CN206593667U - 高精度惯性定位模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度惯性定位模块，包括电源模块、射频处理模块、数据处理模块和应用处理模块,在射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块之间设置有GPS/INS组合装置，GPS/INS组合装置设置有两个输出口，其中一个是经过一个1K欧姆的电阻后与数据处理模块的TXD脚连接，另一个是通过串联一个1K欧姆的电阻后，再并列一个100FP的电容后与数据处理模块的RX脚连接；将GPS和INS进行组合可以使两种导航系统取长补短，构成一个有机的整体改善了系统精度、加强了系统的抗干扰能力以及解决GPS动态应用采样频率低的问题。

Description

高精度惯性定位模块

技术领域

本实用新型涉通讯技术产领域，尤其涉及一种高精度惯性定位模块。

背景技术

随着科技的发展，越来越多的地方需要用到定位装置，比如计算机技术、网络通信技术、现代测绘技术、卫星定位数据处理技术等高新技术，而在这些领域中用的最多的是差分定位模块，差分定位模块的主要指标是捕获灵敏度、跟踪灵敏度、启动时间和定位精度，这些指标中最关键的作用是衡量其定位精度性能的好坏，但是现有的定位模块在稳定性方面不及全站仪，RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响。信号强度较弱，在对空遮挡比较严重的地方GPS无法正常应用。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种高精度惯性定位模块，能非常快速的连接到卫星进行通信，改善了系统精度；加强系统的抗干扰能力。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种高精度惯性定位模块，包括电源模块、射频处理模块、数据处理模块和应用处理模块,所述电源模块与射频处理模块和应用处理模块电连接，所述射频处理模块与数据处理模块电连接，所述射频处理模块与天线模块连接，所述数据处理模块与RTK模块电连接，所述射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块之间设置有GPS/INS组合装置，GPS/INS组合装置设置有两个输出口，其中一个是经过一个1K欧姆的电阻后与数据处理模块的TXD脚连接，另一个是通过串联一个1K欧姆的电阻后，再并列一个100FP的电容后与数据处理模块的RX脚连接；所述射频处理模块的RXD引脚串联一个有1K欧姆的电阻，以及并联一个100pf的电容再与数据处理模块的RX脚连接。

其中，所述数据处理模块采用STM32F103C876芯片,所述应用处理模块采用MPU6050芯片，所述射频处理模块采用Ublox8030，电源模块提供3.3V电压给射频处理模块、应用处理模块和数据处理模块，所述数据处理模块的PB7脚与应用处理模块的SDA脚连接，所述数据处理模块的PB6脚与应用处理模块的SCL脚连接，射频处理模块的RXD引脚与数据处理模块的RX脚连接，射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块的TX脚连接，射频处理模块的V-BCKP端与备用电池的正极端连接，备份电池的负极接地。

其中，所述射频处理模块的RXD脚与数据处理模块的RX脚之间，以及射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块的TX脚之间通过RS232串行接口连接。

其中，所述电源模块上设置有为2个低压差线性稳压器，两个低压差线性稳压器，共同输入的VCC为5V，输出均为3.3V，且其中一个与数据处理模块和应用处理模块电连接，另一个给射频处理模块电连接。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型提供的高精度惯性定位模块，在射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块之间设置有GPS/INS组合装置，即实现GPS/INS组合制导，INS(Inertial Navigation System惯性导航系统)，GPS是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，使用方便、成本低廉，其最新的实际定位精度已经达到5米以内。但是GPS系统军事应用还存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足。而INS系统则是利用安装在载体上的惯性测量装置(如加速度计和陀螺仪等)敏感载体的运动，输出载体的姿态和位置信息。INS系统完全自主，保密性强，并且机动灵活，具备多功能参数输出，但是存在误差随时间迅速积累的问题，导航精度随时间而发散，不能单独长时间工作，必须不断加以校准。将GPS和INS进行组合可以使两种导航系统取长补短，构成一个有机的整体其优势主要体现在：1.GPS/INS组合改善了系统精度；2.GPS/INS组合加强了系统的抗干扰能力；3.解决周跳问题；4.解决GPS动态应用采样频率低的问题；5.用途更广。

附图说明

图1为本实用新型实施例GPS差分高精度定位装置模块框图；

图2为本实用新型实施例GPS/INS组合装置连接示意图；

图3为本实用新型实施例射频处理模块电路图；

图4为本实用新型实施例数据处理模块电路图；

图5为本实用新型实施例应用处理模块电路图；

图6为本实用新型实施例电源模块电路图。

主要元件符号说明如下：

1、电源模块 2、射频处理模块

3、数据处理模块 4、应用处理模块

5、天线模块 6、RTK模块。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

请参阅图1-图2，本实用新型提供一种高精度惯性定位模块，包括电源模块1、射频处理模块2、数据处理模块3和应用处理模块4,在本实施例中，电源模块1与射频处理模块2、数据处理模块3和应用处理模块4电连接，在本实施例中，电源模块1输出3.3V电压，分别给射频处理模块2、数据处理模块3和应用处理模块4供电，在本实施例中，射频处理模块2与数据处理模块3电连接，射频处理模块2与天线模块5连接，数据处理模块3与RTK模块6电连接，数据处理模块3采用STM32F103C876芯片,应用处理模块4采用MPU6050芯片，射频处理模块2采用Ublox8030芯片，数据处理模块3的PB7脚与应用处理模块4的SDA脚连接，数据处理模块3的PB6脚与应用处理模块4的SCL脚连接，射频处理模块2的RXD引脚与数据处理模块3的RX脚连接，射频处理模块2的TXD引脚与数据处理模块3的TX脚连接。在本实施例中，所述射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块之间设置有GPS/INS组合装置，GPS/INS组合装置设置有两个输出口，其中一个是经过一个1K欧姆的电阻R4后与数据处理模块3的TXD脚连接，另一个是通过串联一个1K欧姆的电阻R3后，再并列一个100FP的电容CA1后与数据处理模块3的RX脚连接；射频处理模块2的RXD引脚串联一个有1K欧姆的电阻RA1，以及并联一个100pf的电容CA2再与数据处理模块3的RX脚连接，本电路结构在设计的时候，可以根据需求，选择是单独使用GPS功能还是使用GPS/INS功能，当单独使用GPS功能的时候，让电阻R3短路，电阻R4保持不变，当使用GPS/INS通讯时，让电阻R4短路，电阻R3保持不变。

与现有技术相比，本实用新型的射频处理模块采用Ublox8030，使用Ublox8030芯片，通过正面备份电池用来驱动实时时钟和维持GPS的SRAM/RTC实时时钟正常工作，以便于非常快速的连接到卫星进行通信，该动作被称为“热启动”，基于无线通讯模块从RTCM基站/差分网络下载数据，实现高精度定位。本使用新型的工作原理为，将高精度惯性定位模块安装在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站得到卫星的距离改正数，并由基准站实时将一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

本实用新型提供的高精度惯性定位模块，在射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块之间设置有GPS/INS组合装置，即实现GPS/INS组合制导，INS(Inertial NavigationSystem惯性导航系统)，GPS是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，使用方便、成本低廉，其最新的实际定位精度已经达到5米以内。但是GPS系统军事应用还存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足。而INS系统则是利用安装在载体上的惯性测量装置(如加速度计和陀螺仪等)敏感载体的运动，输出载体的姿态和位置信息。INS系统完全自主，保密性强，并且机动灵活，具备多功能参数输出，但是存在误差随时间迅速积累的问题，导航精度随时间而发散，不能单独长时间工作，必须不断加以校准。将GPS和INS进行组合可以使两种导航系统取长补短，构成一个有机的整体其优势主要体现在：1.GPS/INS组合改善了系统精度；高精度的GPS信息可以用来修正INS，控制其误差随时间的积累。利用GPS信息可以估计出INS的误差参数以及GPS接收机的钟差等量。另一方面，利用INS短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，可以为GPS提供辅助信息。利用这些辅助信息，GPS接收机可以保持较低的跟踪带宽，从而可以改善系统重新俘获卫星信号的能力。2.GPS/INS组合加强了系统的抗干扰能力；当GPS信号受到高强度干扰，或当卫星系统接收机出现故障时，INS系统可以独立地进行导航定位。当GPS信号条件显著改善到允许跟踪时，INS系统向GPS接收机提供有关的初始位置、速度等信息，以供在迅速重新获取GPS码和载波时使用。INS系统信号也可用来辅助GPS接收机的天线对准GPS卫星，从而减小了干扰对系统的影响。3.解决周跳问题；对于GPS载波相位测量，INS可以很好地解决GPS周跳和信号失锁后整周模糊度参数的重新解算，也降低了至少4颗卫星可见的要求。4.解决GPS动态应用采样频率低的问题；在某些动态应用领域，高频INS数据可以在GPS定位结果之间高精度内插所求事件发生的位置(如航空相机曝光瞬间的位置测定)5.用途更广，GPS/INS组合系统是GPS与INS互补的、互相提高的集成，而不是二者的简单结合。组合系统性能更强，应用领域更广。正是由于这两套系统具有极好的互补性，不仅可以低成本提供全球精确导航，也可以满足军事应用对保密性的要求。。

请参阅图3，射频处理模块2采用Ublox8030芯片，其第3引脚timepluse引脚连接一个1K的电阻R6以及一个二极管DA2后与地连接，其第11引脚的RF-IN引脚与天线模块5连接，其天线模块的OUT端与第11引脚连接，IN端与GPS天线连接，其余端口接地，在本实施例中，天线为高频微带天线，频率为1.57542GHZ，阻抗为50欧姆。射频处理模块2的第10引脚、13引脚和24引脚接地，第23引脚连接3.3V输入电压，23引脚与24引脚之间连接两个2.2uf的电容C11和C12滤波，同时，23引脚与22引脚的V-BCKP引脚通过一个二极管DA1连接，在二极管DA1阳极端通过两路2.2UF电容C14和C15滤波，在二极管DA1的阴极端分别除了一个2.2uf的电容C13滤波外，还连接有一个1K的电阻R2，该电阻与备用电池BT1的正极连接，备用电池BT1的负极接地，在本实施例中，射频处理模块2的第21引脚RXD端与数据处理模块3的RX脚以及射频处理模块2的TXD引脚与数据处理模块3的TX脚分别通过RS232串行接口数据线电连接。

请参阅图4，在本实施例中，数据处理模块3采用STM32F103C876芯片，其中，数据处理模块3的第43号引脚PB7脚与应用处理模块4的SDA脚连接，该数据处理模块3的第42号引脚PB6脚与应用处理模块4的SCL脚连接，同时，在这两条连接线上，还分别串联一个4.7K欧姆的电阻R11和R10，R11和R10两个电阻的另一端同连3.3V输入电压和2.2UF的滤波电容C28,电容C28的另一端接地，在本实施例中，STM32F103C876芯片的第5引脚OSC-IN端和第六引脚OSC-OUT端分别外接一个8MHZ的晶振Y4、1M欧姆的电阻R12后，再分别连接22P的电容C22和22P的电容23后，与地连接。在本实施例中，第30引脚为TX引脚，通过RS232数据线与射频处理模块2的第20引脚TXD引脚连接，第31引脚通过RS232数据线与射频处理模块2的第21引脚RXD引脚连接，在本实施例中，STM32F103C876芯片的的48引脚、第9引脚、第24引脚以及第36引脚JTCK均连接3.3V输入电压。

请参阅图5，在本实施例中，应用处理模块4采用MPU-6050芯片，第24引脚SDA串联22R电阻R9后与数据处理模块3的第43引脚连接，第23号引脚SCL串联22R电阻R8后与数据处理模块3的第42号引脚连接，MPU-6050芯片的第13引脚VDD连接0.1uf电容C18和C17后，与33nh的电感L3串联后与3.3V输入电压连接。

请参阅图6，在本实施例中，电源模块1上设置有为2个低压差线性稳压器LDO1和LDO2，两个低压差线性稳压器，共同输入的VCC为5V，输出均为3.3V，在本实施例中，VCC电压经过0.11uf的电容C6和C7以及0.1uf的电容C30后与LDO2的5.0V输入端连接，经过稳压器的调整后，再经过0.1uf的电容C8，以及1UF的电容C9和C10后输出供给数据处理模块3和应用处理模块4的3.3V电压，另外一边，VCC电压经过1K电阻R1的分压和2.2UF的电容C2和C1滤波后与LDO1的5.0V输入端连接，经过稳压器的调整后，经过0.1uf电容C3以及2.2uf电容C4和C5的滤波，以及经过33nh的电感L1后给射频处理模块2提供3.3V电压，且在LDO1的其中一端，还经过一个10R的电阻R16对LDO1进行电压控制。

本使用新型的工作原理为，将GPS差分高精度定位装置安装在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站得到卫星的距离改正数，并由基准站实时将一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各位星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得到伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度；载波相位差分技术是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域；基准站-移动站差分是采用两台GPS差分高精度定位装置。一台是基准站GPS，另一台是用户端GPS，并且知道一个已知点的坐标，原理是在已知坐标的固定点上架设一台GPS差分高精度定位装置(称基准站)，通过GPS的定位数据和已知坐标点的数据解算出差分数据(RTCM)，再通过数据链将误差修正参数实时播发出去，用户端通过数据链接收修正参数并传给GPS，GPS接收修正参数后和自己的定位数据进行修正解算，即可将定位精度提高到米级、甚至厘米级。信标差分系统上就是差分系统，只是信标差分系统不需要用户自己架设基准站，因为考虑到实时差分系统未来的需要，国家交通部海监局在我国沿海从南到北沿海岸线建立20个信标台站，这些信标站24小时发送RTCM差分校准信息，其传输的距离是：在内陆是300KM的覆盖范围，在海上是500KM的覆盖范围。用户端只需要一台移动站的GPS就可以实现高精度的实时定位。

在本实施例中，高精度GPS系统由基准站和移动站两部分组成，基准站播发高精度GPS差分改正信息，支持RTCM/RTCA/CMR多种差分协议，移动站支持接收不同的差分改正信息，根据需要设置系统工作在DGPS或RTK差分模式下。系统不但具有位置、速度信息实时输出，还具有时间同步功能，基准站和移动站均可以给周边其它设备提供时间同步源，时间同步精度可以到达10ns。

本实用新型的优势在于：

1)本实用新型在射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块之间设置有GPS/INS组合装置，即实现GPS/INS组合制导，使用方便、成本低廉，其最新的实际定位精度已经达到5米以内，且GPS/INS组合改善了系统精度；GPS/INS组合加强了系统的抗干扰能力；解决GPS动态应用采样频率低的问题；

2)GPS差分高精度定位装置内部嵌入ublox8030芯片，正面备份电池用来驱动实时时钟和维持GPS差分高精度定位装置的SRAM/RTC实时时钟正常工作，实现热启动，以便于非常快速的连接到卫星进行通信。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种高精度惯性定位模块，其特征在于，包括电源模块、射频处理模块、数据处理模块和应用处理模块,所述电源模块与射频处理模块和应用处理模块电连接，所述射频处理模块与数据处理模块电连接，所述射频处理模块与天线模块连接，所述数据处理模块与RTK模块电连接，所述射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块之间设置有GPS/INS组合装置，GPS/INS组合装置设置有两个输出口，其中一个是经过一个1K欧姆的电阻后与数据处理模块的TXD脚连接，另一个是通过串联一个1K欧姆的电阻后，再并列一个100FP的电容后与数据处理模块的RX脚连接；所述射频处理模块的RXD引脚串联一个有1K欧姆的电阻，以及并联一个100pf的电容再与数据处理模块的RX脚连接。

2.根据权利要求1所述的高精度惯性定位模块，其特征在于，所述数据处理模块采用STM32F103C876芯片,所述应用处理模块采用MPU6050芯片，所述射频处理模块采用Ublox8030，电源模块提供3.3V电压给射频处理模块、应用处理模块和数据处理模块，所述数据处理模块的PB7脚与应用处理模块的SDA脚连接，所述数据处理模块的PB6脚与应用处理模块的SCL脚连接，射频处理模块的RXD引脚与数据处理模块的RX脚连接，射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块的TX脚连接，射频处理模块的V-BCKP端与备用电池的正极端连接，备份电池的负极接地。

3.根据权利要求1所述的高精度惯性定位模块，其特征在于，所述射频处理模块的RXD脚与数据处理模块的RX脚之间，以及射频处理模块的TXD引脚与数据处理模块的TX脚之间通过RS232串行接口连接。

4.根据权利要求1所述的高精度惯性定位模块，其特征在于，所述电源模块上设置有为2个低压差线性稳压器，两个低压差线性稳压器，共同输入的VCC为5V，输出均为3.3V，且其中一个与数据处理模块和应用处理模块电连接，另一个给射频处理模块电连接。