CN101865693A

CN101865693A - 航空用多传感器组合导航系统

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Publication number: CN101865693A
Application number: CN201010190743A
Authority: CN
Inventors: 张兴会; 胡建明; 李耀辉; 李广辉; 童勇木; 刘卫华; 张利民; 廖云
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2010-10-20

Abstract

一种航空用多传感器组合导航系统，该系统包括：MSINS单元、GPS单元、磁罗盘单元、液晶显示单元、数据传输接口单元、组合导航计算机、数据存储单元、电源装置。MSINS单元采集加速度计和陀螺仪信号，通过滤波和放大送给DSP进行算法处理；GPS模块用于输出GPS测量的经度、纬度、高度和基于地心坐标系的X、Y、Z轴速度值；磁罗盘单元输出三轴磁罗盘测量的三维姿态信息；组合导航计算机接收惯性测量单元、GPS模块、磁罗盘的输出信号，运用联邦卡尔曼滤波算法对数据进行融和处理，得到组合导航数据；数据存储单元保存原始数据和结果数据。本系统具有体积小、成本低、可靠性高和精度高的优点。

Description

航空用多传感器组合导航系统

技术领域：

本发明涉及一种组合导航定位系统，特别是一种航空用多传感器组合导航系统。

背景技术：

二十世纪九十年代以来，随着微米/纳米技术的出现和迅速发展，从半导体集成电路(IC)技术发展而来的MEMS(Micro Electromechnical System，简称MEMS)技术日渐成熟。利用这一技术可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器，这些传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和精密生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列。微型惯性测量组合包括微型陀螺仪和微型加速度计，是MEMS技术在惯性技术领域成功应用。与传统的惯性器件相比，MSINS在设计、材料和制造等方面都采用了全新的、革命性的工艺和方法，使其具有前所未见的小体积和重量、商业级的低价格、极高的可靠性和寿命。MSINS的这些特点使得惯性测量技术的应用从不计成本的军事领域扩展到市场广阔的民用、商用领域。以往在战机上使用的三维姿态惯性测量技术现在通过MSINS器件应用在商用机器人甚至航模飞机中；以往导弹使用的捷联惯性导航技术现在通过MSINS与GPS组合也可以应用在汽车导航。虽然目前这些MSINS的精度与传统惯导级器件还相差1个到3个数量级，但其发展速度迅猛，呈现从精度上逐步接近传统惯性器件的趋势。

全球定位系统(GPS是一种高精度的全球二维实时的卫星导航系统，定位误差不随时间积累，已在军民领域获得了广泛应用。但是GPS的不足之处在于它的自主性差，容易受到干扰，数据更新频率低，单独使用时难以满足高速、实时导航的要求。要使导航系统性能得到提高，仅靠提高单一导航系统的精度，不仅在技术上难度很大，而目无法满足高精度、低成本、体积小等多方面的要求。

MSINS与GPS构成的组合导航系统可以克服两者单独工作的缺点，两者相互取长补短；GPS可以作为MSINS强有力的外部修正信息源，而MSINS可以提高GPS的跟踪和抗干扰能力，两者组合可完成较高精度的长期导航任务，并目它们都具有体积小和成本低的特点。

随着导航技术及信息融合技术的发展，MSINS/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航系统已成为现有的最先进和最稳定的组合导航系统。虽然精度有较大提高，但由于高度计、磁罗盘(由一个一维磁罗盘和一个二维磁罗盘组成)，成本及系统不稳定源也随之增加，系统体积也相对较大。

发明内容：

本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种航空用多传感器组合导航系统，该系统利用多普勒观测值推算加速度信息，将气压高度计从现有组合导航系统中去掉，并采用单个三维磁罗盘，使导航精度和稳定性进一步提高、体积进一步减小，成本进一步降低。

如上构思，本发明的技术方案是：一种航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：由微惯性测量单元MSINS、GPS单元、磁罗盘单元、液晶显示单元、嵌入导航算法软件的组合导航计算机、数据传输接口单元、数据存储单元和电源装置组成；组合导航计算机通过数据传输接口单元接收微惯性测量单元MSINS、GPS单元、磁罗盘单元的输出数据，并对其进行处理和信息融合之后输出载体的位置、速度和姿态信息；数据传输接口单元的输出端分别连接液晶显示单元、数据存储单元。

上述微惯性测量单元MSINS由X轴MEMS陀螺仪、Y轴MEMS陀螺仪、Z轴MEMS陀螺仪、X轴MEMS加速度计、Y轴MEMS加速度计、Z轴MEMS加速度计、MSINS运算放大器、MSINS A/D转换器、微处理器、串行传输接口依次连接组成；其中，MEMS陀螺仪和MEMS加速度计输出角速度和线加速度的模拟信号，经过MSINS运算放大器和MSINS A/D转换器转化为数字信号，通过数据传输接口单元送给组合导航计算机。

上述数据传输接口单元由串行传输接口、串行传输接口芯片、微处理器和并行传输接口组成；所述数据处理单元一方面对GPS数据包进行解析，以提取出位置、速度信息，另一方面把它和磁罗盘以及MSINS的数据进行打包，传送给算法处理单元。

上述嵌入导航算法软件的组合导航计算机包含中央处理单元CPU、运算内存、存储单元、并行传输接口组成；中央处理单元CPU通过并行传输接口接收数据传输接口单元打包送过来的GPS定位单元、磁罗盘单元、MSINS单元的信息，将其存储在存储在存储器中，同时经导航解算软件处理后输出最后的精确的位置、姿态信息将其也存储在存储器中并同时送给液晶显示单元显示。

上述GPS定位单元包含GPS接收天线、GPS接收器及串行传输接口，由GPS接收天线接收到卫星信号，经GPS接收器计算出经纬度和速度等信息，通过数据传输单元将数据传输给组合导航计算机。

上述磁罗盘单元采用单个三轴磁罗盘。

上述组合导航计算机中嵌入的导航算法采用联邦卡尔曼滤波算法，该算法由位置子滤波器、速度子滤波器、三维姿态子滤波器和一个总滤波器组成，位置子滤波器接收由微惯性测量单元MSINS和GPS单元所测的位置信息并进行故障检测，速度子滤波器接收由微惯性测量单元MSINS和GPS单元所测的位置信息并进行故障检测，三维姿态子滤波器接收磁罗盘单元输出的三维姿态信息；位置子滤波器、速度子滤波器和三维姿态子滤波器输出端连接主滤波器。

上述位置子滤波器、速度子滤波器、三维姿态子滤波器和一个总滤波器采用联邦卡尔曼滤波器。

本发明具有如下的优点和积极效果：

1、利用GPS的多普勒观测值推导出载体的加速度信息和航向信息，与MSINS组合进一步提高定位定速精度，其中定位精度可以达到米级，尤其高度定位同样可达到米级；定速精度可达厘米级，垂直方向定速精度同样可达到厘米级，大大优于现有系统。进而可在有更高精度的情况下将现有系统中气压高度计去掉，降低成本，减小系统体积，其电路板采用等长布线，减少系统不稳定源使系统更加稳定。

2、本系统采用单个三轴磁罗盘使系统安装更合理、体积更小，姿态推算更精确。

3、本发明的航空用组合导航系统利用GPS模块接收的经纬度等信息校正由捷联惯导算法解算出的位置信息，即当惯导的位置和速度结果发散时，可用GPS进行恢复。以及在卫星信号被遮挡、GPS模块接收经纬度信号受干扰时，可仅靠INS系统进行较精确的导航，故相对与现有技术，该系统减少了速度误差和位置误差，解决了INS系统的定位导航误差随时间延续不断增大，即误差积累、漂移大的问题，从而提高了该导航系统的定位导航精度。

4、在实际中引入的改进型自适应联邦卡尔曼滤波器，提高了关于实际参数变动的鲁棒性，保证了滤波结果的无偏性和滤波的稳定性，并使算法的计算复杂性适中，提高了系统的稳定性。

5、为了解决量测相关并提高系统的容错性，在实际中引入了一种改进型自适应联邦容错卡尔曼滤波器，采用有反馈的融合结构，实现对导航误差的滤波估计，并能对故障进行隔离和系统重构。该方案采用两个并行的改进型自适应卡尔曼子滤波器，分别对位置和速度进行估计，然后通过一个主滤波器融合各子滤波器的状态估计，子滤波器的更新周期和主滤波器的融合周期均为1s；采用三层故障检测实现容错设计，提高了组合导航系统的故障隔离和重构的能力。

6、本系统具有记录、显示功能，界面友好，适用范围更广(如车载，民用飞机等)。

7、MSINS输出速率更快，可达到500Hz，载体位置、速度、姿态信息更具连续性。

8、增加存储单元，具有保存原始数据及保存计算结果功能。

附图说明：

图1为本发明的航空用多传感器组合导航系统的系统结构示意图；

图2为本发明的导航解算流程图；

图3本发明的微惯性测量单元的结构图；

图4本发明的液晶显示单元的结构图；

图5本发明的组合导航计算机、存储单元的结构图；

图6本发明的数据传输接口单元的结构图；

图7本发明的GPS定位单元的结构图；

图8本发明的俯视安装示意图；

图9本发明的侧视安装示意图；

具体实施方式：

如图1所示：一种航空用多传感器组合导航系统，由微惯性测量单元MSINS、GPS单元、磁罗盘单元、液晶显示单元、嵌入导航算法软件的组合导航计算机、数据传输接口单元、数据存储单元和电源装置组成；组合导航计算机通过数据传输接口单元接收微惯性测量单元MSINS、GPS单元、磁罗盘单元的输出数据，并对其进行处理和信息融合之后输出载体的位置、速度和姿态信息；数据传输接口单元的输出端分别连接液晶显示单元、数据存储单元。

如图2所示：组合导航计算机中嵌入的导航算法采用联邦卡尔曼滤波算法，该算法由位置子滤波器、速度子滤波器、三维姿态子滤波器和一个总滤波器组成，位置子滤波器接收由微惯性测量单元MSINS和GPS单元所测的位置信息并进行故障检测，速度子滤波器接收由微惯性测量单元MSINS和GPS单元所测的位置信息并进行故障检测，三维姿态子滤波器接收磁罗盘单元输出的三维姿态信息；位置子滤波器、速度子滤波器和三维姿态子滤波器输出端连接主滤波器。上述位置子滤波器、速度子滤波器、三维姿态子滤波器和一个总滤波器选用联邦卡尔曼滤波器。

如图3所示：MSINS单元，其中由X轴MEMS陀螺仪、Y轴MEMS陀螺仪、Z轴MEMS陀螺仪、X轴MEMS加速度计、Y轴MEMS加速度计、Z轴MEMS加速度计、MSINS运算放大器、MSINS A/D转换器、微处理器、串行传输接口组成。MEMS陀螺仪和加速度计输出角速度和线角速度的模拟信号，经过MSINS运算放大器和MSINS A/D转换器转化为数字信号，之后送给微处理器(如C8051F)进行高速数据采集，通过平滑和低通滤波器预处理得到载体高精度低噪声的角速率和加速度信息，对数据进行打包后通过数据传输接口单元送给组合导航计算机。

图4所示为液晶显示单元，其中包含液晶屏、微处理器、串行传输接口。微处理器通过串行传输接口接收组合导航计算机解算出的位置、姿态、航向信息，然后将这些信息送往液晶屏进行显示。

图5所示为组合导航计算机，其中包含CPU中央处理器、运算内存、存储单元、并行传输接口。CPU中央处理器通过并行传输接口接收数据传输接口单元打包送过来的GPS定位单元、磁罗盘单元、MSINS单元的信息，将其存储在存储在存储器中，同时经导航解算软件处理后输出最后的精确的位置、姿态信息将其也存储在存储器中并同时送给液晶显示单元显示。

如图6所示为数据传输接口单元，其中包含串行传输接口、串行传输接口、串行传输接口、串行传输接口、串行传输接口芯片、微处理器、并行传输接口。该单元在系统上电后，由微处理器先初始化串行传输接口芯片，然后再对GPS定位单元和磁罗盘单元发送初始化命令，该单元在系统正常工作时还对GPS的数据报文进行解析，以提取出所需信息，之后和GPS定位单元、磁罗盘单元的数据一起打包，通过并行传输接口送给组合导航计算机。

图7为GPS定位单元，其中包含GPS接收天线、GPS接收器及串行传输接口，由GPS接收天线接收到卫星信号，经GPS接收器计算出经纬度和速度等信息，通过数据传输接口单元与其它数据一起交由组合导航计算机运行导航系统运算控制软件，得到最后的导航信息。

图8和图9为具体组装图，图中，1为组合导航计算机板，2为MSINS的信号处理板，3为X轴陀螺仪，5为Y轴陀螺仪，6为Z轴陀螺仪，4为信号电平转换板，7为电源板，8为X轴加速度计，9为Y轴加速度计，10为Z轴加速度计。整个系统最后置于一个屏蔽盒内。

Claims

1.一种航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：由微惯性测量单元MSINS、GPS单元、磁罗盘单元、液晶显示单元、嵌入导航算法软件的组合导航计算机、数据传输接口单元、数据存储单元和电源装置组成；组合导航计算机通过数据传输接口单元接收微惯性测量单元MSINS、GPS单元、磁罗盘单元的输出数据，并对其进行处理和信息融合之后输出载体的位置、速度和姿态信息；数据传输接口单元的输出端分别连接液晶显示单元、数据存储单元。

2.根据权利要求1所述的航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：上述微惯性测量单元MSINS由X轴MEMS陀螺仪、Y轴MEMS陀螺仪、Z轴MEMS陀螺仪、X轴MEMS加速度计、Y轴MEMS加速度计、Z轴MEMS加速度计、MSINS运算放大器、MSINS A/D转换器、微处理器、串行传输接口依次连接组成；其中，MEMS陀螺仪和MEMS加速度计输出角速度和线加速度的模拟信号，经过MSINS运算放大器和MSINS A/D转换器转化为数字信号，通过数据传输接口单元送给组合导航计算机。

3.根据权利要求1所述的航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：上述数据传输接口单元由串行传输接口、串行传输接口芯片、微处理器和并行传输接口组成；所述数据处理单元一方面对GPS数据包进行解析，以提取出位置、速度信息，另一方面把它和磁罗盘以及MSINS的数据进行打包，传送给算法处理单元。

4.根据权利要求1所述的航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：上述嵌入导航算法软件的组合导航计算机包含中央处理单元CPU、运算内存、存储单元、并行传输接口组成；中央处理单元CPU通过并行传输接口接收数据传输接口单元打包送过来的GPS定位单元、磁罗盘单元、MSINS单元的信息，将其存储在存储在存储器中，同时经导航解算软件处理后输出最后的精确的位置、姿态信息将其也存储在存储器中并同时送给液晶显示单元显示。

5.根据权利要求1所述的航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：上述GPS定位单元由GPS接收天线、GPS接收器及串行传输接口组成，由GPS接收天线接收到卫星信号，经GPS接收器计算出经纬度和速度等信息，通过数据传输单元将数据传输给组合导航计算机。

6.根据权利要求1所述的航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：上述磁罗盘单元采用单个三轴磁罗盘。

7.根据权利要求1所述的航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：组合导航计算机中嵌入的导航算法采用联邦卡尔曼滤波算法，该算法由位置子滤波器、速度子滤波器、三维姿态子滤波器和一个总滤波器组成，位置子滤波器接收由微惯性测量单元MSINS和GPS单元所测的位置信息并进行故障检测，速度子滤波器接收由微惯性测量单元MSINS和GPS单元所测的位置信息并进行故障检测，三维姿态子滤波器接收磁罗盘单元输出的三维姿态信息；位置子滤波器、速度子滤波器和三维姿态子滤波器输出端连接主滤波器。

8.根据权利要求7所述的航空用多传感器组合导航系统，其特征在于：上述位置子滤波器、速度子滤波器、三维姿态子滤波器和一个总滤波器采用联邦卡尔曼滤波器。