北斗惯导深组合导航微系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种北斗惯导深组合导航微系统，包括三轴微机械陀螺、三轴微机械加速度计、里程计编码器、高度计、磁场计、北斗/GPS双模芯片、信号转换及接口电路、数字信号处理器及二次电源芯片，所述数字信号处理器用于接收来自信号转换及接口电路转换后的数字信号，并对角速度及加速度所对应的数字信号进行计算以得到载体的速度和位移，还用于对载体的速度、位移、行程信息、高度信息、磁场信息、北斗信号、GPS信号所对应的数字信号进行卡尔曼滤波算法计算得到导航参数。本发明将北斗、陀螺、加速度、磁场计、高度计、信号转换以及数字信号处理等功能芯片有机融合在一起，可实现全参数导航，无缝隙导航，提高了整个导航系统的抗干扰性和应用的可靠性。
【专利说明】北斗惯导深组合导航微系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种导航系统，特别涉及一种北斗惯导深组合导航微系统。
【背景技术】
[0002]在导航领域，卫星导航和惯性导航具有各自的优点:卫星导航能提供绝对位置、速度、时间，且无时间漂移、能长期间保持高精度；惯性导航具有连续性、隐蔽性、可测量全部运动参数、短时精度高。同时两者也都有各自的局限性:卫星导航容易受到干扰，在城市、山区、隧道、森林等复杂地形条件下无法提供准确的导航参数，甚至无法导航；而惯性导航由于受传感器的限制，导航精度随时间推移快速下降，无法长时间保持精度导航。
【发明内容】
[0003]本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种能同时具有卫星导航及惯性导航的优点的导航系统。
[0004]本发明所提供的一种北斗惯导深组合导航微系统，其特征在于:包括:
[0005]三轴微机械陀螺，用于采集载体的运动角速度信息；
[0006]三轴微机械加速度计，用于采集载体的线性加速度信息；
[0007]里程计编码器，用于采集载体的行程信息；
[0008]高度计，用于采集载体的高度信息；
[0009]磁场计,用于米集载体周围的磁场信息；
[0010]北斗/GPS双模芯片，用于接收北斗信号及GPS信号；
[0011]信号转换及接口电路，与三轴微机械陀螺、三轴微机械加速度计、里程计编码器、高度计及北斗/GPS双模芯片均相连，用于将采集得到的运动角速度信息、线性加速度信息、行程信息、高度信息、磁场信息及北斗信号及GPS信号转换为数字信号；
[0012]数字信号处理器，用于接收来自信号转换及接口电路转换后的数字信号，并对角速度及加速度所对应的数字信号进行计算以得到载体的速度和位移，所述数字信号处理还用于对载体的速度、位移、行程信息、高度信息、磁场信息、北斗信号、GPS信号所对应的数字信号进行深组合卡尔曼滤波算法计算得到导航参数；以及
[0013]二次电源芯片，与所述三轴微机械陀螺、三轴微机械加速度计、里程计编码器、高度计、磁场计、北斗/GPS双模芯片、信号转换及接口电路以及数字信号处理器相连，用于为所述三轴微机械陀螺、三轴微机械加速度计、里程计编码器、高度计、磁场计、北斗/GPS双模芯片、信号转换及接口电路以及数字信号处理器提供工作电源。
[0014]进一步的，所述北斗惯导深组合导航微系统还包括输入输出接口电路及至少一接口，所述输入输出接口电路与数字信号处理器相连，所述至少一接口与输入输出接口电路相连。
[0015]进一步的，所述至少一接口包括RS232接口。
[0016]进一步的，所述至少一接口包括RS422接口。
[0017]进一步的，所述至少一接口包括CAN总线。
[0018]上述北斗惯导深组合导航微系统将北斗、陀螺、加速度、磁场计、高度计、信号转换以及数字信号处理等功能芯片有机融合在一起，可实现全参数导航，无缝隙导航，提高了整个导航系统的抗干扰性和应用的可靠性。当有卫星信号时，上述北斗惯导深组合导航微系统可提供高精度全部导航参数，并提高导航系统的精度，提高抗干扰能力；当无卫星信号时，其仍然可提供导航参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
[0020]图1是本发明北斗惯导深组合导航微系统的较佳实施方式的方框图。
[0021]图2是图1中北斗惯导深组合导航微系统的工作原理图。
[0022]图3是图1中北斗惯导深组合导航微系统的工作流程图。
具体实施例
[0023]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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]应当理解的是，虽然此处可以使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。应当理解的是，当提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。
[0025]在此使用的术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定。如此处所使用的，除非上下文另外清楚地指出，则单数形式意图也包括复数形式。
[0026]应当进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
[0027]请参见图1，本发明北斗惯导深组合导航微系统的较佳实施方式包括三轴微机械陀螺1、三轴微机械加速度计2、里程计编码器3、高度计5、磁场计18、北斗/GPS双模芯片
6、信号转换及接口电路7、数字信号处理器8、输入输出接口电路9、二次电源芯片10、RS232接口 11、RS422 接口 12 及 CAN 总线 16。
[0028]所述二次电源芯片10与三轴微机械陀螺1、三轴微机械加速度计2、里程计编码器
3、高度计5、磁场计18、北斗/GPS双模芯片6、信号转换及接口电路7、数字信号处理器8、输入输出接口电路9、RS232接口 11、RS422接口 12及CAN总线16均相连，以为其提供工作电源。所述RS232接口 11、RS422接口 12及CAN总线16用于将整个北斗惯导深组合导航微系统与外界设备(诸如电脑或者显示屏等)相连。
[0029]所述三轴微机械陀螺I用于测得载体的运动角速度，所述三轴微机械加速度计2用于测得载体的线性加速度信息，所述信号转换及接口电路3用于将由三轴微机械陀螺I测得的运动角速度信息及由三轴微机械加速度计2所测得的线性加速度信号转换为数字信号，并将转换后的数字信号传输至数字信号处理器8，所述数字信号处理器8用于对转换后的数字信号进行计算以得到载体的速度和位移。
[0030]所述里程计编码器3用于测得载体的行程信息，所述高度计5用于测得载体的高度信息，所述磁场计18用于测得载体周围的磁场信息，上述行程信息、高度信息及磁场信息均由信号转换及接口电路7转换成数字信号并传输至数字信号处理器8。所述数字信号处理器8结合得到的载体的速度和位移、行程信息、高度信息、磁场信息以及来自北斗/GPS双模芯片6所采集得到的北斗及GPS信息采用卡尔曼(KALMAN)滤波算法计算得到导航参数。
[0031]下面将对整个北斗惯导深组合导航微系统的工作原理进行详细的说明:
[0032]请参阅图2所示，其为整个系统的工作原理图，下面将对照图2对上述北斗惯导深组合导航微系统的工作原理进行描述。
[0033]所述三轴微机械加速度计2采集载体的比力信息，并将其传输至信号转换及接口电路7进行转换，转换后的比力信息被传输至数字信号处理器8，所述数字信号处理器8对转换后的比力信息进行误差补偿计算，以得到载体相对于惯性空间的比力。所述三轴微机械陀螺I采集载体的角速度信息，并将其传输至信号转换及接口电路7进行转换，转换后的角速度信息被传输至数字信号处理器8，所述数字信号处理器8对转换后的角速度信息进行误差补偿计算，以得到载体相对于惯性空间的角速率。
[0034]所述北斗/GPS双模芯片6用于采集得到北斗及GPS信息，并将其传输至信号转换及接口电路7进行转换，转换后的北斗及GPS信息被传输至数字信号处理器8，所述数字信号处理器8结合载体相对于惯性空间的比力信息、角速率及北斗及GPS信息进行预处理和补偿计算，以得到载体的速度和位移，即完成整个北斗惯导深组合导航微系统的初始对准。
[0035]初始对准完成后，所述数字信号处理器8继续结合上述信息通过解四元数微分方程得到四元数向量，以获得姿态矩阵及姿态角；并结合已得到的载体的角速率及由比力转换得来的速度信息计算得到载体的位置信息。之后，所述数字信号处理器8结合已得到的姿态角、由里程计编码器得到的里程信息、由高度计计算得到的高度信息、磁场计计算得到的磁场信息以及由北斗/GPS双模芯片6所采集得到的北斗及GPS信息，并利用卡尔曼(KALMAN)滤波算法计算得到导航参数，具体的导航参数包括:航向、俯仰、滚动角、经度、纬度、速度及航迹角信息。
[0036]如果出现北斗/GPS双模芯片6无法采集到北斗及GPS信息时，所述数字信号处理器8即视采集到的北斗及GPS信息为“0”，之后仍然利用卡尔曼滤波算法计算得到导航参数。当然，此时的计算结果误差稍大于北斗/GPS双模芯片6能采集到北斗及GPS信息时所得到的导航参数，不过其仍然可以满足导航的要求。本发明所述的北斗惯导深组合导航微系统充分利用了北斗卫星/GPS导航和惯性导航的优点，是二者的完美结合，实现了真正的无缝隙导航。
[0037]请继续参考图3所示，其为本发明北斗惯导深组合导航微系统的工作流程图:
[0038]步骤S1:进行系统初始化，设置各项系统参数；
[0039]步骤S2:惯性导航信号处理。其中，所述惯性导航信号包括由三轴微机械加速度计2所采集得到的载体的比力信息及由三轴微机械陀螺I所采集得到的载体的角速度信息。具体的，所述三轴微机械加速度计2采集载体的比力信息，并将其传输至信号转换及接口电路I进行转换，转换后的比力信息被传输至数字信号处理器8，所述数字信号处理器8对转换后的比力信息进行误差补偿计算，以得到载体相对于惯性空间的比力。所述三轴微机械陀螺I采集载体的角速度信息，并将其传输至信号转换及接口电路7进行转换，转换后的角速度信息被传输至数字信号处理器8，所述数字信号处理器8对转换后的角速度信息进行误差补偿计算，以得到载体相对于惯性空间的角速率。
[0040]步骤S3:北斗/GPS信号处理。具体的，所述数字信号处理器8接收经过转换后的北斗/GPS信号，并对其进行抗野值滤波处理。
[0041]步骤S4:读取系统温度、状态信息。
[0042]步骤S5:判断是否完成初始对准。具体的，所述北斗/GPS双模芯片6采集得到北斗及GPS信息，并将其传输至信号转换及接口电路7进行转换，转换后的北斗及GPS信息被传输至数字信号处理器8，所述数字信号处理器8结合载体相对于惯性空间的比力信息、角速率及北斗及GPS信息进行预处理和补偿计算，以得到载体的速度和位移，即完成整个北斗惯导深组合导航微系统的初始对准。若判断初始对准未完成，则返回至步骤S2，即继续实施初始对准。
[0043]步骤S6:若判断初始对准完成，则判断是否有接收到北斗/GPS信号。
[0044]步骤S7:若判断接收到北斗/GPS信号，所述数字信号处理器8结合已得到的姿态角、由高度计计算得到的高度信息、磁场计计算得到的磁场信息以及由北斗/GPS双模芯片6所采集得到的北斗及GPS信息，并利用卡尔曼(KALMAN)滤波算法计算得到导航参数。
[0045]步骤S8:若判断未接收到北斗/GPS信号，所述数字信号处理器8结合已得到的姿态角、由高度计计算得到的高度信息、磁场计计算得到的磁场信息，并利用卡尔曼(KALMAN)滤波算法计算得到导航参数。
[0046]上述北斗惯导深组合导航微系统将北斗、陀螺、加速度、磁场计、高度计、信号转换以及数字信号处理等功能芯片有机融合在一起，可实现全参数导航，无缝隙导航，提高了整个导航系统的抗干扰性和应用的可靠性。
[0047]以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种北斗惯导深组合导航微系统，其特征在于:包括: 三轴微机械陀螺，用于采集载体的运动角速度信息； 三轴微机械加速度计，用于采集载体的线性加速度信息； 里程计编码器，用于采集载体的行程信息； 高度计，用于采集载体的高度信息； 磁场计，用于采集载体周围的磁场信息； 北斗/GPS双模芯片，用于接收北斗信号及GPS信号； 信号转换及接口电路，与三轴微机械陀螺、三轴微机械加速度计、里程计编码器、高度计及北斗/GPS双模芯片均相连，用于将采集得到的运动角速度信息、线性加速度信息、行程信息、高度信息、磁场信息及北斗信号及GPS信号转换为数字信号； 数字信号处理器，用于接收来自信号转换及接口电路转换后的数字信号，并对角速度及加速度所对应的数字信号进行计算以得到载体的速度和位移，所述数字信号处理还用于对载体的速度、位移、行程信息、高度信息、磁场信息、北斗信号、GPS信号所对应的数字信号进行卡尔曼滤波算法计算得到导航参数；以及 二次电源芯片，与所述三轴微机械陀螺、三轴微机械加速度计、里程计编码器、高度计、磁场计、北斗/GPS双模芯片、信号转换及接口电路以及数字信号处理器相连，用于为所述三轴微机械陀螺、三轴微机械加速度计、里程计编码器、高度计、磁场计、北斗/GPS双模芯片、信号转换及接口电路以及数字信号处理器提供工作电源。
2.如权利要求1所述的北斗惯导深组合导航微系统，其特征在于:所述北斗惯导深组合导航微系统还包括输入输出接口电路及至少一接口，所述输入输出接口电路及至少一接口由二次电源芯片供电，所述输入输出接口电路与数字信号处理器相连。
3.如权利要求2所述的北斗惯导深组合导航微系统，其特征在于:所述至少一接口包括 RS232 接 口。
4.如权利要求2所述的北斗惯导深组合导航微系统，其特征在于:所述至少一接口包括 RS422 接 口。
5.如权利要求2所述的北斗惯导深组合导航微系统，其特征在于:所述至少一接口包括CAN总线接口。
【文档编号】G01S19/33GK104181573SQ201410460698
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】李星海, 胡旭伯 申请人:中国电子科技集团公司第二十六研究所