一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法与流程

本发明属于导航系统领域，具体涉及一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法。

背景技术：

组合导航系统ins(integratednavigationsystem)是将飞机和舰船等运载体上的两种或两种以上的导航设备组合在一起的导航系统。组合导航系统是用以解决导航定位、运动控制、设备标定对准等问题的信息综合系统，具有高精度、高可靠性、高自动化程度的优点，是网络化导航系统发展的必然趋势。由于每种单一导航系统都有各自的独特性能和局限性，如果把几种不同的单一系统组合在一起，就能利用多种信息源，互相补充，构成一种有多维度和导航准确度更高的多功能系统。

以低精度微惯性测量单元、磁传感器和卫星导航为例，其中，低精度微惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，其包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。卫星导航双天线系统，则能长时间提供位置、速度以及俯仰角和横滚角等导航数据。

由于低精度微惯性测量单元(mimu)和磁传感器体积小、功耗低、成本低廉，在不依赖其他导航设备的情形下能自主输出导航参数，且性能稳定，广泛应用于微(小)型无人机、平衡车、机械手臂、室内定位、步行导航等领域，但低精度微惯性测量单元(mimu)和磁传感器存在精度较低、误差随时间积累会逐渐发散、不能满足系统长时间工作需求的问题。而卫星导航双天线系统，能长时间提供位置、速度以及俯仰角和横滚角等导航数据，但是卫星导航双天线系统在受到外界电子干扰及被遮挡时数据不可靠；且其在高动态的应用环境下可能发生信号失锁和周跳等问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法，其利用第一处理模块依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据、低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据进行分析解算，实现所述导航系统提供稳定可靠的载体姿态角、位置及速度数据以确保所述导航系统的准确性，从而解决低精度微惯性测量模块和磁传感模块精度较低、误差随时间积累以及卫星导航双天线系统被遮挡时数据不可靠等问题，实现低成本、较高精度的组合导航。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于无线通信的便携式组合导航系统，该系统包括设置在载体表面的第一天线模块、第二天线模块、低精度微惯性测量模块和磁传感模块，第一天线模块包括依次电连接的第一北斗天线、第一处理模块和第一无线数传模块；第二天线模块包括依次电连接的第二北斗天线、第二处理模块和第二无线数传模块；第一处理模块和第二处理模块通过第一无线数传模块和第二无线数传模块相互连接；第一处理模块还分别连接所述低精度微惯性测量模块和磁传感模块，

第一北斗天线将接收的第一北斗导航数据发送给第一处理模块；第二北斗天线将接收的第二北斗导航数据依次通过第二处理模块、第二无线数传模块和第一无线数传模块发送给第一处理模块；低精度微惯性测量模块和磁传感模块分别将测量数据发送给第一处理模块；第一处理模块依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据、低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据进行分析解算，实现所述导航系统提供稳定可靠的载体姿态角、位置及速度数据以确保所述导航系统的准确性。

作为本发明的进一步改进，第一处理模块依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据、低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据进行分析解算为：

依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据获取载体的第一位置数据、第一速度数据、第一航向角数据和第一俯仰角数据；

依据低精度微惯性测量模块的测量数据得到载体的第二位置数据、第二速度数据、第二航向角数据和第二俯仰角数据；

计算第一位置数据与第二位置数据、第一速度数据与第二速度数据、第一航向角数据与第二航向角数据和第一俯仰角数据与第二俯仰角数据的差值得到载体的位置差值、速度差值、航向角差值和俯仰角差值作为观测值，依据观测值建立系统的状态方程和观测方程，采用松组合卡尔曼滤波进一步得到优化的载体姿态角、位置及速度数据。

作为本发明的进一步改进，低精度微惯性测量模块的加速度测量值的模值满足0.985g≤||ab||≤1.015g条件时，第一处理模块利用低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据计算载体姿态角、位置及速度信息，并对低精度微惯性测量模块的陀螺仪进行校准；；

低精度微惯性测量模块的加速度测量值的模值满足||ab||<0.985g或者1.015g<||ab||，第一处理模块利用低精度微惯性测量模块的测量数据计算载体姿态角；

其中，ab为低精度微惯性测量模块的加速度测量值，g为标准重力加速度。

作为本发明的进一步改进，第一处理模块利用低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据计算载体姿态角具体为：计算磁传感器测量的地磁矢量与显式互补滤波算法估计的地磁矢量在载体坐标系的投影的叉乘magerror；计算低精度微惯性测量模块测量的重力矢量与显式互补滤波算法估计的重力矢量在载体坐标系的投影的叉乘accerror；依据模糊规则和隶属度函数计算magerror和accerror的绝对值与低精度微惯性测量模块的姿态角数据的比例增益和积分增益的对应关系；利用magerror和accerror的绝对值实时调整低精度微惯性测量模块的姿态角数据的比例增益和积分增益计算得到载体的姿态角数据。

作为本发明的进一步改进，该系统还包括显控模块，显控模块包括数据接口模块、功能参数设置模块、数据解析显示模块和导航数据处理模块，数据接口模块、功能参数设置模块、数据解析显示模块和导航数据处理模块分别连接第一处理模块，数据接口模块用于数据接口端口配置，功能参数设置模块用于设置数据输出模式、通信波特率和数据输出速率，数据解析显示模块用于以窗口和曲线的形式显示系统信息，导航数据处理模块用于转换数据文件类型并存储数据。

作为本发明的进一步改进，第一天线模块和第二天线模块分别位于载体的不同位置，第一天线模块和第二天线模块的最大通信距离为5公里。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种基于无线通信的便携式组合导航方法，具体步骤为：

s1.接收第一北斗天线和第二北斗天线所接收的第一北斗导航数据和第二北斗导航数据；

s2.接收低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据；

s3.依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据、低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据进行分析解算，实现该导航方法提供稳定可靠的载体姿态角、位置及速度数据以确保所述导航系统的准确性。

作为本发明的进一步改进，步骤s3种依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据、低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据进行分析解算为：

依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据获取载体的第一位置数据、第一速度数据、第一航向角数据和第一俯仰角数据；

依据低精度微惯性测量模块的测量数据得到载体的第二位置数据、第二速度数据、第二航向角数据和第二俯仰角数据；

计算第一位置数据与第二位置数据、第一速度数据与第二速度数据、第一航向角数据与第二航向角数据和第一俯仰角数据与第二俯仰角数据的差值得到载体的位置差值、速度差值、航向角差值和俯仰角差值作为观测值，依据观测值建立系统的状态方程和观测方程，采用松组合卡尔曼滤波进一步得到优化的载体姿态角、位置及速度数据。

作为本发明的进一步改进，低精度微惯性测量模块的加速度测量值的模值满足0.985g≤||ab||≤1.015g条件时，利用低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据计算载体姿态角、位置及速度信息，并对低精度微惯性测量模块的陀螺仪进行校准；

低精度微惯性测量模块的加速度测量值的模值满足||ab||<0.985g或者1.015g<||ab||，利用低精度微惯性测量模块的测量数据计算载体姿态角；

其中，ab为低精度微惯性测量模块的加速度测量值，g为重力加速度。

作为本发明的进一步改进，利用低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据计算载体姿态角具体为：计算磁传感器测量的地磁矢量与显式互补滤波算法估计的地磁矢量在载体坐标系的投影的叉乘magerror；计算低精度微惯性测量模块测量的重力矢量与显式互补滤波算法估计的重力矢量在载体坐标系的投影的叉乘accerror；依据模糊规则和隶属度函数计算magerror和accerror的绝对值与低精度微惯性测量模块的姿态角数据的比例增益和积分增益的对应关系；利用magerror和accerror的绝对值实时调整低精度微惯性测量模块的姿态角数据的比例增益和积分增益计算得到载体的姿态角数据。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法利用第一处理模块依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据、低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据进行分析解算，实现所述导航系统提供稳定可靠的载体姿态角、位置及速度数据以确保所述导航系统的准确性，从而解决低精度微惯性测量模块和磁传感模块精度较低、误差随时间积累以及卫星导航双天线系统被遮挡时数据不可靠等问题，实现低成本、较高精度的组合导航。

2、本发明的一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法利用采用主从站(第一天线模块和第二天线模块)分离式的结构，利用无线wifi实现第一天线模块、第二天线模块以及上位机显控单元的通信，便于携带且安装简单。

3、本发明的一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法通过设计一套可应用于舰船的便携式组合定位定向测姿系统，采用低精度微惯性测量模块/磁传感模块/双天线北斗分离式组合导航，双天线北斗输出的导航参数，可以不断修正mimu发散性误差；当双天线受遮挡干扰时能依靠mimu和磁传感器构成的marg传感器提供解算的导航数据，能克服动态环境下双天线北斗系统失锁和周跳等问题，能自主提供可靠的导航参数，并输出较为精确的航向数据校准磁罗经。

4、本发明一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法可灵活的安装在各型舰船或辅船上，配以加固平板电脑装载的显控系统，为了方便操作人员使用，解算的导航参数通过无线wifi发送给上位机显控单元，同时在上位机安装平台存储设备上能保存导航数据以便于事后处理和分析，可以方便用户获取导航信息并制定航行计划。

附图说明

图1为本发明的一种基于无线通信的便携式组合导航系统的结构示意图；

图2为本发明的一种基于无线通信的便携式组合导航系统与双天线基准系统的位置对比示意图；

图3为本发明的一种基于无线通信的便携式组合导航系统与双天线基准系统的航向角对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1为本发明的一种基于无线通信的便携式组合导航系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括第一天线模块、第二天线模块、低精度微惯性测量模块(mimu)、磁传感模块和显控模块，第一天线模块包括依次电连接的第一北斗天线、第一处理模块和第一无线数传模块，第一北斗天线将接收的第一北斗导航数据发送给第一处理模块；第二天线模块包括依次电连接的第二北斗天线、第二处理模块和第二无线数传模块，第一天线模块和第二天线模块通过第一无线数传模块和第二无线数传模块相互连接，第二北斗天线将接收的第二北斗导航数据发送给第二处理模块，第二处理模块将处理后的第二北斗导航数据依次通过第二无线数传模块和第一无线数传模块发送给第一处理模块；第一处理模块还分别连接有低精度微惯性测量模块(mimu)和磁传感模块，低精度微惯性测量模块包括加速度计和陀螺仪；第一处理模块接收第一北斗导航数据、处理后的第二北斗导航数据、低精度微惯性测量模块的数据和磁传感模块的数据并进行解算，以此方式提供稳定可靠的导航参数确保该导航系统的准确性；第一天线模块还包括无线模块，该无线模块用于连接显控模块和第一处理模块，第一处理模块将解算的数据通过无线模块发送给显控模块。

为了避免载体铁磁物质对低精度微惯性测量模块和磁传感模块的干扰，采用外接的方式连接低精度微惯性测量模块和磁传感模块，同时，第一天线模块采用oem板集成第一北斗天线、第一处理模块、第一无线数传模块和无线模块，第二天线模块采用oem板集成第二北斗天线、第二处理模块和第二无线数传模块。为了不影响接收卫星信号同时考虑到外壳坚固性，第一天线模块和第二天线模块分别将第一北斗天线和第二北斗天线接收板放置在上层，第一天线模块和第二天线模块封装上半部分采用塑料，下半部分采用铝合金水密封装。第一天线模块与第二天线模块距离为1.4m，双天线基准间距为1.8m。第二处理模块读取oem板数据通过第二无线数传模块和第一无线数传模块发送给第一处理模块，第一北斗天线与第二北斗天线构成双天线系统，采集低精度微惯性测量模块和磁传感模块的数据，实现在双北斗天线能有效的接收卫星信号时，融合低精度微惯性测量模块和双天线北斗数据，以提供稳定可靠的导航参数；双北斗天线受遮挡干扰时依靠低精度微惯性测量模块和磁传感模块获取姿态角信息，同时低精度微惯性测量模块还能在短时间内提供较为准确的位置和速度参数。

载体处于匀速或静止状态时，可通过低精度微惯性测量模块的加速度计和磁传感模块输出的数据解算载体姿态角，其解算的姿态角具有不随时间发散的优势，故可用于确定载体的初始姿态角。载体处于水平时，俯仰角和横滚角为零，磁航向角可直接通过磁传感器直接测量值得到，但实际应用中载体很少处于水平状态，因此，通过加速度计解算的俯仰角和横滚角实现磁传感器倾角补偿后获取磁航向角。

由于低精度微惯性测量模块的陀螺仪漂移比较大，若直接通过陀螺仪数据解四元数微分方程获取姿态角，其解算的姿态角短时间内精度较高，但误差会随时间积累而发散，故需要结合利用低精度微惯性测量模块的加速度计和磁传感模块的测试数据予以辅助，即利用模糊自适应互补滤波姿态解算算法(acf算法)对低精度微惯性测量模块的陀螺漂移进行在线补偿，以获取更为可靠的姿态角。模糊自适应互补滤波姿态解算算法具体为：计算磁传感器测量的地磁矢量与显式互补滤波算法估计的地磁矢量在载体坐标系的投影的叉乘magerror；计算低精度微惯性测量模块测量的重力矢量与显式互补滤波算法估计的重力矢量在载体坐标系的投影的叉乘accerror；依据模糊规则和隶属度函数计算magerror和accerror的绝对值与低精度微惯性测量模块的姿态角数据的比例增益和积分增益的对应关系；利用magerror和accerror的绝对值实时调整低精度微惯性测量模块的姿态角数据的比例增益和积分增益计算得到载体的姿态角数据，其中，magerror可以补偿z轴陀螺仪的漂移；accerror可以表征陀螺仪x、y轴漂移。

当加速度计测量值的模值满足0.985g≤||ab||≤1.015g条件时，其中，ab为加速度计的测量值，g为重力加速度，可认为载体处于相对平稳状态，此时加速度计和磁传感器能较为准确的估计载体姿态，从而对陀螺仪进行校准；当||ab||<0.985g或者1.015g<||ab||，认为载体处于非平稳状态，此时在短期内通过陀螺仪积分解算姿态角。

mimu/双天线北斗组合导航系统采用位置、速度、姿态(航向角和俯仰角)组合，分别使用mimu与双天线北斗输出的导航参数，获取位置差值、速度差值、航向角差值和俯仰角差值作为观测量，建立系统的状态方程和观测方程，采用卡尔曼滤波对数据进行组合处理。

为了辅助双天线系统进行导航解算，以及在卫星信号受到干扰或者丢失的情形下能获取载体的姿态信息，本发明的基于无线通信的便携式组合导航系统选用adi公司的dis16405，其集成了marg传感器。陀螺仪最大量程为±350°/s，零偏稳定性为25°/h，加速度计最大量程为±18g，零偏稳定性为0.2mg，磁传感器最大量程为±3.5gauss，能够满足一般的应用场合。adis16405工作电压范围为4.75v至5.25v，本系统中给定adis16405工作电压为5v。由于基于无线通信的便携式组合导航系统底座为磁吸盘，同时为了远离载体铁磁物质、磁吸盘的干扰和水密性，将adis16405用铝合金水密封装，采用外置的方式，微处理器可通过spi接口读取adis16405的数据。

本发明的基于无线通信的便携式组合导航系统为了便于在舰船上使用方便，设计为便携式分离系统；第一天线模块与第二天线模块之间数据通信可靠性尤为重要，为了保证通信质量，第一无线数传模块和第二无线数传模块采用力方盛ddttr无线数传电台。该无线数传电台采用铝合金外壳，具有较好的防止载体其他设备电磁干扰能力。数据接口简单，支持100个固定和16个可编程的通信频率信道，可避免与舰船其他设备间的通信频率互相干扰，可根据无线传输距离选取不同的发射功率，从而节省无线电台能耗。考虑到舰船其他设备可能会遮挡干扰主站和从站之间无线通信，为了通信稳定，配置了外置天线，可支持最大通信距离为5公里。工作电压为5±0.1v，本系统给该无线模块的供电电压为5v，能在-30℃至60℃温度范围内工作。

本发明的基于无线通信的便携式组合导航系统的显控模块应包含如下功能：①接收系统解算的导航数据，并以人性化的方式展示给用户；②设置系统的工作模式，如设置接收数据的波特率和格式等；③能在上位机装载平台的存储设备上保存数据。④数据曲线图，以便于更加清晰的反应载体的运动状态。显控单元还包括数据接口模块、功能参数设置模块、数据解析显示模块和导航数据处理模块，各模块功能具体如下：

数据接口模块，用于数据接收端口配置，由于系统具备无线wifi数据传输和串口传输方式，为了配合系统硬件部分数据接口，上位机数据接收也包含无线wifi数据传输和串口传输两种方式。串口设置主要包含波特率和端口号设置，波特率可配为115200、57600、38400、19200、9600、4800，需与系统硬件部分数据发送波特率保持一致，无线wifi数据传输需要配置ip地址和端口。

功能参数设置模块，其功能是设置系统硬件部分的数据输出模式，可设置数据输出模式、通信波特率、数据输出速率、保存设置和系统重启。其中设置数据输出模式是为了设置数据输出格式，包含三种输出模式：mode0输出mimu/双天线北斗组合导航解算数据、mode1输出双天线原始数据、mode2以十六进制协议输出双天线原始数据。波特率设置：设置系统与上位机通信的波特率。输出速率设置：设置数据输出的频率，以适应不同的用户使用需求。保存设置：保存当前的所有设置参数。系统重启：复位系统硬件。

数据解析显示模块，用于以窗口和曲线的形式显示系统解算的位置、速度和姿态角信息；mode0观察窗口可查看双天线原始数据；数据曲线含磁传感模块和姿态角实时数据曲线；轨迹图为系统解算的载体位置数据实时曲线；将系统输出的姿态角信息通过3d模型形象化的方式显示并将双天线北斗的状态反馈给用户。

导航数据处理模块，用于数据备份，还可用于将接收的导航参数转换为kml类型文件，方便在googleearth软件中使用kml数据文件查看系统解算的位置信息。

图2和图3分别为本发明的一种基于无线通信的便携式组合导航系统与双天线基准系统的位置对比示意图和航向角对比示意图。如图2和3所示,在双天线接收卫星信号良好的情况下，本发明的基于无线通信的便携式组合导航系统提供的位置信息能满足应用要求，且两条航向角曲线基本重合，本发明的基于无线通信的便携式组合导航系统提供输出的航向角具有较好的动态跟随性，达到系统设计的目的。

一种基于无线通信的便携式组合导航方法，具体步骤为：

s1.接收第一北斗天线和第二北斗天线所接收的第一北斗导航数据和第二北斗导航数据；

s2.接收低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据；

s3.依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据、低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据进行分析解算，实现所述导航方法提供稳定可靠的载体姿态角、位置及速度数据以确保所述导航系统的准确性。

依据第一北斗导航数据、第二北斗导航数据获取载体的第一位置数据、第一速度数据、第一航向角数据和第一俯仰角数据；

依据低精度微惯性测量模块的测量数据得到载体的第二位置数据、第二速度数据、第二航向角数据和第二俯仰角数据；

计算第一位置数据与第二位置数据、第一速度数据与第二速度数据、第一航向角数据与第二航向角数据和第一俯仰角数据与第二俯仰角数据的差值得到载体的位置差值、速度差值、航向角差值和俯仰角差值作为观测值，依据观测值建立系统的状态方程和观测方程，采用松组合卡尔曼滤波进一步得到优化的载体姿态角、位置及速度数据。

低精度微惯性测量模块的加速度测量值的模值满足0.985g≤||ab||≤1.015g条件时，利用低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据计算载体姿态角、位置及速度信息，并对低精度微惯性测量模块的陀螺仪进行校准；

低精度微惯性测量模块的加速度测量值的模值满足||ab||<0.985g或者1.015g<||ab||，利用低精度微惯性测量模块的测量数据计算载体姿态角；

其中，ab为低精度微惯性测量模块的加速度测量值，g为重力加速度。

利用低精度微惯性测量模块和磁传感模块的测量数据计算载体姿态角具体为：计算磁传感器测量的地磁矢量与显式互补滤波算法估计的地磁矢量在载体坐标系的投影的叉乘magerror；计算低精度微惯性测量模块测量的重力矢量与显式互补滤波算法估计的重力矢量在载体坐标系的投影的叉乘accerror；依据模糊规则和隶属度函数计算magerror和accerror的绝对值与低精度微惯性测量模块的姿态角数据的比例增益和积分增益的对应关系；利用magerror和accerror的绝对值实时调整低精度微惯性测量模块的姿态角数据的比例增益和积分增益计算得到载体的姿态角数据。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。