CN117470231A - 一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，包括光纤惯导、惯导安装台体、数据采集与接口模块、4G/5G通讯模块、GNSS‑RTK定位模块、逻辑处理与导航解算模块、电源模块。光纤惯导包括三个高精度光纤陀螺仪、自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计以及捷联惯导算法；数据采集与接口模块包括RS422接口、RS422转UART芯片、UART接口、SPI接口、I2C接口、CAN总线接口、RS232接口；4G/5G通讯模块用于接收CORS系统发送的基准站观测值；GNSS‑RTK定位模块包括GNSS双天线、全系统多频点高精度RTK定位模块；逻辑处理与导航解算模块包括FPGA、存储器和ARM处理器。本发明在光纤惯导的基础上通过4G/5G通讯模块智能网联GNSS‑RTK定位模块，实现了高精度惯性导航与高精度RTK定位的组合导航。
Description
技术领域
本发明涉及导航设备技术领域，具体涉及一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备。
背景技术
惯性导航系统是一种完全自主且不受外部环境干扰的独立式导航系统，具有隐蔽性好和独立性高等优势。光纤惯导的核心部件是三轴光纤陀螺仪和三轴石英挠性加速度计，三轴光纤陀螺仪用于测量运动载体的角速度，三轴石英挠性加速度计用于测量运动载体的加速度。光纤惯导是一种高精度、高可靠性的惯性导航系统，广泛应用于航空航天、无人驾驶汽车、天线稳定系统、姿态/方位基准系统、水下机器人导航与控制等领域。
全球卫星导航系统（GNSS），是能在地球表面或近地空间的任何地点，为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。GNSS包括中国的北斗卫星导航系统（BDS）、美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）和欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）。
RTK(Real-time kinematic，实时动态)定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，其原理是将基准站采集的载波相位观测值，通过数据链实时发送给流动站；流动站不仅接收来自基准站的数据，还要采集GNSS观测数据，通过对所收到的信号进行处理，能够实时地提供流动站在指定坐标系中的三维定位结果，并且达到厘米级精度。
连续运行参考站系统（CORS）是由一个或若干个固定的、连续运行的GNSS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN/WAN)技术组成的网络，实时地向不同的类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GNSS观测值，各种改正数、状态信息以及其他有关GNSS服务项目的系统。CORS系统是在RTK定位技术的基础上发展而来。
中国实用新型专利CN213688375U提供一种三轴一体化的小型光纤惯导，其包括机械骨架、光纤陀螺组件、以及石英挠性加速度计组件，机械骨架为正六面体；光纤陀螺组件、以及石英挠性加速度计组件分布在正六面体的六个面上。该小型光纤惯导是在三轴光纤陀螺的基础上融合三轴石英加速度计，进行一体化设计，其中三轴光纤陀螺共用一个光源，与石英加速度计组成微小型化、低成本三轴一体化光纤惯导。该技术方案未涉及与GNSS-RTK定位模块进行组合导航。
中国发明专利申请CN113503874A公开了一种光纤组合导航系统，所述系统包括：北斗双天线模块、三轴光纤陀螺、加速度计、导航计算机解算模块、电源模块、底座、上盖和外壳；所述三轴光纤陀螺固定在底座上，所述加速度计固定在所述三轴光纤陀螺内部，所述电源模块、导航计算机解算模块、北斗双天线模块固定在所述上盖内壁，所述电源模块与所述导航计算机解算模块连接为其供电，所述导航计算机解算模块连接所述北斗双天线模块，所述外壳连接所述底座和上盖，形成封闭空间。该技术方案未涉及智能网联CORS系统与RTK定位技术，导航精度有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，在光纤惯导的基础上通过4G/5G通讯模块智能网联GNSS-RTK定位模块，实现了高精度惯性导航与高精度RTK定位的组合导航。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，包括光纤惯导、惯导安装台体、数据采集与接口模块、4G/5G通讯模块、GNSS-RTK定位模块、逻辑处理与导航解算模块、电源模块；
所述光纤惯导包括三个相互正交布置的高精度光纤陀螺仪、自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计以及捷联惯导算法，光纤惯导安装在惯导安装台体上；
所述数据采集与接口模块包括RS422接口、RS422转UART芯片、UART接口、SPI接口、I2C接口、CAN总线接口、RS232接口；
所述4G/5G通讯模块用于接收CORS系统发送的基准站观测值，所述基准站观测值包括伪距、载波相位、载噪比；
所述GNSS-RTK定位模块包括GNSS双天线、全系统多频点高精度RTK定位模块，所述全系统多频点高精度RTK定位模块基于射频基带及RTK定位算法一体化的SoC芯片；所述GNSS-RTK定位模块与所述4G/5G通讯模块之间通过RS232接口连接，GNSS-RTK定位模块将接收的流动站观测值与基准站观测值中的载波相位融合后运行RTK定位算法，计算出流动站的位置和速度信息；
所述逻辑处理与导航解算模块包括FPGA、存储器和ARM处理器；所述数据采集与接口模块、4G/5G通讯模块、GNSS-RTK定位模块、逻辑处理与导航解算模块、电源模块都设置在电路板上；
三个高精度光纤陀螺仪、自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计均使用RS422接口与RS422转UART芯片的输入端连接，RS422转UART芯片的输出端与FPGA连接；GNSS-RTK定位模块通过UART接口与FPGA连接，GNSS-RTK定位模块与光纤惯导之间通过PPS时钟同步信号在时间上保持一致；
存储器通过SPI接口与FPGA连接，FPGA与ARM处理器之间通过FMC总线连接；ARM处理器写入捷联惯导算法以及基于扩展卡尔曼滤波的INS/GNSS松耦合组合导航算法，ARM处理器通过CAN总线接口、RS232接口和RS422接口输出解算后的导航信息。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，还包括三轴磁性传感器，所述三轴磁性传感器通过I2C接口与FPGA连接。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，还包括数字气压温度传感器，所述数字气压温度传感器通过I2C接口与FPGA连接。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，还包括通过CAN总线接口输入的里程计信息。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，所述三个高精度光纤陀螺仪都自带温度传感器。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，所述SoC芯片的型号是和芯星通的UM982。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，所述RS422转UART芯片的数量为四；三个RS422转UART芯片分别与三个高精度光纤陀螺仪连接，一个RS422转UART芯片与自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计连接。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，数据采集与接口模块还包括网口、USB接口；所述网口、USB接口都与ARM处理器连接。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，所述电路板包括主控板、核心板、4G/5G通讯板；数据采集与接口模块、GNSS-RTK定位模块、电源模块都设置在主控板上，逻辑处理与导航解算模块设置在核心板上，4G/5G通讯模块设置在4G/5G通讯板上；主控板安装在惯导安装台体的顶部，核心板、4G通讯板都安装在主控板的上方。
根据本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，还包括壳体，所述壳体包括底座、外壳和上盖，所述外壳是由四个面围成的空心长方体，底座、外壳和上盖形成一个封闭的整体。
本发明与现有技术相比的有益效果是：①光纤惯导包括三个相互正交布置的高精度光纤陀螺仪、自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计以及捷联惯导算法，实现了高精度惯性导航；②4G/5G通讯模块用于接收CORS系统发送的基准站观测值，GNSS-RTK定位模块将接收的流动站观测值与基准站观测值中的载波相位融合后运行RTK定位算法，实现了厘米级高精度RTK定位；③ARM处理器写入捷联惯导算法以及基于扩展卡尔曼滤波的INS/GNSS松耦合组合导航算法，组合导航具有精度高和稳定性好的优点。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备的原理框图；
图2是本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备的结构示意图；
图3是本发明提供的高精度光纤陀螺仪的立体图；
图4是本发明提供的自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计的立体图；
图5是本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备的立体图；
图6是本发明提供的算法设计架构图。
图中标号说明：10-光纤惯导；11-高精度光纤陀螺仪；12-自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计；121-石英挠性加速度计；122-I/F转换电路；123-加表座；20-惯导安装台体；21-安装板；22-安装立柱；23-减振器安装孔；30- RS422转UART芯片；40-4G/5G通讯模块；50- GNSS-RTK定位模块；60-FPGA；70-存储器；80-ARM处理器；90-三轴磁性传感器；100-数字气压温度传感器；101-第一电连接器；102-第二电连接器；103-LED控制电路；104-电源I/O控制电路；105-底座；106-外壳；107-上盖；110-里程计。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一：请参照图1-图2所示，本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，包括光纤惯导10、惯导安装台体20、数据采集与接口模块、4G/5G通讯模块40、GNSS-RTK定位模块50、逻辑处理与导航解算模块、电源模块。
光纤惯导10包括X轴、Y轴和Z轴高精度光纤陀螺仪11、自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计12以及捷联惯导算法。本实施例中，载体坐标系以载体的质心为坐标原点，以载体前进方向为X轴，水平向左为Y轴，Z轴沿载体垂直向上，三轴构成右手直角坐标系。
光纤惯导10安装在惯导安装台体20上。所述惯导安装台体20包括一体成型的立体框架、安装板21、安装立柱22与减振器安装孔23。立体框架上安装三个相互正交布置的高精度光纤陀螺仪11。具体的，两个高精度光纤陀螺仪11沿垂直方向安装在立体框架上，一个高精度光纤陀螺仪11沿水平方向安装在安装板21的下表面，安装板21的上表面用于安装加表座123。安装立柱22设置在立体框架的顶部，用于固定安装电路板。
请参照图3所示，高精度光纤陀螺仪11为数字闭环光纤陀螺仪，其采用方波信号进行偏置调制，采用数字相位阶梯波实现闭环，获得数字角速度值后转换为低采样率的数字量向外输出。高精度光纤陀螺仪11的型号为天陆海自主研发的FOG701-2A，其量程为±500º/S，零偏稳定性(1σ)典型值为0.07º/h，带宽为200Hz。
请参照图4所示，自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计12包括三个相互正交布置的石英挠性加速度计121和三轴共用的I/F转换电路122。所述三个相互正交布置的石英挠性加速度计121安装在加表座123上；I/F转换电路122安装在加表座123的顶部，用于将三个相互正交布置的石英挠性加速度计121输出的电流信号转换为频率信号，该电流信号的大小与输入加速度成正比。
所述数据采集与接口模块包括RS422接口、RS422转UART芯片30、UART接口、SPI接口、I2C接口、CAN总线接口、RS232接口。所述RS422接口用于三个相互正交布置的高精度光纤陀螺仪11输出角速度信息以及自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计12输出加速度信息，RS422接口还用于输出组合导航信息、输出PPS时钟同步信号。
所述逻辑处理与导航解算模块包括FPGA60、存储器70和ARM处理器80。FPGA60用于执行数据逻辑处理功能和数字电路的硬件实现，存储器70用来存储程序和各种数据信息。存储器70与FPGA60之间用SPI接口连接，FPGA60与ARM处理器80之间通过FMC总线连接。
RS422转UART芯片30可以提供高速、高精度、高可靠性的电平转换，从而提高惯性导航系统的性能和可靠性。三个高精度光纤陀螺仪11、自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计12均使用RS422接口与RS422转UART芯片30的输入端连接，RS422转UART芯片30的输出端与FPGA60连接。具体的，RS422转UART芯片30的数量为四，三个RS422转UART芯片30与三个高精度光纤陀螺仪11的连接分别用三个第一电连接器101实现，一个RS422转UART芯片30与自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计12的连接用一个第一电连接器101实现。
所述4G/5G通讯模块40用于接收CORS系统发送的基准站观测值，所述基准站观测值包括伪距、载波相位、载噪比。具体的，4G/5G通讯模块40还包括外部安装的蜂窝天线。4G/5G通讯模块40设置在4G/5G通讯板130上，4G/5G通讯模块40与GNSS-RTK定位模块50之间通过RS232接口连接。
所述GNSS-RTK定位模块50包括GNSS双天线、全系统多频点高精度RTK定位模块。所述全系统多频点高精度RTK定位模块基于射频基带及RTK定位算法一体化的SoC芯片。GNSS双天线包括主天线和从天线，能对运动载体实现定向功能。具体的，SoC芯片的型号是和芯星通的UM982，UM982支持全系统全频点片上RTK定位及双天线定向解算。GNSS-RTK定位模块50通过GNSS双天线接收卫星发送的流动站观测值，所述流动站观测值包括伪距、载波相位、载噪比、多普勒频移。GNSS-RTK定位模块50将接收的流动站观测值与基准站观测值中的载波相位融合后运行RTK定位算法，计算出流动站的位置和速度信息，GNSS-RTK定位模块50能实现厘米级高精度定位。GNSS-RTK定位模块50与光纤惯导10之间通过PPS时钟同步信号在时间上保持一致。GNSS-RTK定位模块50与FPGA60之间用UART接口连接。
本实施例中还包括三轴磁性传感器90和数字气压温度传感器100，所述三轴磁性传感器90和数字气压温度传感器100均通过I2C接口与FPGA60连接。具体的，三轴磁性传感器90和数字气压温度传感器100都安装在主控板110上；三轴磁性传感器90的型号为QMC5883L，数字气压温度传感器100的型号为BMP280。本实施例中还包括LED控制电路103，所述LED控制电路103与ARM处理器80的GPIO端口连接。
所述电源模块包括电源I/O控制电路104、滤波电路和DC/DC转换电路。电源模块通过第二电连接器102与外部输入电源连接。所述电源I/O控制电路104与FPGA60的GPIO端口连接，电源模块分别为光纤惯导10、4G/5G通讯模块40、GNSS-RTK定位模块50、数据采集与接口模块、逻辑处理与导航解算模块供电。
可选的，数据采集与接口模块还包括网口、USB接口；所述网口、USB接口都与ARM处理器80连接。网口、USB接口都用于输出ARM处理器80解算后的导航信息。
数据采集与接口模块、4G/5G通讯模块40、GNSS-RTK定位模块50、逻辑处理与导航解算模块、电源模块都设置在电路板上。所述电路板包括主控板110、核心板120、4G/5G通讯板130。所述主控板110上设有铜柱，所述铜柱用于固定安装核心板120和4G/5G通讯板130。
请参照图5所示，本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备还包括壳体，所述壳体包括底座105、外壳106和上盖107。所述外壳106是由四个面围成的空心长方体，即形成两相对端开口的长方体壳体，外壳106四个面的底部设有卡块，底座105上设有与卡块适配的卡槽。上盖107在装配时用螺钉固定在惯导安装台体20四个角的安装立柱22上，底座105、外壳106和上盖107形成一个封闭的整体。底座105、外壳106和上盖107的材质为铝合金，在实际运用中还可以采用镁合金。
请参照图6所示，ARM处理器80写入捷联惯导算法解算以及基于扩展卡尔曼滤波的INS/GNSS松耦合组合导航算法解算，ARM处理器80通过CAN总线接口、RS232接口和RS422接口输出解算后的导航信息。具体的，所述CAN总线接口、RS232接口、RS422接口输出导航信息用第二电连接器102实现。所述导航信息包括速度、位置、航向角、俯仰角、横滚角和时间信息。
实施例二：本实施例中，本发明提供的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备还包括通过CAN总线接口输入的里程计110信息，ARM处理器80写入捷联惯导算法以及基于扩展卡尔曼滤波的INS/GNSS/里程计松耦合组合导航算法，解算后通过CAN总线接口、RS232接口和RS422接口输出解算后的导航信息。具体的，所述CAN总线接口、RS232接口、RS422接口输出导航信息用第二电连接器102实现。所述导航信息包括速度、位置、航向角、俯仰角、横滚角和时间信息。其他部分的内容及功能与实施例一相同，不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：包括光纤惯导、惯导安装台体、数据采集与接口模块、4G/5G通讯模块、GNSS-RTK定位模块、逻辑处理与导航解算模块、电源模块；
所述光纤惯导包括三个相互正交布置的高精度光纤陀螺仪、自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计以及捷联惯导算法，光纤惯导安装在惯导安装台体上；
所述数据采集与接口模块包括RS422接口、RS422转UART芯片、UART接口、SPI接口、I2C接口、CAN总线接口、RS232接口；
所述4G/5G通讯模块用于接收CORS系统发送的基准站观测值，所述基准站观测值包括伪距、载波相位、载噪比；
所述GNSS-RTK定位模块包括GNSS双天线、全系统多频点高精度RTK定位模块，所述全系统多频点高精度RTK定位模块基于射频基带及RTK定位算法一体化的SoC芯片；所述GNSS-RTK定位模块与所述4G/5G通讯模块之间通过RS232接口连接，GNSS-RTK定位模块将接收的流动站观测值与基准站观测值中的载波相位融合后运行RTK定位算法，计算出流动站的位置和速度信息；
所述逻辑处理与导航解算模块包括FPGA、存储器和ARM处理器；所述数据采集与接口模块、4G/5G通讯模块、GNSS-RTK定位模块、逻辑处理与导航解算模块、电源模块都设置在电路板上；
三个高精度光纤陀螺仪、自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计均使用RS422接口与RS422转UART芯片的输入端连接，RS422转UART芯片的输出端与FPGA连接；GNSS-RTK定位模块通过UART接口与FPGA连接，GNSS-RTK定位模块与光纤惯导之间通过PPS时钟同步信号在时间上保持一致；
存储器通过SPI接口与FPGA连接，FPGA与ARM处理器之间通过FMC总线连接；ARM处理器写入捷联惯导算法以及基于扩展卡尔曼滤波的INS/GNSS松耦合组合导航算法，ARM处理器通过CAN总线接口、RS232接口和RS422接口输出解算后的导航信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：还包括三轴磁性传感器，所述三轴磁性传感器通过I2C接口与FPGA连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：还包括数字气压温度传感器，所述数字气压温度传感器通过I2C接口与FPGA连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：还包括通过CAN总线接口输入的里程计信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：所述三个高精度光纤陀螺仪都自带温度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：所述SoC芯片的型号是和芯星通的UM982。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：所述RS422转UART芯片的数量为4；三个RS422转UART芯片分别与三个高精度光纤陀螺仪连接，一个RS422转UART芯片与自带I/F转换电路的三轴石英挠性加速度计连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：数据采集与接口模块还包括网口、USB接口；所述网口、USB接口都与ARM处理器连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：所述电路板包括主控板、核心板、4G/5G通讯板；数据采集与接口模块、GNSS-RTK定位模块、电源模块都设置在主控板上，逻辑处理与导航解算模块设置在核心板上，4G/5G通讯模块设置在4G/5G通讯板上；主控板安装在惯导安装台体的顶部，核心板、4G通讯板都安装在主控板的上方。
10.根据权利要求1所述的一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备，其特征在于：还包括壳体，所述壳体包括底座、外壳和上盖，所述外壳是由四个面围成的空心长方体，底座、外壳和上盖形成一个封闭的整体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311450445.5A CN117470231A (zh) | 2023-11-03 | 2023-11-03 | 一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311450445.5A CN117470231A (zh) | 2023-11-03 | 2023-11-03 | 一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117470231A true CN117470231A (zh) | 2024-01-30 |
Family
ID=89637511
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311450445.5A Pending CN117470231A (zh) | 2023-11-03 | 2023-11-03 | 一种基于光纤惯导的智能网联高精度导航设备 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117470231A (zh) |
-
2023
- 2023-11-03 CN CN202311450445.5A patent/CN117470231A/zh active Pending
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