CN106249260A - 一种卫星光纤罗经系统及其组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星光纤罗经系统及其组合导航方法，其技术特点是：该系统包括两个GNSS天线、卫星罗经单元和光纤罗经单元，两个GNSS天线、卫星罗经单元和光纤罗经单元依次连接在一起；该组合导航方法将卫星测向信息与光纤陀螺信息进行误差补偿解算、姿态解算，同时加入极区处理设计，得到高精度、高可靠性的船舶艏向、姿态信息。本发明设计合理，其综合了卫星测向和光纤陀螺的优势，取长补短，具有精度高、启动快、使用方便等特点，可实现全天候、全纬度的测向定姿，有助于保障船舶的航行安全。

Description

一种卫星光纤罗经系统及其组合导航方法

技术领域

本发明属于航海导航技术领域，尤其是一种卫星光纤罗经系统及其组合导航方法。

背景技术

罗经是船舶上指示艏向的航海仪器，是保障航海安全的重要设备。国际海事组织(IMO)规定：远洋舰船必须配备罗经。目前船舶装备大部分使用传统陀螺罗经产品：磁罗经和电罗经，磁罗经经常会受到地矿磁场、涡流、天电等环境因素的影响，准确度无法得到保证；而电罗经长时间工作的累积误差比较大、价格昂贵、维护频繁且成本高昂。

与传统陀螺罗经产品相比，光纤陀螺罗经和卫星罗经具有体积小、启动快、精度高、寿命长、易安装、免维护、全寿命周期成本低等多方面优势。卫星罗经具有全球、全天候适用且无误差积累的特点，其缺点是会受环境因素影响，在天气恶劣的情况下容易出现失锁现象，造成输出数据不连续。光纤罗经测向精度高于磁罗经和电罗经且不受船磁等环境干扰，与船上其它设备接口方便，其缺点是随着纬度的升高，存在误差累积。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、快速准确的卫星光纤罗经系统及其组合导航方法。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种卫星光纤罗经系统，包括两个GNSS天线、卫星罗经单元和光纤罗经单元；所述两个GNSS天线沿船舶纵轴线分开安装并分别独立接收卫星定位信号；所述卫星罗经单元与两个GNSS天线相连用于接收并解算两个GNSS天线的位置信息及艏向角，该卫星罗经单元与光纤罗经单元连接；所述光纤罗经单元接收卫星罗经单元解算信息并进行组合解算得到高精度的船舶艏向与姿态信息。

所述GNSS天线为3系统7频点接收天线，用于接收北斗定位系统的B1频点、B2频点、B3频点的卫星信号，接收GPS定位系统的L1频点、L2频点的卫星信号以及接收GLONASS定位系统的L1频点、L2频点的卫星信号。

所述两个GNSS天线的安装位置为：一个GNSS天线作为主天线放于船艉，另一个GNSS天线作为副天线放于船首，该主天线指向副天线的连线方向与船舶艏向一致，两个GNSS天线和水平面保持一致。

所述卫星罗经单元与两个GNSS天线通过同轴电缆连接在一起。

所述卫星罗经单元内置有倾斜传感器、MEMS陀螺和人机交互装置。

所述光纤罗经单元采用三轴光纤陀螺作为主要惯性元件。

一种卫星光纤罗经系统的组合导航方法，包括以下步骤：

步骤1、两个分开放置的GNSS天线分别接收卫星信号并将信号传输至卫星罗经单元；

步骤2、卫星罗经单元解算两个GNSS天线的位置、速度及艏向、角速度信息和时码信息发送给光纤罗经单元；

步骤3、光纤罗经单元接收卫星罗经单元信息进行组合解算得到修正后船舶艏向、姿态信息；

步骤4、光纤罗经单元将组合解算的船舶艏向和姿态信息发送至卫星罗经单元供其显示或其它设备使用。

所述步骤2卫星罗经单元解算时采用载波相位差分方法进行解算，得到根据三角公式计算出艏向角。

所述步骤3的具体实现方法为：光纤罗经单元接收卫星罗经单元解算出的位置、速度及艏向、角速度信息和时码信息，与捷联式三轴光纤陀螺解算的艏向、姿态信息进行数据融合，数据融合算法采用卡尔曼滤波方法，解算出高精度、高可靠性的船舶艏向、姿态信息。同时光纤罗经单元平滑卫星罗经单元解算结果，在卫星信号短暂失锁时，对船舶艏向和姿态进行陀螺保持。

所述光纤罗经单元在解算时，光纤罗经单元还根据卫星罗经单元解算的位置信息进行判断是否进入高纬度航行区域，将原地理坐标系切换为横向坐标系，消除纬度角引起的误差，同时利用卫星罗经提供的艏向和姿态信息进行组合，不断修正系统误差。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明利用卫星罗经单元、光纤罗经单元综合的测定船舶艏向和姿态，不同于传统组合算法中仅使用位置和速度信息，增加了艏向信息的融合，从而增加卡尔曼滤波器参数的维度，实现快速、准确的船舶真实艏向和姿态的导航功能，提高了卫星光纤罗经系统的精度。

2、本发明可兼容北斗、GPS和GLONASS系统，降低卫星全部失锁的风险，提高系统的适应范围和可靠性；本发明支持载波相位差分解算，提高系统的定位精度，进而提高本发明的系统精度。

3、本发明增加极区坐标切换处理，降低高纬度航行时光纤罗经解算误差，提高系统定位精度和适应范围。

4、本发明采用模块化设计，各部分可独立工作，如当卫星罗经单元或光纤罗经单元出现故障时，另一部分可作为独立罗经系统继续为用户提供准确且可靠的艏向与姿态信息服务。

5、本发明充分结合卫星全纬度、全天候、无误差积累以及光纤罗经不受地磁干扰、精度高、寿命长、易安装、免维护等特点，克服卫星罗经输出不连续和光纤罗经容易累计误差的各自缺点，达到优势互补的目的。

附图说明

图1是本发明的卫星光纤罗经系统连接示意图；

图2是本发明的GNNS天线的安装示意图；

图3是本发明的光纤罗经单元的安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种卫星光纤罗经系统，如图1至图3所示，包括两个GNSS天线、卫星罗经单元和光纤罗经单元。所述两个GNSS天线作为卫星信号接收装置并且沿船舶纵轴线分开安装，每个GNSS天线分别独立接收卫星定位信号。所述卫星罗经单元通过同轴电缆与两个GNSS天线相连，用于接收并解算两个GNSS天线的位置信息，进而计算出两个GNSS天线间的连线与正北方向之间的夹角(艏向角)，该卫星罗经单元同时与光纤罗经单元连接，发送解算的艏向、速度、位置和时间信息，卫星罗经单元还具有显示与控制功能，可根据需要选择系统的工作模式及工作参数。所述光纤罗经单元采用三轴光纤陀螺作为主要惯性元件并配以捷联技术方案，实时解算船舶的艏向、姿态信息，同时光纤罗经单元对接收卫星罗经单元解算的艏向、速度、位置和时间信息数据并与船舶的艏向、姿态信息进行组合解算，得到高精度、高可靠性的船舶艏向与姿态信息。

所述的两个GNSS天线为3系统7频点接收天线，可接收目前主流的三种卫星导航系统：北斗定位系统、GPS定位系统或GLONASS定位系统的BDS B1、B2、B3频点，GPS L1、L2频点和GLONASS L1、L2频点的卫星信号。在卫星罗经单元中设置系统的卫星定位模式，即开启或关闭北斗定位系统、GPS定位系统或GLONASS定位系统，默认为三系统联合定位，采用联合定位方式可降低卫星全部失锁的风险，保证本发明的可靠性和精度。

卫星罗经单元内置有倾斜传感器和MEMS陀螺，当光纤罗经单元故障时或GNSS被短暂屏蔽时，可保持艏向稳定输出。因此，卫星罗经单元可连接光纤罗经单元和双GNSS天线进行组合导航，也可与双GNSS天线组成卫星罗经系统单独使用。卫星罗经单元还设有人机交互装置，人机交互装置可以是显示屏和按键，也可以是触摸屏，通过人机交互装置可以进行卫星定位、安装校准、输入输出等系统参数配置。

光纤罗经单元可与卫星罗经单元、双GNSS天线连接进行组合导航，当天线或卫星罗经单元发生故障时，光纤罗经单元也可单独以光纤罗经系统进行工作，保证系统输出的可靠性和精度。相比传统罗经随纬度增高而误差增大，光纤罗经单元采用坐标系变换的方式消除纬度影响，增强本发明的可靠性和精度。光纤罗经单元还可以接收卫星罗经发送的控制命令，配置设备技术参数。

基于上述卫星光纤罗经系统的组合导航方法，包括以下步骤：

步骤1、两个分开放置的GNSS天线分别接收卫星信号并将信号传输至卫星罗经单元。

GNSS天线的放置原则为：将其中一个GNSS天线作为主天线放于船艉，另一个GNSS天线作为副天线放于船首，该主天线指向副天线的连线方向与船舶艏向一致，而且，GNSS天线和水平面保持一致。如果天线安装时无法与船舶艏向和水平面保持一致，可使用卫星罗经单元通过人工配置的方法去消除艏向角误差和俯仰角误差。

步骤2、卫星罗经单元解算两个GNSS天线的位置、速度及艏向、角速度信息和时码信息发送给光纤罗经单元。

在本步骤中，卫星罗经单元接收两个GNSS天线传送的卫星信号，解算两个天线的经纬度坐标，根据三角公式计算出两天线连线(主天线指向副天线，即船艉指向船首)与正北方向之间的夹角(艏向角)、与水平面间的夹角(俯仰角)。卫星罗经单元解算时采用载波相位差分技术，提升卫星定位、测向精度，进而提高本发明的系统精度。

卫星罗经单元内置有倾斜传感器(建议水平安装，如果无法水平安装则可于卫星罗经单元通过人工配置的方法去除横滚角误差)，当光纤罗经单元故障时，卫星罗经单元可与双GNSS天线组成卫星罗经系统独立继续工作，解算船舶艏向角、俯仰角，内置倾斜传感器解算横滚角；卫星罗经单元内置的MEMS陀螺仪在卫星短暂失锁时保持系统稳定输出，保证系统输出的可靠性和精度。

步骤3、光纤罗经单元接收卫星罗经单元信息进行组合解算得到修正后船舶艏向、姿态信息。

在本步骤中，光纤罗经单元接收卫星罗经单元解算出的位置、速度、艏向、角速度等信息，与捷联式三轴光纤陀螺解算的艏向、姿态信息进行数据融合，数据融合算法采用卡尔曼滤波方法，解算出高精度、高可靠性的船舶艏向、姿态信息。光纤罗经单元通过接收卫星罗经单元信息进行组合解算，修正了系统误差，提高了系统的解算精度和可靠性。光纤罗经单元的加入还可以平滑解算结果，提高系统输出频度，以及在卫星信号短暂失锁的情况下维持艏向稳定输出。

光纤罗经单元在进行组合解算时，将速度、艏向信息用来与光纤罗经比对作为卡尔曼滤波器量测信息，角速度用来补偿杆臂速度和卫星罗经艏向时间延迟误差，时码信息用来同步卫星罗经和光纤罗经导航信息和计算时间延迟值，运用卡尔曼滤波进行数据融合，修正系统元件误差，从而得到准确的船舶艏向和姿态信息。

步骤4、光纤罗经单元将组合解算的船舶艏向和姿态信息发送至卫星罗经单元供其显示或其它设备使用，如需要艏向姿态信息的设备。

本发明的组合导航算法是通过卫星罗经和光纤罗经相互辅助实现的。卫星罗经单元解算输出数据为两个天线测姿所得到艏向角，采用轴方向与艏向轴方向一致的陀螺输出角速率与测向解算输出值进行数据融合，融合算法采用卡尔曼滤波，组合后可增加卡尔曼滤波器参数的维度，从误差产生的源头做工作，从而提高导航精度。光纤罗经单元根据卫星罗经单元解算的位置信息进行判断是否进入高纬度航行区域，将原地理系统坐标系切换为横向坐标系，以消除极区解算误差大或无解的问题，此时光纤罗经单元发挥陀螺方位仪功能，利用卫星罗经提供的艏向和姿态信息进行组合，不断修正系统误差的同时，在卫星信号失锁时对船舶艏向和姿态进行陀螺保持。

本发明的组合导航方法内融入极区坐标切换处理，提高光纤罗经单元于高纬度区域工作的性能，保证本发明的精度和可靠性。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种卫星光纤罗经系统，其特征在于：包括两个GNSS天线、卫星罗经单元和光纤罗经单元；所述两个GNSS天线沿船舶纵轴线分开安装并分别独立接收卫星定位信号；所述卫星罗经单元与两个GNSS天线相连用于接收并解算两个GNSS天线的位置信息及艏向角，该卫星罗经单元与光纤罗经单元连接；所述光纤罗经单元接收卫星罗经单元解算信息并进行组合解算得到高精度的船舶艏向与姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种卫星光纤罗经系统，其特征在于：所述GNSS天线为3系统7频点接收天线，用于接收北斗定位系统的B1频点、B2频点、B3频点的卫星信号，接收GPS定位系统的L1频点、L2频点的卫星信号以及接收GLONASS定位系统的L1频点、L2频点的卫星信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种卫星光纤罗经系统，其特征在于：所述两个GNSS天线的安装位置为：一个GNSS天线作为主天线放于船艉，另一个GNSS天线作为副天线放于船首，该主天线指向副天线的连线方向与船舶艏向一致，两个GNSS天线和水平面保持一致。

4.根据权利要求1所述的一种卫星光纤罗经系统，其特征在于：所述卫星罗经单元与两个GNSS天线通过同轴电缆连接在一起。

5.根据权利要求1所述的一种卫星光纤罗经系统，其特征在于：所述卫星罗经单元内置有倾斜传感器、MEMS陀螺和人机交互装置。

6.根据权利要求1所述的一种卫星光纤罗经系统，其特征在于：所述光纤罗经单元采用三轴光纤陀螺作为主要惯性元件。

7.一种如权利要求1至6任一项所述卫星光纤罗经系统的组合导航方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、两个分开放置的GNSS天线分别接收卫星信号并将信号传输至卫星罗经单元；

步骤2、卫星罗经单元解算两个GNSS天线的位置、速度及艏向、角速度信息和时码信息发送给光纤罗经单元；

步骤3、光纤罗经单元接收卫星罗经单元信息进行组合解算得到修正后船舶艏向、姿态信息；

步骤4、光纤罗经单元将组合解算的船舶艏向和姿态信息发送至卫星罗经单元供其显示或其它设备使用。

8.根据权利要求7所述的一种卫星光纤罗经系统的组合导航方法，其特征在于：所述步骤2卫星罗经单元解算时采用载波相位差分方法进行位置解算，然后根据三角公式计算出艏向角。

9.根据权利要求7所述的一种卫星光纤罗经系统的组合导航方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：光纤罗经单元接收卫星罗经单元解算出的位置、速度及艏向、角速度信息和时码信息，与捷联式三轴光纤陀螺解算的艏向、姿态信息进行数据融合，数据融合算法采用卡尔曼滤波方法，解算出高精度、高可靠性的船舶艏向、姿态信息。同时光纤罗经单元平滑卫星罗经单元解算结果，在卫星信号短暂失锁时，对船舶艏向和姿态进行陀螺保持。

10.根据权利要求8所述的一种卫星光纤罗经系统的组合导航方法，其特征在于：所述光纤罗经单元在解算时，光纤罗经单元还根据卫星罗经单元解算的位置信息进行判断是否进入高纬度航行区域，将原地理坐标系切换为横向坐标系，消除纬度角引起的误差，同时利用卫星罗经提供的艏向和姿态信息进行组合，不断修正系统误差。