一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，包括主备组合导航系统和差分数传电台。其中主组合导航系统采用激光捷联惯性-卫星组合导航系统，包括激光捷联惯性导航部件和卫星接收机；备组合导航系统采用光纤捷联惯性-卫星组合导航系统，包括光纤捷联惯性导航部件和卫星接收机；卫星接收机均用来接收GPS差分信息，进行差分修正解算，输出卫星定位信息；捷联惯性导航部件均用来接收大气信息以及控制指令，同时输出导航信息；主备组合导航系统之间通过串行接口传输各自接收的大气信息和卫星定位信息。优点为：可靠性高，维修性好，降低了体积、重量、成本及对电源的要求，提供机体轴角速率信息，具有高的导航精度和实用性。
【专利说明】一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置
【技术领域】
[0001]本发明属于无人机导航领域，是指一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置。
【背景技术】
[0002]导航是将航行载体从起始点引导至目的地的技术或是方法。无人机由于无人驾驶的特殊性，机载导航系统是无人机自主飞行完成多项使命的根本保证。
[0003]惯性导航系统(Inertial Navigat1n System,简称INS)是利用惯性元件来感测飞机或其它载体的运动加速度，经过积分运算，从而求出导航参数以确定载体位置。INS的自主性强，可以连续提供包括姿态、位置、速度在内的各种导航信息，而且具有快速、动态性能好、短期精度高等特性。但由于惯性元件的误差导致INS的导航误差参数随时间的积累而增大，长期工作精度得不到保证。卫星导航能提供实时、全天候、全球性的导航信息，但在动态环境中，载体的高动态运动会影响卫星接收机对卫星信号的捕获和跟踪，甚至产生短时间的信号丢失。此外，卫星接收机的信号输出频率较低，有时不能满足载体飞行控制的需要。因此，基于卫星和INS的组合导航系统已成为当前重要的导航系统实现方案。
[0004]组合导航装置是指把两种或者两种以上不同的导航设备以适当的方式组合在一起，利用其在性能上的互补特性获得比单独使用任一系统时更高的导航性能，以满足新时代高性能航行体和高精度武器系统的自主性、可靠性以及在全球范围内的高精度要求。早期及目前通常的无人机导航系统以高性能的平台式惯性导航系统为基础，利用由美国的GPS (Global Posit1ning System)全球定位系统或俄罗斯的 GLONASS (GLOBAL NAVIGAT1NSATELLITE SYSTEM，简称GNSS)全球卫星导航系统系统获取的卫星位置速度信息与之组合，形成具有长航时导航能力和较高导航精度的组合导航系统。但是由于平台式惯性导航系统内部需要由机电控制元件将平台稳定在惯性空间，体积重量大，供电系统复杂，成本高，通常采用单余度配置，可靠性较低。此外，平台式惯性导航部件仅能测量绕其内部稳定平台轴系的角速率信息，不能提供绕飞机机体轴系的角速率信息，因此无人机机载系统通常还需配置额外的角速率陀螺完成该角速率的测量工作。
[0005]近年来，随着我国捷联式惯性导航技术以及BD2(BeidoU-2)卫星定位技术的迅速发展，出现了捷联惯导系统、多模式卫星定位系统。相较于平台式惯导系统，捷联惯导系统体积、重量和成本都大为降低，而可靠性大为提高，维护和使用上也带来很多方便；卫星定位系统也由单GPS模式转化为GPS/GL0NASS/BD2多模式。这些都为多余度组合导航提供了有利条件，为进一步提高导航系统的可靠性和实用性奠定了基础。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，具备多种导航模式，具有高精度和高可靠性，适用于无人机特别是长航时无人机。
[0007]本发明所述组合导航装置安装于无人机机上设备舱相应位置，由机载电源系统供电工作；组合导航装置与差分GPS地面站、飞行控制与管理计算机、大气数据计算机设备具有信息交联关系。
[0008]组合导航装置接收差分GPS地面站反馈的无线差分信号，并转换成GPS差分信息；接收由大气数据计算机发出的大气信息，包括气压高度和真空速；向飞行控制与管理计算机发送飞行器导航信息；包括:位置、姿态、角速率和加速度，并接收飞行控制与管理计算机的控制指令；
[0009]所述的组合导航装置包括:激光捷联惯性-卫星组合导航系统、光纤捷联惯性-卫星组合导航系统和差分数传电台。
[0010]差分数传电台接收差分GPS地面站反馈的无线差分信号，并转换成GPS差分信息传送给激光捷联惯性-卫星组合导航系统和光纤捷联惯性-卫星组合导航系统；
[0011]其中激光捷联惯性-卫星组合导航系统为主组合导航系统，包括激光捷联惯性导航部件和卫星接收机；光纤捷联惯性-卫星组合导航系统为备组合导航系统，包括光纤捷联惯性导航部件和卫星接收机；其中卫星接收机均用来接收由差分数传电台传送的GPS差分信息，进行差分修正解算以实现DGPS(Differential Global Posit1ning System)定位，输出卫星定位信息；激光捷联惯性导航部件和光纤捷联惯性导航部件均用来接收大气信息以及导航信息，同时反馈控制指令；
[0012]主组合导航系统和备组合导航系统根据卫星定位信息与导航信息进行组合解算，并通过串行接口接收的大气信息用于主组合导航系统和备组合导航系统内部高度通道的组合解算，最终得到组合后的信息。
[0013]主组合导航系统和备组合导航系统之间通过串行接口传输各自接收的大气信息和卫星定位信息，进行交换；具体为:激光捷联惯性-卫星组合导航系统将大气信息以及卫星定位信息通过串口传送至光纤捷联惯性-卫星组合导航系统，反之亦然，则在某个大气数据计算机失效时或者主组合导航系统和备组合导航系统内部某个卫星接收机或天线失效时，主组合导航系统和备组合导航系统仍保持高度通道解算的有效性以及仍具备卫星定位导航能力；
[0014]主组合导航系统和备组合导航系统中卫星接收机工作频点均采用GPS L1、GLONASS LUBD2B3 ；
[0015]主组合导航系统和备组合导航系统采用卫星定位信息与其相应的惯性导航部件组合定位后，均具备以下七种导航模式:INS/DGPS，INS/GNSS, INS/BD2, INS, DGPS, GNSS,BD2。
[0016]本发明的优点在于:
[0017](I) 一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，采用激光捷联惯性导航部件、光纤捷联惯性导航部件为主要的导航元器件，具有非相似主备双余度配置，大大提高无人机导航系统可靠性；
[0018](2) 一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，采用捷联惯性导航部件，设备可靠性高，维修性好，体积、重量和成本都大为降低，并可通过捷联导航算法输出由于绕飞机机体轴系的角速率信息供控制系统使用，进一步减小无人机导航系统所需设备数量和成本；
[0019](3) 一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，采用捷联惯性导航部件，电源采用直流供电方式，降低了对无人机导航系统电源设计的要求；
[0020](4) 一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，具有多种导航模式，导航精度高，实用性强；
[0021](5) 一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，主组合导航系统和备组合导航系统之间通过信息交互，提高无人机导航系统可靠性和安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明中组合导航装置的组成示意图；
[0023]图2是本发明中组合导航装置的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0025]如附图1所示，一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，该组合导航装置安装于无人机机上设备舱相应位置，由机载电源系统供电工作；组合导航装置与差分GPS地面站、飞行控制与管理计算机、大气数据计算机设备具有信息交联关系。
[0026]该组合导航装置包括:激光捷联惯性-卫星组合导航系统、光纤捷联惯性-卫星组合导航系统、差分数传电台及天线。
[0027]所述的激光捷联惯性-卫星组合导航系统为主组合导航系统，由激光捷联惯性导航部件、卫星接收机及卫星接收天线组成，卫星接收机的工作频点采用GPS L K GLONASS LI和BD2B3 ;卫星接收机通过卫星接收天线接收卫星信号实现卫星定位；激光捷联惯性导航部件用来接收大气数据计算机发出的气压高度及真空速等大气信息，向飞行控制与管理计算机发送双余度的飞行器位置、姿态、角速率、加速度等导航信息，同时接收由飞行控制与管理计算机发送的控制指令。
[0028]所述的光纤捷联惯性-卫星组合导航系统为备组合导航系统，由光纤捷联惯性导航部件、卫星接收机及卫星接收天线组成，卫星接收机的工作频点也采用GPS L1、GLONASSLI和BD2B3 ;卫星接收机通过卫星接收天线接收卫星信号实现卫星定位；光纤捷联惯性导航部件用来接收大气数据计算机发出的气压高度及真空速等大气信息，向飞行控制与管理计算机发送双余度的飞行器位置、姿态、角速率、加速度等导航信息，同时接收由飞行控制与管理计算机发送的控制指令。
[0029]主组合导航系统和备组合导航系统之间通过串行接口传输各自接收的大气信息，进行大气信息交换；具体为:激光捷联惯性-卫星组合导航系统将与其直接相连的大气数据计算机的大气数据信息通过串口传送至光纤捷联惯性-卫星组合导航系统，反之亦然，则在某个大气数据计算机失效时主组合导航系统和备组合导航系统仍均保持高度通道解算的有效性；
[0030]主组合导航系统和备组合导航系统之间通过串行接口传输各自的卫星定位信息，进行卫星定位信息交换；具体为:激光捷联惯性-卫星组合导航系统将其内部卫星接收机接收的卫星定位信息通过串口传送至光纤捷联惯性-卫星组合导航系统，反之亦然，则在某个组合导航系统内部卫星接收机或天线失效时主组合导航系统和备组合导航系统仍均具备卫星定位导航能力。
[0031]差分数传电台通过电台天线接收差分GPS地面站的无线差分信号，并转换成GPS差分信息传送给激光捷联惯性-卫星组合导航系统与光纤捷联惯性-卫星组合导航系统；
[0032]组合导航装置与差分GPS地面站、飞行控制与管理计算机、大气数据计算机设备之间通讯关系如附图2所示，
[0033]首先:差分GPS地面站工作时获取自身位置信息及卫星导航系统定位信息的误差信息即差分信息，并通过地面站的差分数传电台天线发射出无线差分信号，传送给组合导航装置中的差分数传电台。
[0034]组合导航装置中的差分数传电台接收无线差分信号，并将该无线差分信号转变成GPS差分信息；并通过串口传送至主组合导航系统和备组合导航系统中的卫星接收机；卫星接收机的工作频点采用GPS L K GLONASS LI和BD2B3，即根据所选用的卫星信息源不同，卫星接收机的定位模式不同，分别对应工作频点的定位模式为GPS/GL0NASS和BD2。
[0035]卫星接收机采用GPS卫星信息进行定位，经过定位解算中加入差分修正算法使卫星接收机定位精度更高，即为DGPS定位模式。
[0036]然后:飞行控制与管理计算机与主组合导航系统和备组合导航系统分别进行信息交互，，主组合导航系统和备组合导航系统向飞行控制与管理计算机发送双余度的飞行器位置、姿态、角速率、加速度等导航信息，同时接收由飞行控制与管理计算机发送的控制指令。
[0037]最后:主组合导航系统和备组合导航系统根据各自的卫星接收机的卫星定位信息与激光捷联惯性导航部件和光纤捷联惯性导航部件所得的导航信息进行组合解算，并通过串行接口接收大气数据计算机发送的大气信息用于其高度通道的组合解算，最终得到组合后的信息。
[0038]因为主组合导航系统和备组合导航系统之间通过串行接口传输各自的大气信息和卫星定位信息，其中外部的某个大气数据计算机或组合导航装置内部某个卫星接收机或天线失效时仍然保证其高度通道解算或卫星定位的能力。
[0039]由于卫星接收机的多模定位能力，主组合导航系统和备组合导航系统采用卫星定位信息与其相应的惯性导航部件组合定位后，具备以下七种导航模式:惯性导航信息与差分GPS信息组合(INS/DGPS)，惯性导航信息与GPS和GLONASS信息组合(INS/GNSS)，惯性导航信息与BD2信息组合(INS/BD2)，纯惯性导航(INS)，差分GPS卫星定位(DGPS)，GPS和GLONASS卫星定位(GNSS)，BD2卫星定位(BD2)。
[0040]由于GPS、GLONASS定位系统的掌握权均非所属我国，其定位效果容易受各界因素影响。本发明组合导航装置具有的BD2定位能力，在GPS、GLONASS卫星受扰后仍具有卫星定位能力，进而获得高的组合导航精度和实用性。此外，内部通过大气信息、卫星定位信息的交互，充分利用无人机导航系统信息，进一步提高系统可靠性和安全性。因此，本发明所提供的组合导航装置可应用于对可靠性和精度要求较高的无人机导航。
【权利要求】
1.一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，与差分GPS地面站、飞行控制与管理计算机、大气数据计算机具有信息交联关系；其特征在于: 所述的组合导航装置包括:激光捷联惯性-卫星组合导航系统、光纤捷联惯性-卫星组合导航系统和差分数传电台； 差分数传电台接收无线差分信号，并转换成GPS差分信息传送给激光捷联惯性-卫星组合导航系统与光纤捷联惯性-卫星组合导航系统； 激光捷联惯性-卫星组合导航系统为主组合导航系统，包括激光捷联惯性导航部件和卫星接收机；光纤捷联惯性-卫星组合导航系统为备组合导航系统，包括光纤捷联惯性导航部件和卫星接收机；其中卫星接收机均用来接收由差分数传电台传输的GPS差分信息，进行差分修正解算以实现DGPS定位，输出卫星定位信息；激光捷联惯性导航部件和光纤捷联惯性导航部件均用来接收大气信息以及控制指令，同时发送导航信息给飞行控制与管理计算机；主组合导航系统和备组合导航系统之间通过串行接口传输各自接收的大气信息以及各自的卫星定位信息； 所述的主组合导航系统和备组合导航系统，根据卫星定位信息与导航信息进行组合解算，并通过大气信息进行内部高度通道的组合解算，最终得到组合后的信息。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，其特征在于:所述的组合导航装置接收由差分GPS地面站发出的无线差分信号，并转换成GPS差分信息；接收由大气数据计算机发出的大气信息，包括气压高度和真空速；向飞行控制与管理计算机发送导航信息，包括:飞行器的位置、姿态、角速率和加速度，并接收飞行控制与管理计算机的控制指令。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，其特征在于:所述的主组合导航系统和备组合导航系统中卫星接收机工作频点均采用GPS L1、GLONASS LI 和 BD2B3。
4.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的非相似双余度组合导航装置，其特征在于:所述的主组合导航系统和备组合导航系统采用卫星定位信息与相应的惯性导航部件组合定位后，均具备以下七种导航模式:惯性导航信息与差分GPS信息组合导航模式，惯性导航信息与GPS和GLONASS信息组合导航模式，惯性导航信息与BD2信息组合导航模式，纯惯性导航模式，差分GPS卫星定位导航模式，GPS和GLONASS卫星定位导航模式，BD2卫星定位导航模式。
【文档编号】G01S19/47GK104180803SQ201410455978
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】方晓星, 王金提, 向锦武, 王瑛 申请人:北京航空航天大学