CN110836669A - Gnss/mimu/气压高度计的组合导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统及方法。该系统包括微处理器、大气压强传感器和GNSS/MIMU组合导航系统，其中GNSS/MIMU组合导航系统包括GNSS接收机、微惯导和上位机。首先大气压强传感器采集当前环境的气压和温度值，得到模拟的气压信号和温度信号，并经模数转换、过滤及校正处理后，得到校正的数字气压信号及温度信号；然后微处理器接收校正的数字温度信号及气压信号后，根据预设的海拔高度算法进行计算，得到海拔高度，并根据需要进行补偿；最后将计算得到的海拔高度推送给GNSS/MIMU组合导航系统，进行组合导航。本发明具有精度高、成本低、体积小、易嵌入且便于携带的优点。

Description

GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统及方法
技术领域
本发明涉及组合导航技术领域，特别是一种GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统及方法。
背景技术
GNSS/MIMU组合导航系统尤其是低成本的GNSS/MIMU组合导航系统作为导航领域的一个重要组成部分，已经成为国际上的一个研究热点。将GNSS与惯性导航组合成一个系统的主要目的就是为了提高导航的精度和可靠性，这种组合的方式，克服了各自的缺点，取长补短，使综合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度，实现了在强干扰的复杂环境下实时、高精度的导航定位，是一种比较完善的导航系统。然而地球对于导航卫星电磁波信号来说是不透明的，因此高程精度因子VDOP值通常总大于水平位置精度因子HDOP，这就导致了GNSS接收机在竖直方向上的定位结果没有水平方向理想，也直接影响到GNSS/MIMU组合导航系统的测量精度。
气压即大气压强的简称，是作用在单位面积上的大气压力，等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。气压大小与高度、温度等条件有关，一般随着海拔的升高逐步降低，气压高度计就是根据此原理制成的。目前的应用场合中，机械式气压计所占比重较大，而基于气压计的组合导航系统虽然多用数字式气压计，但是在无人机等应用中仍然作为一个单独的模块和GNSS接收机、MIMU等配合使用，存在体积大、功耗较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、体积小、功耗低的GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统，其特征在于，包括微处理器、大气压强传感器和GNSS/MIMU组合导航系统，其中GNSS/MIMU组合导航系统包括GNSS接收机、微惯导和上位机；
所述大气压强传感器，与微处理器连接，用于采集当前气压及当前温度值，得到模拟的气压信号和温度信号，对所得信号进行模数转换及滤波处理，得到滤波后的数字气压采集信号及数字温度采集信号，并对过滤后的数字气压采集信号及数字温度采集信号进行补偿和校正；
所述微处理器，用于接收大气压强传感器校正后的数字温度采集信号及数字气压采集信号，并根据预设的海拔高度算法对所接收到的校正后的数字气压采集信号进行计算得到海拔高度，再进行误差补偿之后，将计算得到的海拔高度数据传送至GNSS/MIMU组合导航系统；
所述GNSS/MIMU组合导航系统，使用GNSS接收机接收初始高度值，发送至微处理器进行处理之后输出至上位机监控系统，微惯导向GNSS/MIMU组合导航系统提供偏航角、俯仰角和横滚角三维姿态，以及速度和位置信息，微处理器则提供由大气压强转换而来的高度值。
进一步地，所述的大气压强传感器，包括依序连接的采样单元、模数转换器、控制单元和外部接口电路；
所述采样单元，用于实时采集当前气压和当前温度，形成模拟的气压信号和温度信号；
所述模数转换器，用于对模拟的气压信号和温度信号进行模数转换，得到数字气压信号和温度信号；
所述控制单元，用于对数字气压信号和温度信号进行滤波和补偿，得到校正后的数字气压信号和温度信号；
所述接口电路，用于控制单元和微处理器之间进行通信。
进一步地，所述气压传感器采用型号为BMP280的气压传感器。
进一步地，所述微处理器采用型号为STM32F103ZET6的单片机。
进一步地，所述上位机为搭载监控软件的计算机，用于实时查看组合导航系统的输出信息。
一种GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航方法，步骤如下：
首先，大气压强传感器的采样单元采集当前环境的气压和温度值，得到模拟的气压信号和温度信号，并经模数转换、过滤及校正处理后，得到校正的数字气压信号及温度信号；
然后，微处理器接收校正的数字温度信号及气压信号后，根据预设的海拔高度算法进行计算，得到海拔高度，如果GNSS接收机安放位置和气压传感器不在同一水平面，两者之间便会产生一个高度差，根据该高度差进行补偿；
最后，将计算得到的海拔高度推送给GNSS/MIMU组合导航系统，进行组合导航；组合导航系统为载体提供偏航角、俯仰角和横滚角的姿态信息，东速、北速和天速的速度信息，以及纬度、经度和高度的位置信息。
进一步地，所述根据预设的海拔高度算法进行计算，得到海拔高度，具体公式为：
其中，H为待求海拔高度，PH为该高度的大气压力，空气专用气体常数R＝287.05287m2/(K·s2)，自由落体重力加速度gn＝9.80665(m/s2)，温度垂直变化率为β；Tb、Hb、Pb分别为国际标准大气采用的高度分层中相应层的大气温度、标准气压高度和大气压力的下限值。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)大气压强传感器、微控制器及GNSS/MIMU组合导航系统均采用模块化结构设计，使得整个组合系统具有体积小便于携带、成本低、易插拔的优点；(2)气压传感器具有滤波、校正的功能，提高了微处理器获取及处理的数据的精度，从而提高了最终定位的精度。
附图说明
图1为本发明GNSS/MIMU/气压高度计组合导航系统的原理框图。
图2为本发明GNSS/MIMU/气压高度计组合导航系统的结构示意图。
具体实施方式
结合图1～2，本发明GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统，其特征在于，包括微处理器、大气压强传感器和GNSS/MIMU组合导航系统，其中GNSS/MIMU组合导航系统包括GNSS接收机、微惯导和上位机；
所述大气压强传感器，与微处理器连接，用于采集当前气压及当前温度值，得到模拟的气压信号和温度信号，对所得信号进行模数转换及滤波处理，得到滤波后的数字气压采集信号及数字温度采集信号，并对过滤后的数字气压采集信号及数字温度采集信号进行补偿和校正；
所述微处理器，用于接收大气压强传感器校正后的数字温度采集信号及数字气压采集信号，并根据预设的海拔高度算法对所接收到的校正后的数字气压采集信号进行计算得到海拔高度，再进行误差补偿之后，将计算得到的海拔高度数据传送至GNSS/MIMU组合导航系统；
所述GNSS/MIMU组合导航系统，使用GNSS接收机接收初始高度值，发送至微处理器进行处理之后输出至上位机监控系统，微惯导向GNSS/MIMU组合导航系统提供偏航角、俯仰角和横滚角三维姿态，以及速度和位置信息，微处理器则提供由大气压强转换而来的高度值。
作为一种具体实施例，所述的大气压强传感器，包括依序连接的采样单元、模数转换器、控制单元和外部接口电路；
所述采样单元，用于实时采集当前气压和当前温度，形成模拟的气压信号和温度信号；
所述模数转换器，用于对模拟的气压信号和温度信号进行模数转换，得到数字气压信号和温度信号；
所述控制单元，用于对数字气压信号和温度信号进行滤波和补偿，得到校正后的数字气压信号和温度信号；
所述接口电路，用于控制单元和微处理器之间进行通信。
作为一种具体实施例，所述气压传感器采用型号为BMP280的气压传感器。
作为一种具体实施例，所述微处理器采用型号为STM32F103ZET6的单片机。
作为一种具体实施例，所述上位机为搭载监控软件的计算机，用于实时查看组合导航系统的输出信息。
一种GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航方法，步骤如下：
首先，大气压强传感器的采样单元采集当前环境的气压和温度值，得到模拟的气压信号和温度信号，并经模数转换、过滤及校正处理后，得到校正的数字气压信号及温度信号；
然后，微处理器接收校正的数字温度信号及气压信号后，根据预设的海拔高度算法进行计算，得到海拔高度，如果GNSS接收机安放位置和气压传感器不在同一水平面，两者之间便会产生一个高度差，为了避免此高度差对输出精度造成影响还需要对输出进行补偿。
最后，将计算得到的海拔高度推送给GNSS/MIMU组合导航系统，进行组合导航。此时组合导航系统便可为载体提供偏航角、俯仰角和横滚角的姿态信息，东速、北速和天速的速度信息以及更准确的纬度、经度和高度的位置信息。
作为一种具体实施例，所述根据预设的海拔高度算法进行计算，得到海拔高度，公式为：
Figure BDA0002248314160000051
其中，H为待求海拔高度，PH为该高度的大气压力，空气专用气体常数R＝287.05287m2/(K·s2)，自由落体重力加速度gn＝9.80665(m/s2)，温度垂直变化率为β；Tb、Hb、Pb分别为国际标准大气采用的高度分层中相应层的大气温度、标准气压高度和大气压力的下限值。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
实施例
如图1和图2所示，本发明一种GNSS/MIMU/气压高度计组合导航系统，包括微处理器、大气压强传感器和GNSS/MIMU组合导航系统，其中GNSS/MIMU组合导航系统包括GNSS接收机、微惯导和上位机；
所述大气压强传感器，与微处理器连接，用于采集当前气压及当前温度值，得到模拟的气压信号和温度信号，对其进行模数转换及滤波处理，得到滤波后的数字气压采集信号及数字温度采集信号，并对过滤后的数字气压采集信号及数字温度采集信号进行补偿和校正；
所述微处理器，用于接收大气压强传感器校正后的数字温度采集信号及数字气压采集信号，并根据预设的海拔高度算法对所接收到的校正后的数字气压采集信号进行计算得到海拔高度，再进行误差补偿之后，将计算得到的海拔高度数据传送至GNSS/MIMU组合导航系统；
所述GNSS/MIMU组合导航系统，使用GNSS接收机接收初始高度值，发送至微处理器进行处理之后输出至上位机监控系统，微处理器输出的高度值即为GNSS/MIMU组合导航系统输出的高度值。
进一步地，所述的大气压强传感器，包括依序连接的采样单元、模数转换器、控制单元和外部接口电路；所述采样单元，用于实时采集当前气压和当前温度，形成模拟的气压信号和温度信号；所述模数转换器，用于对模拟的气压信号和温度信号进行模数转换，得到数字气压信号和温度信号；所述控制单元，用于对数字气压信号和温度信号进行滤波和补偿，得到校正后的数字气压信号和温度信号；所述接口电路，用于控制单元和微处理器之间进行通信。
进一步地，所述气压传感器采用博世Bosch公司生产的BMP280的气压传感器。
博世(Bosch)公司生产的型号为BMP280的大气压强传感器，采用博世压阻式压力传感器技术，具有高EMC鲁棒性、高精度、线性和长期稳定性，广泛的应用于增强型GPS导航、医疗保健等应用领域，其主要参数如下：
Figure BDA0002248314160000061
意法半导体(ST)公司生产的STM32F103ZET，为增强型32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器，最高工作频率72MHz，拥有多达112个快速I/O端口，11个定时器，13个通信接口，其中2个支持SMBus/PMBus的IIC接口，5个USART接口，3个SPI接口，CAN接口等。该芯片支持串行单线调试SWD和JTAG两种调试模式。
进一步地，所述微处理器中预设的海拔高度算法为：
Figure BDA0002248314160000062
其中，H为待求海拔高度，PH为该高度的大气压力，空气专用气体常数R＝287.05287m2/(K·s2)，自由落体重力加速度gn＝9.80665(m/s2)，温度垂直变化率为β；Tb、Hb、Pb分别为国际标准大气采用的高度分层中相应层的大气温度、标准气压高度和大气压力的下限值。
由于大气压强会随着海拔高度的变化而发生明显的变化，，根据这个原理预设的海拔高度算法可以通过采集到的气压和标准大气压强来获得本地的海拔。
所述上位机为搭载监控软件的计算机，用于实时查看组合导航系统的输出信息。
综上所述，本发明中大气压强传感器、微控制器及GNSS/MIMU组合导航系统均采用模块化结构设计，使得整个组合系统具有体积小便于携带、成本低、易插拔的优点。此外，气压传感器具有滤波、校正的功能，提高了微处理器获取及处理的数据的精度，从而提高了最终定位的精度。

Claims (7)

1.一种GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统，其特征在于，包括微处理器、大气压强传感器和GNSS/MIMU组合导航系统，其中GNSS/MIMU组合导航系统包括GNSS接收机、微惯导和上位机；
所述大气压强传感器，与微处理器连接，用于采集当前气压及当前温度值，得到模拟的气压信号和温度信号，对所得信号进行模数转换及滤波处理，得到滤波后的数字气压采集信号及数字温度采集信号，并对过滤后的数字气压采集信号及数字温度采集信号进行补偿和校正；
所述微处理器，用于接收大气压强传感器校正后的数字温度采集信号及数字气压采集信号，并根据预设的海拔高度算法对所接收到的校正后的数字气压采集信号进行计算得到海拔高度，再进行误差补偿之后，将计算得到的海拔高度数据传送至GNSS/MIMU组合导航系统；
所述GNSS/MIMU组合导航系统，使用GNSS接收机接收初始高度值，发送至微处理器进行处理之后输出至上位机监控系统，微惯导向GNSS/MIMU组合导航系统提供偏航角、俯仰角和横滚角三维姿态，以及速度和位置信息，微处理器则提供由大气压强转换而来的高度值。
2.根据权利要求1所述的GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统，其特征在于，所述的大气压强传感器，包括依序连接的采样单元、模数转换器、控制单元和外部接口电路；
所述采样单元，用于实时采集当前气压和当前温度，形成模拟的气压信号和温度信号；
所述模数转换器，用于对模拟的气压信号和温度信号进行模数转换，得到数字气压信号和温度信号；
所述控制单元，用于对数字气压信号和温度信号进行滤波和补偿，得到校正后的数字气压信号和温度信号；
所述接口电路，用于控制单元和微处理器之间进行通信。
3.根据权利要求1所述的GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统，其特征在于，所述气压传感器采用型号为BMP280的气压传感器。
4.根据权利要求1所述的GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统，其特征在于，所述微处理器采用型号为STM32F103ZET6的单片机。
5.根据权利要求1所述的GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航系统，其特征在于，所述上位机为搭载监控软件的计算机，用于实时查看组合导航系统的输出信息。
6.一种GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航方法，其特征在于，步骤如下：
首先，大气压强传感器的采样单元采集当前环境的气压和温度值，得到模拟的气压信号和温度信号，并经模数转换、过滤及校正处理后，得到校正的数字气压信号及温度信号；
然后，微处理器接收校正的数字温度信号及气压信号后，根据预设的海拔高度算法进行计算，得到海拔高度，如果GNSS接收机安放位置和气压传感器不在同一水平面，两者之间便会产生一个高度差，根据该高度差进行补偿；
最后，将计算得到的海拔高度推送给GNSS/MIMU组合导航系统，进行组合导航；组合导航系统为载体提供偏航角、俯仰角和横滚角的姿态信息，东速、北速和天速的速度信息，以及纬度、经度和高度的位置信息。
7.根据权利要求6所述的GNSS/MIMU/气压高度计的组合导航方法，其特征在于，所述根据预设的海拔高度算法进行计算，得到海拔高度，具体公式为：
Figure FDA0002248314150000021
其中，H为待求海拔高度，PH为该高度的大气压力，空气专用气体常数R＝287.05287m2/(K·s2)，自由落体重力加速度gn＝9.80665(m/s2)，温度垂直变化率为β；Tb、Hb、Pb分别为国际标准大气采用的高度分层中相应层的大气温度、标准气压高度和大气压力的下限值。
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