CN103076016A - 一种用于运动载体定位的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于运动载体定位的系统，特别是涉及地面车辆、海上船舶及近地飞行器的在线实时定位方法，属于导航领域。所述系统包括：三分量磁强计、倾角传感器、第一模数转换模块、第二模数转换模块、坐标转换模块、卡尔曼滤波模块、地磁参考模块、显示单元，坐标转换模块、卡尔曼滤波模块构成数据处理模块。所述系统不需要向外辐射信号和接收外来信号，具有很强的自主性，使用过程中不存在盲区，能够实现对偏远地区的定位。

Description

一种用于运动载体定位的系统

技术领域

本发明涉及一种用于运动载体定位的系统，特别是涉及地面车辆、海上船舶及近地飞行器的在线实时定位方法，属于导航领域。

背景技术

现有的定位技术主要是无线电定位、GPS定位等。无线电定位需要接收外来信号，并且该方式的应用越来越少，正处于淘汰的阶段。GPS定位存在盲区，如果在同一时刻无法接收到4颗及以上导航卫星的信号，即无法完成定位。传统的惯性技术的核心部件之一—陀螺，由于受自身原理的限制，其漂移随着时间的增长而累积，致使陀螺的误差越来越大，而本文提出的方法不存在类似于陀螺的累积误差，对系统的精度有很大的改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于运动载体定位的系统，所述系统不需要向外辐射信号和接收外来信号，具有很强的自主性，使用过程中不存在盲区，能够实现对偏远地区的定位。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种用于运动载体定位的系统，所述系统包括：三分量磁强计、倾角传感器、第一模数转换模块、第二模数转换模块、坐标转换模块、卡尔曼滤波模块、地磁参考模块、显示单元，坐标转换模块、卡尔曼滤波模块构成数据处理模块；

三分量磁强计与第一模数转换模块连接，第一模数转换模块与坐标转换模块连接；倾角传感器与第二模数转换模块连接，第二模数转换模块与坐标转换模块连接，坐标转换模块与卡尔曼滤波模块连接，卡尔曼滤波模块与显示单元连接，地磁参考模块与卡尔曼滤波模块连接；

工作流程如下：

（1）三分量磁强计测量地磁场在运动载体坐标系中的三个分量，并将三个分量的模拟信号发送给第一模数转换模块，倾角传感器测量运动载体相对于惯性坐标系的旋转角度，并将旋转角度的模拟信号发送给第二模数转换模块；

（2）第一模数转换模块将来自三分量磁强计的模拟信号转换为数字信号，并发送给坐标转换模块；

（3）接步骤（1），第二模数转换模块将来自倾角传感器的模拟信号转换为数字信号，并发送给坐标转换模块；

（4）接步骤（2）和（3），坐标转换模块利用来自第二模数转换模块的信号将来自第一模数转换模块的信号转换为惯性坐标系下的三分量数据信号，并发送给卡尔曼滤波模块；

（5）卡尔曼滤波模块利用来自坐标转换模块的信号和地磁参考模块的信号，对运动载体的地理位置进行估计，并将位置信号发送给显示单元进行显示。

有益效果

（1）本发明所述系统不需要向外辐射信号和接收外来信号，具有很强的自主性。

（2）地磁场是地球的基本物理场之一，本发明所述系统在使用过程中不存在盲区，能够实现对偏远地区的定位。

附图说明

图1为本发明所述的用于运动载体定位的系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

如图1所示，一种用于运动载体定位的系统，所述系统包括：三分量磁强计、倾角传感器、第一模数转换模块、第二模数转换模块、坐标转换模块、卡尔曼滤波模块、地磁参考模块、显示单元，坐标转换模块、卡尔曼滤波模块构成数据处理模块；

三分量磁强计与第一模数转换模块连接，第一模数转换模块与坐标转换模块连接；倾角传感器与第二模数转换模块连接，第二模数转换模块与坐标转换模块连接，坐标转换模块与卡尔曼滤波模块连接，卡尔曼滤波模块与显示单元连接，地磁参考模块与卡尔曼滤波模块连接；

工作流程如下：

（1）三分量磁强计测量地磁场在运动载体坐标系中的三个分量，并将三个分量的模拟信号发送给第一模数转换模块，倾角传感器测量运动载体相对于惯性坐标系的旋转角度，并将旋转角度的模拟信号发送给第二模数转换模块；

（2）第一模数转换模块将来自三分量磁强计的模拟信号转换为数字信号，并发送给坐标转换模块；

（3）接步骤（1），第二模数转换模块将来自倾角传感器的模拟信号转换为数字信号，并发送给坐标转换模块；

（4）接步骤（2）和（3），坐标转换模块利用来自第二模数转换模块的信号将来自第一模数转换模块的信号转换为惯性坐标系下的三分量数据信号，并发送给卡尔曼滤波模块；

（5）卡尔曼滤波模块利用来自坐标转换模块的信号和地磁参考模块的信号，对运动载体的地理位置进行估计，并将位置信号发送给显示单元进行显示。

地磁参考模块表征地磁场和地理位置的关系，地磁场的强度是地理位置的函数，这个关系可由以下公式来表示：

$V(r,\mathrm{\θ},\mathrm{\λ},t)=a\underset{n=1}{\overset{{\mathrm{ni}}_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{a}{r}\right)}^{n+1}\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_n^m\left(t\right)\·\cos \mathrm{m\λ}+h_n^m\left(t\right)\·\sin \mathrm{m\λ})\·P_n^m\left(\mathrm{\θ}\right)+$

$a\underset{n=1}{\overset{{\mathrm{ne}}_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{r}{a}\right)}^n\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(q_n^m\left(t\right)\·\cos \mathrm{m\λ}+s_n^m\left(t\right)\·\sin \mathrm{m\λ})\·P_n^m\left(\mathrm{\θ}\right)$

其中，a是地球平均半径；r是测量点相对于地球中心的距离，θ是余纬，λ是经度，

和

是时间t的内高斯系数；

和

是t时间的外高斯系数；

是n阶m级的施密特标准化的勒让德函数。n=1,2,3……；m=1,2,3……n；

基本卡尔曼滤波的递推公式如下：

状态一步预测： $\hat{X}(k/k-1)=\mathrm{\Φ}(k/k-1)\hat{X}(k-1)$

状态估计： $\hat{X}\left(k\right)=\hat{X}(k/k-1)+K\left(k\right)[Z\left(k\right)-H\left(k\right)\hat{X}(k/k-1)]$

滤波增益：K(k)＝P(k/k-1)H^T(k)[H(k)P(k/k-1)Η^T(k)+R(k)]^-1

一步预测均方误差：P(k/k-1)＝Φ(k,k-1)P(k-1)Φ^T(k,k-1)+Γ(k-1)Q(k-1)Γ^T(k-1)

估计均方误差：P(k)＝[I-K(k)H(k)]P(k/k-1)

或P(k)＝[I-K(k)H(k)]P(k/k-1)[I-K(k)H(k)]^T+K(k)R(k)K^T(k)

或P^-1(k)＝P^-1(k/k-1)+H^T(k)R^-1(k)H(k)

式中，Φ(k,k-1)为t_k-1时刻至t_k时刻的一步转移阵；Γ(k)为系统噪声驱动阵；H(k)为量测阵；V(k)为量测噪声序列；W(k)为系统激励噪声序列。

步骤（5）卡尔曼滤波模块采用Unscented卡尔曼滤波。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于运动载体定位的系统，其特征在于：所述系统包括：三分量磁强计、倾角传感器、第一模数转换模块、第二模数转换模块、坐标转换模块、卡尔曼滤波模块、地磁参考模块、显示单元，坐标转换模块、卡尔曼滤波模块构成数据处理模块；

三分量磁强计与第一模数转换模块连接，第一模数转换模块与坐标转换模块连接；倾角传感器与第二模数转换模块连接，第二模数转换模块与坐标转换模块连接，坐标转换模块与卡尔曼滤波模块连接，卡尔曼滤波模块与显示单元连接，地磁参考模块与卡尔曼滤波模块连接；

工作流程如下：

（1）三分量磁强计测量地磁场在运动载体坐标系中的三个分量，并将三个分量的模拟信号发送给第一模数转换模块，倾角传感器测量运动载体相对于惯性坐标系的旋转角度，并将旋转角度的模拟信号发送给第二模数转换模块；

（2）第一模数转换模块将来自三分量磁强计的模拟信号转换为数字信号，并发送给坐标转换模块；

（3）接步骤（1），第二模数转换模块将来自倾角传感器的模拟信号转换为数字信号，并发送给坐标转换模块；

（4）接步骤（2）和（3），坐标转换模块利用来自第二模数转换模块的信号将来自第一模数转换模块的信号转换为惯性坐标系下的三分量数据信号，并发送给卡尔曼滤波模块；

（5）卡尔曼滤波模块利用来自坐标转换模块的信号和地磁参考模块的信号，对运动载体的地理位置进行估计，并将位置信号发送给显示单元进行显示。

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