本發(fā)明屬于航海導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)及其組合導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)：

羅經(jīng)是船舶上指示艏向的航海儀器，是保障航海安全的重要設(shè)備。國(guó)際海事組織(IMO)規(guī)定：遠(yuǎn)洋艦船必須配備羅經(jīng)。目前船舶裝備大部分使用傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)產(chǎn)品：磁羅經(jīng)和電羅經(jīng)，磁羅經(jīng)經(jīng)常會(huì)受到地礦磁場(chǎng)、渦流、天電等環(huán)境因素的影響，準(zhǔn)確度無法得到保證；而電羅經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作的累積誤差比較大、價(jià)格昂貴、維護(hù)頻繁且成本高昂。

與傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)產(chǎn)品相比，光纖陀螺羅經(jīng)和衛(wèi)星羅經(jīng)具有體積小、啟動(dòng)快、精度高、壽命長(zhǎng)、易安裝、免維護(hù)、全壽命周期成本低等多方面優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星羅經(jīng)具有全球、全天候適用且無誤差積累的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是會(huì)受環(huán)境因素影響，在天氣惡劣的情況下容易出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，造成輸出數(shù)據(jù)不連續(xù)。光纖羅經(jīng)測(cè)向精度高于磁羅經(jīng)和電羅經(jīng)且不受船磁等環(huán)境干擾，與船上其它設(shè)備接口方便，其缺點(diǎn)是隨著緯度的升高，存在誤差累積。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、快速準(zhǔn)確的衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)及其組合導(dǎo)航方法。

本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)，包括兩個(gè)GNSS天線、衛(wèi)星羅經(jīng)單元和光纖羅經(jīng)單元；所述兩個(gè)GNSS天線沿船舶縱軸線分開安裝并分別獨(dú)立接收衛(wèi)星定位信號(hào)；所述衛(wèi)星羅經(jīng)單元與兩個(gè)GNSS天線相連用于接收并解算兩個(gè)GNSS天線的位置信息及艏向角，該衛(wèi)星羅經(jīng)單元與光纖羅經(jīng)單元連接；所述光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算信息并進(jìn)行組合解算得到高精度的船舶艏向與姿態(tài)信息。

所述GNSS天線為3系統(tǒng)7頻點(diǎn)接收天線，用于接收北斗定位系統(tǒng)的B1頻點(diǎn)、B2頻點(diǎn)、B3頻點(diǎn)的衛(wèi)星信號(hào)，接收GPS定位系統(tǒng)的L1頻點(diǎn)、L2頻點(diǎn)的衛(wèi)星信號(hào)以及接收GLONASS定位系統(tǒng)的L1頻點(diǎn)、L2頻點(diǎn)的衛(wèi)星信號(hào)。

所述兩個(gè)GNSS天線的安裝位置為：一個(gè)GNSS天線作為主天線放于船艉，另一個(gè)GNSS天線作為副天線放于船首，該主天線指向副天線的連線方向與船舶艏向一致，兩個(gè)GNSS天線和水平面保持一致。

所述衛(wèi)星羅經(jīng)單元與兩個(gè)GNSS天線通過同軸電纜連接在一起。

所述衛(wèi)星羅經(jīng)單元內(nèi)置有傾斜傳感器、MEMS陀螺和人機(jī)交互裝置。

所述光纖羅經(jīng)單元采用三軸光纖陀螺作為主要慣性元件。

一種衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)的組合導(dǎo)航方法，包括以下步驟：

步驟1、兩個(gè)分開放置的GNSS天線分別接收衛(wèi)星信號(hào)并將信號(hào)傳輸至衛(wèi)星羅經(jīng)單元；

步驟2、衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算兩個(gè)GNSS天線的位置、速度及艏向、角速度信息和時(shí)碼信息發(fā)送給光纖羅經(jīng)單元；

步驟3、光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元信息進(jìn)行組合解算得到修正后船舶艏向、姿態(tài)信息；

步驟4、光纖羅經(jīng)單元將組合解算的船舶艏向和姿態(tài)信息發(fā)送至衛(wèi)星羅經(jīng)單元供其顯示或其它設(shè)備使用。

所述步驟2衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算時(shí)采用載波相位差分方法進(jìn)行解算，得到根據(jù)三角公式計(jì)算出艏向角。

所述步驟3的具體實(shí)現(xiàn)方法為：光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算出的位置、速度及艏向、角速度信息和時(shí)碼信息，與捷聯(lián)式三軸光纖陀螺解算的艏向、姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)融合算法采用卡爾曼濾波方法，解算出高精度、高可靠性的船舶艏向、姿態(tài)信息。同時(shí)光纖羅經(jīng)單元平滑衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算結(jié)果，在衛(wèi)星信號(hào)短暫失鎖時(shí)，對(duì)船舶艏向和姿態(tài)進(jìn)行陀螺保持。

所述光纖羅經(jīng)單元在解算時(shí)，光纖羅經(jīng)單元還根據(jù)衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算的位置信息進(jìn)行判斷是否進(jìn)入高緯度航行區(qū)域，將原地理坐標(biāo)系切換為橫向坐標(biāo)系，消除緯度角引起的誤差，同時(shí)利用衛(wèi)星羅經(jīng)提供的艏向和姿態(tài)信息進(jìn)行組合，不斷修正系統(tǒng)誤差。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1、本發(fā)明利用衛(wèi)星羅經(jīng)單元、光纖羅經(jīng)單元綜合的測(cè)定船舶艏向和姿態(tài)，不同于傳統(tǒng)組合算法中僅使用位置和速度信息，增加了艏向信息的融合，從而增加卡爾曼濾波器參數(shù)的維度，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的船舶真實(shí)艏向和姿態(tài)的導(dǎo)航功能，提高了衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)的精度。

2、本發(fā)明可兼容北斗、GPS和GLONASS系統(tǒng)，降低衛(wèi)星全部失鎖的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的適應(yīng)范圍和可靠性；本發(fā)明支持載波相位差分解算，提高系統(tǒng)的定位精度，進(jìn)而提高本發(fā)明的系統(tǒng)精度。

3、本發(fā)明增加極區(qū)坐標(biāo)切換處理，降低高緯度航行時(shí)光纖羅經(jīng)解算誤差，提高系統(tǒng)定位精度和適應(yīng)范圍。

4、本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分可獨(dú)立工作，如當(dāng)衛(wèi)星羅經(jīng)單元或光纖羅經(jīng)單元出現(xiàn)故障時(shí)，另一部分可作為獨(dú)立羅經(jīng)系統(tǒng)繼續(xù)為用戶提供準(zhǔn)確且可靠的艏向與姿態(tài)信息服務(wù)。

5、本發(fā)明充分結(jié)合衛(wèi)星全緯度、全天候、無誤差積累以及光纖羅經(jīng)不受地磁干擾、精度高、壽命長(zhǎng)、易安裝、免維護(hù)等特點(diǎn)，克服衛(wèi)星羅經(jīng)輸出不連續(xù)和光纖羅經(jīng)容易累計(jì)誤差的各自缺點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)連接示意圖；

圖2是本發(fā)明的GNNS天線的安裝示意圖；

圖3是本發(fā)明的光纖羅經(jīng)單元的安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述：

一種衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)，如圖1至圖3所示，包括兩個(gè)GNSS天線、衛(wèi)星羅經(jīng)單元和光纖羅經(jīng)單元。所述兩個(gè)GNSS天線作為衛(wèi)星信號(hào)接收裝置并且沿船舶縱軸線分開安裝，每個(gè)GNSS天線分別獨(dú)立接收衛(wèi)星定位信號(hào)。所述衛(wèi)星羅經(jīng)單元通過同軸電纜與兩個(gè)GNSS天線相連，用于接收并解算兩個(gè)GNSS天線的位置信息，進(jìn)而計(jì)算出兩個(gè)GNSS天線間的連線與正北方向之間的夾角(艏向角)，該衛(wèi)星羅經(jīng)單元同時(shí)與光纖羅經(jīng)單元連接，發(fā)送解算的艏向、速度、位置和時(shí)間信息，衛(wèi)星羅經(jīng)單元還具有顯示與控制功能，可根據(jù)需要選擇系統(tǒng)的工作模式及工作參數(shù)。所述光纖羅經(jīng)單元采用三軸光纖陀螺作為主要慣性元件并配以捷聯(lián)技術(shù)方案，實(shí)時(shí)解算船舶的艏向、姿態(tài)信息，同時(shí)光纖羅經(jīng)單元對(duì)接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算的艏向、速度、位置和時(shí)間信息數(shù)據(jù)并與船舶的艏向、姿態(tài)信息進(jìn)行組合解算，得到高精度、高可靠性的船舶艏向與姿態(tài)信息。

所述的兩個(gè)GNSS天線為3系統(tǒng)7頻點(diǎn)接收天線，可接收目前主流的三種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：北斗定位系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)或GLONASS定位系統(tǒng)的BDS B1、B2、B3頻點(diǎn)，GPS L1、L2頻點(diǎn)和GLONASS L1、L2頻點(diǎn)的衛(wèi)星信號(hào)。在衛(wèi)星羅經(jīng)單元中設(shè)置系統(tǒng)的衛(wèi)星定位模式，即開啟或關(guān)閉北斗定位系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)或GLONASS定位系統(tǒng)，默認(rèn)為三系統(tǒng)聯(lián)合定位，采用聯(lián)合定位方式可降低衛(wèi)星全部失鎖的風(fēng)險(xiǎn)，保證本發(fā)明的可靠性和精度。

衛(wèi)星羅經(jīng)單元內(nèi)置有傾斜傳感器和MEMS陀螺，當(dāng)光纖羅經(jīng)單元故障時(shí)或GNSS被短暫屏蔽時(shí)，可保持艏向穩(wěn)定輸出。因此，衛(wèi)星羅經(jīng)單元可連接光纖羅經(jīng)單元和雙GNSS天線進(jìn)行組合導(dǎo)航，也可與雙GNSS天線組成衛(wèi)星羅經(jīng)系統(tǒng)單獨(dú)使用。衛(wèi)星羅經(jīng)單元還設(shè)有人機(jī)交互裝置，人機(jī)交互裝置可以是顯示屏和按鍵，也可以是觸摸屏，通過人機(jī)交互裝置可以進(jìn)行衛(wèi)星定位、安裝校準(zhǔn)、輸入輸出等系統(tǒng)參數(shù)配置。

光纖羅經(jīng)單元可與衛(wèi)星羅經(jīng)單元、雙GNSS天線連接進(jìn)行組合導(dǎo)航，當(dāng)天線或衛(wèi)星羅經(jīng)單元發(fā)生故障時(shí)，光纖羅經(jīng)單元也可單獨(dú)以光纖羅經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行工作，保證系統(tǒng)輸出的可靠性和精度。相比傳統(tǒng)羅經(jīng)隨緯度增高而誤差增大，光纖羅經(jīng)單元采用坐標(biāo)系變換的方式消除緯度影響，增強(qiáng)本發(fā)明的可靠性和精度。光纖羅經(jīng)單元還可以接收衛(wèi)星羅經(jīng)發(fā)送的控制命令，配置設(shè)備技術(shù)參數(shù)。

基于上述衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)的組合導(dǎo)航方法，包括以下步驟：

步驟1、兩個(gè)分開放置的GNSS天線分別接收衛(wèi)星信號(hào)并將信號(hào)傳輸至衛(wèi)星羅經(jīng)單元。

GNSS天線的放置原則為：將其中一個(gè)GNSS天線作為主天線放于船艉，另一個(gè)GNSS天線作為副天線放于船首，該主天線指向副天線的連線方向與船舶艏向一致，而且，GNSS天線和水平面保持一致。如果天線安裝時(shí)無法與船舶艏向和水平面保持一致，可使用衛(wèi)星羅經(jīng)單元通過人工配置的方法去消除艏向角誤差和俯仰角誤差。

步驟2、衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算兩個(gè)GNSS天線的位置、速度及艏向、角速度信息和時(shí)碼信息發(fā)送給光纖羅經(jīng)單元。

在本步驟中，衛(wèi)星羅經(jīng)單元接收兩個(gè)GNSS天線傳送的衛(wèi)星信號(hào)，解算兩個(gè)天線的經(jīng)緯度坐標(biāo)，根據(jù)三角公式計(jì)算出兩天線連線(主天線指向副天線，即船艉指向船首)與正北方向之間的夾角(艏向角)、與水平面間的夾角(俯仰角)。衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算時(shí)采用載波相位差分技術(shù)，提升衛(wèi)星定位、測(cè)向精度，進(jìn)而提高本發(fā)明的系統(tǒng)精度。

衛(wèi)星羅經(jīng)單元內(nèi)置有傾斜傳感器(建議水平安裝，如果無法水平安裝則可于衛(wèi)星羅經(jīng)單元通過人工配置的方法去除橫滾角誤差)，當(dāng)光纖羅經(jīng)單元故障時(shí)，衛(wèi)星羅經(jīng)單元可與雙GNSS天線組成衛(wèi)星羅經(jīng)系統(tǒng)獨(dú)立繼續(xù)工作，解算船舶艏向角、俯仰角，內(nèi)置傾斜傳感器解算橫滾角；衛(wèi)星羅經(jīng)單元內(nèi)置的MEMS陀螺儀在衛(wèi)星短暫失鎖時(shí)保持系統(tǒng)穩(wěn)定輸出，保證系統(tǒng)輸出的可靠性和精度。

步驟3、光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元信息進(jìn)行組合解算得到修正后船舶艏向、姿態(tài)信息。

在本步驟中，光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算出的位置、速度、艏向、角速度等信息，與捷聯(lián)式三軸光纖陀螺解算的艏向、姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)融合算法采用卡爾曼濾波方法，解算出高精度、高可靠性的船舶艏向、姿態(tài)信息。光纖羅經(jīng)單元通過接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元信息進(jìn)行組合解算，修正了系統(tǒng)誤差，提高了系統(tǒng)的解算精度和可靠性。光纖羅經(jīng)單元的加入還可以平滑解算結(jié)果，提高系統(tǒng)輸出頻度，以及在衛(wèi)星信號(hào)短暫失鎖的情況下維持艏向穩(wěn)定輸出。

光纖羅經(jīng)單元在進(jìn)行組合解算時(shí)，將速度、艏向信息用來與光纖羅經(jīng)比對(duì)作為卡爾曼濾波器量測(cè)信息，角速度用來補(bǔ)償桿臂速度和衛(wèi)星羅經(jīng)艏向時(shí)間延遲誤差，時(shí)碼信息用來同步衛(wèi)星羅經(jīng)和光纖羅經(jīng)導(dǎo)航信息和計(jì)算時(shí)間延遲值，運(yùn)用卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，修正系統(tǒng)元件誤差，從而得到準(zhǔn)確的船舶艏向和姿態(tài)信息。

步驟4、光纖羅經(jīng)單元將組合解算的船舶艏向和姿態(tài)信息發(fā)送至衛(wèi)星羅經(jīng)單元供其顯示或其它設(shè)備使用，如需要艏向姿態(tài)信息的設(shè)備。

本發(fā)明的組合導(dǎo)航算法是通過衛(wèi)星羅經(jīng)和光纖羅經(jīng)相互輔助實(shí)現(xiàn)的。衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算輸出數(shù)據(jù)為兩個(gè)天線測(cè)姿所得到艏向角，采用軸方向與艏向軸方向一致的陀螺輸出角速率與測(cè)向解算輸出值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，融合算法采用卡爾曼濾波，組合后可增加卡爾曼濾波器參數(shù)的維度，從誤差產(chǎn)生的源頭做工作，從而提高導(dǎo)航精度。光纖羅經(jīng)單元根據(jù)衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算的位置信息進(jìn)行判斷是否進(jìn)入高緯度航行區(qū)域，將原地理系統(tǒng)坐標(biāo)系切換為橫向坐標(biāo)系，以消除極區(qū)解算誤差大或無解的問題，此時(shí)光纖羅經(jīng)單元發(fā)揮陀螺方位儀功能，利用衛(wèi)星羅經(jīng)提供的艏向和姿態(tài)信息進(jìn)行組合，不斷修正系統(tǒng)誤差的同時(shí)，在衛(wèi)星信號(hào)失鎖時(shí)對(duì)船舶艏向和姿態(tài)進(jìn)行陀螺保持。

本發(fā)明的組合導(dǎo)航方法內(nèi)融入極區(qū)坐標(biāo)切換處理，提高光纖羅經(jīng)單元于高緯度區(qū)域工作的性能，保證本發(fā)明的精度和可靠性。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。