電路，低通濾波器用于消除噪聲，信號(hào)預(yù)處理電路用于將慣性測(cè)量單元的輸出信號(hào)變換到A/D轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)范圍內(nèi)。進(jìn)ー步，還包括ー控制和顯示模塊，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)一歩，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，本發(fā)明的有益效果是I、本發(fā)明的北斗/慣性組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)將北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS緊密結(jié)合，利用北斗導(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，提高了北斗信號(hào)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)不斷増大的技術(shù)問題，也解決了北斗導(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、本發(fā)明的北斗/慣性組合導(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，把北斗原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的慣導(dǎo)給出的測(cè)量值綜合在一起作為卡爾曼濾波計(jì)算的量測(cè)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(duì)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、北斗/慣性組合定位導(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(cè)量系統(tǒng)，在軍エ、民用領(lǐng)域均能廣泛推廣使用。4、北斗/慣性組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)中的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)是具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)自己的系統(tǒng)，不受國(guó)外控制，定位精度高、可靠性好。5、北斗/慣性組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)可發(fā)送和接收短消息，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。


圖I為本發(fā)明北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的處理流程圖3為本發(fā)明北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的INS模塊的處理流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)ー步詳細(xì)描述根據(jù)圖I所示，本發(fā)明包括慣性測(cè)量単元(MU模塊)1、INS處理模塊2、北斗接收機(jī)3、卡爾曼濾波計(jì)算模塊4、控制和顯示模塊5和電源模塊6。IMU模塊I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(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)角速度；三軸加速度計(jì)12用于測(cè)量載體的線性加速度；溫度傳感器13用于測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部溫度，對(duì)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(hào)預(yù)處理電路，低通濾波器用于消除噪聲，信號(hào)預(yù)處理電路用于將陀螺和加速度計(jì)的輸出信號(hào)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(hào)和加速度計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，給INS處理模塊2提供慣性測(cè)量単元的原始數(shù)據(jù)以進(jìn)行導(dǎo)航積分計(jì)算。IMU模塊I還可以包括一三軸正交安裝的磁強(qiáng)計(jì)，用于測(cè)量空間環(huán)境中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以提供載體相對(duì)地球磁場(chǎng)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I給出的原始三軸角速度和線加速度信號(hào)，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)，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，用于和北斗導(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。北斗接收機(jī)3包括北斗接收模塊31和天線。北斗接收模塊的主要功能是接收來自天線的信號(hào)，經(jīng)過變頻、放大、濾波等一系列處理過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗信號(hào)的跟蹤、鎖定和測(cè)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)間等，給卡爾曼濾波計(jì)算模塊4提供IHz的測(cè)量信息，并提供系統(tǒng)時(shí)鐘和全系統(tǒng)時(shí)間同歩，同時(shí)進(jìn)行濾波反饋測(cè)量修正?？柭鼮V波計(jì)算模塊4接收INS處理模塊給出的導(dǎo)航狀態(tài)信息和北斗接收機(jī)3給出的導(dǎo)航測(cè)量信息。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(duì)INS系統(tǒng)和北斗系統(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，MU模塊I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I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)的測(cè)量值；同時(shí)北斗接收機(jī)3接收天線信號(hào)經(jīng)過變頻、放大、濾波、計(jì)算等一系列處理得到原始觀測(cè)量；將北斗接收機(jī)的測(cè)量值與INS模塊2計(jì)算的結(jié)果作差，作為卡爾曼濾波計(jì)算模塊4的量測(cè)值; 通過卡爾曼濾波計(jì)算模塊4估計(jì)出慣導(dǎo)系統(tǒng)和北斗的誤差量，然后對(duì)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，其中用戶也可輸入ー些控制命令等。其中，卡爾曼濾波計(jì)算模塊4對(duì)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和北斗接收機(jī)3中， 對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行校正。其中把北斗接收機(jī)3的測(cè)量值和相應(yīng)的慣導(dǎo)INS模塊2給出的測(cè)量值之差綜合在一起作為卡爾曼濾波計(jì)算模塊4的量測(cè)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(cè)量的三軸角速度信息み丨減去計(jì)算得到的平臺(tái)坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系得角速度句;，則得到載體坐標(biāo)系相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度成！;，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)矩陣可以把載體坐標(biāo)系的加速度信息g變換到平臺(tái)坐標(biāo)系3,t，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)矩陣的計(jì)算，所有導(dǎo)航信息的提取與姿態(tài)矩陣q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)⑴式。
權(quán)利要求
1.ー種北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括北斗導(dǎo)航處理模塊、慣性測(cè)量單元、INS處理模塊和卡爾曼濾波器，所述慣性測(cè)量單元用于輸出慣性測(cè)量數(shù)據(jù)，所述INS處理模塊接收慣性測(cè)量單元輸出的數(shù)字信號(hào)，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)，所述北斗接收機(jī)用于輸出導(dǎo)航測(cè)量信息，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處理模塊和上述北斗接收機(jī)的輸出信號(hào)，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處理模塊和北斗接收機(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I所述的北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述慣性測(cè)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(hào)的數(shù)字電路單元，所述陀螺儀，用于提供三軸角速度測(cè)量值，所述加速度計(jì)用于提供三軸加速度測(cè)量值，所述溫度傳感器用于用于測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部溫度。
3.如權(quán)利要求I或2所述的北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述慣性測(cè)量單元還包括一三軸正交安裝的磁強(qiáng)計(jì)，用于測(cè)量空間環(huán)境中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以提供載體相對(duì)地球磁場(chǎng)的方位。
4.如權(quán)利要求2所述的北斗/慣性組合導(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所述的北斗/慣性組合導(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所述的北斗/慣性組合導(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(cè)量單元輸出的信號(hào)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(cè)量單元的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。
7.如權(quán)利要求6所述的北斗/慣性組合導(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(hào)預(yù)處理電路，低通濾波器用于消除噪聲，信號(hào)預(yù)處理電路用于將慣性測(cè)量単元的輸出信號(hào)變換到A/D轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求I所述的北斗/慣性組合導(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I或8所述的北斗/慣性組合導(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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種北斗/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航處理模塊、慣性測(cè)量單元、INS處理模塊和卡爾曼濾波計(jì)算模塊，北斗導(dǎo)航處理模塊用于計(jì)算和輸出北斗測(cè)量數(shù)據(jù)，慣性測(cè)量單元用于輸出慣性測(cè)量數(shù)據(jù)，INS處理模塊接收慣性測(cè)量單元輸出的數(shù)字信號(hào)，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)，卡爾曼濾波計(jì)算模塊接收上述INS處理模塊和上述北斗接收機(jī)的輸出信號(hào)，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處理模塊和北斗接收機(jī)，INS處理模塊接收卡爾曼濾波計(jì)算模塊反饋修正參數(shù)，得到組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高精度導(dǎo)航功能。
文檔編號(hào)G01S19/49GK102608642SQ201110026449
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者揭建英 申請(qǐng)人:北京七維航測(cè)科技股份有限公司