CN108957513B - 一种微小型位置姿态测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微小型位置姿态测量系统，包括三轴MIMU、GNSS模块、三轴磁强计、A/D转换模块、导航计算机模块、FLASH存储模块，导航计算机模块采用陶瓷电路板作为支撑基座位于底部，三轴MIMU、三轴磁强计、A/D转换模块和FLASH存储模块嵌入在导航计算机模块右侧区域，GNSS模块安装在导航计算机模块的上方左侧区域。本发明在大大减少了系统体积的同时还有效提高了整个系统的测量精度和可靠性，能够实现对位置姿态的高精度测量。

Description

一种微小型位置姿态测量系统

技术领域

本发明涉及组合导航领域，可以应用于航空对地观测系统，特别是一种微小型位置姿态测量系统。

背景技术

高分辨率航空遥感载荷成像要求载机做匀速、平稳的理想直线运动，然而由于外部气流扰动与内部发动机振动等影响，飞机难以满足理想运动的要求，运动误差会导致载荷运动的成像质量严重退化，甚至不能成像，必须利用机载高精度位置与姿态测量系统(Position and Orientation System,POS)精确测量运动误差，以进行载荷成像的运动补偿，从而提高分辨率。机载对地成像分辨率越高，对运动误差的测量精度要求也越高。高精度POS主要由高精度惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、全球卫星定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收机、POS信息处理系统(POS ComputerSystem,PCS)和后处理软件四部分组成，可为各类无人机和有人机对地观测载荷提供高精度位置、速度和姿态基准，已成为航空对地观测系统在完成军事侦察、军事测绘等任务时必不可少的关键装备，是航空对地观测系统实现高分辨率实时成像的关键设备之一。

传统的高精度位置与姿态测量系统体积大、成本高、功耗大的特点制约了航空对地观测系统的不断发展。目前，为了尽量缩小高精度位置与姿态测量系统的体积及重量，研究者多是从系统中的某一个组成部分入手，比如公布号为CN104142150A的发明专利公开了一种一体化的小型激光陀螺惯性测量装置，其仅仅是从惯性测量单元(高精度POS的组成部分之一)入手来缩小其体积和重量。现有技术中也存在将体积做的很小的微小型位置姿态测量系统，但是其测量精度较低，主要原因是目前的微小型位置姿态测量系统采用磁罗盘进行偏航姿态角度的测量，抗干扰能力差，易受环境影响。总之，目前迫切需要一种低成本、高效率、高精度的微小型位置姿态测量系统，以满足小型、轻型航空高平台的搭载应用要求。

此外，我国微小型位置与姿态测量系统技术发展的总体水平与国外同类技术的差距日益扩大，严重制约了我国微小型系统的发展进程，限制了我国微小型系统的综合性能的提高，阻碍了航空对地观测的快速发展和广泛使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种微小型位置姿态测量系统，其充分利用了有限空间，在大大减少了系统体积，降低了成本的同时，还有效提高了整个系统的可靠性，能够实现对位置姿态的高精度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微小型位置姿态测量系统，包括GNSS模块、A/D转换模块、导航计算机模块、FLASH存储模块，还包括三轴MIMU(微惯性测量单元)及三轴磁强计；

所述三轴磁强计与A/D转换模块相连，所述GNSS模块、A/D转换模块、FLASH存储模块、三轴MIMU分别与导航计算机模块相连；

所述三轴MIMU具有三个敏感轴，用于测量并输出三个轴向的比力与角速度；所述A/D转换模块用于将三轴磁强计输出的磁强信号转换为数字信号；所述GNSS模块用于通过天线接收卫星信号并解算出位置、速度和姿态信息；所述导航计算机模块用于接收并处理三轴MIMU的输出数据、A/D转换模块的输出数据和GNSS模块的输出数据，并通过初始对准和组合导航解算输出高精度的速度、位置和姿态信息；所述FLASH存储模块用于存储数据并通过USB接口读出及擦除数据；

所述导航计算机模块采用以ARM嵌入式微处理器为核心的陶瓷电路板，此导航计算机模块同时作为支撑基座设置在GNSS模块下方，且此导航计算机模块与GNSS模块之间采用连接支撑件相互支撑固定；所述三轴MIMU、三轴磁强计、A/D转换模块及FLASH存储模块均嵌入在导航计算机模块上表面的右侧区域，所述GNSS模块处于导航计算机模块上表面上方的左侧区域；GNSS模块的下表面还设有排针孔座及两个天线接口，GNSS模块通过所述排针孔座与导航计算机模块相连，所述导航计算机模块上与所述天线接口相对应位置处设有天线安装孔。

作为进一步的优选实施方案，所述三轴MIMU的最右侧端面与导航计算机模块的右端面平齐，三轴MIMU的最左侧端面与GNSS模块的最右侧端面齐平，三轴MIMU的最顶部端面与GNSS模块的最顶部端面齐平。

作为进一步的优选实施方案，所述连接支撑件由六角铜柱和螺钉组成并分别设置在所述GNSS模块的四角位置处。

作为进一步的优选实施方案，所述天线接口设置在GNSS模块下表面靠近端侧的部位，对应的天线安装孔设置在导航计算机模块的相应端侧，且为端侧开口的方形槽。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明独特的模块布置形成了各模块交差错落分布的双层互抱式长方体空间结构，能够充分利用有限的空间，大大减少了系统体积。

(2)本发明导航计算机模块采用了陶瓷电路板，此陶瓷电路板具有双重作用，即在实现其基本电气功能的同时还实现了对三轴MIMU的连接固定，为三轴MIMU提供高精度的基准面，不仅避免了系统体积和重量的加大，还有效提高了系统的精度与可靠性。

(3)本发明同时采用三轴磁强计与双天线进行偏航姿态角度的测量，使得系统能够工作于更加复杂的环境中，且能够提高初始对准的精度，同时天线接口及其安装孔的独特位置设置不仅能够方便天线的安装还避免了系统体积的增大。

总之，本发明提供了一个完整的位置姿态测量系统，在大大减少了系统体积的同时还有效提高了整个系统的测量精度和可靠性，能够实现对位置姿态的高精度测量。

附图说明

图1是所述微小型位置姿态测量系统的整体结构示意图；

图2是所述微小型位置姿态测量系统的分解结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，下述内容对于左侧、右侧等位置的描述是以面对图1中X向作为观测角度。

参照图1和图2，本发明优选实施例提供一种微小型位置姿态测量系统，包括GNSS模块4、A/D转换模块3、导航计算机模块5、FLASH存储模块6，还包括三轴MIMU 1及三轴磁强计2；

所述三轴磁强计2与A/D转换模块3相连，所述GNSS模块4、A/D转换模块3、FLASH存储模块6、三轴MIMU 1分别与导航计算机模块5电连接。

所述三轴MIMU 1具有三个敏感轴，用于测量并输出三个轴向的比力与角速度；所述A/D转换模块3用于将三轴磁强计2输出的磁强信号转换为数字信号；所述GNSS模块4用于通过天线接收卫星信号并解算出位置、速度和姿态信息；所述导航计算机模块5用于接收并处理三轴MIMU 1的输出数据、A/D转换模块3的输出数据和GNSS模块4的输出数据，并通过初始对准和组合导航解算输出高精度的速度、位置和姿态信息；所述FLASH存储模块6用于存储数据并通过USB接口读出及擦除数据。

所述导航计算机模块5采用以ARM嵌入式微处理器为核心的陶瓷电路板，其包括数据采集处理子模块和电源子模块，此导航计算机模块5同时作为支撑基座设置在GNSS模块4下方，且此导航计算机模块5与GNSS模块4之间采用连接支撑件7相互支撑固定；所述三轴MIMU 1通过螺钉安装在导航计算机模块5的陶瓷电路板右侧区域，三轴磁强计2、A/D转换模块3及FLASH存储模块6也分别通过引脚嵌入在导航计算机模块5的陶瓷电路板右侧区域，所述GNSS模块4处于导航计算机模块5上表面上方的左侧区域；GNSS模块4的下表面还设有排针孔座401及两个天线接口402，GNSS模块通过所述排针孔座401与导航计算机模块5相连，所述导航计算机模块5上与所述天线接口402相对应位置处设有天线安装孔。

所述三轴MIMU 1的最右侧端面与导航计算机模块5的右端面平齐，三轴MIMU 1的最左侧端面与GNSS模块4的最右侧端面齐平，三轴MIMU 1的最顶部端面与GNSS模块的最顶部端面齐平。

所述连接支撑件7由六角铜柱701和螺钉组成并分别设置在所述GNSS模块4的四角位置处，四个双通六角铜柱701作为支撑件立于导航计算机模块5与GNSS模块4之间，螺钉将导航计算机模块5与GNSS模块4及双通六角铜柱701进行连接固定。

所述天线接口402设置在GNSS模块下表面靠近端侧的部位，对应的天线安装孔设置在导航计算机模块的相应端侧，且为端侧开口的方形槽501(如图2所示)，以方便天线的安装。

所述陶瓷电路板是以陶瓷为主要材质，内部布有大规模集成电路，实现整个系统的电气功能，且陶瓷电路板导热性能好，表现出更好的可靠性，同时其外表面平整光滑且硬度高不易变形，用来连接固定三轴MIMU 1时，能够为三轴MIMU 1提供高精度的基准面，即陶瓷电路板不仅能够提高系统的精度，又能增加系统的可靠性，且不用为三轴MIMU 1另外配置基准安装基座，有效保证了测量系统的轻小型特性。

本发明上层的GNSS模块4与下层嵌入了三轴MIMU1、三轴磁强计2、A/D转换模块3和FLASH存储模块6的导航计算机模块5共同形成一种双层互抱式长方体空间结构，此结构充分利用了有限的空间对系统各组成部分进行了合理的配置。

GNSS模块包括GNSS数据处理子模块、存储芯片等，GNSS数据处理子模块、天线接口、排针孔座和存储芯片等较大电子元器件均设置在GNSS模块的下表面，连同导航计算机模块5上表面的三轴MIMU 1、三轴磁强计2、A/D转换模块3和FLASH存储模块6在GNSS模块4与导航计算机模块5之间的有限空间中形成高低错落布置。

本发明功能实现原理如下：三轴MIMU1具有三个敏感轴，测量并输出三个轴向的比力与角速度，并通过SPI接口以200Hz的频率向导航计算机模块5发送实时量测数据。三轴磁强计2是两个分立元件，与A/D转换模块3相连，三轴磁强计2以50Hz的频率输出信号形式为模拟信号的磁强信号，并通过A/D转换模块3将三轴磁强计2输出的模拟信号转换为数字信号，导航计算机模块5通过SPI接口采集并处理转化后的数字信号，得到偏航姿态角度信息。GNSS模块4拥有两个天线接口402，其能够进行实时差分处理，提高了GNSS模块输出位置和速度的精度，同时利用双天线进行偏航姿态角度的测量，并将速度、位置和姿态数据以1Hz的频率通过串口发送给导航计算机模块5。导航计算机模块5以ARM嵌入式微处理器为核心，负责接收并处理三轴MIMU1输出数据、A/D转换模块3输出数据和GNSS模块4输出数据，并根据这些数据进行静基座解析粗对准和精对准，待初始对准结束后，再进行组合导航，得到高精度的位置、速度和姿态数据。导航计算机模块5将接收到的原始的三轴MIMU 1输出数据、A/D转换模块3输出数据、GNSS模块4输出数据和组合导航后得到的高精度位置、速度和姿态数据通过串口实时输出，并将数据以二进制的形式存储到FLASH存储模块6，且可通过外接USB接口读出及擦除。整个系统通过外部的额定电压为8V的锂电池供电，锂电池电源通过电源接口(J30J-15P)接到导航计算机模块5中的电源模块，在电源模块中首先进行浪涌和稳压处理，然后进行降压处理，从8V降到5V、3.3V，然后对降压后的电源进行滤波处理，并将滤波后电源供给系统的各个模块，电压波纹控制在50mv以内。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微小型位置姿态测量系统，包括GNSS模块、A/D转换模块、导航计算机模块、FLASH存储模块，其特征在于：还包括三轴MIMU及三轴磁强计；

所述三轴磁强计与A/D转换模块相连，所述GNSS模块、A/D转换模块、FLASH存储模块、三轴MIMU分别与导航计算机模块相连；

所述三轴MIMU具有三个敏感轴，用于测量并输出三个轴向的比力与角速度；所述A/D转换模块用于将三轴磁强计输出的磁强信号转换为数字信号；所述GNSS模块用于通过天线接收卫星信号并解算出位置、速度和姿态信息；所述导航计算机模块用于接收并处理三轴MIMU的输出数据、A/D转换模块的输出数据和GNSS模块的输出数据，并通过初始对准和组合导航解算输出高精度的速度、位置和姿态信息；所述FLASH存储模块用于存储数据并通过USB接口读出及擦除数据；

所述导航计算机模块采用以ARM嵌入式微处理器为核心的陶瓷电路板，此导航计算机模块同时作为支撑基座设置在GNSS模块下方，且此导航计算机模块与GNSS模块之间采用连接支撑件相互支撑固定；所述三轴MIMU、三轴磁强计、A/D转换模块及FLASH存储模块均嵌入在导航计算机模块上表面的右侧区域，所述GNSS模块处于导航计算机模块上表面上方的左侧区域；GNSS模块的下表面还设有排针孔座及两个天线接口，GNSS模块通过所述排针孔座与导航计算机模块相连，所述导航计算机模块上与所述天线接口相对应位置处设有天线安装孔；

所述陶瓷电路板在实现其基本电气功能的同时还用于实现对三轴MIMU的连接固定，为三轴MIMU提供高精度的基准面；

所述三轴MIMU的最右侧端面与导航计算机模块的右端面平齐，三轴MIMU的最左侧端面与GNSS模块的最右侧端面齐平，三轴MIMU的最顶部端面与GNSS模块的最顶部端面齐平；

所述天线接口设置在GNSS模块下表面靠近端侧的部位，对应的天线安装孔设置在导航计算机模块的相应端侧，且为端侧开口的方形槽。

2.根据权利要求1所述的一种微小型位置姿态测量系统，其特征在于：所述连接支撑件由六角铜柱和螺钉组成并分别设置在所述GNSS模块的四角位置处。

Images