CN111947658A - 一种通信辅助定位的低成本自主导航装置及导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通信辅助定位的低成本自主导航装置及导航方法，包括移动自主导航设备和地面通信基站设备。移动自主导航设备包含自主导航模块、通信辅助定位模块和电源模块，自主导航模块包括陀螺仪、加速度计、磁强计、气压高度计、微处理器和外围电路，通信辅助定位模块包括信号编码器、功率放大器、信号解调器、信号同步与计时器、电台天线和通信串口。移动自主导航设备在载体发射前上电，接收地面通信基站设备的装订数据，在发射后完成多传感器数据采集、通信辅助定位信息解算、多源信息融合滤波导航等功能。移动自主导航设备采用低成本、轻便化设计方法，能够适应现代战争环境中卫星导航信号缺失条件下的自主导航和精确制导作战任务。

Description

一种通信辅助定位的低成本自主导航装置及导航方法
技术领域
本发明属于导航制导与控制技术领域，涉及一种通信辅助定位的低成本自主导航装置及导航方法。
背景技术
无人机、制导弹药、无人船、无人车等可移动载体的制导与控制严重依赖精确的定位定向导航信息，在对抗或非对抗环境下，传统基于卫星导航的定位导航技术面临着各种现实而又复杂的干扰问题，难以保证可移动载体在运动全程中的准确定位。传统的无线电导航技术能够一定程度代替卫星导航，在大型飞机和舰船的定位导航中发挥重要作用，但受到体积、重量、成本、精度等各项限制，并不适用于广泛应用的各类轻小型有人或无人可移动载体。
针对上述问题，亟需研发一种通信辅助定位的低成本自主导航装置及导航方法，在卫星导航信号缺失乃至全程失效条件下，实现可移动载体的自主导航，在体积、重量、成本、精度等方面均可满足各类轻小型有人或无人可移动载体自主导航的应用需求。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种通信辅助定位的低成本自主导航装置及导航方法，在卫星导航信号缺失乃至全程失效条件下，实现可移动载体的自主导航，在体积、重量、成本、精度等方面均可满足各类轻小型有人或无人可移动载体自主导航的应用需求，从而完成本发明。
本发明提供了的技术方案如下：
第一方面，一种通信辅助定位的低成本自主导航装置，包括移动自主导航设备和地面通信基站设备，其中，移动自主导航设备包含自主导航模块、通信辅助定位模块和电源模块，其均安装在可移动的载体上；地面通信基站设备包含一个主通信基站和至少一个辅助通信基站，均安置在载体的地面发射阵地上；
通信辅助定位模块，其实施移动自主导航设备内部模块、以及自主导航设备与地面通信基站设备之间的信息交换，接收并转发地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据，获得转发时间差
Figure BDA0002563810930000021
该转发时间差
Figure BDA0002563810930000022
将发送至地面通信基站设备；
主通信基站和辅助通信基站，均用于与通信辅助定位模块之间相互收发数据，主通信基站和辅助通信基站向通信辅助定位模块发送通信辅助定位数据，并测量通信辅助定位数据发送时刻和回收时刻时间差
Figure BDA0002563810930000023
结合通信辅助定位模块测得的转发时间差
Figure BDA0002563810930000024
得到通信辅助定位数据在空中传播的时间长度，进而得到通信基站设备相对移动自主导航设备的距离；主通信基站根据多个地面通信基站与移动自主导航设备的距离，利用三角定位原理得到移动自主导航设备的空间三维坐标通信辅助定位数据PCAS，并经通信辅助定位模块回传给移动自主导航设备的自主导航模块；
自主导航模块，其采集包括载体运动加速度、运动角速度、磁场强度、气压高度的多传感器数据，利用运动加速度和运动角速度数据进行惯性导航数据解算；利用惯性导航数据和磁场强度数据进行地磁航姿数据解算；利用惯性导航数据、通信辅助定位模块发送的通信辅助定位数据PCAS、地磁航姿数据及气压高度数据进行多源信息融合滤波导航数据解算，计算得到可移动载体的定位定向信息；
电源模块，其用于给自主导航模块和通信辅助定位模块供电。
进一步地，移动自主导航设备的主导航模块包括：陀螺仪、加速度计、磁强计、气压高度计、微处理器和外围电路；其中，
陀螺仪得到载体的运动角速度，将运动角速度传输给所述微处理器；
加速度计得到载体的运动加速度，将运动加速度传输给所述微处理器；
磁强计得到载体所处区域的磁场强度，将磁场强度传输给所述微处理器；
气压高度计得到载体所处区域的气压高度信息，将气压高度信息传输给所述微处理器；
微处理器根据接收的地面通信基站设备发送的地面装订信息，完成惯性导航运算、地磁航姿运算和多源信息融合滤波导航运算的参数初始化接收地面装订信息后，微处理器以固定频率采集运动角速度、运动加速度、磁场强度、气压高度信息、以及通信辅助定位模块发送的通信辅助定位数据PCAS，并以固定频率依次完成惯性导航运算、地磁航姿运算和多源信息融合滤波导航运算，得到载体在当前时刻的融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、融合滤波姿态AttiDFF数据；
外围电路用于电压转换、通信数据转换、数据存储、温度采集等，为主导航模块内的陀螺仪、加速度计、磁强计、气压高度计、微处理器等供电，并为其提供用于数据采集、通信、存储的接口及转换电路。
进一步地，通信辅助定位模块包括信号编码器、功率放大器、信号解调器、信号同步与计时器、电台天线和通信串口；其中，
信号编码器，用于将通信辅助定位模块需要发送的数据编码生成微波调制信号，经功率放大器进行功率放大，送至电台天线，以微波形式发送至地面通信基站设备；
功率放大器，用于接收信号编码器发送的微波调制信号，进行功率放大处理后，传输至电台天线；
电台天线，用于微波信号的接收和发送，其接收功率放大器传输的微波调制信号，以微波形式发送至地面通信基站设备；其接收地面通信基站设备发送的微波信号，传输至信号解调器，解算完成后发送给自主导航模块；
信号解调器，用于将电台天线接收的微波信号进行解调；
信号同步与计时器，用于在接收到地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据时启动计时，在完成通信辅助定位数据的解调、提取、识别、编码生成微波调制信号发回时停止计时，得到转发时间差
Figure BDA0002563810930000031
通信串口，用于自主导航模块和通信辅助定位模块之间信息的传输，信号解调器解调出的有效数据信号，通过通信串口发送至自主导航模块的微处理器；信号同步与计时器生成的转发时间差
Figure BDA0002563810930000041
数据通过通信串口发送给自主导航模块的微处理器；微处理器需向外发送的数据，通过通信串口发送至信号编码器。
第二方面，一种通信辅助定位的低成本自主导航方法，通过上述第一方面所述的导航装置实施，包括以下步骤：
移动自主导航设备在载体发射前上电，接收地面主通信基站设备的地面装订数据，该地面装订数据包含全部地面通信基站设备的位置数据、发射的射向和射角、发射初始位置和速度；
在载体发射后，移动自主导航设备的主导航模块进行运动加速度、运动角速度、磁场强度、气压高度的采集，利用运动加速度和运动角速度数据进行惯性导航数据解算；利用惯性导航数据和磁场强度数据进行地磁航姿数据解算；
移动自主导航设备的通信辅助定位模块接收并转发地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据，获得转发时间差
Figure BDA0002563810930000042
数据，地面通信基站设备测量通信辅助定位数据发送时刻和回收时刻时间差
Figure BDA0002563810930000043
得到通信辅助定位数据在空中传播的时间长度，进而得到通信基站设备相对移动自主导航设备的距离；
主通信基站根据多个地面通信基站与移动自主导航设备的距离，利用三角定位原理得到移动自主导航设备的空间三维坐标通信辅助定位数据PCAS，并经通信辅助定位模块回传给移动自主导航设备的自主导航模块；
自主导航模块利用得到的惯性导航数据、通信辅助定位数据PCAS、地磁航姿数据及气压高度数据进行多源信息融合滤波导航数据解算，计算得到可移动载体的定位定向信息。
根据本发明提供的一种通信辅助定位的低成本自主导航装置及导航方法，具有以下有益效果：
(1)不依赖卫星导航的导航装置中，较为常用的是无线电导航设备，其体积大、成本高，不适用于各类轻小型有人或无人可移动载体，本发明提供的低成本自主导航装置是其有效的替代方式，相较于无线电导航装置，具有体积小、成本低、精度高的优点，满足了各类轻小型有人或无人可移动载体对自主导航装置体积、重量、成本、精度的应用要求；
(2)本发明通过通信辅助定位的低成本自主导航装置及导航方法，在卫星导航信号缺失乃至全程失效条件下，完成载体的通信辅助定位、惯性导航、地磁航姿计算和多源信息融合滤波导航，实现了不依赖卫星导航的自主导航，可广泛装备在制导炮弹、无人机、无人船、单兵等各类轻小型载体上，便于批量推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的通信辅助定位的低成本自主导航装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的通信辅助定位的低成本自主导航装置工作流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
根据本发明的第一方面，如图1所示，提供了一种通信辅助定位的低成本自主导航装置，包括移动自主导航设备和地面通信基站设备，其中，移动自主导航设备包含自主导航模块1、通信辅助定位模块2和电源模块3，其均安装在可移动的载体上；地面通信基站设备包含一个主通信基站和至少一个辅助通信基站，均安置在载体的地面发射阵地上。
移动自主导航设备的主导航模块1包括：陀螺仪11(如3轴微机电陀螺仪)、加速度计16(如3轴微机电加速度计)、磁强计12(3轴磁强计)、气压高度计13、微处理器14和外围电路15；其中，
陀螺仪11得到载体的运动角速度，将运动角速度传输给所述微处理器14；加速度计16得到载体的运动加速度，将运动加速度传输给所述微处理器14；磁强计12得到载体所处区域的磁场强度，将磁场强度传输给所述微处理器14；气压高度计13得到载体所处区域的气压高度信息，将气压高度信息传输给所述微处理器14；外围电路15用于电压转换、通信数据转换、数据存储、温度采集等，为主导航模块1内的陀螺仪11、加速度计16、磁强计12、气压高度计13、微处理器14等供电，并为其提供用于数据采集、通信、存储的接口及转换电路。
微处理器14根据接收的地面通信基站设备发送的地面装订信息(包括全部地面通信基站设备的位置数据、发射的射向和射角、发射初始位置和速度等信息)，完成惯性导航运算、地磁航姿运算和多源信息融合滤波导航运算的参数初始化，接收地面装订信息后，微处理器14以固定频率采集运动角速度、运动加速度、磁场强度、气压高度信息、以及通信辅助定位模块2发送的通信辅助定位数据PCAS，并以固定频率依次完成惯性导航运算、地磁航姿运算和多源信息融合滤波导航运算，得到载体在当前时刻的融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、融合滤波姿态AttiDFF等定位定向导航数据。其中，通信辅助定位数据PCAS包括通信辅助定位模块2确定的通信辅助定位经度LCAS、通信辅助定位纬度λCAS和通信辅助定位高度hCAS。
在本发明中，惯性导航运算以运动角速度、运动加速度作为数据输入，运算生成惯性导航位置PINS、惯性导航速度VINS、惯性导航姿态AttiINS等定位定向导航数据；其中，惯性导航位置PINS包括惯性导航经度LINS，惯性导航纬度λINS和惯性导航高度信息hINS；惯性导航速度VINS包括惯性导航东速(东向速度的简称，下同)VE,INS，惯性导航北速VN,INS和惯性导航天速VU,INS；惯性导航姿态AttiINS包括惯性导航俯仰角PitchINS，惯性导航横滚角RollINS和惯性导航航向角YawINS。
地磁航姿运算以惯性导航姿态AttiINS、磁场强度作为数据输入，运算生成地磁航向YawMag；
多源信息融合滤波导航运算以惯性导航位置PINS、惯性导航速度VINS、惯性导航姿态AttiINS、地磁航向YawMag、气压高度hBar、通信辅助定位数据PCAS数据作为数据输入，运算生成当前时刻的融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、以及融合滤波姿态AttiDFF等定位定向导航数据。
具体地，当前时刻的融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、融合滤波姿态AttiDFF通过以下方式获得：
采用卡尔曼滤波方法构建基本的滤波方程，可采用但不限于如下形式的滤波公式：
Figure BDA0002563810930000071
式(1)～式(6)中状态估计矢量选取为：
Figure BDA0002563810930000072
状态估计矢量中各变量分别代表东向失准角、北向失准角、天向失准角、东向速度误差、北向速度误差、天向速度误差、经度误差、纬度误差、高度误差、东向陀螺漂移、北向陀螺漂移、天向陀螺漂移、东向加表偏值、北向价表偏值、天向加表偏值。
式(1)～式(6)中，
Figure BDA0002563810930000073
表示状态估计矢量；
Figure BDA0002563810930000074
表示状态估计误差矢量；
Figure BDA0002563810930000075
表示状态一步预测矢量；φk/k-1表示一步转移矩阵；
Figure BDA0002563810930000076
表示一步转移矩阵转置矩阵；Kk表示滤波增益矩阵；
Figure BDA0002563810930000077
表示滤波增益矩阵转置矩阵；Zk表示量测矢量；Hk表示量测矩阵；
Figure BDA0002563810930000078
表示量测矩阵转置矩阵；Pk表示估计均方误差矩阵；Pk/k-1表示一步预测均方误差矩阵；Rk表示量测噪声方差阵；Γk/k-1表示系统噪声驱动矩阵；
Figure BDA0002563810930000081
表示系统噪声驱动阵转置矩阵；Qk-1表示系统噪声方差阵；I表示单位矩阵。
观测变量选取为：
Figure BDA0002563810930000082
其中，YawINS为惯性导航航向角；YawMag为地磁航向角；LINS为惯性导航经度；LCAS为通信辅助定位经度；λINS为惯性导航纬度；λCAS为通信辅助定位纬度；hINS为惯性导航高度信息；hBar为载体所处区域的气压高度信息；
量测矩阵选取为：
Figure BDA0002563810930000083
根据融合滤波的状态估计矢量，可计算得到融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、融合滤波姿态AttiDFF，计算公式如下：
Figure BDA0002563810930000084
Figure BDA0002563810930000085
Figure BDA0002563810930000086
式(9)中，LDFF为融合滤波经度；LINS为惯性导航经度；λDFF为融合滤波纬度；λINS为惯性导航纬度；hDFF为融合滤波高度；hINS为惯性导航高度；δL为经度误差；δλ为纬度误差；δh为高度误差；
式(10)中，VE,DFF为融合滤波东速；VE,INS为惯性导航东速；VN,DFF为融合滤波北速；VN,INS为惯性导航北速；VU,DFF为融合滤波天速；VU,INS为惯性导航天速；δVE为东速误差；δVN为北速误差；δVU为天速误差；
式(11)中，PitchDFF为融合滤波俯仰角；PitchINS为惯性导航俯仰角；RollDFF为融合滤波横滚角；RollINS为惯性导航横滚角；YawDFF为融合滤波航向角；YawINS为惯性导航航向角；φx为东向失准角；φy为北向失准角；φz为天向失准角。
在本发明中，通信辅助定位模块2包括信号编码器23、功率放大器22、信号解调器25、信号同步与计时器24、电台天线21和通信串口26；其中，
通信辅助定位模块2需要发送的数据，经信号编码器23编码生成微波调制信号，经功率放大器22进行功率放大，送至电台天线21，以微波形式发送至地面通信基站设备。通信辅助定位模块2发送的数据主要包含两类：一类是自主导航模块1和载体自身产生的各类遥测数据；一类是通信辅助定位模块2收到的辅助定位专用数据。
通信辅助定位模块2需要接收的数据，以微波形式，经过电台天线21进入信号解调器25，解算完成后发送给自主导航模块1(的微处理器14)。通信辅助定位模块2需要接收的数据主要包含两类，一类是地面通信基站设备发送的遥控指令数据；一类是地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据。
信号同步与计时器24在通信辅助定位模块2接收到地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据时启动计时，在完成通信辅助定位数据的解调、提取、识别后，再编码生成微波调制信号发回，信号发回的时刻，信号同步与计时器24停止计时，计算得到转发时间差
Figure BDA0002563810930000091
经微波调制编码后发回至地面通信基站设备，其中，
Figure BDA0002563810930000092
中i为通信辅助定位模块2编号，k为主通信基站和辅助通信基站的编号。
信号解调器25解调出的有效数据信号，通过通信串口26发送至微处理器14；信号同步与计时器24生成的转发时间差
Figure BDA0002563810930000101
数据通过通信串口26发送给微处理器14；微处理器14需向外发送的数据，通过通信串口26发送至信号编码器23，经编码、功率放大，通过电台天线21发送至地面通信基站设备。
在本发明中，电源模块3用于分别给自主导航模块1和通信辅助定位模块2供电。
在本发明中，地面通信基站设备包含一个主通信基站和至少一个辅助通信基站；其中，主通信基站和辅助通信基站均安置在地面发射阵地，都可以与通信辅助定位模块2相互收发数据。
载体在地面发射阵地发射前，主通信基站接收辅助通信基站发送的位置坐标信息PCB,k，确定主通信基站和辅助通信基站的编号k和空间三维坐标PCB,k。地面通信基站在载体发射后若处于移动状态，则主通信基站需实时确定主通信基站和辅助通信基站的名称、编号和空间三维坐标。
载体从地面发射阵地发射后，主通信基站和辅助通信基站以固定频率向通信辅助定位模块2发送通信辅助定位数据(包含全部地面通信基站设备的位置数据、发射的射向和射角、发射初始位置和速度等信息)，分别记录下数据发送时刻，接收通信辅助定位模块2发回辅助定位专用数据时，记录下数据回收时刻，得到发送时刻和回收时刻时间差
Figure BDA0002563810930000102
同时，接收通信辅助定位模块2的转发时间差
Figure BDA0002563810930000103
数据，每个地面通信基站与通信辅助定位模块2之间的距离可计算如下：
Figure BDA0002563810930000104
式(12)中，c为微波在空气中的传播速度。
每个辅助通信基站将其基站编号k、通信辅助定位模块2编号i、数据回收时刻和距离di,k等数据发送给主通信基站，主通信基站根据各个通信基站的空间三维坐标及与通信辅助定位模块2的距离di,k，利用三角定位原理计算得到载体的通信辅助定位数据PCAS，具体计算通过求解如下方程得到：
Figure BDA0002563810930000111
式(13)中，PCB,k为主、辅通信基站的空间三维坐标；di,k为通信辅助定位模块相对主、辅通信基站的距离；PCAS为通信辅助定位数据；hCAS为通信辅助定位高度；hbar为气压高度。
主通信基站计算得到载体的通信辅助定位数据PCAS后，将该数据通过电台发送给移动自主导航设备，移动自主导航设备将该通信辅助定位数据PCAS与惯性导航定位数据求差，所得到的差值作为多源信息融合滤波的观测变量(见式7)，用于计算融合后的定位导航数据。
本发明中，如图2所示，导航装置运行原理为：移动自主导航设备在载体发射(或运动)前上电，接收地面主通信基站设备的地面装订数据，其中包含全部地面通信基站设备的位置数据、发射的射向和射角、发射初始位置和速度等信息，移动自主导航设备经惯性导航对准、自主导航启动后发射；在发射后，其主导航模块1进行运动加速度、运动角速度、磁场强度、气压高度等多传感器数据采集，利用运动加速度和运动角速度数据进行惯性导航数据解算；利用惯性导航数据和磁场强度数据进行地磁航姿数据解算；同时，通信辅助定位模块2接收并转发地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据，获得转发时间差
Figure BDA0002563810930000112
数据，地面通信基站设备测量通信辅助定位数据发送时刻和回收时刻时间差
Figure BDA0002563810930000113
得到通信辅助定位数据在空中传播的时间长度，进而得到通信基站设备相对移动自主导航设备的距离；主通信基站根据多个地面通信基站与移动自主导航设备的距离，利用三角定位原理得到移动自主导航设备的空间三维坐标通信辅助定位数据PCAS，并经通信辅助定位模块2回传给移动自主导航设备的自主导航模块1；自主导航模块1(的微处理器14)利用得到的惯性导航数据、通信辅助定位数据PCAS、地磁航姿数据及气压高度数据等进行多源信息融合滤波导航，在不依赖卫星导航条件下，计算得到可移动载体的定位定向信息，实现长时间的高精度自主导航。
根据本发明的第二方面，提供了一种通信辅助定位的低成本自主导航方法，通过上述第一方面所述的导航装置实施，包括以下步骤：
移动自主导航设备在载体发射(或运动)前上电，接收地面主通信基站设备的地面装订数据，该地面装订数据包含全部地面通信基站设备的位置数据、发射的射向和射角、发射初始位置和速度等信息；
在载体发射(或运动)后，移动自主导航设备的主导航模块1进行运动加速度、运动角速度、磁场强度、气压高度等多传感器数据采集，利用运动加速度和运动角速度数据进行惯性导航数据解算；利用惯性导航数据和磁场强度数据进行地磁航姿数据解算；
移动自主导航设备的通信辅助定位模块2接收并转发地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据，获得转发时间差
Figure BDA0002563810930000121
数据，地面通信基站设备测量通信辅助定位数据发送时刻和回收时刻时间差
Figure BDA0002563810930000122
得到通信辅助定位数据在空中传播的时间长度，进而得到通信基站设备相对移动自主导航设备的距离；
主通信基站根据多个地面通信基站与移动自主导航设备的距离，利用三角定位原理得到移动自主导航设备的空间三维坐标通信辅助定位数据PCAS，并经通信辅助定位模块2回传给移动自主导航设备的自主导航模块1；
自主导航模块1利用得到的惯性导航数据、通信辅助定位数据PCAS、地磁航姿数据及气压高度数据等进行多源信息融合滤波导航数据解算，计算得到可移动载体的定位定向信息。
在本发明中，惯性导航数据包括惯性导航位置PINS、惯性导航速度VINS、惯性导航姿态AttiINS，由运动角速度、运动加速度作为数据输入运算得到。
地磁航姿数据包括地磁航向YawMag，由惯性导航姿态AttiINS、磁场强度作为数据输入运算得到。
多源信息融合滤波导航数据包括融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、以及融合滤波姿态AttiDFF等定位定向导航数据，由惯性导航位置PINS、惯性导航速度VINS、惯性导航姿态AttiINS、地磁航向YawMag、气压高度hBar、通信辅助定位数据PCAS数据作为数据输入运算得到。本发明中，多源信息融合滤波导航数据即可移动载体的定位定向信息通过上述式(1)至式(11)得到。
在本发明中，通过信号同步与计时器24得到转发时间差
Figure BDA0002563810930000131
数据，具体地：在通信辅助定位模块2接收到地面通信基站设备发送的辅助定位专用数据时启动计时，在完成辅助定位数据的解调、提取、识别后，编码生成微波调制信号发回，信号发回的时刻，信号同步与计时器24停止计时，计算得到转发时间差
Figure BDA0002563810930000132
该转发时间差
Figure BDA0002563810930000133
经微波调制编码后发回至地面通信基站设备。
在本发明中，地面通信基站设备测量通信辅助定位数据发送时刻和回收时刻时间差
Figure BDA0002563810930000134
通过以下方式获得：主通信基站和辅助通信基站以固定频率向通信辅助定位模块2发送辅助定位专用数据，分别记录下数据发送时刻，接收通信辅助定位模块2发回的辅助定位专用数据时，记录下数据回收时刻，得到发送时刻和回收时刻时间差
Figure BDA0002563810930000135
在本发明中，每个地面通信基站与通信辅助定位模块2之间的距离可计算如下：
Figure BDA0002563810930000136
式(12)中，c为微波在空气中的传播速度，
Figure BDA0002563810930000137
为通信辅助定位数据在空中传播的时间长度。
在本发明中，载体的通信辅助定位数据PCAS通过以下方式获得：每个辅助通信基站将其基站编号k、通信辅助定位模块2编号i、数据回收时刻和距离di,k等数据发送给主通信基站，主通信基站根据各个通信基站的空间三维坐标及与通信辅助定位模块2的距离di,k，利用三角定位原理计算得到载体的通信辅助定位数据PCAS，具体计算通过求解如下方程得到：
Figure BDA0002563810930000141
式(13)中，PCB,k为主、辅通信基站的空间三维坐标；di,k为通信辅助定位模块相对主、辅通信基站的距离；PCAS为通信辅助定位数据；hCAS为通信辅助定位高度；hbar为气压高度。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种通信辅助定位的低成本自主导航装置，其特征在于，包括移动自主导航设备和地面通信基站设备，其中，移动自主导航设备包含自主导航模块、通信辅助定位模块和电源模块，其均安装在可移动的载体上；地面通信基站设备包含一个主通信基站和至少一个辅助通信基站，均安置在载体的地面发射阵地上；
通信辅助定位模块，其实施移动自主导航设备内部模块、以及自主导航设备与地面通信基站设备之间的信息交换，接收并转发地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据，获得转发时间差
Figure FDA0002563810920000013
该转发时间差
Figure FDA0002563810920000014
将发送至地面通信基站设备；
主通信基站和辅助通信基站，均用于与通信辅助定位模块之间相互收发数据，主通信基站和辅助通信基站向通信辅助定位模块发送通信辅助定位数据，并测量通信辅助定位数据发送时刻和回收时刻时间差
Figure FDA0002563810920000012
结合通信辅助定位模块测得的转发时间差
Figure FDA0002563810920000011
得到通信辅助定位数据在空中传播的时间长度，进而得到通信基站设备相对移动自主导航设备的距离；主通信基站根据多个地面通信基站与移动自主导航设备的距离，利用三角定位原理得到移动自主导航设备的空间三维坐标通信辅助定位数据PCAS，并经通信辅助定位模块回传给移动自主导航设备的自主导航模块；
自主导航模块，其采集包括载体运动加速度、运动角速度、磁场强度、气压高度的多传感器数据，利用运动加速度和运动角速度数据进行惯性导航数据解算；利用惯性导航数据和磁场强度数据进行地磁航姿数据解算；利用惯性导航数据、通信辅助定位模块发送的通信辅助定位数据PCAS、地磁航姿数据及气压高度数据进行多源信息融合滤波导航数据解算，计算得到可移动载体的定位定向信息；
电源模块，其用于给自主导航模块和通信辅助定位模块供电。
2.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，移动自主导航设备的主导航模块包括：陀螺仪、加速度计、磁强计、气压高度计、微处理器和外围电路；其中，
陀螺仪得到载体的运动角速度，将运动角速度传输给所述微处理器；
加速度计得到载体的运动加速度，将运动加速度传输给所述微处理器；
磁强计得到载体所处区域的磁场强度，将磁场强度传输给所述微处理器；
气压高度计得到载体所处区域的气压高度信息，将气压高度信息传输给所述微处理器；
微处理器根据接收的地面通信基站设备发送的地面装订信息，完成惯性导航运算、地磁航姿运算和多源信息融合滤波导航运算的参数初始化接收地面装订信息后，微处理器以固定频率采集运动角速度、运动加速度、磁场强度、气压高度信息、以及通信辅助定位模块发送的通信辅助定位数据PCAS，并以固定频率依次完成惯性导航运算、地磁航姿运算和多源信息融合滤波导航运算，得到载体在当前时刻的融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、融合滤波姿态AttiDFF数据；
外围电路用于电压转换、通信数据转换、数据存储、温度采集，为主导航模块内的陀螺仪、加速度计、磁强计、气压高度计、微处理器供电，并为其提供用于数据采集、通信、存储的接口及转换电路。
3.根据权利要求2所述的导航装置，其特征在于，惯性导航运算以运动角速度、运动加速度作为数据输入，运算生成惯性导航位置PINS、惯性导航速度VINS、惯性导航姿态AttiINS；
地磁航姿运算以惯性导航姿态AttiINS、磁场强度作为数据输入，运算生成地磁航向YawMag；
多源信息融合滤波导航运算以惯性导航位置PINS、惯性导航速度VINS、惯性导航姿态AttiINS、地磁航向YawMag、气压高度hBar、通信辅助定位数据PCAS数据作为数据输入，运算生成当前时刻的融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、以及融合滤波姿态AttiDFF。
4.根据权利要求3所述的导航装置，其特征在于，当前时刻的融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、融合滤波姿态AttiDFF通过以下方式获得：
采用卡尔曼滤波方法构建基本的滤波方程：
Figure FDA0002563810920000031
Figure FDA0002563810920000032
Figure FDA0002563810920000033
Figure FDA0002563810920000034
Figure FDA0002563810920000035
Figure FDA0002563810920000036
式(1)～式(6)中，
Figure FDA0002563810920000037
表示状态估计矢量；
Figure FDA0002563810920000038
表示状态估计误差矢量；
Figure FDA0002563810920000039
表示状态一步预测矢量；φk/k-1表示一步转移矩阵；
Figure FDA00025638109200000310
表示一步转移矩阵转置矩阵；Kk表示滤波增益矩阵；
Figure FDA00025638109200000311
表示滤波增益矩阵转置矩阵；Zk表示量测矢量；Hk表示量测矩阵；
Figure FDA00025638109200000312
表示量测矩阵转置矩阵；Pk表示估计均方误差矩阵；Pk/k-1表示一步预测均方误差矩阵；Rk表示量测噪声方差阵；Γk/k-1表示系统噪声驱动矩阵；
Figure FDA00025638109200000313
表示系统噪声驱动阵转置矩阵；Qk-1表示系统噪声方差阵；I表示单位矩阵；
式(1)～式(6)中状态估计矢量选取为：
Figure FDA00025638109200000314
状态估计矢量中各变量分别代表东向失准角、北向失准角、天向失准角、东向速度误差、北向速度误差、天向速度误差、经度误差、纬度误差、高度误差、东向陀螺漂移、北向陀螺漂移、天向陀螺漂移、东向加表偏值、北向价表偏值、天向加表偏值；
观测变量选取为：
Figure FDA0002563810920000041
其中，式(7)中，YawINS为惯性导航航向角,；YawMag为地磁航向角；LINS为惯性导航经度；LCAS为通信辅助定位经度；λINS为惯性导航纬度；λCAS为通信辅助定位纬度；hINS为惯性导航高度信息；hBar为载体所处区域的气压高度信息；
量测矩阵选取为：
Figure FDA0002563810920000042
根据融合滤波的状态估计矢量，可计算得到融合滤波位置PDFF、融合滤波速度VDFF、融合滤波姿态AttiDFF，计算公式如下：
Figure FDA0002563810920000043
Figure FDA0002563810920000044
Figure FDA0002563810920000045
式(9)中，LDFF为融合滤波经度；LINS为惯性导航经度；λDFF为融合滤波纬度；λINS为惯性导航纬度；hDFF为融合滤波高度；hINS为惯性导航高度；δL为经度误差；δλ为纬度误差；δh为高度误差；
式(10)中，VE,DFF为融合滤波东速；VE,INS为惯性导航东速；VN,DFF为融合滤波北速；VN,INS为惯性导航北速；VU,DFF为融合滤波天速；VU,INS为惯性导航天速；δVE为东速误差；δVN为北速误差；δVU为天速误差；
式(11)中，PitchDFF为融合滤波俯仰角；PitchINS为惯性导航俯仰角；RollDFF为融合滤波横滚角；RollINS为惯性导航横滚角；YawDFF为融合滤波航向角；YawINS为惯性导航航向角；φx为东向失准角；φy为北向失准角；φz为天向失准角。
5.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，通信辅助定位模块包括信号编码器、功率放大器、信号解调器、信号同步与计时器、电台天线和通信串口；其中，
信号编码器，用于将通信辅助定位模块需要发送的数据编码生成微波调制信号，经功率放大器进行功率放大，送至电台天线，以微波形式发送至地面通信基站设备；
功率放大器，用于接收信号编码器发送的微波调制信号，进行功率放大处理后，传输至电台天线；
电台天线，用于微波信号的接收和发送，其接收功率放大器传输的微波调制信号，以微波形式发送至地面通信基站设备；并接收地面通信基站设备发送的微波信号，传输至信号解调器，解算完成后发送给自主导航模块；
信号解调器，用于将电台天线接收的微波信号进行解调；
信号同步与计时器，用于在接收到地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据时启动计时，在完成通信辅助定位数据的解调、提取、识别、编码生成微波调制信号发回时停止计时，得到转发时间差
Figure FDA0002563810920000051
通信串口，用于自主导航模块和通信辅助定位模块之间信息的传输，信号解调器解调出的有效数据信号，通过通信串口发送至自主导航模块的微处理器；信号同步与计时器生成的转发时间差
Figure FDA0002563810920000052
数据通过通信串口发送给自主导航模块的微处理器；微处理器需向外发送的数据，通过通信串口发送至信号编码器。
6.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，主通信基站，其还用于在载体发射前接收辅助通信基站发送的位置坐标信息PCB,k，确定主通信基站和辅助通信基站的编号k和空间三维坐标PCB,k；和/或
主通信基站，其还用于在载体发射后，若地面通信基站处于移动状态，实时确定主通信基站和辅助通信基站的名称、编号和空间三维坐标。
7.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，每个地面通信基站与通信辅助定位模块之间的距离可计算如下：
Figure FDA0002563810920000061
式(12)中，c为微波在空气中的传播速度，
Figure FDA0002563810920000062
为通信辅助定位数据在空中传播的时间长度。
8.根据权利要求7所述的导航装置，其特征在于，载体的通信辅助定位数据PCAS通过以下方式获得：每个辅助通信基站将其基站编号k、通信辅助定位模块编号i、数据回收时刻和距离di,k发送给主通信基站，主通信基站根据各个通信基站的空间三维坐标及与通信辅助定位模块的距离di,k，利用三角定位原理计算得到载体的通信辅助定位数据PCAS，具体计算通过求解如下方程得到：
Figure FDA0002563810920000063
式(13)中，PCB,k为主、辅通信基站的空间三维坐标；di,k为通信辅助定位模块相对主、辅通信基站的距离；PCAS为通信辅助定位数据；hCAS为通信辅助定位高度；hbar为气压高度。
9.一种通信辅助定位的低成本自主导航方法，其特征在于，根据权利要求1至8之一所述的导航装置实施，包括以下步骤：
移动自主导航设备在载体发射前上电，接收地面主通信基站设备的地面装订数据，该地面装订数据包含全部地面通信基站设备的位置数据、发射的射向和射角、发射初始位置和速度；
在载体发射后，移动自主导航设备的主导航模块进行运动加速度、运动角速度、磁场强度、气压高度的采集，利用运动加速度和运动角速度数据进行惯性导航数据解算；利用惯性导航数据和磁场强度数据进行地磁航姿数据解算；
移动自主导航设备的通信辅助定位模块接收并转发地面通信基站设备发送的通信辅助定位数据，获得转发时间差
Figure FDA0002563810920000071
数据，地面通信基站设备测量通信辅助定位数据发送时刻和回收时刻时间差
Figure FDA0002563810920000072
得到通信辅助定位数据在空中传播的时间长度，进而得到通信基站设备相对移动自主导航设备的距离；
主通信基站根据多个地面通信基站与移动自主导航设备的距离，利用三角定位原理得到移动自主导航设备的空间三维坐标通信辅助定位数据PCAS，并经通信辅助定位模块回传给移动自主导航设备的自主导航模块；
自主导航模块利用得到的惯性导航数据、通信辅助定位数据PCAS、地磁航姿数据及气压高度数据进行多源信息融合滤波导航数据解算，计算得到可移动载体的定位定向信息。
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