CN208953696U - 一种基于4g网络通信的厘米级定位与惯性导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，包括壳体，以及设置于所述壳体内的印刷电路板PCB、卫星定位器、4G移动通信电路、惯性测量电路和电源，所述卫星定位器、所述4G移动通信电路、所述惯性测量电路和所述电源均设置在所述印刷电路板PCB上，所述卫星定位器分别与所述4G移动通信电路和所述惯性测量电路电连接，所述电源分别与所述卫星定位器、所述4G移动通信电路和所述惯性测量电路电连接。本实用新型提供的定位与惯性导航装置融合了4G移动通信原理、卫星定位原理和惯性导航原理，能实现厘米级定位和惯导卫星定位，且能节省一颗外部MCU，通过卫星定位器直接控制移动通信电路，电路体积小，功耗小，成本低。

Description

一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置

技术领域

本实用新型涉及定位与惯性导航技术领域，特别是一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置。

背景技术

通常，基于位置服务(Location Based Service，LBS)的应用程序，都是通过全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)、WIFI、基站和蓝牙几种混合定位方式进行定位的。不同的定位方式、耗电量不同，且不同的定位方式，定位精度不同。一般情况下，优先选用GNSS定位。

现有GNSS定位器终端使用普通定位方式，存在定位偏差大(普遍定位精度10米左右)问题，且在高架桥下、隧道中无法定位。同时现有通信定位模块普遍使用通信模块配合外部MCU的方式实现相关功能，存在成本高、电路体积大、功耗不是最优的问题，应用到导航领域也不方便。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，能够实现厘米级(定位精度在几厘米～几百厘米)高精度定位和惯性导航。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，包括壳体，以及设置于所述壳体内的印刷电路板PCB、卫星定位器、4G移动通信电路、惯性测量电路和电源，所述卫星定位器、所述4G移动通信电路、所述惯性测量电路和所述电源均设置在所述印刷电路板PCB上，所述卫星定位器分别与所述4G移动通信电路和所述惯性测量电路电连接，所述电源分别与所述卫星定位器、所述4G移动通信电路和所述惯性测量电路电连接；

其中，所述卫星定位器与卫星无线连接；所述4G移动通信电路与移动通信基站无线连接。

本实用新型的有益效果是：基于现有的4G移动通信和卫星定位的软件方案，当卫星定位器接收卫星信号，解算出初步经纬度位置；连接4G移动通信网络，获取到地面差分站增强信息后，卫星定位器利用初始经纬度位置和地面差分站增强信息，解算出人员的厘米级高精度位置；并将此位置通过4G移动通信网络上报给后台服务器；在没有卫星信号的地方，卫星定位器使用上一时刻速度信息、加速度信息、陀螺仪信息，推算出下一时刻的速度，乘以时间，得出位置变化量，与上一时刻的位置信息进行计算，得到下一时刻的位置信息，实现惯性导航功能；

本实用新型的定位与惯性导航装置采用4G移动通信电路和卫星定位器的方案实现厘米级定位，定位精度高，同时采用惯性测量电路，结合定位可以实现惯性导航，在高架桥和隧道中也能进行定位与惯性导航，准确性高，且无需额外添加外部MCU，电路体积小，功耗低，成本低，实用性更高，更容易普遍推广。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进：

进一步：所述卫星定位器采用全球导航卫星系统GNSS定位器，包括设置于所述壳体内的卫星定位芯片和卫星定位天线；所述卫星定位芯片与所述卫星定位天线电连接，所述卫星定位芯片分别与4G移动通信电路和所述惯性测量电路电连接，所述卫星定位天线与卫星无线连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过卫星定位芯片和卫星定位天线可接收卫星的定位信息，获取用户的坐标位置，定位精度高。

进一步：所述卫星定位芯片采用MXT2708芯片。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用武汉梦芯科技有限公司生产的MXT2708高精度卫星定位芯片，便于实现厘米级的定位。

进一步：所述4G移动通信电路采用4G网络移动通信电路，包括设置于所述壳体内的4G移动通信芯片和移动通信天线；所述4G移动通信芯片分别与所述移动通信天线和所述卫星定位芯片电连接，所述移动通信天线与移动通信基站无线连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过4G移动通信芯片和移动通信天线可以实现与后台的数据交换，还可以获取地面基准站发送的高精度地面差分站信息，以及实现与卫星定位器之间的数据传输等。

进一步：所述4G移动通信芯片采用ASR1802芯片。

采用上述进一步方案的有益效果是：ASR1802芯片集成度最高，内部集成了32MB的内存，采用RTOS操作系统所占内存最小，最低只需要128Mb的NOR Flash即可运行，便于与MXT2708芯片共同实现厘米级定位，定位精度高。

进一步：所述4G移动通信电路还包括SIM卡接口电路、麦克风和扬声器，所述SIM卡接口电路通过插入SIM卡与所述4G移动通信芯片电连接，所述麦克风和所述扬声器均分别与所述4G移动通信芯片电连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过SIM卡接口电路，既可以存储高精度定位信息，便于手机APP、PC和短信进行实时查询，便于掌握用户高精度定位的实时情况；还可以通过插入SIM卡、麦克风和扬声器，方便用户进行通话，并通过扬声器播放实时导航信息。

进一步：所述惯性测量电路包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器，所述三轴加速度传感器和所述三轴陀螺仪传感器均与所述卫星定位芯片电连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：三轴陀螺仪传感器是利用惯性原理测角速度的，三轴加速度传感器是利用力平衡原理测线性加速度的，由于加速度传感器在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差，而陀螺仪传感器在较短时间内则比较准确而较长时间则会有与漂移而存有误差。因此通过三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器的集成，能确保导航的准确性，实现高精度的惯性导航。

进一步：所述惯性测量电路采用BMI160芯片。

采用上述进一步方案的有益效果是：BMI160将最顶尖的16位三轴重力加速度计和超低功耗三轴陀螺仪集成于单一封装，采用14管脚LGA封装，尺寸为2.5×3.0×0.8mm³，当加速度计和陀螺仪在全速模式下运行时，耗电典型值低至950μA，体积小，精度高，可靠性高。

进一步：所述印刷电路板PCB上还设有控制所述惯性测量电路的温度的温控电路，所述温控电路分别与所述三轴加速度传感器、所述三轴陀螺仪传感器和所述电源电连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过温控电路，对惯性测量电路的温度进行控制，保证惯性测量电路中的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器均在正常的温度工作范围内，保证三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器测量的准确性，避免温度过高或过低造成测量不准确，提高整个定位与惯性导航装置的精度，其中，温控电路为现有技术，具体不再赘述。

进一步：所述壳体外侧嵌设有显示屏，所述显示屏与所述卫星定位芯片和所述电源电连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过壳体外侧嵌设的显示屏，可以将定位与惯性导航装置测量出的定位和导航信息显示出，进一步方便用户对高精度的定位与导航信息的实时掌握，实用性更高。

进一步：所述电源为聚合物锂电池。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过内置电池的供电，可以保证印刷电路板PCB、卫星定位器、4G移动通信电路和惯性测量电路的持续供电，无需外置电池的安装和施工，实用性更高。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置的电连接示意图一；

图2为本实用新型提供的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置的电连接示意图二；

图3为本实用新型提供的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置的工作原理流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、壳体，1、印刷电路板PCB，2、卫星定位器，3、4G移动通信电路，4、惯性测量电路，5、电源，21、卫星定位芯片，22、卫星定位天线，31、4G移动通信芯片，32、移动通信天线，33、SIM卡接口电路，34、麦克风，35、扬声器，41、三轴加速度传感器，42、三轴陀螺仪传感器，6、温控电路，7、显示屏，8、散热焊盘。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例、如图1-3所示，图1为本实用新型提供的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置的电连接示意图一，图2为本实用新型提供的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置的电连接示意图二，图3为本实用新型提供的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置的工作原理示意图。

如图1所示，一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，包括壳体10，以及设置于所述壳体10内的印刷电路板PCB 1、卫星定位器2、4G移动通信电路3、惯性测量电路4和电源5，所述卫星定位器2、所述4G移动通信电路3、所述惯性测量电路4和所述电源5均设置在所述印刷电路板PCB 1上，如图2所示，所述卫星定位器2分别与所述4G移动通信电路3和所述惯性测量电路4电连接，所述电源5分别与所述卫星定位器2、所述4G移动通信电路3和所述惯性测量电路4电连接；

其中，所述卫星定位器2与卫星无线连接；所述4G移动通信电路3与移动通信基站无线连接。

如图3所示，本实施例采用4G LTE网络制式的4G移动网络通信电路，采用全球导航卫星系统GNSS卫星定位器，本实施例的定位与惯性导航装置的工作过程如下：

基于现有的4G LTE移动通信和GNSS卫星定位的软件方案，当GNSS卫星定位器接收卫星信号，解算出初步经纬度位置；连接4G LTE移动通信网络，获取到地面差分站增强信息后，GNSS卫星定位器利用初始经纬度位置和地面差分站增强信息，解算出人员的厘米级高精度位置；并将此位置通过4G LTE移动通信网络上报给后台服务器；在没有卫星信号的地方，GNSS卫星定位器使用上一时刻速度信息、加速度信息、陀螺仪信息，推算出下一时刻的速度，乘以时间，得出位置变化量，与上一时刻的位置信息进行计算，得到下一时刻的位置信息，实现惯性导航功能。

本实用新型的定位与惯性导航装置采用4G移动通信电路和卫星定位器的方案实现厘米级定位，定位精度高，同时采用惯性测量电路，结合定位可以实现惯性导航，在高架桥和隧道中也能进行定位与惯性导航，准确性高，且无需额外添加外部MCU，电路体积小，功耗低，成本低，实用性更高，更容易普遍推广。

优选地，如图2所示，所述卫星定位器2采用全球导航卫星系统GNSS定位器，包括设置于所述壳体10内的卫星定位芯片21和卫星定位天线22；所述卫星定位芯片21与所述卫星定位天线22电连接，所述卫星定位芯片21分别与4G移动通信电路3和所述惯性测量电路4电连接，所述卫星定位天线22与卫星无线连接。

通过卫星定位芯片和卫星定位天线可接收卫星的定位信息，获取用户的坐标位置，定位精度高。

优选地，所述卫星定位芯片21采用MXT2708芯片。

通过采用武汉梦芯科技有限公司生产的MXT2708高精度卫星定位芯片，便于实现厘米级的定位。

优选地，如图2所示，所述4G移动通信电路3采用4G网络移动通信电路，包括设置于所述壳体10内的4G移动通信芯片31和移动通信天线32；所述4G移动通信芯片31分别与所述移动通信天线32和所述卫星定位芯片21电连接，所述移动通信天线32与移动通信基站无线连接。

通过4G移动通信芯片和移动通信天线可以实现与后台的数据交换，还可以获取地面基准站发送的高精度地面差分站信息，以及实现与卫星定位器之间的数据传输等。

优选地，所述4G移动通信芯片31采用ASR1802芯片。

ASR1802芯片集成度最高，内部集成了32MB的内存，采用RTOS操作系统所占内存最小，最低只需要128Mb的NOR Flash即可运行，便于与MXT2708芯片共同实现厘米级定位，定位精度高。

优选地，如图2所示，所述4G移动通信电路3还包括SIM卡接口电路33、麦克风34和扬声器35，所述SIM卡接口电路33通过插入SIM卡与所述4G移动通信芯片31电连接，所述麦克风34和所述扬声器35均与所述4G移动通信芯片31电连接。

通过SIM卡接口电路，既可以存储高精度定位信息，便于手机APP、PC和短信进行实时查询，便于掌握用户高精度定位的实时情况；还可以通过插入SIM卡、麦克风和扬声器，方便用户进行通话，并通过扬声器播放实时导航信息。

优选地，如图2所示，所述惯性测量电路4包括三轴加速度传感器41和三轴陀螺仪传感器42，所述三轴加速度传感器41和所述三轴陀螺仪传感器42均与所述卫星定位芯片21电连接。

三轴陀螺仪传感器是利用惯性原理测角速度的，三轴加速度传感器是利用力平衡原理测线性加速度的，由于加速度传感器在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差，而陀螺仪传感器在较短时间内则比较准确而较长时间则会有与漂移而存有误差。因此通过三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器的集成，能确保导航的准确性，实现高精度的惯性导航。

优选地，所述惯性测量电路4采用BMI160芯片。

BMI160将最顶尖的16位三轴重力加速度传感器和超低功耗三轴陀螺仪传感器集成于单一封装，采用14管脚LGA封装，尺寸为2.5×3.0×0.8mm³，当加速度传感器和陀螺仪传感器在全速模式下运行时，耗电典型值低至950μA，体积小，精度高，可靠性高。

优选地，如图2所示，所述印刷电路板PCB 1上还设有控制所述惯性测量电路4的温度的温控电路6，所述温控电路6分别与所述三轴加速度传感器41、所述三轴陀螺仪传感器42和所述电源5电连接。

通过温控电路，对惯性测量电路的温度进行控制，保证惯性测量电路中的均在正常的温度工作范围内，保证三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器测量的准确性，避免温度过高或过低造成测量不准确，提高整个定位与惯性导航装置的精度，其中，温控电路为现有技术，具体不再赘述。

优选地，如图2所示，所述壳体10外侧嵌设有显示屏7，所述显示屏7与所述卫星定位芯片21和所述电源5电连接。

通过壳体外侧嵌设的显示屏，可以将定位与惯性导航装置测量出的定位和导航信息显示出，进一步方便用户对高精度的定位与导航信息的实时掌握，实用性更高。

优选地，所述壳体10内与所述三轴加速度传感器41和所述三轴陀螺仪传感器42对应位置处均设有散热焊盘8，所述散热焊盘8与所述温控电路6和所述电源5电连接。

当温控电路检测到三轴加速度传感器或三轴陀螺仪传感器温度过高时，可控制散热焊盘对三轴加速度传感器或三轴陀螺仪传感器进行降温，防止避免温度过高测量不准，提高整个定位与惯性导航装置的精度。

优选地，所述电源5为聚合物锂电池。

通过内置电池的供电，可以保证印刷电路板PCB、卫星定位器、4G移动通信电路和惯性测量电路的持续供电，无需外置电池的安装和施工，实用性更高。

优选地，所述卫星定位电路2与所述4G移动通信电路通过UART接口在所述印刷电路板PCB 1上微带线互联；所述卫星定位电路2与所述惯性测量电路4通过I²C在所述印刷电路板PCB 1上微带线互联。

微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低，可以使得整个定位与惯性导航装置体积小、成本低、可靠性高。

优选地，所述印刷电路板PCB 1还包括用于扩展功能的外接接口，其中，所述外接接口包括SPI接口、I²C接口和UART接口中的至少一种。

通过外接的SPI接口、I²C接口和UART接口中的至少一种，可用于进一步的功能扩展，可实现更多的物联网功能，例如连接BLE模块等，可实现人员的定位与考勤。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，包括壳体(10)，以及设置于所述壳体(10)内的印刷电路板PCB(1)、卫星定位器(2)、4G移动通信电路(3)、惯性测量电路(4)和电源(5)，所述卫星定位器(2)、所述4G移动通信电路(3)、所述惯性测量电路(4)和所述电源(5)均设置在所述印刷电路板PCB(1)上，所述卫星定位器(2)分别与所述4G移动通信电路(3)和所述惯性测量电路(4)电连接，所述电源(5)分别与所述卫星定位器(2)、所述4G移动通信电路(3)和所述惯性测量电路(4)电连接；

其中，所述卫星定位器(2)与卫星无线连接；所述4G移动通信电路(3)与移动通信基站无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述卫星定位器(2)采用全球导航卫星系统GNSS定位器，包括设置于所述壳体(10)内的卫星定位芯片(21)和卫星定位天线(22)，所述卫星定位芯片(21)与所述卫星定位天线(22)电连接，所述卫星定位芯片(21)分别与所述4G移动通信电路(3)和所述惯性测量电路(4)电连接，所述卫星定位天线(22)与卫星无线连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述卫星定位芯片(21)采用MXT2708芯片。

4.根据权利要求3所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述4G移动通信电路(3)采用4G网络移动通信电路，包括设置于所述壳体(10)内的4G移动通信芯片(31)和移动通信天线(32)；所述4G移动通信芯片(31)分别与所述移动通信天线(32)和所述卫星定位芯片(21)电连接，所述移动通信天线(32)与移动通信基站无线连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述4G移动通信芯片(31)采用ASR1802芯片。

6.根据权利要求4所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述4G移动通信电路(3)还包括SIM卡接口电路(33)、麦克风(34)和扬声器(35)，所述SIM卡接口电路(33)通过插入SIM卡与所述4G移动通信芯片(31)电连接，所述麦克风(34)和所述扬声器(35)均与所述4G移动通信芯片(31)电连接。

7.根据权利要求2所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述惯性测量电路(4)包括三轴加速度传感器(41)和三轴陀螺仪传感器(42)，所述三轴加速度传感器(41)和所述三轴陀螺仪传感器(42)均与所述卫星定位芯片(21)电连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述惯性测量电路(4)采用BMI160芯片。

9.根据权利要求7所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述印刷电路板PCB(1)上还设有控制所述惯性测量电路(4)的温度的温控电路(6)，所述温控电路(6)分别与所述三轴加速度传感器(41)、所述三轴陀螺仪传感器(42)和所述电源(5)电连接。

10.根据权利要求2所述的一种基于4G网络通信的厘米级定位与惯性导航装置，其特征在于，所述壳体(10)外侧嵌设有显示屏(7)，所述显示屏(7)与所述卫星定位芯片(21)和所述电源(5)电连接。