CN111781626A - 多功能导航系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及导航领域，提供一种多功能导航系统，包括：处理层，所述处理层包括导航计算机，所述导航计算机包括SOC芯片和FPGA；所述FPGA至少用于采集并处理陀螺、加速度计、外部传感器和其他系统外部设备的信号并传输给SOC芯片；所述SOC芯片至少用于利用陀螺和加速度计的测量数据进行惯性导航解算，并根据惯性导航解算结果、外部传感器和其他系统外部设备的测量数据进行最优估计并输出结果。本发明的多功能导航系统通过FPGA和SOC芯片高速交换陀螺、加速度计和传感器数据，提升导航解算的效率。

Description

多功能导航系统与方法

技术领域

本发明涉及导航领域，具体涉及一种多功能导航系统及多功能导航的方法。

背景技术

组合导航是近代导航理论和技术发展的结果。每种单一导航系统都有各自的独特性能和局限性。把几种不同的单一系统组合在一起，就能利用多种信息源相互补充，构成一种有多余度和导航准确度更高的多功能系统。

惯性导航能够提供比较多的导航参数，还能够提供全姿态信息参数，这是其他导航系统所不能比拟的。此外，惯性导航系统不受外界干扰，隐蔽性好，这也是其独特的优点。

但是，受自身惯性器件误差漂移的影响，惯性导航系统有着无法克服的缺点，导航误差随时间累积。因此，实际的导航系统常以惯性导航系统为主导航系统，辅以其他如天文导航、卫星导航、无线电导航、地形匹配辅助/视觉导航等导航手段，通过组合导航技术进行优势互补，提高导航系统整体性能。

民航、海上、陆地和水下行业中都会应用到组合导航系统，不同行业需求使导航系统组合不同，如：机载组合导航采用惯性导航(INS)、卫星导航(GNSS)和高度计等组合；车载组合导航采用惯性导航(INS)、卫星导航(GNSS)和里程计(ODO)等组合；船载组合导航采用惯性导航(INS)、卫星导航(GNSS)和测速仪(DVL)等组合；水下组合导航采用惯性导航(INS)、测速仪(DVL)、深度计和基线系统(BL)等组合。

在不同类型的行业应用中，由于惯性导航系统中使用的陀螺类型(包括激光陀螺、光纤陀螺、MEMS陀螺)不一样，输出的信号不相同，会导致不同的惯性导航系统通常采用不同的电路结构，降低系统的通用性、提高研发和生产成本；其次，由于传感器和组合导航模型不一样，现有技术方案通常采用不同的组合导航系统，需要采用不同的系统、模型、硬件和软件，明显提高系统成本和应用难度。

此外，组合导航系统需要处理大量的传感器数据，如果采集信号不及时、信号处理效率低，则会影响导航数据的可靠性。

因此，亟需开发一种多功能导航系统，能够同时应用到民航、海上、陆地和水下等不同行业中，并且能够及时采集并快速处理不同类型接口的传感器数据。

发明内容

为了达到不同行业均能够使用同一个组合导航系统，并提升不同类型接口的传感器数据的采集和处理效率，本发明提供一种多功能导航系统、通多功能导航的方法。

根据本发明的第一方面，提供一种多功能导航系统，包括处理层，所述处理层包括导航计算机，所述导航计算机包括SOC芯片和FPGA；

所述FPGA至少用于采集并处理陀螺、加速度计、外部传感器和其他系统外部设备的信号并传输给SOC芯片；

所述SOC芯片至少用于根据陀螺和加速度计的测量数据进行惯性导航解算，并根据惯性导航解算结果、外部传感器和其他系统外部设备的测量数据进行最优估计并输出结果。

根据本发明的一示例实施方式，SOC芯片包括采用X86、ARM、POWER或MIPS的单核或多核的SOC芯片。

根据本发明的一示例实施方式，FPGA采用PCIe、SATA、PATA、eMMC或SOC局部总线接口与SOC芯片进行高速数据交换。FPGA内部包括惯性器件接口模块、ADC接口模块、DAC接口模块、同步接口模块、数字输入接口模块、数字输出接口模块、串口接口模块、网络接口模块、CAN接口模块和USB接口模块等。

根据本发明的一示例实施方式，所述导航计算机还包括动态随机存储器，所述动态随机存取存储器包括SDRAM、DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM、DDR4SDRAM或DDR5SDRAM。

根据本发明的一示例实施方式，所述动态随机存取存储器至少用于大容量高速数据存储。

根据本发明的一示例实施方式，所述导航计算机还包括固态硬盘，所述固态硬盘包括eMMC、PATA、SATA、PCIe或SOC局部总线接口的大容量Flash芯片。

根据本发明的一示例实施方式，所述固态硬盘至少用于大容量传感器数据、状态数据和结果数据的存储。

根据本发明的一示例实施方式，所述多功能导航系统还包括设备层和应用层，设备层用于与陀螺、加速度计、外部传感器和其他系统外部设备连接，所述外部传感器用于获取组合导航数据和行业测量数据；

应用层包括组合导航系统应用程序，该组合导航系统应用程序至少包括导航解算模块、最优估计模块、系统误差校正模块和结果输出模块，导航解算模块用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航的姿态解算、速度解算和位置解算；系统误差校正模块至少用于校正系统误差；最优估计模块用于根据导航解算模块的数据和其他传感器的测量数据对系统误差进行最优估计；结果输出模块用于输出测量结果数据。

组合导航系统应用程序先对陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航的解算，然后再结合陀螺和加速度计以外的传感器的测量数据进行最优估计，最后得到以惯性导航系统为主、其他传感器相结合的导航数据结果。

根据本发明的一示例实施方式，所述设备层包括惯性器件电路，所述惯性器件电路用于连接不同接口类型的陀螺、加速度计和内部温度传感器数据并发送给FPGA。

根据本发明的一示例实施方式，惯性器件电路包括ADC、运放电路、I/F转换电路、激光陀螺接口电路、光纤陀螺接口电路和MEMS数字接口电路；其中，

运放电路用于采集模拟电压信号；

ADC用于将模拟电压信号转换成数字信号并发送给FPGA；

I/F转换电路用于接收模拟电流信号转换成数字信号并发送给FPGA；

激光陀螺接口电路用于连接和处理激光陀螺的输出信号并发送给FPGA；

光纤陀螺接口电路用于连接和处理光纤陀螺的输出信号并发送给FPGA；

MEMS数字接口电路用于将MEMS陀螺和MEMS加速度计的信号采集给FPGA。

目前常见的能够方便连接和处理的陀螺包括激光陀螺、光纤陀螺和MEMS陀螺，加速度计包括石英挠性加速度计和MEMS加速度计。ADC和运放电路主要用于连接输出为模拟电压的MEMS陀螺和MEMS加速度计。I/F转换电路主要用于连接石英挠性加速度计。激光陀螺接口电路连接和处理的激光陀螺输出信号，每个陀螺包含信号A和信号B。光纤陀螺接口电路连接和处理的光纤陀螺输出信号包括触发信号TRG和串口通信信号TXD。MEMS数字接口电路采用SPI和I²C接口连接具有数字接口的MEMS陀螺和MEMS加速度计。采用惯性器件电路，能够直接连接不同类型的陀螺和加速度计，使多功能导航系统能够方便接入机载、车载、船载和水下组合导航系统的常见陀螺和加速度计。

根据本发明的一示例实施方式，所述设备层包括多个通用接口电路，所述多个通用接口电路至少用于不同接口类型的外部传感器或其他系统外部设备分别与SOC芯片或FPGA的连接。

根据本发明的一示例实施方式，每个通用接口电路包括同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口；

同步接口用于同步输入信号和输出信号；

模拟接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的模拟接口并进行模数转换和数模转换，包括运放电路、ADC和DAC；

数字接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的数字接口；

通信接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的通信接口。

根据本发明的一示例实施方式，通用接口包括两类通信接口，分别是SOC通信接口和FPGA通信接口，每类通信接口包括网络接口、串口、CAN接口、USB接口、光纤接口和无线接口。SOC通信接口用于外部设备与SOC芯片的连接，FPGA通信接口用于外部传感器和外部设备与FPGA的连接。SOC通信接口具有灵活性好、易于编程等优点，FPGA通信接口具有实时性好和可靠性高的优点。

通用接口电路有多种不同的接口，能够接入不同接口类型的外部传感器和其他系统外部设备，提高多功能导航外部传感器和设备接口的通用性、灵活性、易用性和可靠性。

所述通用接口电路包括四层结构，依次为接口链路层、接口设备层、设备驱动层和设备应用层；

接口链路层用于提供传外部感器和其他系统外部设备与四个接口的电气连接和电平标准转换硬件；

接口设备层用于提供同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口的功能实现硬件，包括FPGA电路、ADC电路、DAC电路、运放电路和SOC通信接口电路；

设备驱动层用于提供通用接口驱动程序；

设备应用层用于完成接口设备初始化、状态监测、数据通信和设备控制功能。

根据本发明的一示例实施方式，所述组合导航系统应用程序还包括行业测量解算模块，所述行业测量解算模块用于完成在具体的行业应用中的测量模型解算和误差补偿。

根据本发明的一示例实施方式，所述组合导航系统应用程序还包括重力异常解算模块、多个误差补偿模块、多个故障检测模块、动力学解算模块、运动约束解算模块和数据存储模块中的一个或多个模块；

重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与导航解算模块采用的重力模型之间的误差；

误差补偿模块用于对接入的传感器数据进行误差补偿；

故障检测模块用于对误差补偿模块输出的数据进行故障检测；

动力学解算模块用于完成动力学运动模型解算和误差补偿；

运动约束解算模块用于具体行业应用中的运动约束模型解算和误差补偿；

数据存储模块用于实时保存各种原始数据和结果数据。

根据本发明的一示例实施方式，所述系统误差校正模块还用于校正重力异常误差。

根据本发明的一示例实施方式，所述SOC芯片还用于误差补偿、故障补偿、重力异常解算、运动约束解算、动力学解算以及行业测量。

根据本发明的一示例实施方式，所述结果输出模块输出的测量结果数据包括惯性导航数据、外部传感器和惯性导航数据组合的导航数据、系统状态数据、外部传感器数据、伺服控制数据和智能驾驶数据。

根据本发明的一示例实施方式，所述最优估计模块通过单个或多个具有姿态测量功能的传感器或设备测量的姿态数据进行组合导航计算和最优估计，实现姿态组合导航功能；通过单个或多个具有速度测量功能的传感器或设备测量的数据进行最优估计，实现速度组合导航功能；通过单个或多个具有位置测量功能的传感器或设备测量的位置数据进行最优估计，实现位置组合导航功能。

根据本发明的一示例实施方式，所述具有姿态测量功能的传感器或设备包括卫星导航接收机、星敏感器、摄像测量相机、激光雷达、智能驾驶系统、全站仪或其他惯性导航系统。

根据本发明的一示例实施方式，所述具有速度测量功能的传感器或设备包括里程计、测速仪、高度计、深度计、卫星导航接收机、星敏感器、摄像测量相机、激光雷达、智能驾驶系统或其它导航系统等。

根据本发明的一示例实施方式，所述具有位置测量功能的传感器或设备包括里程计、测速仪、高度计、深度计、卫星导航接收机、星敏感器、摄像测量相机、激光雷达、智能驾驶系统或其它惯导系统等。

根据本发明的一示例实施方式，所述多功能导航系统还包括驱动层，包括所述设备层的驱动。

根据本发明的一示例实施方式，所述多功能系统还包括系统层，所述系统层包括操作系统，采用实时操作系统和多任务编程相结合的方法，明显降低了复杂的组合导航系统中众多数据处理和系统控制功能实现难度，可以方便修改、增加或减少功能模块。

根据本发明的一示例实施方式，所述实时操作系统包括VxWorks、QNX、RT-Linux等。

本发明的多功能导航系统通过硬件和软件相结合实现导航系统的多功能，将多功能系统划分为五个功能层，依次为：设备层、处理层、驱动层、系统层和应用层，其中设备层和处理层由硬件构成，其余三层由软件构成。采用硬件和软件结合对多功能导航系统进行深度优化，明显提高组合导航系统的通用性、灵活性、易用性和可靠性。

根据本发明的一示例实施方式，所述外部传感器还包括：卫星导航接收机、里程计、测速仪、高度计、深度计、温度传感器、行业测量传感器、星敏感器和其他传感器等；所述其他系统外部设备包括基线系统、智能驾驶系统、伺服控制系统和上位机等。

根据本发明的一示例实施方式，所述多功能导航系统还包括电源电路，所述电源电路用于将外部输入电源转换为系统内部需要的各种电源。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种多功能导航的方法，采用所述多功能导航系统测量并计算导航数据。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种多功能导航系统，与现有的组合导航系统相比，能够灵活地运用于机载、车载、船载和水下组合导航，具体优点通过以下六点进行阐述：

1)本发明提出一种以SOC和FPGA结合为核心的组合导航电路结构，结合惯性器件电路和通用接口电路实现组合导航系统内部和外部传感器、设备的连接和处理，具有通用性好、应用方便、模块化和标准化程度高等优点；同时将SOC和FPGA直接集成到导航计算机中，明显提高了导航计算机的集成度和可靠性。

2)本发明提出了一种通用接口电路，同时具有同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口，能够实现高精度硬件同步、高精度模拟输入和输出、定制化数字输入和输出和多种标准通信(网络、串口、CAN、USB等)功能，能够满足绝大部分(机载、车载、船载和水下等)组合导航系统的外部传感器和设备连接需要。

3)本发明提出了一种惯性器件电路，同时具有模拟接口和数字接口，采用一种惯性器件电路即可连接常见的不同类型的陀螺和加速度计，可以方便地构成激光陀螺、光纤陀螺和MEMS陀螺组合导航系统，明显降低了不同精度组合导航系统开发难度和产品价格。

4)本发明采用软件和硬件结合对多功能导航系统进行深度优化，将导航系统划分为五个功能层，明显提高导航系统的通用性、灵活性、易用性和可靠性。

5)本发明采用高性能低功耗的SOC芯片、高可靠实时操作系统以及大容量高可靠实时存储技术，可实时存储所有传感器数据、导航数据和行业数据，能方便增加行业测量模型和实现复杂算法处理。

6)本发明采用的数据处理方法中增加了测量模型、运动模型、动力学模型和重力异常模型，结合最优估计方法可明显提高系统的可靠性和测量精度，明显提高了组合导航系统的可靠性、集成度和测量精度。

附图说明

图1是多功能导航系统功能层的层级关系图；

图2是惯性器件电路的结构图；

图3是通用接口电路的结构图；

图4是通用接口电路的层级关系图；

图5是设备层和处理层的连接关系图；

图6是应用层的模块图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

根据本发明的第一种实施方式，本发明提供一种多功能导航系统，如图1所示，包括五个功能层：设备层、处理层、驱动层、系统层和应用层，其中设备层和处理层由硬件构成，其余三层由软件构成。设备层与传感器和其他设备连接，用于连接传感器和外部设备；处理层为三层软件层提供硬件支撑，驱动层用于为处理层提供驱动，系统层用于为应用层提供操作系统，应用层在处理层的硬件支撑下完成组合导航的解算。

处理层包括导航计算机，用于对设备层输入的数据进行处理。如图2所示，导航计算机包括SOC芯片、FPGA、固态硬盘、动态随机存取存储器(图中用DRAM表示)。

SOC芯片至少用于误差补偿、故障检测、导航解算、系统误差校正、重力异常解算、运动约束解算、动力学解算、最优估计、行业测量以及结果输出，包括采用X86、ARM、POWER或MIPS的单核或多核的SOC芯片。

FPGA至少用于信号采集、处理、控制和与SOC芯片高速数据交换，采用PCIe、SATA、PATA、eMMC或SOC局部总线接口与SOC芯片进行高速数据交换，并且FPGA内部包括惯性器件接口模块、ADC接口模块、DAC接口模块、同步接口模块、数字输入接口模块、数字输出接口模块、串口接口模块、网络接口模块、CAN接口模块和USB接口模块等。

固态硬盘至少用于大容量传感器数据、状态数据和结果数据的静态存储，采用eMMC、PATA、SATA、PCIe或SOC局部总线接口的大容量Flash芯片。

动态随机存取存储器至少用于大容量高速数据动态存储，包括SDRAM、DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM、DDR4SDRAM或DDR5SDRAM。

如图2所示，设备层包括惯性器件电路和多个通用接口电路，惯性器件电路用于处理层与不同接口类型的陀螺、加速度计和内部温度传感器连接，通用接口电路用于处理层与外部传感器和其他系统外部设备连接。外部传感器用于获取组合导航数据和行业测量数据，包括：卫星导航接收机、里程计、测速仪、高度计、深度计、温度传感器、行业测量传感器和其他传感器，其他系统外部设备包括：智能驾驶系统、伺服控制系统和上位机等。

惯性器件电路，采集陀螺、加速度计和内部温度传感器的数据并发送给FPGA。内部温度传感器用于测量多功能导航系统中陀螺、加速度计、电路的温度，进行温度补偿，提高系统测量精度。

如图3所示，惯性器件电路包括ADC、运放电路、I/F转换电路、激光陀螺接口电路、光纤陀螺接口电路和MEMS数字接口电路。

运放电路用于采集模拟电压信号，包括输出为模拟电压的内部温度传感器、MEMS陀螺和MEMS加速度计的模拟电压信号。

ADC用于将模拟电压信号转换成数字信号并发送给FPGA。

I/F转换电路用于接收模拟电流信号转换成数字信号并发送给FPGA，模拟电流信号包括石英加速度计的模拟电流信号。

激光陀螺接口电路用于连接和处理激光陀螺的输出信号并发送给FPGA。

光纤陀螺接口电路用于连接和处理光纤陀螺的输出信号并发送给FPGA。

MEMS数字接口电路用于将MEMS陀螺和MEMS加速度计的信号采集给FPGA。

目前常见的能够方便连接和处理的陀螺包括激光陀螺、光纤陀螺和MEMS陀螺，加速度计包括石英挠性加速度计和MEMS加速度计。ADC和运放电路主要用于连接输出为模拟电压的MEMS陀螺和MEMS加速度计。I/F转换电路主要用于连接石英挠性加速度计。激光陀螺接口电路连接和处理的激光陀螺输出信号，每个陀螺包含信号A和信号B。光纤陀螺接口电路连接和处理的光纤陀螺输出信号包括触发信号TRG和串口通信信号TXD。MEMS数字接口电路采用SPI和I²C接口连接具有数字接口的MEMS陀螺和MEMS加速度计。采用惯性器件电路，能够直接连接不同类型的陀螺和加速度计，使多功能导航系统能够方便接入机载、车载、船载和水下组合导航系统的常见陀螺和加速度计。

通用接口电路能够与不同接口类型的外部传感器和设备连接，主要是因为通用接口电路包含了不同接口类型的外部传感器和设备的接入端，如图4所示，分别是同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口。每个通用接口电路包括同步接口、模拟接口(包括运放电路、ADC和DAC)、数字接口和通信接口(包括串口接口、网络接口、CAN接口和USB接口)，多个通用接口电路至少用于不同接口类型的外部传感器或外部设备分别与SOC芯片或FPGA的连接。

同步接口用于同步输入信号和输出信号，同步的信号包括外部传感器(包括陀螺和加速度计)和设备的数据，同步接口采用硬件同步的方法，既可输入外部的时钟信号或同步信号(卫星导航接收机的PPS、外部设备触发输入等)，也可输出系统内部的时钟信号和同步信号(触发信号、复位信号等)，具有纳秒级同步精度。

模拟接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的模拟接口并进行模数转换和数模转换，包括运放电路、ADC和DAC，ADC用于高精度的模数转换，DAC用于高精度的数模转换，运放电路用于ADC和DAC相关的模拟信号处理。

数字接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的数字接口，具有可编程数字信号输入和输出功能，能方便连接系统外部的各种特定数字信号接口传感器和设备(编码器、计数器、PWM控制器、SPI接口设备、DyMos接口设备等)，可以通过修改FPGA程序方式方便连接不同数字接口传感器；

通信接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的通信接口，通用接口包括两类通信接口，分别是SOC通信接口和FPGA通信接口，每类通信接口均包括网络接口、串口、CAN接口、USB接口、光纤接口和无线接口，可以根据组合导航系统相关传感器和设备接口发展情况增加新的接口类型。SOC通信接口用于外部设备与SOC芯片的连接，FPGA通信接口用于外部传感器和外部设备与FPGA的连接。SOC通信接口具有灵活性好、易于编程等优点，FPGA通信接口具有实时性好和可靠性高的优点。网络接口用于连接具有网络接口(包括10Mbps、100Mbps、1000Mbps等不同传输速率的网络接口)的各种传感器和设备。串口用于连接具有串口(包括RS232、RS422和RS485等串口)的各种传感器和设备。CAN接口用于连接具有CAN接口的各种传感器和设备；USB接口用于连接具有USB接口的各种传感器和设备。

如图5所示，通用接口电路包括四层结构，依次为接口链路层、接口设备层、设备驱动层和设备应用层。

接口链路层与组合导航的外部传感器或其他系统外部设备连接，用于提供外部设备与四个接口的电气连接和电平标准转换硬件。

接口设备层包括同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口相关能功能实现硬件，即FPGA电路、ADC电路、DAC电路、运放电路和SOC通信接口电路，用于将信号电路转换后传输给设备驱动层。

设备驱动层用于提供通用接口驱动程序，包括各种设备的通用接口驱动程序，通过修改设备配置参数可方便改变接口功能、连接不同的组合导航的传感器和设备。

设备应用层包括各种接口设备的应用程序，用于完成接口设备初始化、状态监测、数据通信和设备控制功能。

接口链路层和接口设备层为接口相关硬件，接口链路层和接口设备层针对不同的接口设置不同的链路和接口设备，接口链路层包括同步接口链路、模拟接口链路、数字接口链路和通信接口链路，接口设备层包括同步接口设备、模拟接口设备、数字接口设备和通信接口设备。设备驱动层和设备应用层为接口相关软件。通用接口电路根据组合导航系统需求，对接口电路相关的硬件和软件进行了功能、逻辑和标准化方面的分层方法，通过硬件和软件的深度优化，能明显提高接口电路的通用性、可靠性和方便性。

驱动层包括惯性器件设备驱动和各个通用接口设备驱动。

系统层包括操作系统，本发明的系统层采用实时操作系统(包括VxWorks、QNX、RT-Linux等)和多任务编程方法明显降低了复杂的组合导航系统中众多数据处理和系统控制功能实现难度，可以方便修改、增加或减少功能模块。

应用层包括组合导航系统应用程序，该组合导航系统应用程序通过惯性导航和其他传感器相结合，实现多种导航数据的解算及输出，具体地通过导航解算、最优估计、系统误差校正、行业测量、重力异常解算、运动解算、动力学解算、结果输出、误差补偿和故障检测实现。

如图6所示，组合导航系统应用程序包括导航解算模块、最优估计模块、系统误差校正模块、结果输出模块、行业测量解算模块、重力异常解算模块、多个误差补偿模块、多个故障检测模块、动力学解算模块、运动约束解算模块和数据存储模块。

导航解算模块用于根据陀螺和加速度计的数据完成惯性导航的姿态解算、速度解算和位置解算。

系统误差校正模块用于校正系统误差和重力异常误差。

最优估计模块用于对系统误差采用卡尔曼滤波(KF)、扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)和最小二乘(LS)等方法进行最优估计，采用单极或多级最优估计结构，从而实现姿态组合导航功能、速度组合导航功能和位置组合导航功能。实现姿态组合导航功能时，多功能导航系统与单个或多个具有姿态测量功能的传感器或设备测量的姿态数据进行组合导航和最优估计。该类传感器或设备主要有卫星导航接收机、星敏感器、摄像测量相机、激光雷达、智能驾驶系统、全站仪和其他惯性导航系统等。实现速度组合导航功能时，多功能导航系统与单个或多个具有速度测量功能的传感器或设备测量的速度数据进行组合导航和最优估计。该类传感器和设备主要有里程计、测速仪、高度计、深度计、卫星导航接收机、星敏感器、摄像测量相机、激光雷达、智能驾驶系统或其它导航系统等。实现位置组合导航功能时，多功能导航系统与单个或多个具有位置测量功能的传感器或设备测量的位置数据进行组合导航和最优估计。该类传感器和设备主要有里程计、测速仪、高度计、深度计、卫星导航接收机、星敏感器、摄像测量相机、激光雷达、智能驾驶系统或其它惯导系统等。最优估计模块具有机载、车载、船载和水下组合导航模型和功能，在不同的行业应用中能通过软件进行灵活配置。

结果输出模块用于输出测量结果数据，包括惯性导航数据、传感器与惯导数据组合的导航数据、系统状态数据、各种传感器数据、伺服控制数据和智能驾驶数据。

行业测量解算模块用于完成在具体的行业应用中的测量模型解算和误差补偿。

重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与导航解算模块采用的重力模型之间的误差。

误差补偿模块用于对接入的传感器数据进行误差补偿。

故障检测模块用于对误差补偿模块输出的数据进行故障检测。

动力学解算模块用于完成动力学运动模型解算和误差补偿。

运动约束解算模块用于具体行业应用中的运动约束模型解算和误差补偿。

数据存储模块用于实时保存各种原始数据和结果数据，主要包括惯性导航数据、组合导航数据、系统状态数据、各种传感器数据、伺服控制数据和智能驾驶数据等。

采用硬件和软件结合对多功能导航系统进行深度优化，明显提高组合导航系统的通用性、灵活性、易用性和可靠性。

组合导航系统应用程序的运算步骤：

1)利用陀螺和加速度计的测量数据在导航解算模块中进行姿态解算、速度解算和位置解算；

2)获取陀螺和加速度计以外的其他传感器的测量数据，将导航解算模块的姿态解算结果和具有姿态测量功能的其他传感器数据在最优估计模块中组合计算，并进行最优估计，实现姿态组合导航功能；

3)获取陀螺和加速度计以外的其他传感器数据，将导航解算模块的速度解算结果和具有速度测量功能的其他传感器在最优估计模块中组合计算，并进行最优估计，实现速度组合导航功能；

4)获取陀螺和加速度计以外的其他传感器数据，将导航解算模块的位置解算结果和具有位置测量功能的其他传感器在最优估计模块中组合计算，并进行最优估计，实现位置组合导航功能；

5)将最优估计模块中的数据输出或根据不同的行业进行行业解算再输出。

如图2所示，多功能导航系统还包括电源电路，电源电路用于将外部输入电源转换为系统内部需要的各种电源。

采用多功能导航系统实现组合导航的数据处理，多功能导航的方法包括以下步骤：

步骤A：采集陀螺、加速度计和传感器的测量数据，陀螺数据包括陀螺X、Y、Z轴的数据，加速度计包括加速度计X、Y、Z轴的数据，传感器数据包括温度数据、卫星导航数据、里程计数据、测速仪数据、高度计数据、深度计数据、行业测量数据、智能驾驶数据和其他传感器数据，陀螺数据、加速度计数据和内部温度数据通过惯性器件电路获取，其他传感器数据通过通用接口电路获取；

步骤B：FPGA通过惯性器件电路和通用接口电路采集步骤A信号；

步骤C：FPGA将采集到的信号处理后与SOC芯片高速交换数据；

步骤D：SOC芯片对步骤A获取的数据完成误差补偿、故障检测；进行重力异常解算和系统误差校正，根据陀螺和加速度计的数据以及系统误差校正结果进行导航解算；将导航解算结果、传感器数据、运动约束解算结果、动力学解算结果进行最优估计，将最优估计结果进行行业测量解算；将最优估计结果和行业测量解算结果输出。

本实施例的多功能导航系统采用惯性器件电路和通用接口电路采集不同接口类型的传感器数据，然后采用FPGA对数据进行处理、控制及同步，SOC芯片通过高速交换的数据实现组合导航系统的运算和控制，提高了多功能导航系统的通用性、灵活性、易用性和可靠性。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种多功能导航系统，其特征在于，包括：处理层，所述处理层包括导航计算机，所述导航计算机包括SOC芯片和FPGA；

所述FPGA至少用于采集并处理陀螺、加速度计、外部传感器和其他系统外部设备的信号并传输给SOC芯片；

所述SOC芯片至少用于根据陀螺和加速度计测量数据进行惯性导航解算，并根据惯性导航解算结果、外部传感器和其他系统外部设备的测量数据进行最优估计并输出结果。

2.根据权利要求1所述的多功能导航系统，其特征在于，还包括设备层和应用层；

设备层用于与陀螺、加速度计、外部传感器和其他系统外部设备连接，所述外部传感器用于获取组合导航数据和行业测量数据；

应用层包括组合导航系统应用程序，该组合导航系统应用程序至少包括导航解算模块、最优估计模块、系统误差校正模块和结果输出模块，导航解算模块用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航的姿态解算、速度解算和位置解算；系统误差校正模块至少用于校正系统误差；最优估计模块用于根据导航解算模块的数据结果和其他传感器的测量数据对系统误差进行最优估计；结果输出模块用于输出测量结果数据。

3.根据权利要求2所述的多功能导航系统，其特征在于，所述设备层包括惯性器件电路，所述惯性器件电路用于连接不同接口类型的陀螺、加速度计和内部温度传感器数据并发送给FPGA；

惯性器件电路包括ADC、运放电路、I/F转换电路、激光陀螺接口电路、光纤陀螺接口电路和MEMS数字接口电路；其中，

运放电路用于采集模拟电压信号；

ADC用于将模拟电压信号转换成数字信号并发送给FPGA；

I/F转换电路用于接收模拟电流信号转换成数字信号并发送给FPGA；

激光陀螺接口电路用于连接和处理激光陀螺的输出信号并发送给FPGA；

光纤陀螺接口电路用于连接和处理光纤陀螺的输出信号并发送给FPGA；

MEMS数字接口电路用于将MEMS陀螺和MEMS加速度计的信号采集给FPGA。

4.根据权利要求2所述的多功能导航系统，其特征在于，所述设备层包括多个通用接口电路，所述多个通用接口电路至少用于连接不同接口类型的外部传感器和其他系统外部设备，每个通用接口电路分别与SOC芯片或FPGA连接；

每个通用接口电路包括同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口；

同步接口用于同步输入信号和输出信号；

模拟接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的模拟接口并进行模数转换和数模转换，包括运放电路、ADC和DAC；

数字接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的数字接口；

通信接口用于连接外部传感器和其他系统外部设备的通信接口。

5.根据权利要求4所述的多功能导航系统，其特征在于，所述通用接口电路包括四层结构，依次为接口链路层、接口设备层、设备驱动层和设备应用层；

接口链路层用于提供传外部感器和其他系统外部设备与四个接口的电气连接和电平标准转换硬件；

接口设备层用于提供同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口的功能实现硬件，包括FPGA电路、ADC电路、DAC电路、运放电路和SOC通信接口电路；

设备驱动层用于提供通用接口驱动程序；

设备应用层用于完成接口设备初始化、状态监测、数据通信和设备控制功能。

6.根据权利要求2所述的多功能导航系统，其特征在于，所述组合导航系统应用程序还包括行业测量解算模块、重力异常解算模块、误差补偿模块、故障检测模块、动力学解算模块、运动约束解算模块和数据存储模块中的一个或多个模块；

行业测量解算模块用于完成在具体的行业应用中的测量模型解算和误差补偿；

重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与导航解算模块采用的重力模型之间的误差；

误差补偿模块用于对接入的传感器数据进行误差补偿；

故障检测模块用于对误差补偿模块输出的数据进行故障检测；

动力学解算模块用于完成动力学运动模型解算和误差补偿；

运动约束解算模块用于具体行业应用中的运动约束模型解算和误差补偿；

数据存储模块用于实时保存各种原始数据、状态数据和结果数据。

7.根据权利要求2所述的多功能导航系统，其特征在于，所述最优估计模块通过单个或多个具有姿态测量功能的传感器或设备测量的姿态数据进行组合导航计算和最优估计，实现姿态组合导航功能；通过单个或多个具有速度测量功能的传感器或设备测量的数据进行最优估计，实现速度组合导航功能；通过单个或多个具有位置测量功能的传感器或设备测量的位置数据进行最优估计，实现位置组合导航功能。

8.根据权利要求2所述的多功能导航系统，其特征在于，所述多功能导航系统还包括驱动层和系统层，所述驱动层包括所述设备层的驱动，所述系统层包括操作系统，采用实时操作系统和多任务编程相结合的方法实现组合导航系统中数据处理和系统控制功能。

9.根据权利要求1所述的多功能导航系统，其特征在于，所述外部传感器还包括卫星导航接收机、里程计、测速仪、高度计、深度计、温度传感器、行业测量传感器、星敏感器和其他传感器；所述其他系统外部设备包括智能驾驶系统、伺服控制系统和上位机。

10.一种多功能导航的方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项多功能导航系统测量并计算导航数据。

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