CN111006662A - 基于arinc429模拟器的自主导航与定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，所述ARINC429模拟器包括中央处理器、惯性导航系统、卫星导航定位系统和双电池可切换供电系统，所述惯性导航系统和卫星导航定位系统均与中央处理器通讯连接，所述双电池可切换供电系统与中央处理器电性连接；所述中央处理器采用Firefly‑RK3399开发板，集成了六核64位处理器RockchipRK3399，拥有4GBDDR3和16GeMMC，拥有USB3.0接口。本发明主要针对基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，通过ARINC429总线发送给卫星天线，给卫星天线提供寻星的参考数据；ARINC429模拟器实时显示载体的飞行数据，模拟飞机的惯性参考装置，产生记录，作为后续工作的依据，实现载体远距离自主导航与定位，完成实时模拟、仿真模拟、航线复刻三种模式的数据模拟功能。
Description
技术领域
本发明涉及自主导航与定位系统技术领域，具体为基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统。
背景技术
随着科学技术的发展，目前已有各种适用于飞机的导航系统，它们各自都有其优点和特色，但也有固有的不足之处，惯性导航系统具有自主性和输出多种较高精度的导航参数，如位置、速度、航向和姿态等，但其误差随时间累积而增大；无线电定位系统的定位精度不受使用时间的影响，但它的输出信息主要是载体，对精确导航来讲，定位精度也不够高，且工作范围受地面台覆盖区域的限制；多普勒导航系统与惯导系统一样，同属航位推算类，从得到的信息去推算位置，误差也是随时间而累积的，且多普勒系统必须采用外部航向信号，除非采用惯导系统输出的较高精度的航向信息，否则飞机上其他航向设备的航向误差一般不能保证小于0.5°～1°，即使不考虑地速测量误差，航向误差就使定位误差大于航程的1％～2％；GPS全球定位系统，定位和测速精度高，几十米以内的定位精度以及基本上不受时间，地区的限制的特点，使得GPS在飞机导航系统中属于佼佼者，但是，飞机的飞行动作，以及不能保证100％无故障率的空间卫星结构，总要影响GPS接收机对GPS信号的接收，且GPS接收机输出信号的更新频率一般等于1～2Hz，有时不能满足飞机飞行控制对导航信号更新频率的要求，致使在飞机上单独使用GPS接收机的方案受到限制，不能满足精确地远距离自主导航与定位。
发明内容
本发明的目的在于提供基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，所述ARINC429模拟器包括中央处理器、惯性导航系统、卫星导航定位系统和双电池可切换供电系统，所述惯性导航系统和卫星导航定位系统均与中央处理器通讯连接，所述双电池可切换供电系统与中央处理器电性连接；所述中央处理器采用Firefly-RK3399开发板，集成了六核64 位处理器RockchipRK3399，拥有4GBDDR3和16GeMMC，拥有USB3.0接口；所述惯性导航系统：集成了3轴加速度、3轴陀螺仪和3轴磁力计的9轴轴运动跟踪与气压计装置；卫星导航定位系统：采用MC20E为核心器件，集成LCC 封装、四频段GSM/GPRS和先进算法GNSS引擎于一体的全功能通信模块；双电池系统是集开关与逻辑控制于一体，无需外加控制器，实现双电池组和输入电源的自动转换。
优选的，所述中央处理器设置DP1.2、PCIeM.2、Type-C、USB3.0等数据传输和显示接口；所述PCIeM.2为Bkey，用于高速Wi-Fi和SSD存储设备扩展，并支持9类扩展接口。
优选的，所述陀螺仪是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与载体之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态，同时测定上、下、左、右、前、后6个方向，最终可判断出载体的移动轨迹和加速度；所述加速度计是感知任意方向上加速度，通过测量载体在某个轴向的受力情况，计算出轴向的加速度大小和方向；磁力计是测试磁场强度和方向，定位载体的方向与东南西北方向上的夹角。
优选的，所述MC20E模块支持GNSS技术，GNSS技术集成了EPOTM、秒定技术，能够实现快速首次定位，由于支持北斗、GPS、QZSS多星座卫星系统解调算法。
优选的，所述惯性导航系统可自主确定出载体的航向、位置、姿态、和速度等导航参数。
优选的，所述双电池系统配备通信接口，使用微控制器进行实时监测电池的工作状态。
优选的，所述惯性导航系统和卫星导航定位系统可实现远距离自主导航与定位，完成实时模拟、仿真模拟、航线复刻三种模式的数据模拟功能。
优选的，所述航线复刻对收集到的历史航线数据进行分析复盘；所述仿真模拟对目的装置上的设备发送的数据进行模拟操作；所述实时模拟可以利用设备上的传感器数据采集系统，实时模拟惯导系统，输出惯导数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：ARINC429总线模拟器是一种机载惯性参考装置模拟器，以惯性导航系统为主，结合卫星导航定位系统，将能达到取长补短，综合发挥两种导航系统特点的目的，并能提高导航信息精度，更好地满足飞机对导航系统的要求；ARINC429模拟器以固定在汽车、飞机等方式，通过自身传感器获取线加速度、角加速度、高度、GNSS位置等基础信息，计算出模拟环境的线速度、角速度、位置、姿态等信息，通过ARINC429 总线发送给卫星天线，给卫星天线提供寻星的参考数据；ARINC429模拟器实时显示载体的飞行数据，模拟飞机的惯性参考装置，产生记录，作为后续工作的依据，实现载体远距离自主导航与定位，完成实时模拟、仿真模拟、航线复刻三种模式的数据模拟功能。
附图说明
图1为本发明的ARINC429模拟器系统整体框图；
图2为本发明的ARINC429模拟器实施连接示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，本发明提供一种技术方案：基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，机械结构上包括：专业用塑料箱体、内置金属框架和独立电池仓，外置惯性导航功能模块、GPS天线和充电器装置；塑料箱体采用高抗冲击的高分子聚合材料一体注塑成型，具有高强度、高抗冲击、密封防水、防潮、防尘、内附特硬方格海绵，可实现低湿保存；ARINC429模拟器是一种机载惯性参考装置模拟器，实现飞机远距离自主导航与定位，完成实时模拟、仿真模拟、航线复刻三种模式的数据模拟功能，是飞机模拟航线运行的试飞基础，在雨天、夜航等环境适应性模拟航线运行专项试飞，仪表飞行规则和目视飞行规则下的白天和夜间起降，并对空调、自动飞行、通讯、电源、导航、起落架等多个机载系统进行使用循环操作，检查各系统功能实现情况，以确保飞机以及零件、设备在交付后的运行中功能正常且安全可靠； ARINC429模拟器设计系统的硬件结构，主要包括中央处理器、惯性导航系统、卫星导航定位系统和双电池可切换供电系统；中央处理器采用 Firefly-RK3399开发板，集成了六核64位“服务器级”处理器 RockchipRK3399，拥有4GBDDR3和16GeMMC，拥有USB3.0接口，数据传输带宽高达5.0Gbps，是USB2.0的10倍，完全满足绝大部分高数据量传输的应用场合，支持2.4GHz/5GHz双频ACWiFi，Bluetooth4.1和千兆以太网；新增 DP1.2、PCIeM.2、Type-C、USB3.0等数据传输和显示接口，配置和性能都得到极大的提升；PCIeM.2为Bkey，可用于高速Wi-Fi和SSD存储设备扩展，并支持多达9类扩展接口(PCIex2、SATA、USB2.0、USB3.0、HSIC、SSIC、 Audio、UIM、I2C)，具有强大的扩展性；而Mini-PCIe为LTE模块专用接口，配合板载的SIM卡座，轻松实现IOT物联网产品应用；惯性导航系统集成了3 轴加速度、3轴陀螺仪和3轴磁力计的9轴轴运动跟踪与气压计装置，自主地确定出载体的航向、位置、姿态、和速度等导航参数，具有隐蔽性好，全天候工作能力，导航信息连续性好，噪音低，数据更新率高，短期精度和稳定性好等独特优点；陀螺仪是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与载体之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态，同时测定上、下、左、右、前、后等6个方向，最终可判断出载体的移动轨迹和加速度；加速度计是感知任意方向上加速度，通过测量载体在某个轴向的受力情况，计算出轴向的加速度大小和方向；磁力计是测试磁场强度和方向，定位载体的方向与东南西北方向上的夹角；卫星导航定位系统采用MC20E为核心器件，它是一款集成LCC封装、四频段GSM/GPRS和先进算法GNSS引擎于一体的全功能通信模块，具有超小体积、低功耗、双卡单待等优势，MC20E不仅内嵌丰富的网络协议(如TCP、UDP、PPP、FTP、HTTP以及 SSL*)，还集成了多星座卫星系统(如北斗、GPS、QZSS)，因此能提供无线移动通信以及精准的导航定位功能；除具备GSM/GPRS无线通信功能外，MC20E 模块还支持先进的GNSS技术，它集成了EPOTM(用户无需自设服务器，直接从 MTK服务器获取EPO数据)、秒定等技术，能够实现快速首次定位，由于支持北斗、GPS、QZSS等多星座卫星系统解调算法，其定位更加精准，抗多路径干扰能力更强，比传统GPS模块具有更多优势，以上惯性导航和卫星导航定位系统完美实现了飞机远距离自主导航与定位，完成实时模拟、仿真模拟、航线复刻三种模式的数据模拟功能；双电池系统是集开关与逻辑控制于一体，无需外加控制器，真正实现双电池组和输入电源的自动转换，不仅降低功率损耗、提高切换速度，同时配备通信接口，使用微控制器进行实时监测电池的工作状态，具有切换时间短、工作可靠、效率高；将电池A111或电池B112 接入429模拟器主机114上，以提供设备整体供电用；GPS天线116接入惯性导航功能模块115上，通过自身传感器获取线加速度、角加速度、高度、GNSS 位置等基础信息，计算出模拟环境的线速度、角速度、位置、姿态等信息，通过ARINC429总线发送给卫星天线，给卫星天线提供寻星的参考数据，将这部分接入429模拟器主机114上，实现数据的上传、整合和处理转发，实时显示载体的飞行数据，模拟飞机的惯性参考装置，产生记录，作为后续工作的依据，实现载体远距离自主导航与定位，完成实时模拟、仿真模拟、航线复刻三种模式的数据模拟功能，其中，429模拟器主机面板示意图如图2，101 为LG7.85寸显示屏，显示内容包括CPU温度、系统时间、电池电量、惯导世界坐标系数据、惯导飞机坐标系数据、飞机GNSS数据以及3D视图显示飞机姿态等信息。
本发明主要针对基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，ARINC429 总线模拟器是一种机载惯性参考装置模拟器，以惯性导航系统为主，结合卫星导航定位系统，将能达到取长补短，综合发挥两种导航系统特点的目的，并能提高导航信息精度，更好地满足飞机对导航系统的要求；ARINC429模拟器以固定在汽车、飞机等方式，通过自身传感器获取线加速度、角加速度、高度、GNSS位置等基础信息，计算出模拟环境的线速度、角速度、位置、姿态等信息，通过ARINC429总线发送给卫星天线，给卫星天线提供寻星的参考数据；ARINC429模拟器实时显示载体的飞行数据，模拟飞机的惯性参考装置，产生记录，作为后续工作的依据，实现载体远距离自主导航与定位，完成实时模拟、仿真模拟、航线复刻三种模式的数据模拟功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，其特征在于，所述ARINC429模拟器包括中央处理器、惯性导航系统、卫星导航定位系统和双电池可切换供电系统，所述惯性导航系统和卫星导航定位系统均与中央处理器通讯连接，所述双电池可切换供电系统与中央处理器电性连接；所述中央处理器采用Firefly-RK3399开发板，集成了六核64位处理器RockchipRK3399，拥有4GBDDR3和16GeMMC，拥有USB3.0接口；所述惯性导航系统：集成了3轴加速度、3轴陀螺仪和3轴磁力计的9轴轴运动跟踪与气压计装置；卫星导航定位系统：采用MC20E为核心器件，集成LCC封装、四频段GSM/GPRS和先进算法GNSS引擎于一体的全功能通信模块；双电池系统是集开关与逻辑控制于一体，无需外加控制器，实现双电池组和输入电源的自动转换。
2.根据权利要求1的基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，其特征在于：所述中央处理器设置DP1.2、PCIeM.2、Type-C、USB3.0数据传输和显示接口；所述PCIeM.2为Bkey，用于高速Wi-Fi和SSD存储设备扩展，并支持9类扩展接口。
3.根据权利要求1的基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，其特征在于：所述陀螺仪是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与载体之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态，同时测定上、下、左、右、前、后6个方向，最终可判断出载体的移动轨迹和加速度；所述加速度计是感知任意方向上加速度，通过测量载体在某个轴向的受力情况，计算出轴向的加速度大小和方向；磁力计是测试磁场强度和方向，定位载体的方向与东南西北方向上的夹角。
4.根据权利要求1的基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，其特征在于：所述MC20E模块支持GNSS技术，GNSS技术集成了EPOTM、秒定技术，能够实现快速首次定位，由于支持北斗、GPS、QZSS多星座卫星系统解调算法。
5.根据权利要求1的基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，其特征在于：所述惯性导航系统可自主确定出载体的航向、位置、姿态、和速度导航参数。
6.根据权利要求1的基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，其特征在于：所述双电池系统配备通信接口，使用微控制器进行实时监测电池的工作状态。
7.根据权利要求1的基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，其特征在于：所述惯性导航系统和卫星导航定位系统可实现远距离自主导航与定位，完成实时模拟、仿真模拟、航线复刻三种模式的数据模拟功能。
8.根据权利要求1的基于ARINC429模拟器的自主导航与定位系统，其特征在于：所述航线复刻对收集到的历史航线数据进行分析复盘；所述仿真模拟对目的装置上的设备发送的数据进行模拟操作；所述实时模拟可以利用设备上的传感器数据采集系统，实时模拟惯导系统，输出惯导数据。
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