CN102608642A - 北斗/惯性组合导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗/惯性组合导航系统，该导航系统包括北斗卫星导航处理模块、惯性测量单元、INS处理模块和卡尔曼滤波计算模块，北斗导航处理模块用于计算和输出北斗测量数据，惯性测量单元用于输出惯性测量数据，INS处理模块接收惯性测量单元输出的数字信号，通过导航积分计算，获得载体位置、速度、姿态和航向数据，卡尔曼滤波计算模块接收上述INS处理模块和上述北斗接收机的输出信号，通过N状态卡尔曼滤波计算，修正INS处理模块的参数，并将上述修正参数反馈到INS处理模块和北斗接收机，INS处理模块接收卡尔曼滤波计算模块反馈修正参数，得到组合导航数据。本发明实现了高精度导航功能。

Description

北斗/惯性组合导航系统

技术领域

本发明是关于组合导航技术，具体涉及一种北斗/惯性组合导航系统。 

背景技术

北斗卫星导航系统(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)，是中国研发的卫星导航系统，包括北斗一号和北斗二号的2代系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。北斗一号由三颗(两颗工作卫星、一颗备用卫星)北斗定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端三部分组成。北斗卫星导航定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务。时间精度可达数十纳秒的同步精度，其理论精度与GPS相当，但由于GPS已经运行多年，实际精度上北斗系统还稍精确于GPS。北斗二号是中国开发的独立的全球卫星定位系统，不是北斗一号的简单延伸，更类似于，GPS全球定位系统和伽利略。正在建设的北斗二号卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为10纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。 

INS(惯性定位导航系统)系统具有自主导航能力，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能连续地提供载体位置、速度和姿态等定位导航参数，其数据更新率快、量程较大，且具有短时间内较高的相对精度。但INS系统随着工作时间的延长，导航误差随时间积累增长，需要利用外部观测信息经常修正INS系统，控制其误差随时间的积累，难以满足用户的精度要求。 

北斗/惯性组合导航系统恰好利用相对低精度的惯导系统加上北斗导航实现高精度惯导的性能，可提供载体高速率实时姿态和导航参数，实现高精度导航的功能，解决了惯性导航系统的定位导航误差随时间延续不断增大的技术问题，也解决了北斗导航系统数据更新率低及易受环境和无线电干扰等所导致的定位误差大的技术问题。 

因此，以北斗/惯性组合技术为核心的组合导航是21世纪导航技术发展的主要方向之一，其在提高精度、降低成本、全天候、全球导航等方面取得了举世瞩目的成就。 

发明内容

本发明的目的是，利用现有的北斗、INS导航系统技术，提供了一种高精度的北斗/惯性组合定位导航系统。 

本发明的技术方案是： 

一种北斗/惯性组合导航系统，包括惯性测量单元、INS处理模块和北斗接收机，所述惯性测量单元用于输出惯性测量数据，所述INS处理模块接收惯性测量单元输出的数字信号，通过导航积分计算，获得载体位置、速度、姿态和航向数据，所述北斗接收机用于输出导航测量信息，其特征在于，还包括一卡尔曼滤波计算模块，该卡尔曼滤波计算模块接收上述INS处理模块和上述北斗接收机的输出信号，通过N状态卡尔曼滤波计算，修正INS处理模块的参数，并将上述修正参数反馈到INS处理模块和北斗接收机，INS处理模块接收卡尔曼滤波计算模块反馈的修正参数，得到组合导航数据。 

所述惯性测量单元包括三轴正交安装的陀螺仪、三轴正交安装的加速度计、温度传感器和用于传输信号的数字电路单元，所述陀螺仪，用于提供三轴角速度测量值，所述加速度计用于提供三轴加速度测量值，所述温度传感器用于用于测量系统内部温度。 

所述惯性测量单元还包括一三轴正交安装的磁强计，用于测量空间环境中的磁场强度，以提供载体相对地球磁场的方位。 

所述陀螺仪可为光纤陀螺仪。 

所述加速度计可为硅微加速度计。 

所述数字电路单元可包括驱动电路和A/D转换模块，所述驱动电路用于将惯性测量单元输出的信号输送到A/D转换模块，所述A/D转换模块用于将惯性测量单元的信号转换为数字信息。 

所述驱动电路可包含一低通滤波器和一信号预处理电路，低通滤波器用于消除噪声，信号预处理电路用于将惯性测量单元的输出信号变换到A/D转换模块的信号范围内。 

进一步，还包括一控制和显示模块，该模块用于完成导航工作状态控制，用户命令控制输入，导航控制参数输出，导航工作状态参数输出，系统自检，系统初始化任务分配和系统工作状态监视。 

进一步，还包括电源模块，用于给整个系统供电。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

1、本发明的北斗/惯性组合定位导航系统将北斗导航定位系统与传统的惯性导航系统INS紧密结合，利用北斗导航定位准确无漂移、24小时全天候工作的特点与INS的短时精度高、可提供载体高速率实时姿态和导航参数的特点，利用现代微电子技术、通过卡尔曼滤波计算完美组合，提高了北斗信号重捕获能力，实现了高精度导航功能，解决了惯性导航系统的定位导航误差随时间延续不断增大的技术问题，也解决了北斗导航系统数据更新率低及易受环境和无线电干扰等所导致的定位误差大的技术问题。 

2、本发明的北斗/惯性组合导航采用间接法进行状态估计误差，采用紧密组合方式，把北斗原始观测数据和相应的惯导给出的测量值综合在一起作为卡尔曼滤波计算的量测方程，在用卡尔曼滤波进行状态误差估计后，采用反馈校正的方式对惯导系统力学编排中的位置、捷联矩阵进行反馈校正。 

3、北斗/惯性组合定位导航系统使用低成本、低精度的硬件，组合成中等精度的测量系统，在军工、民用领域均能广泛推广使用。 

4、北斗/惯性组合定位导航系统中的北斗导航定位系统是具有完全自主知识产权的中国自己的系统，不受国外控制，定位精度高、可靠性好。 

5、北斗/惯性组合定位导航系统可发送和接收短消息，进行数据通信。 

附图说明

图1为本发明北斗/惯性组合导航系统结构示意图； 

图2为本发明北斗/惯性组合导航系统的处理流程图； 

图3为本发明北斗/惯性组合导航系统的INS模块的处理流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述： 

根据图1所示，本发明包括惯性测量单元(IMU模块)1、INS处理模块2、北斗接收机3、卡尔曼滤波计算模块4、控制和显示模块5和电源模块6。 

IMU模块1包括：三轴陀螺11、三轴加速度计12、温度传感器13、驱动电路14和A/D转换模块15。所述的三轴陀螺11用于测量载体的运动角速度；三轴加速度计12用于测量载体的线性加速度；温度传感器13用于测量系统内部温度，对陀螺和加速度计进行温度补偿，消除温漂；驱动电路14包含一低通滤波器和一信号预处理电路，低通滤波器用于消除噪声，信号预处理电路用于将陀螺和加速度计的输出信号变换到A/D采样模块的范围内；A/D转换模块15用于将采样的陀螺信号和加速度计信号转换成数字量，给INS处理模块2提供惯性测量单元的原始数据以进行导航积分计算。IMU模块1还可以包括一三轴正交安装的磁强计，用于测量空间环境中的磁场强度，以提供载体相对地球磁场的方位。 

INS处理模块2包括：DSP构成的微处理器运算电路板，用于接收IMU模块1给出的原始三轴角速度和线加速度信号，通过导航积分计算，获得载体位置、速度、姿态和航向数据，并给卡尔曼滤波计算模块提供导航状态参数信息，用于和北斗导航系统模块3的数据进行卡尔曼滤波信息融合。 

北斗接收机3包括：北斗接收模块31和天线。北斗接收模块的主要功能是接收来自天线的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理过程，实现对北斗信号的跟踪、锁定和测量，从而产生计算位置的数据信息，包括纬度、经度、高度、速度、日期、时间等，给卡尔曼滤波计算模块4提供1Hz的测量信息，并提供系统时钟和全系统时间同步，同时进行滤波反馈测量修正。 

卡尔曼滤波计算模块4接收INS处理模块给出的导航状态信息和北斗接收机3给出的导航测量信息。通过N状态卡尔曼滤波计算，反馈状态跟踪修正参数，同时对INS系统和北斗系统进行校正。 

控制和显示模块5用于完成导航工作状态控制，用户命令控制输入，导航控制参数输出，导航工作状态参数输出，系统自检，系统初始化，系统工作状态监视、任务分配等。 

根据图2所示，整个系统工作过程如下：上电后，系统进行自检，并开始初始化，一切正常且初始化完成后，IMU模块1的陀螺仪和加速度计分别敏感载体的角速度和线性加速度，通过IMU模块1采集三个轴的角速度和加速度值，进入INS模块2经过一系列处理和导航积分计算得到载体的位置、速度和姿态，根据这些值计算相应于惯导的测量值；同时北斗接收机3接收天线信号经过变频、放大、滤波、计算等一系列处理得到原始观测量；将北斗接收机的测量值与INS模块2计算的结果作差，作为卡尔曼滤波计算模块4的量测值；通过卡尔曼滤波计算模块4估计出惯导系统和北斗的误差量，然后对两个系统进行反馈校正；最后将校正后的组合导航数据经过控制和显示模块5输出给用户或其它设备，其中用户也可输入一些控制命令等。其中，卡尔曼滤波计算模块4对状态参数采用反馈校正的间接估计法，即把组合导航系统状态误差估计反馈到惯导系统INS模块2和北斗接收机3中，对系统状态进行校正。其中把北斗接收机3的测量值和相应的惯导INS模块2给出的测量值之差综合在一起作为卡尔曼滤波计算模块4的量测方程。 

图3给出了系统中INS模块2的原理图，INS模块2的具体工作过程：用陀螺仪测量的三轴角速度信息 减去计算得到的平台坐标系相对惯性坐标系得角速度 

则得到载体坐标系相对导航坐标系的角速度 

利用这个信息进行姿态矩阵 

的计算。利用计算得到的姿态矩阵 

可以把载体坐标系的加速度信息 

变换到平台坐标系 然后进行导航计算得到载体的位置和速度。同时，利用姿态矩阵 

的元素，可以提取飞行器的姿态、航向信息。其中INS模块2算法的核心是姿态矩阵 

的计算，所有导航信息的提取与姿态矩阵 

息息相关。而姿态矩阵 的计算取决于姿态四元素的计算，姿态四元素的求解依据(1)式。 

$q(n+1)=\{\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}I+\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}[\mathrm{\Δ\θ}\left]\right\}q\left(n\right)---\left(1\right)$

根据(1)式得到四元素三阶算法为 

$q(n+1)=\{(1-\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0^2}{8})I+(\frac{1}{2}-\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0^2}{48})[\mathrm{\Δ\θ}\left]\right\}q\left(n\right)---\left(2\right)$

已知四元素的初始值并通过不断地迭代可以得到实时的四元素值，由此实时地计算出姿态矩阵 

以上通过详细实施例描述了本实用新型所提供的北斗/INS组合导航系统，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明创造实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改。 

Claims (9)

1.一种北斗/惯性组合导航系统，包括北斗导航处理模块、惯性测量单元、INS处理模块和卡尔曼滤波器，所述惯性测量单元用于输出惯性测量数据，所述INS处理模块接收惯性测量单元输出的数字信号，通过导航积分计算，获得载体位置、速度、姿态和航向数据，所述北斗接收机用于输出导航测量信息，其特征在于，还包括一卡尔曼滤波计算模块，该卡尔曼滤波计算模块接收上述INS处理模块和上述北斗接收机的输出信号，通过N状态卡尔曼滤波计算，修正INS处理模块的参数，并将上述修正参数反馈到INS处理模块和北斗接收机，INS处理模块接收卡尔曼滤波计算模块反馈的修正参数，得到组合导航数据。

2.如权利要求1所述的北斗/惯性组合导航系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括三轴正交安装的陀螺仪、三轴正交安装的加速度计、温度传感器和用于传输信号的数字电路单元，所述陀螺仪，用于提供三轴角速度测量值，所述加速度计用于提供三轴加速度测量值，所述温度传感器用于用于测量系统内部温度。

3.如权利要求1或2所述的北斗/惯性组合导航系统，其特征在于，所述惯性测量单元还包括一三轴正交安装的磁强计，用于测量空间环境中的磁场强度，以提供载体相对地球磁场的方位。

4.如权利要求2所述的北斗/惯性组合导航系统，其特征在于，所述陀螺仪为光纤陀螺仪。

5.如权利要求2所述的北斗/惯性组合导航系统，其特征在于，所述加速度计为硅微加速度计。

6.如权利要求2所述的北斗/惯性组合导航系统，其特征在于，所述数字电路单元包括驱动电路和A/D转换模块，所述驱动电路用于将惯性测量单元输出的信号输送到A/D转换模块，所述A/D转换模块用于将惯性测量单元的信号转换为数字信息。

7.如权利要求6所述的北斗/惯性组合导航系统，其特征在于，所述驱动电路包含一低通滤波器和一信号预处理电路，低通滤波器用于消除噪声，信号预处理电路用于将惯性测量单元的输出信号变换到A/D转换模块的信号范围内。

8.如权利要求1所述的北斗/惯性组合导航系统，其特征在于，还包括一控制和显示模块，该模块用于完成导航工作状态控制，用户命令控制输入，导航控制参数输出，导航工作状态参数输出，系统自检，系统初始化任务分配和系统工作状态监视。

9.如权利要求1或8所述的北斗/惯性组合导航系统，其特征在于，还包括电源模块，用于给整个系统供电。 

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