CN102879793B

CN102879793B - 超小型gps/ins/磁强计/气压计组合导航系统

Info

Publication number: CN102879793B
Application number: CN201210366449.0A
Authority: CN
Inventors: 苏中; 李擎; 范军芳; 赵旭; 刘洪�; 刘宁; 马晓飞; 付国栋
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN102879793A

Abstract

本发明公开了一种超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统，由组合导航计算机融GPS、INS、磁强计和气压计系统信息，通过多维拓展kalman滤波器输出载体的位置、速度和姿态信息；而且该系统具有自对准功能，Flash存储功能也保证了系统信息掉电不丢失，上电快速启动；组合导航算法采用优化算法，在保证精度的情况下达到相当高的数据更新率，可为高动态小型飞机、制导炮弹等提供实时姿态数据。本发明总体具有体积小、成本低、重量轻、功耗低、数据更新速率快、通讯方便、易安装、易标定等一系列优点，并且具有实时精确的导航定位信息输出，适用于路用车辆、人员定位、微小型飞机导航等领域。

Description

超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统

技术领域

本发明涉及一种基于GPS、INS、磁强计和气压计的采用高度集成电路设计和独特安装结构的组合导航系统，属于组合导航技术领域。

背景技术

在众多传感器件中惯性传感器是一种非常重要的传感器，但到目前为止对传统惯性传感器的使用还仅仅局限于狭窄的范围内，如军事、航空和航海领域，这主要是因为这些领域中对传感器的成本和体积是几乎不需要考虑的，而对于许多其他领域来说，尽管都对惯性传感器有所需求，但由于各种原因(主要是成本的因素)，应用很少。然而，随着现代微电子与微加工工艺的迅速发展，一种面向21世纪的新兴技术——微机电系统(MEMS)应运而生。在此基础上，基于MEMS的微机械惯性传感器的出现和工艺的日渐成熟，使得它在民用领域具有广阔的应用前景。特别是它具有可靠性高、体积小、质量轻、功耗低等传统惯性传感器件无法比拟的优点。这些领域主要包括：民用车辆导航、小型灾难搜救机器人、汽车安全气囊装置、照相(摄像)设备的防抖动平台、GPS系统的备份系统、电子玩具、三维仿真、振动监测等。

这些领域种对导航系统有如下的要求：低成本，可以安装在狭小的空间内，能够依靠电池供电。而微机械传感器能轻易满足这些条件，易于被集成为嵌入式系统，方便使用。一般来说，通常的能测量6个自由度的传统惯性传感器一般需要10万元，而采用微机械传感器，其成本可以降至1万元以内甚至更低，而且体积可以显著变小，功耗更是降低到只需数瓦的程度。而且，相对于传统的机械惯性传感器来说，MEMS器件由于其采用硅微工艺，其可靠性及环境适应性得到了极大的提高，能承受大的冲击和振动，适用于较恶劣的环境，所以应用前景非常广阔。

但是由于MEMS器件本身的原因，使其组成的导航系统定位精度低，而且随时间发散很快。目前针对由微惯性器件组成微惯性导航系统(Micro inertial navigation system，MINS)的研究方向主要是采用组合、信息融合技术，依靠测量定位误差不随时间积累的辅助测量系统，提高MINS测量精度达到导航定位的要求。其中GPS就是一种理想的不随时间积累的辅助测量系统。它是一个全球、全天候的高精度导航定位系统，其误差不随时间积累。这种方法成本低、周期短、效果好，已成为研究的一大热点，并已产生很多成功的应用范例。

目前国外，Honeywell、Draper、Crossbow等公司以及Stanford、Calgary、MIT等大学均在该领域投入了大量的人力和财力。除了提高INS/GPS组合导航系统的定位精度外，大多都采用自对准的技术来提高航向精度，取得了很多进展。但是在导航过程中不能一直依靠载体的机动性来提高航向角信息。在国内，近年来这项技术也是众多机构研究的热点。虽然现在的平面定位精度依靠GPS达到了米级的测量精度，而且不随时间积累等优点，但是高度误差却在十几米甚至更高的水平，而且不能抑制航向角误差的发散。最主要的是这些系统大多都是体积大，功耗高，无法应用于狭小安装空间和低负载的载体。

虽然目前有人使用磁强计来辅助计算INS/GPS导航系统的航向问题，但是一般都是引入外部磁强计信息，在传输过程中会受到一定的干扰，而且因为不是集成在一起的安装误差也会大大降低解算精度。由此可见，目前基于MEMS器件的INS/GPS组合导航系统的的主要问题就是集成度不高、精度差，而且结构设计不合理，体积大，算法不够精确，难以满足微小型设备的导航需求。

发明内容

本发明目的在于克服现有组合导航系统体积大、功耗高、精度低等不足，设计一种超小体积、低功耗、重量轻、可靠性高和高度误差不发散的高集成度GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统。

本发明目的技术方案为：一种超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统，其特征在于：包括GPS子系统、INS子系统、磁强计子系统、气压计子系统、导航计算机和低压差稳压源模块；该导航计算机对各个子系统输出的数据信息进行处理，然后经过扩展kalman融合滤波器输出载体的位置、速度和姿态信息；低压差稳压源模块分别独立向GPS子系统、INS子系统、磁强计子系统、气压计子系统和导航计算机供电；

GPS子系统采用单独供电并放置在一个上层PCB板上，三个小块PCB板分别通过开槽处理保证相互正交安装在下层PCB板上，INS子系统的三个单轴陀螺分别设置在三个小块PCB板上，两个双轴加速度计分别设置在其中两个小块PCB板上；上下两层PCB板之间通过连接固定部件连接；低压差稳压源模块设置在下层PCB板上并远离惯测量性器件和磁强计以减小热量散发对器件造成零偏影响；整个系统的每个PCB板均采用高集成度的4层电路，最后达到49mm*36mm*28mm的超小型尺寸；

整个结构外壳设置有GPS天线接口和负责电源供电、信号传输的四端子航空接插件接口，并设有安装基准面，以保证安装误差。

有益效果：由于GPS具有较高的二维定位精度，但是高度方面精度很差，而且不能提供姿态信息，INS具有成本低、功耗小、体积小等优点，但总体精度不高，定位误差随时间积累，不能进行长时间导航任务；磁强计可以精确测量载体航向与北向夹角，而且精度不随时间发散；气压计系统可以提高精确的高度信息，也不随时间发散。本发明将这4种导航系统集合在一起，通过kalman滤波融合算法有效的组合各个系统的优点，避免各自的缺点来提高系统的整体导航精度。(1)各个子系统主要部件都使用MEMS器件，而且所使用低功耗导航计算机可将系统总体功耗控制在0.5W以内，在特殊条件下也可以使用电池进行长时间不间断工作；(2)在PCB板设计中通过对各个子系统部件进行合理优化布局，大大减小了器件之间的电磁噪声干扰及发热影响。如对GPS系统采用单独板块设计与主控单元进行单点共地、INS系统传感器参考电压单独供应、大功耗电源芯片远离对热量敏感的陀螺、加速度计等测量芯片等。安装结构设计考虑了电磁噪声干扰和器件发热影响，以及三个陀螺和加速度计之间的正交性，合理利用空间大大减小系统体积，最后达到49mm*36mm*28mm的超小型尺寸。(3)INS、GPS各个子系统之间进行松耦合，可大大提高系统的可靠性和容错能力，还具有冗余性；(4)该组合导航系统具有响应速度快，精度高的优点。

附图说明

图1为系统整体框图；

图2(a)、(b)、(c)、(d)分别为INS系统、GPS系统、磁强计系统和气压计系统的结构图；

图3为导航计算机的结构图；

图4为GPS/INS/磁强计/气压计的组合导航结算流程图；

图5为系统内部安装结构示意图；

图6为系统整体安装效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步更详细说明。

参见附图1，为系统整体框图。整个组合导航系统由导航计算机融合GPS、INS、磁强计和气压计各子系统信息，通过多维拓展kalman滤波器输出载体的位置、速度和姿态信息。整个系统具有高度集成电路和独特安装结构的特点。

图2(a)所示INS子系统包括：三个单轴陀螺、两个双轴加速度计、温度传感器、运算放大器、A/D转换模块、SPI通讯接口。其中三个单轴陀螺用来测量载体的运动角速度；两个双轴的加速度计用来测量载体的线性加速度，其中在航向方向进行2个加速度差分处理；温度传感器3输出陀螺内部温度，用于对陀螺和加速度计进行温度补偿；所有的模拟信号经过运算放大器放大以后，通过16位A/D转换模块转变为数字信号，然后经过SPI通讯接口把INS系统所有数据传输到导航计算机进行处理。由于采用2个双轴MEMS加速度计，航向轴方向进行差分处理，以提高航向方向加速度精度。

图2(b)所示GPS子系统包括：GPS射频天线接收模块、GPS信号解算模块、RS-232标准通讯模块；其中通过GPS射频天线接收模块接收可见GPS导航卫星的信号，然后进入GPS信号解算模块，最后导航信息通过标准0183协议输出，然后通过RS-232通讯接口传输到导航计算机进行kalman组合导航算法融合。其中GPS信号解算模块主要采用瑞士U-blox公司提供的U-blox 5Q模块，该模块为多功能独立型GPS模块，以ROM为基础架构，成本低，体积小，该模块具有50个通道卫星接收功能，提供UART、USB、I2C、SPI数据接口，通过GPS接收天线接收GPS卫星的信号，然后在其内部解算出载体的位置、速度信息，以标准0183协议格式通过RS-232通信接口输出给微处理器，进行数据融合处理。

图3(c)所示磁强计子系统包括：一个三轴磁阻传感器、运算放大器模块、16位A/D转换模块；其中三维磁阻传感器输出三个轴向上磁场强度的模拟信号，经过运算放大器和16位A/D转换电路变换为数字信号；经由SPI通讯接口把磁强信息传输到导航计算机，该信息可用于初始对准和实时确定载体航向角。所述三轴磁阻传感器采用霍尼韦尔的三轴磁阻传感器，该传感器是一种小型3轴表面安装的传感器系统，它可在二高斯的量程内对磁场的测量灵敏度达到100微高斯。

图2(d)所示气压计子系统包括：大气压力传感器、I2C通信接口模块、高度解算模块；该大气压力传感器采用Bosch Sensortec公司的气压传感器，该传感器具有低电压供电、体积小、功耗低、气压测量精度高、测量范围宽等优点，可直接输出当前气压值的数字信息，经过标定、补偿和查表高度解算后通过I2C通讯接口传输到导航计算机内部，使用高度信息可以对系统的高度进行约束或者直接输出。

图3所示导航计算机子系统包括：高速导航计算机、低压差稳压源模块；所述高速导航计算机可采用DSP或者ARM芯片来完成惯性器件的数据滤波和补偿算法、INS惯性测量单元的姿态解算和组合磁强计、气压计系统信息进行系统数据的融合算法；另外还可降低系统功耗、减小系统体积。该高速导航计算机通过SPI通讯接口接收INS的原始测量数据和磁强计系统数据、RS-232通讯接口接收GPS系统0183协议数据、I2C通讯接口接收气压数据，分别对各个子系统数据进行处理后再经过一个扩展kalman融合滤波器推算出实时具有高精度的载体速度、位置和姿态信息。整个系统可选择单独直接输出GPS子系统、INS子系统导航信息和气压计子系统测得的高度信息，进行冗余存储。低压差稳压源模块用来保证内部各系统供电的稳定性；该系统还加入了硬件高通和低通滤波器，来滤除电源交流部分和干扰成分。通过该子系统给陀螺、加速度计提供稳定的电压源来保证惯性器件的零位和标度因数等一系列参数的稳定性，从而进一步提高导航系统的整体精度。

图4所示组合导航系统的算法流程是：导航开始系统上电进行参数初始化；INS子系统开始输出角速度和加速度信息的数字信号，经过滑动平均和滤波处理，然后对此数据标定和温度补偿，导航计算机通过捷联导航算法求解出速度、位置和姿态信息；GPS子系统从上电时刻开始由射频天线接收当前可见GPS导航卫星信号，经过GPS信号解算模块处理后直接输出标准0183协议，传输到导航计算机内部，提取出载体的速度、位置和高度信息；磁强计子系统测得的磁场强度，经过干扰去除和标定补偿，再结合INS信息中的加速度信息可进行初始对准和载体的三维姿态计算；气压计子系统测得的高度值可抑制INS系统高度的发散和GPS高度的测量误差；所有上面子系统得到的数据通过系统kalman融合滤波解算出高精度的载体位置、速度和姿态信息进行输出，另通过滤波器估计出的陀螺和加速度计的随机常值漂移，可反馈校正INS系统。

如图5所示，本发明采用高集成度但布局合理的电路设计以减小各子系统器件之间的电磁干扰、相互发热影响和降低系统体积。GPS系统1采用单独供电并放置在一块上层PCB板上以减小对其他子系统的电磁干扰和搜星过程中电流波动对系统A/D采集带来的干扰；对INS子系统的单轴陀螺2和双轴加速度计3提供单独参考电压以提高精度；4为磁强计子系统；5为气压计子系统；6为导航计算机子系统；整个系统的低压差稳压源模块7远离惯测量性器件和磁强计以最大程度上减小热量散发对器件造成零偏影响。本发明采用了独特巧妙的硬件安装结构设计：上下两层之间的连接固定部件8用以加固两层PCB板的连接强度；9所示为系统所有的五块PCB板相对位置示意图，其中上下两层PCB板通过插接件连接和固定部件8进行固定，中间三小块PCB板分别通过开槽处理保证相互正交安装在底板上，三个单轴陀螺2和两个双轴加速度计3分别设置在上述三小块PCB板上，其余部件均设置在下层PCB板上；整个系统的每个PCB板均采用高集成度的四层电路；该安装结构可使导航计算机、电源模块、A/D模块、单轴陀螺2、双轴加速度计3、磁强计4和气压计子系统5合理的分布PCB板上，最大程度利用了内部空间从而大大减小了系统体积；其中由于硬件安装结构使陀螺和加速度计分别呈现正交的结果，大大降低了后期软件补偿带来的误差；电磁兼容性强，并且设计有减震系统可抗较大冲击。

如图6所示，为系统的整体安装效果图。其中10为Φ3mm螺钉固定孔；11为GPS天线接口；12为四端子航空接插件接口，负责电源供电和信号传输；13为安装基准面，以保证安装误差。最终大小尺寸为：49mm*36mm*28mm。

总的来说，本发明采用独特的硬件结构设计，集成了GPS、INS、磁强计、气压计、低压差稳压源、运算放大器、16位A/D采集、导航计算机系统，整体系统结构体积小、功耗低；内部组合算法使用了松组合算法，各个子系统可以独立工作，提高了整个系统的可靠性，具有冗余性的特点；该系统可使用RS-232、RS-422协议通讯具有兼容性，系统响应速度快、精度高、成本低，可用于低成本需要一定精度的导航系统，特别适用于路用车辆、小型机器人、小型飞行器等载重能力小，使用电池供电的系统。

Claims

1.一种超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统，包括GPS子系统、INS子系统、磁强计子系统、气压计子系统、导航计算机；该导航计算机对各个子系统输出的数据信息进行处理，然后经过扩展kalman融合滤波器输出载体的位置、速度和姿态信息；其特征在于：还包括低压差稳压源模块，低压差稳压源模块分别独立向GPS子系统、INS子系统、磁强计子系统、气压计子系统和导航计算机供电；

GPS子系统采用单独供电并放置在一个上层PCB板上，三个小块PCB板分别通过开槽处理保证相互正交安装在下层PCB板上，INS子系统的三个单轴陀螺分别设置在三个小块PCB板上，两个双轴加速度计分别设置在其中两个小块PCB板上；上下两层PCB板之间通过连接固定部件连接；低压差稳压源模块设置在下层PCB板上并远离惯测量性器件和磁强计以减小热量散发对器件造成零偏影响；整个系统的每个PCB板均采用高集成度的四层电路，最后达到49mm*36mm*28mm的超小型尺寸；

2.根据权利要求1所述的一种超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统，其特征在于：所述INS子系统包括三个单轴陀螺、两个双轴加速度计、温度传感器、运算放大器、A/D转换模块和SPI通讯接口；其中三个单轴陀螺用来测量载体的运动角速度；两个双轴的加速度计用来测量载体的线性加速度，其中在航向方向进行两个加速度差分处理；温度传感器输出陀螺内部温度，用于对陀螺和加速度计进行温度补偿；所有的模拟信号经过运算放大器放大以后，通过16位A/D转换模块转变为数字信号，然后经过SPI通讯接口把INS系统所有数据传输到导航计算机进行处理。

3.根据权利要求1或2所述的一种超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统，其特征在于：所述GPS子系统包括GPS射频天线接收模块、GPS信号解算模块、RS-232标准通讯模块；其中通过GPS射频天线接收模块接收可见GPS导航卫星的射频信号，然后进入GPS信号解算模块，最后导航信息通过标准0183协议输出，然后通过RS-232通讯接口传输到导航计算机进行kalman组合导航算法融合。

4.根据权利要求3所述的一种超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统，其特征在于：所述磁强计子系统包括一个三轴磁阻传感器、运算放大器模块和16位A/D转换模块；其中三维磁阻传感器输出三个轴向上磁场强度的模拟信号，经过运算放大器和16位A/D转换电路变换为数字信号；经由SPI通讯接口把磁强信息传输到导航计算机，该信息可用于初始对准和实时确定载体航向角。

5.根据权利要求4所述的一种超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统，其特征在于：所述气压计子系统包括大气压力传感器、I2C通信接口模块、高度解算模块；该大气压力传感器直接输出当前气压值的数字信息，经过标定、补偿和查表高度解算后通过I2C通讯接口传输到导航计算机内部，使用高度信息可以对系统的高度进行约束或者直接输出。

6.根据权利要求5所述的一种超小型GPS/INS/磁强计/气压计组合导航系统，其特征在于：所述导航计算机通过SPI通讯接口接收INS子系统的原始测量数据和磁强计子系统数据、RS-232通讯接口接收GPS子系统0183协议数据、I2C通讯接口接收气压数据，分别对各个子系统数据进行处理后再经过一个扩展kalman融合滤波器推算出实时具有高精度的载体速度、位置和姿态信息。