一种机载分布式位置姿态测量系统的制作方法

本发明涉及一种机载分布式POS(PositionandOrientationSystem,位置姿态测量系统)设计与实现，可以应用于多节点的惯性导航、惯性/GPS(GlobalPositionSystem,全球定位系统)组合导航系统以及分布式节点测量。
背景技术：
：高精度POS可以为高分辨率航空遥感系统提供高频、高精度的时间、空间基准信息，通过运动误差补偿提高成像精度和效率。随着航空遥感对高分辨率成像需求的不断提高，新型高效多任务成像载荷联合成像技术、长基线微波载荷干涉和阵列技术逐渐成为提高成像效率和分辨率的有效手段。针对柔性长基线一主两子干涉SAR，因其通过机翼下挂天线吊舱，无需飞机改装、较易实现等特点在近年来受到广泛重视。但对于同一载机的三个观测载荷，采用传统的单一POS无法满足不同安置点多载荷的高精度运动参数测量的需求，而且因体积、重量、成本等因素的限制，在各观测载荷处均安装一个高精度POS也不现实。因此，迫切需要建立起高精度分布式POS测量系统。分布式POS测量系统是用来解决多节点的运动信息测量，和单一POS只能测量单一节点的运动信息相比，分布式POS测量系统能够完成主节点的导航解算、并通过传递对准实时输出两个子IMU的位置、速度、姿态信息。分布式POS测量系统是包含采集线速度和角速度的三个惯性测量单元，分布式PCS(PCS表示POS计算机系统)和差分GPS设备。其中分布式POS的计算机系统是由分布式数据处理计算机模块，分布式电源模块，GPS-OEM模块，分布式存储模块和分布式母版模块，该数据处理计算机模块采用TMS320C6678的8核DSP+FPGA的架构。中国发明专利《一种分布式POS用数据处理计算机系统》(专利申请号：201410099312.2)只是一种可以用于分布式POS测量系统中的一个模块，而且它是采用FPGA+6片DSP的架构，体积大且数据处理能力有限。技术实现要素：本发明的技术解决问题是：克服现有的机载单POS测量系统不能进行多节点测量的不足，提供一种机载分布式位置姿态测量系统，能够高频实时输出多节点的运动信息。本发明技术解决方案是：本发明的机载分布式POS测量系统，利用三路惯性测量单元(IMU)测量三个节点的角运动和线运动，并通过422总线传送给分布式PCS的数据处理计算机，同时，差分GPS以232或者TTL电平也传送给分布式PCS的数据处理计算机；分布式PCS包含了分布式电源模块，GPS-OEM模块，分布式存储模块，分布式母板模块和分布式数据处理计算机模块。分布式PCS利用分布式数据处理计算机模块把接收到的三路IMU数据和一路GPS数据进行解包，在线补偿，捷联解算，时间同步，传递对准和组合滤波；最后，数据处理计算机模块把三路IMU原始数据和一路GPS数据以及组合滤波结果发送到存储板模块、外部载荷和监控计算机，以便后处理、实时成像和监控。最终，分布式POS同步完成三个节点的位置，速度和姿态等运动信息的精确测量。本发明的原理是：机载分布式POS测量系统，利用三路惯性测量单元(IMU)测量三个节点的角运动和线运动，并通过422总线传送给分布式PCS的数据处理计算机，同时，差分GPS以232或者TTL电平也传送给分布式PCS的数据处理计算机；分布式PCS包含了分布式电源模块，GPS-OEM模块，分布式存储模块，分布式母板模块和分布式数据处理计算机模块，分布式PCS利用分布式数据处理计算机模块把接收到的三路IMU数据和一路差分GPS数据进行解包，在线补偿，捷联解算，时间同步，传递对准和组合滤波；最后，分布式数据处理计算机模块把三路IMU原始数据和一路GPS数据以及组合滤波结果发送到存储板模块、外部载荷和监控计算机，以便后处理、实时成像和监控。最终，分布式POS测量系统同步完成三个节点的位置，速度和姿态等运动信息的精确测量。本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明的分布式POS测量系统通过三路IMU和分布式PCS能够完成三个节点的运动信息的同步采集，接收，实时处理和实时输出。并且能完成大量、高精度的数据运算，能实现主节点的实时导航解算，同时通过传递对准实时输出两个子节点的位置、速度、姿态等运动信息，是分布式雷达成像的前提。(2)本发明的分布式POS测量系统通过差分GPS能完成实时载波相位差分信号的接收，解算，传输到分布式数据处理计算机模块进行组合导航，进一步提高主节点的导航精度，进而提供高精度的传递对准基准。(3)本发明的分布式POS测量系统通过分布式存储模块能实现多种波特率和多种传输方式的接收分布式数据处理计算机模块发送的三个节点的高频IMU原始数据，三个节点的高频组合导航信息以及GPS-OEM解算的差分GPS数据，提高了分布式POS测量系统的灵活度和可靠度，为分布式POS测量系统的数据后处理奠定了基础。附图说明图1为本发明的机载分布式POS组成框图；图2为本发明的机载分布式POS工作原理图。具体实施方式如图1所示，本发明包括一个分布式PCS、三个IMU和差分GPS设备。其中，分布式PCS是机载分布式POS的核心，它并行接收三个IMU发送的422数据和差分GPS数据，同时为三个IMU和RTK机载电台提供28V直流稳压电源，为并为成像载荷和监控计算机提供三个节点的导航信息；三个IMU为分布式PCS并行提供三个节点的角速度和加速度，并以422形式发送到分布式PCS的分布式母板模块,继而送入到分布式PCS的分布式数据处理计算机模块，完成捷联解算；差分GPS设备包括地面基准站设备和机载流动站设备，地面基准站设备由GPS基准站天线、GPS基准站接收机、RTK基准站数传电台和RTK电台发射天线组成，GPS基准站天线接收GPS信号，然后由GPS基准站接收机解算并传送到RTK基准站电台，最后由RTK电台发射天线送出；机载流动站设备包括RTK机载天线、RTK机载电台和GPS流动站天线组成，RTK机载天线接收RTK电台发射天线的信号，并送入分布式PCS的GPS-OEM模块，同时GPS流动站天线也接收GPS信号送入分布式PCS的GPS-OEM模块，完成差分解算。当分布式PCS的GPS-OEM模块完成差分解算，把实时差分位置和速度送入到分布式PCS的分布式数据处理计算机模块，并经过杆臂补偿，和同时刻的主节点的捷联解算进行组合滤波。两个子节点IMU的实时导航不采用INS/GPS的方法，而采用基于多级杆臂补偿的卡尔曼滤波方法将主节点的实时导航信息分别与两个子节点的捷联解算信息融合，得到高精度的子节点的实时导航结果；将杆臂长度误差作为状态量引入系统模型，可以更加准确的估计出主/子节点之间的基线长度，提高杆臂补偿精度；采用测量参数“速度+位置”的匹配方法，更容易估计出动态杆臂的误差，并进行误差修正，对挠曲运动噪声以及惯性器件的测量噪声具有较好的积分平滑作用；针对分布式POS测量系统，在其数据采集阶段进行了时间同步处理，保证了各IMU数据采集的时间同步性。该滤波器的状态方程和量测方程如下：系统状态方程为：X·=FX+W]]>式中X为18维状态变量，包括3个姿态误差、3个速度误差、3个位置误差、3个陀螺仪偏置、3个加速度计偏置和3个杆臂长度误差，F为状态转移矩阵；W为系统噪声，并假设其为零均值高斯白噪声；F的表达式：F=F1F2F3Cbn03×3Cbnωibb×F4F5F603×3Cbn03×303×3F7F803×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×3]]>式中：F1=0ωiesinL+VxtanLRN+H-(ωiecosL+VxRN+H)-(ωiesinL+VxtanLRN+H)0-VyRM+HωiecosL+VxRN+HVyRM+H0]]>F2=0-1RM+H01RN+H00tanLRM+H00F3=00Vy(RM+H)2-ωiesinL0-Vx(RN+H)2ωiecosL+Vxsec2LRN+H0VxtanL(RN+H)2]]>F5=VytanLRN+H-VzRN+H2ωiesinL+VxtanLRN+H-2ωiecosL-VxRN+H-2(ωiesinL+VxtanLRN+H)-VzRM+H-VyRM+H2(ωiecosL+VxRN+H)2VyRM+H0]]>F4=0-fzfyfz0-fx-fyfx0F6=2ωieVycosL+VxVysec2LRN+H+2ωieVzsinL0VxVz-VxVytanL(RN+H)2-(2ωiecosL+Vxsec2LRN+H)VE0VyVz+Vx2tanL(RN+H)2-2ωieVxsinL0-Vx2+Vy2(RN+H)2]]>F7=01RM+H0secLRN+H00001F8=00-Vy(RM+H)2VxsecLtanLRN+H0-VxsecL(RN+H)2000]]>式中RM和RN分别为沿子午圈和卯酉圈的主曲率半径，H为载体高度，ωie为地球自转角速度，fE、fN和fU分别为东向比力、北向比力和天向比力。量测方程如下：量测量Z为经过杆臂补偿后的速度误差和位置误差，量测矩阵H为：H＝[HVHP]THV=[03×3,100010001,03×9,Cbnωibb×]HP=[03×6,RM+H000RN+H0001,03×9]]]>如图2所示，三个IMU是分别用来测量三个不同节点的角运动和线运动，经过IMU内部的数据预处理后，并以422总线形式经过分布式PCS的分布式母板模块送入到分布式PCS的分布式数据处理计算机模块，进行捷联解算。在此过程中，GPS流动站天线和RTK机载电台在整秒点向分布式PCS的GPS-OEM模块发送GPS流动站信息和基准站信息，进而GPS-OEM模块完成实时差分解算，送入到分布式PCS的分布式数据处理计算机模块和主节点捷联解算的结果完成组合滤波，并通过主节点的组合滤波结果完成两个子节点的传递对准，输出两个子节点的组合滤波结果。分布式PCS的分布式数据处理计算机模块把三个节点的组合滤波结果以CAN或者422总线形式送入到三个成像载荷。三个IMU原始数据，GPS原始数据以及实时滤波结果送入到分布式PCS的分布式存储模块，以便进行数据后处理，提供更高的导航精度。提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。当前第1页1 2 3