CN109282812B - 一种mimu/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置，包括旋转机构模块，BDS模块，MIMU模块，主控导航模块。旋转机构模块由一个单轴电机、编码器与支架组成，支架在电机的控制下作正反180°连续旋转，编码器输出旋转角度数据；BDS模块包括两个北斗天线和BDS板卡；两个北斗天线被安装在由电机带动做正反180°连续旋转的支架上，BDS板卡输出两个天线几何中心的位置、速度、星历数据和载波相位等原始数据信息；MIMU模块放置在所述定位定向装置的底座上；所述主控导航模块由FPGA和DSP组成。本发明所述装置通过短基线双天线和旋转机构正反180°旋转，无需计算整周模糊度就可得到航向角，实现定位定向。本发明所述装置具有尺寸小、成本低、精度高的优点。

Description

一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置
技术领域
本发明涉及利用北斗卫星导航系统、MIMU和旋转机构实现组合导航系统，特别是涉及一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置。
背景技术
随着我国无人艇、无人机和无人运载器的广泛应用，小型定位定向装置需求非常迫切。北斗卫星导航系统与微惯性测量单元组合是一个很好定位定向系统。目前GNSS双天线定向装置在整周模糊度未知情况下是无法得到航向角的，当遇到短时间信号失锁，装置就无法定向，而且实时性较差。为了解决这些问题，本发明提出了一种定位定向装置，它无需事先知道整周模糊度就可以确定航向角，而且实时性好，精度高、抗干扰能力强。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种尺寸小、成本低、精度高的MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置，包括旋转机构模块，BDS模块， MIMU模块以及主控导航模块；所述的旋转机构模块由一个单轴电机、编码器与支架组成，支架在电机的控制下做正反180°连续旋转，编码器输出旋转角度数据；所述BDS模块包括两个北斗天线和BDS板卡；所述两个北斗天线设置在支架上，所述BDS板卡输出两个天线几何中心的位置、速度、星历数据和载波相位原始数据信息；所述MIMU模块包括三个单轴微加速度计、三个单轴微陀螺仪，输出三个单轴加速度计和三个单轴陀螺仪的数据，所述MIMU模块放置在所述定位定向装置的底座上；所述主控导航模块由FPGA和DSP组成，FPGA通过串口接收所述BDS板卡、MIMU模块和旋转机构模块的数据，经EMIFA接口与DSP交互，FPGA实现去抖动，消除电机转动误差等功能，确保角度值的精确，所述DSP用SYSBIOS实时操作系统控制各线程同步进行保证实时性，DSP执行定位定向组合导航算法，得到所述定位定向装置的位置、速度、姿态和航向信息，解算结果传至上位机存贮、显示和监控。
作为本发明的优选，所述旋转机构以恒定速度带动两个北斗天线作正反旋转180°，编码器通过串口将转动角度传入主控导航模块。
作为本发明的优选，所述BDS模块中的两个北斗天线通过导线与BDS板卡连接，BDS板卡通过串口与主控导航模块连接，发送接收到的北斗导航卫星数据信息至主控导航模块。
作为本发明的优选，所述的两个北斗天线之间基线长小于0.4米。
作为本发明的优选，所述的两个北斗天线对称分布在所述的支架上。
作为本发明的优选，所述的FPGA采用EP3C25E144C8N型号，DSP采用TMS320C6000系列型号。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明采用正反旋转北斗双天线，能够得到高精度的航向角，并且所述装置可靠性高，抗干扰能力强。
（2）本发明采用旋转北斗短基线双天线，两个北斗天线相距很短，基线长小于0.4米，所述装置体积小，电机的功耗低。
(3) 本发明中所述MIMU模块相对底座静止，不随天线旋转，能够得到高精度的俯仰角和横滚角。
附图说明
图1 为本发明的硬件装置示意图；
图2 为本发明的系统结构框图；
图3 为本发明的FPGA内部模块图；
图4为本发明的主控中EMIFA接口图；
图5 为本发明的导航算法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步地说明。
如图1所示，为本发明的一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置的硬件示意图，包括旋转机构模块，BDS模块， MIMU模块7以及主控导航模块6。所述的旋转机构模块由一个单轴电机4、编码器8与支架3组成，支架3在电机的控制下做正反180°连续旋转，编码器8输出旋转角度数据。
所述BDS模块包括两个北斗天线和BDS板卡9；两个北斗天线分别为主天线1和次天线2，其对称地分布在支架3上，主天线1和次天线2之间相距很短，基线长小于0.4米。所述BDS板卡9输出两个天线几何中心的位置、速度、星历数据和载波相位等原始数据信息至主控导航模块6。
所述MIMU模块7包括三个单轴微加速度计、三个单轴微陀螺仪，输出三个单轴加速度计和三个单轴陀螺仪的数据，所述MIMU模块7放置在所述定位定向装置的底座5上；所述主控导航模块6由FPGA和DSP组成，FPGA通过串口接收所述BDS板卡、MIMU模块和旋转机构模块的数据，经EMIFA接口与DSP交互，FPGA实现去抖动，消除电机转动误差等功能，确保角度值的精确，所述DSP用SYSBIOS实时操作系统控制各线程同步进行保证实时性，DSP执行定位定向组合导航算法，得到所述定位定向装置的位置、速度、姿态和航向信息，解算结果传至上位机存贮、显示和监控。
如图2所示，为本发明的系统结构框图， BDS板卡OEM615把两个北斗天线接收到的信息和报文发送给FPGA，本实施例中的MIMU型号为STIM300， MIMU通过串口RS422将加速度和角速度信息发送给FPGA，旋转机构将旋转角度值通过串口发送给FPGA；本实施例中的FPGA型号是EP3C25E144C8N；FPGA通过EMIFA接口将经过预处理的原始数据发送给DSP， DSP采用TMS320C6000系列型号。
如图3所示，为本发明的FPGA内部模块图，本实施例中的FPGA包含以下模块：串口收发模块、旋转机构角度数据采集模块、MIMU数据解析模块、卫星报文解析模块和同步受时模块。串口收发模块用于接收指定波特率的数据；旋转机构角度数据采集模块用于提供电机旋转角度；MIMU数据解析模块用于校验每帧加速度计和陀螺仪数据的正确性，并要求做到和旋转机构角度数据组成新的数据帧传出，以此完成数据的时间同步性；卫星报文解析模块用于数据的预提取和分割，减轻DSP解码原始数据的负担，使其更快进行导航解算；同步授时模块用于将三路数据进行时间对齐，保证三路数据的同时性。
如图4所示，为本发明的主控中EMIFA接口图，其主控导航模块由FPGA+DSP构成，TMS320C6000系列DSP有EMIFA外设接口，可以完成与FPGA进行数据通信功能。FPGA利用EMIFA的读写数据时序原理，编写控制模块，把相应数据存入对应FIFO模块，供DSP进行数据读取。
如图5所示，本实施例中的DSP导航算法流程为：上电后接收完预处理数据后，计算初始水平姿态角和航向角，执行捷联惯导算法程序，判定是否能执行组合导航算法，若无北斗卫星信号，给出捷联导航结果，若有北斗卫星信号，执行组合导航算法，利用扩展卡尔曼滤波获得最优状态估计给出导航结果，并把结果传至上位机存贮、显示和监控。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：包括旋转机构模块，BDS模块， MIMU模块以及主控导航模块；所述的旋转机构模块由一个单轴电机、编码器与支架组成，支架在电机的控制下做正反180°连续旋转，编码器输出旋转角度数据；所述BDS模块包括两个北斗天线和BDS板卡；所述两个北斗天线设置在支架上，所述BDS板卡输出两个天线几何中心的位置、速度、星历数据和载波相位原始数据信息；所述MIMU模块包括三个单轴微加速度计、三个单轴微陀螺仪，输出三个单轴加速度计和三个单轴陀螺仪的数据，所述MIMU模块放置在所述定位定向装置的底座上；所述主控导航模块由FPGA和DSP组成，FPGA通过串口接收所述BDS板卡、MIMU模块和旋转机构模块的数据，经EMIFA接口与DSP交互；其中旋转机构角度数据采集模块用于提供电机旋转角度；MIMU数据解析模块用于校验每帧加速度计和陀螺仪数据的正确性，并要求做到和旋转机构角度数据组成新的数据帧传出，以此完成数据的时间同步性；
其中所述DSP导航算法流程为上电后接收完预处理数据后，计算初始水平姿态角和航向角，执行捷联惯导算法程序，判定是否能执行组合导航算法，若无北斗卫星信号，给出捷联导航结果，若有北斗卫星信号，执行组合导航算法，利用扩展卡尔曼滤波获得最优状态估计给出导航结果，并把结果传至上位机存贮、显示和监控。
2.如权利要求1所述的一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述旋转机构以恒定速度带动两个北斗天线作正反旋转180°，编码器通过串口将转动角度传入主控导航模块。
3.如权利要求1所述的一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述BDS模块中的两个北斗天线通过导线与BDS板卡连接，BDS板卡通过串口与主控导航模块连接，发送接收到的北斗导航卫星数据信息至主控导航模块。
4.如权利要求1所述的一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述的两个北斗天线之间基线长小于0.4米。
5.如权利要求1所述的一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述的两个北斗天线对称分布在所述的支架上。
6.如权利要求1所述的一种MIMU/旋转北斗短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述的FPGA采用EP3C25E144C8N型号，DSP采用TMS320C6000系列型号。
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