CN106323276B - 一种便携式舰船综合导航系统及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式舰船综合导航系统及导航方法，属于导航技术领域。本发明的目的在于克服现有舰船综合导航系统存在的不足，通过一体化设计，在电子海图显示模块的基础上，高度集成惯性导航传感器、卫星导航传感器和天文导航传感器，实现一种体积小、重量轻、功耗低、操作简易的便携式舰船综合导航系统。具体包括组合导航子系统、电子海图子系统、显控单元和电源模块。与现有的技术比较，本发明通过功能复用，天文导航计算所需的天体高度可直接从航姿参考模块中获取，与已有方案相比，本发明在硬件上仅需要一个单筒望远镜和所需的固定装置，省去了一套天体高度测量装置，实现了舰船综合导航系统的集成优化。

Description

一种便携式舰船综合导航系统及导航方法

技术领域

本发明涉及一种便携式舰船综合导航系统及导航方法，属于导航技术领域。

背景技术

舰船导航系统用于引导舰船自出发地准确、高效、安全地到达目的地，在舰船航行过程中起到非常重要的作用。随着科学技术的发展，舰船导航系统的种类越来越多，常见的包括惯性导航系统、卫星导航系统、计程仪、船舶自动识别系统、数字导航雷达及电子海图显示信息系统(ECDIS)等，这些导航系统工作原理不同，功能各异。舰船综合导航系统通过网络技术和信息融合技术实现上述各种导航系统的物理连接和信息综合集成，得到本船最佳的导航信息，并通过ECDIS动态实时地显示舰船的综合航行态势，既提高了导航信息精度，又扩展了单一导航系统或设备的功能。

现有舰船综合导航系统的体积、重量和功耗均比较大，价格也颇为昂贵，由此带来了一些问题，包括：一是难以在吨位较小的舰船上进行安装和使用；二是当船上人员离船执行任务或应急使用时，现有舰船综合导航系统不满足便携的需求；三是现有舰船综合导航系统采用固定式安装，与舰船的耦合性比较强，当舰船发生火灾或电力故障时，容易导致综合导航系统失效。目前，便携式的舰船综合导航系统还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有舰船综合导航系统存在的不足，通过一体化设计，在电子海图显示模块的基础上，高度集成惯性导航传感器、卫星导航传感器和天文导航传感器，实现一种体积小、重量轻、功耗低、操作简易的便携式舰船综合导航系统。

一种便携式舰船综合导航系统，包括组合导航子系统、电子海图子系统、显控单元和电源模块，

(1)所述组合导航子系统用于确定舰船航向、姿态、速度和位置，包括航姿参考模块、卫星导航模块、导航计算机模块和天文导航模块；

a.航姿参考模块用于提供舰船的姿态和航向，其组成包括三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁强计、温度传感器和通信接口：所述三轴MEMS陀螺仪用于测量舰船的运动角速度，所述三轴MEMS加速度计用于测量舰船的线性加速度；所述温度传感器用于测量三轴MEMS陀螺仪的工作环境温度，实现对所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的温度补偿；所述三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁强计分别输出角速度、线加速度和磁场强度的数字信号，连同所述温度传感器输出的温度数字信号，通过通信接口输出至微处理器-I；

b.卫星导航模块用于确定舰船的位置和速度，并进行授时，其组成包括卫星信号接收子模块、卫星信号解算子模块和通信接口：所述卫星信号接收子模块用于接收视场内所有导航卫星的射频信号，射频信号经滤波、低噪声放大器放大后进入卫星信号解算子模块；卫星信号解算子模块用于对接收到的射频信号进行下变频、捕获、跟踪、解扩、解调、测量、解析处理，完成位置、速度和时间(PVT)解算，解算结果通过通信接口输出至微处理器-II；

c.导航计算机模块用于实现数据采集与处理、惯性导航解算与数据融合，由微处理器-I、微处理器-II和通信接口组成，所述微处理器-I和微处理器-II之间的数据传输通过通信接口实现；所述微处理器-II对微处理器-I和卫星导航模块传输过来的数据进行卡尔曼滤波运算，在每个滤波周期结束后将结果传输给微处理器-I进行系统误差标定补偿；

d.天文导航模块用于确定舰船的位置，其组成包括单筒望远镜、导轨和夹具；所述单筒望远镜用于观测天体，在便携式舰船综合导航系统的顶部安装所述导轨，所述夹具用于将所述单筒望远镜安装于导轨上；

(2)所述电子海图子系统用于提供与舰船工作海域相关的海图信息，并实现航海作业所需的参数计算，包括电子海图存储模块和电子海图综合处理模块；

a.电子海图存储模块用于存储操作系统、电子海图、电子海图显示信息软件、天文导航计算软件；

b.电子海图综合处理模块通过调用所述电子海图存储模块存储的软件，实现航线拟定、航路监控、常用航海参数计算和天文导航计算；所述电子海图综合处理模块的组成包括中央处理器、显卡、内存和主板；

(3)所述显控单元负责便携式舰船综合导航系统的人机交互，包括触摸显示屏和按键；

(4)所述电源模块用于向所述组合导航子系统、电子海图子系统和显控单元进行供电，包括低压差稳压源子模块和电池子模块。

一种利用前述便携式舰船综合导航系统进行天文导航的方法，包括：

步骤一：利用夹具将单筒望远镜固定于导轨上；

步骤二：操作触摸显示屏，使便携式舰船综合导航系统进入天文导航工作状态；

步骤三：调整便携式舰船综合导航系统，使单筒望远镜的物镜中心与所观测天体中心重合；

步骤四：按下显控单元的功能按键，电子海图综合处理模块自动记录当前时刻微处理器-I解算的俯仰角信息，此即为观测天体的高度；

步骤五：根据所选天文导航方法规定的观测天体个数，重复步骤二和步骤三；

步骤六：电子海图综合处理模块调用电子海图存储模块存储的天文导航计算软件，自动计算当前舰船位置，并显示在触摸显示屏上；

步骤七：利用夹具将单筒望远镜从导轨上拆卸下来。

与现有的技术比较，本发明的优点是：①选用芯片级导航传感器，通过一体化设计，大幅降低了舰船综合导航系统的体积、重量和功耗，实现了舰船综合导航系统的便携化；②通过功能复用，天文导航计算所需的天体高度可直接从航姿参考模块中获取，与已有方案相比，本方案在硬件上仅需要一个单筒望远镜和所需的固定装置，省去了一套天体高度测量装置，实现了舰船综合导航系统的集成优化；③天文导航模块中的单筒望远镜采用导轨方式进行安装与拆卸，操作人员可方便地进行单筒望远镜的位置调节，提高了天文观测的人机工效性。

附图说明

图1为本发明实施方式所涉及的便携式舰船综合导航系统结构框图。

图2为本发明的组合导航子系统结构框图。

图3为本发明实施方式所涉及的便携式舰船综合导航系统的布局示意图。

图4为本发明的电子海图子系统结构框图。

图5为本发明的天文导航方法流程图。

具体实施方式

本发明的技术关键点在于：①对组合导航子系统和电子海图子系统进行一体化设计，实现舰船综合导航系统的便携化；②天文导航模块中的单筒望远镜轴向与MEMS三轴加速度计的纵轴平行，天文导航过程中的天体高度可直接从航姿参考模块中获取；③天文导航模块中的单筒望远镜采用导轨方式进行安装与拆卸，提高了天文观测的人机工效性。

下面将结合图1至图5对本发明提供的一种便携式舰船综合导航系统及导航方法进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。

请参考图1，本实施例提出了一种便携式舰船综合导航系统，该系统包括：组合导航子系统1、电子海图子系统2、显控单元3和电源模块4。所述组合导航子系统1用于确定舰船航向、姿态、速度和位置；所述电子海图子系统2用于提供与舰船工作海域相关的海图信息，并实现航海作业所需的参数计算；所述显控单元3负责便携式舰船综合导航系统的人机交互；所述电源模块4用于向所述组合导航子系统1、电子海图子系统2和显控单元3进行供电。

请参考图2，所述组合导航子系统1包括航姿参考模块5、卫星导航模块6、导航计算机模块7和天文导航模块8。

所述航姿参考模块5用于提供舰船的姿态和航向，其组成包括三轴MEMS陀螺仪9、三轴MEMS加速度计10、三轴MEMS磁强计11、温度传感器12和通信接口13。所述三轴MEMS陀螺仪9用于测量舰船的运动角速度，所述三轴MEMS加速度计10用于测量舰船的线性加速度。所述温度传感器12用于测量所述三轴MEMS陀螺仪9的工作环境温度，实现对所述三轴MEMS陀螺仪9和三轴MEMS加速度计10的温度补偿。所述三轴MEMS陀螺仪9、三轴MEMS加速度计10、三轴MEMS磁强计11分别输出角速度、线加速度和磁场强度的数字信号，连同所述温度传感器12输出的温度数字信号，通过通信接口13输出至微处理器-I17。其中，三轴MEMS陀螺仪9、三轴MEMS加速度计10、三轴MEMS磁强计11分别采用意法半导体公司的I3G4250D芯片、IIS328DQ芯片和LIS3MDL芯片；温度传感器12集成在I3G4250D芯片中；通信接口15采用SPI接口。

所述卫星导航模块6用于确定舰船的位置和速度，并进行授时，其组成包括卫星信号接收子模块14、卫星信号解算子模块15和通信接口16。所述卫星信号接收子模块14用于接收视场内所有导航卫星的射频信号，射频信号经滤波、低噪声放大器放大后进入卫星信号解算子模块15。卫星信号解算子模块15用于对接收到的射频信号进行下变频、捕获、跟踪、解扩、解调、测量、解析等处理，完成位置、速度和时间(PVT)解算，解算结果通过通信接口16输出至微处理器-II18进行卡尔曼滤波运算。其中，卫星信号接收子模块14采用GPS有源天线；卫星信号解算子模块15采用u-blox公司的MAX-7Q模块，该模块体积小，功耗低，导航信息更新频率可达10Hz，位置精度2.5米(CEP)；通信接口16采用RS-232接口。

所述导航计算机模块7用于实现数据采集与处理、惯性导航解算与数据融合，由微处理器-I17、微处理器-II18和通信接口19组成，微处理器-I17和微处理器-II18之间的数据传输通过通信接口19实现。所述微处理器-I17的作用包括五个方面：一是用于进行所述三轴MEMS陀螺仪9、三轴MEMS加速度计10、三轴MEMS磁强计11和温度传感器12的数据采集；二是对三轴MEMS陀螺仪9和三轴MEMS加速度计10采集的数据进行平滑、低通滤波预处理、温度补偿和系统误差标定补偿；三是进行惯性导航解算，将解算得到的运动参数和三轴MEMS磁强计11的采集数据传输到微处理器-II18；四是为天文导航计算提供俯仰角信息；五是向所述显控单元3连续实时地输出舰船的位置、速度和姿态。所述微处理器-II18对微处理器-I17和卫星导航模块6传输过来的数据进行卡尔曼滤波运算，在每个滤波周期结束后将结果传输给微处理器-I17进行系统误差标定补偿。其中，微处理器-I17和微处理器-II18均采用TI公司的TMS320C6713高精度浮点型DSP，通信接口19采用双口RAMDT71V321作为共享存储器，实现微处理器-I17和微处理器-II18之间的数据通信。

所述天文导航模块8用于确定舰船的位置，其组成包括单筒望远镜20、导轨21和夹具22。请参考图3，所述单筒望远镜20用于观测天体，为便于用户操作，参考武器装备中光学瞄准镜的安装方法，在便携式舰船综合导航系统的顶部23上安装导轨21，所述夹具22用于将所述单筒望远镜20安装于导轨21上，当不需要进行天文导航时，单筒望远镜20可方便地从导轨21上拆卸下来。其中，单筒望远镜20采用蔡司10×25T单筒望远镜，导轨21采用皮卡汀尼导轨。

请参考图4，所述的电子海图子系统2包括电子海图存储模块28和电子海图综合处理模块29。

所述电子海图存储模块28用于存储操作系统、电子海图、电子海图显示信息软件、天文导航计算软件。本实施例中，电子海图存储模块28采用固态硬盘，存储容量64G。

所述电子海图综合处理模块29通过调用所述电子海图存储模块23存储的软件，实现航线拟定、航路监控、常用航海参数计算和天文导航计算，电子海图综合处理模块29的组成包括中央处理器30、显卡31、内存32和主板33。其中，中央处理器30和显卡31分别采用英特尔公司的i5-4300处理器和HD核芯显卡4400，内存32采用4GDDR3L。

请参考图3，所述的显控单元3包括触摸显示屏24和按键25～27。其中，触摸显示屏24采用电容式多点触控屏；按键25为电源键，用于实现便携式舰船综合导航系统的开机；按键26为主界面键，用于用户快速地返回主操作界面；按键27为记录键，用于对天体高度角进行记录。

所述电源模块4由低压差稳压源子模块和电池子模块组成。低压差稳压源子模块支持AC/DC双路输入，具有AC/DC自动转换功能，具有输出短路保护及自恢复、输出过流保护及自恢复、输入过压保护及自恢复的功能。电池子模块置于便携式舰船综合导航系统的背面。本实施例中，电池子模块采用锂离子电池，容量为4200mAh。

请参考图5，一种利用前述便携式舰船综合导航系统进行天文导航的方法，包括：

步骤34：利用夹具22将单筒望远镜20固定于导轨21上；

步骤35：操作触摸显示屏24，使便携式舰船综合导航系统进入天文导航工作状态；

步骤36：调整便携式舰船综合导航系统，使单筒望远镜20的物镜中心与所观测天体中心重合；

步骤37：按下按键27，电子海图综合处理模块29自动记录当前时刻微处理器-I17解算的俯仰角信息，此即为观测天体的高度；

步骤38：根据所选天文导航方法规定的观测天体个数，重复步骤36和步骤37；

步骤39：电子海图综合处理模块29调用电子海图存储模块28存储的天文导航计算软件，自动计算当前舰船位置，并显示在触摸显示屏24上；

步骤40：利用夹具22将单筒望远镜20从导轨21上拆卸下来。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种便携式舰船综合导航系统，其特征在于，包括组合导航子系统、电子海图子系统、显控单元和电源模块，

(1)所述组合导航子系统用于确定舰船航向、姿态、速度和位置，包括航姿参考模块、卫星导航模块、导航计算机模块和天文导航模块；

a.航姿参考模块用于提供舰船的姿态和航向，其组成包括三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁强计、温度传感器和通信接口：所述三轴MEMS陀螺仪用于测量舰船的运动角速度，所述三轴MEMS加速度计用于测量舰船的线性加速度；所述温度传感器用于测量三轴MEMS陀螺仪的工作环境温度，实现对所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的温度补偿；所述三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁强计分别输出角速度、线加速度和磁场强度的数字信号，连同所述温度传感器输出的温度数字信号，通过通信接口输出至微处理器-I；

b.卫星导航模块用于确定舰船的位置和速度，并进行授时，其组成包括卫星信号接收子模块、卫星信号解算子模块和通信接口：所述卫星信号接收子模块用于接收视场内所有导航卫星的射频信号，射频信号经滤波、低噪声放大器放大后进入卫星信号解算子模块；卫星信号解算子模块用于对接收到的射频信号进行下变频、捕获、跟踪、解扩、解调、测量、解析处理，完成位置、速度和时间解算，解算结果通过通信接口输出至微处理器-II；

c.导航计算机模块用于实现数据采集与处理、惯性导航解算与数据融合，由微处理器-I、微处理器-II和通信接口组成，所述微处理器-I和微处理器-II之间的数据传输通过通信接口实现；所述微处理器-II对微处理器-I和卫星导航模块传输过来的数据进行卡尔曼滤波运算，在每个滤波周期结束后将结果传输给微处理器-I进行系统误差标定补偿；

d.天文导航模块用于确定舰船的位置，其组成包括单筒望远镜、导轨和夹具；所述单筒望远镜用于观测天体，在便携式舰船综合导航系统的顶部安装所述导轨，所述夹具用于将所述单筒望远镜安装于导轨上，天文导航模块中的单筒望远镜轴向与MEMS三轴加速度计的纵轴平行；

(2)所述电子海图子系统用于提供与舰船工作海域相关的海图信息，并实现航海作业所需的参数计算，包括电子海图存储模块和电子海图综合处理模块；

a.电子海图存储模块用于存储操作系统、电子海图、电子海图显示信息软件、天文导航计算软件；

b.电子海图综合处理模块通过调用所述电子海图存储模块存储的软件，实现航线拟定、航路监控、常用航海参数计算和天文导航计算；所述电子海图综合处理模块的组成包括中央处理器、显卡、内存和主板；

(3)所述显控单元负责便携式舰船综合导航系统的人机交互，包括触摸显示屏和按键；

(4)所述电源模块用于向所述组合导航子系统、电子海图子系统和显控单元进行供电,包括低压差稳压源子模块和电池子模块。

2.一种利用前述便携式舰船综合导航系统进行天文导航的方法，其特征在于，包括：

步骤一：利用夹具将单筒望远镜固定于导轨上；

步骤二：操作触摸显示屏，使便携式舰船综合导航系统进入天文导航工作状态；

步骤三：调整便携式舰船综合导航系统，使单筒望远镜的物镜中心与所观测天体中心重合；

步骤四：按下显控单元的功能按键，电子海图综合处理模块自动记录当前时刻微处理器-I解算的俯仰角信息，此即为观测天体的高度；

步骤五：根据所选天文导航方法规定的观测天体个数，重复步骤二和步骤三；

步骤六：电子海图综合处理模块调用电子海图存储模块存储的天文导航计算软件，自动计算当前舰船位置，并显示在触摸显示屏上；

步骤七：利用夹具将单筒望远镜从导轨上拆卸下来。