一种基于GNSS和IMU的定位定姿系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于gnss和imu的定位定姿系统。适用于无人驾驶、无人机测绘、巡查等。属于测绘技术领域。

背景技术：

导航系统用于测量载体的位置、速度与姿态等信息，是各类运载体必不可少的重要装置；导航技术是确定导航参数的方法，大到飞机、舰船、潜艇、导弹、宇宙飞船，小到汽车驾驶、机器人的运动都需要导航技术。

现有技术中，导航技术可分为两种基本类型：航位推算与定位。航位推算通过测量导航参数的变化量，在给定初始值的情况下，积分可得到当前值。定位依赖于外界参考信息，通过特征匹配或测量到参考点的距离、方位等，获得导航参数。现有技术存在两种独立的导航系统：即惯性导航系统(inertialnavigationsystem,简称ins)与全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystems,简称gnss)，这两个导航系统为现有技术的两种类型的典型代表。

全球卫星导航系统gnss的主要优点是：具有全球性、全天候导航能力，误差长期稳定；但存在如下问题：(1)卫星信号易受载体机动、干扰、遮挡等因素的影响，容易导致接收机无法捕获与跟踪信号；(2)通常只能输出位置与速度信息，输出带宽低。惯性导航系统ins具有以下优势：自主性强、短时精度高、输出带宽高、导航信息全等，为军事领域各类载体最主要的导航设备；但存在如下问题：(1)导航误差随时间积累增大，难以独立胜任长时间高精度的导航任务；(2)性能好的器件通常尺寸较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的，是为了解决现有全球卫星导航系统gnss存在只能输出位置与速度信息及输出带宽低的问题及惯性导航系统ins存在难以独立胜任长时间高精度的导航任务及尺寸较大的问题，提供一种基于gnss和imu的定位定姿系统，具有体积小、重量轻、定位精度高等突出的实质性特点和显著进步。

本实用新型的目的可以通过采取以下技术方案实现：

一种基于gnss和imu的定位定姿系统，其结构特点在于：包括imu惯性传感器、gnss接收及处理器、时间同步处理器、导航融合信息处理器和输出接口电路；imu惯性传感器的信号输出端、gnss接收及处理器的信号输出端之一各连接时间同步处理器的一个信号输入端，时间同步处理器的信号输出端连接导航融合信息处理器的信号输入端之一，gnss接收及处理器的信号输出端之二连接导航融合信息处理器的信号输入端之二，gnss接收及处理器的信号输出端之三连接输出接口电路的输入端之一，导航融合信息处理器的信号输出端连接输出接口电路的输入端之二，输出接口电路具有外接的信号输出端；imu惯性传感器的检测端对准被测物体、以实时输出被测物体的角速度与加速度，gnss接收及处理器的检测端对准被测物体、以测量被测物体的位置与速度，时间同步处理器通过gnss接收及处理器输入的秒脉冲信号对imu惯性传感器输出的数据进行时间同步；导航融合信息处理器用于将imu惯性测量信息与gnss位置、速度测量信息进行融合处理；输出接口电路用于向外发送导航信息。

本实用新型的目的还可以通过采取以下技术方案实现：

进一步地，时间同步处理器包括imu惯性测量信号采集单元和捷联惯导机械编排单元，imu惯性测量信号采集单元的信号输入端连接imu惯性传感器的信号输出端，捷联惯导机械编排单元的信号输入端连接imu惯性测量信号采集单元的信号输出端、以输入被测物体的角速度与加速度信息；卡尔曼融合单元的信号输入端之三连接gnss接收及处理器的信号输出端，gnss接收及处理器的信号输入端接收基站发送的rtcm数据、以解算出被测物体的位置、速度信息输送给卡尔曼融合单元；导航融合信息处理器包括卡尔曼融合单元，捷联惯导机械编排单元具有ins误差信息输出端、初始化信息输出端和误差估值输入端，所述ins误差信息输出端连接卡尔曼融合单元的信号输入端之一、初始化信息输出端连接卡尔曼融合单元的信号输入端之二，卡尔曼融合单元的信号输出端连接捷联惯导机械编排单元的误差估值输入端；捷联惯导机械编排单元的信号输出端通过导航融合信息处理器4的输出端连接输出接口电路的输入端之二、以输出被测物体的位置、速度、姿态信息。

进一步地，所述的是imu惯性传感器为常规技术的imu惯性传感器；所述的gnss接收及处理器为常规技术的gnss接收传感器，具有接收信息及检测传送信息功能结构；时间同步处理器由ic芯片组成，包括stm32芯片；导航融合信息处理器由ic芯片组成，包括imx6芯片；输出接口电路由ic芯片组成，包括max232芯片。

进一步地，imu惯性传感器构成mems惯性器件，gnss接收及处理器2构成紧凑型gnss接收机，imu惯性测量信号采集单元和捷联惯导机械编排单元构成惯导与gnss数据同步模块，gnss接收及处理器的位置信息输出端与卡尔曼融合单元构成导航信息卡尔曼融合处理模块。

本实用新型具有如下突出的实质性特点和显著进步：

1、本实用新型由imu惯性传感器构成mems惯性器件，gnss接收及处理器构成紧凑型gnss接收机，imu惯性测量信号采集单元和捷联惯导机械编排单元构成惯导与gnss数据同步模块，gnss接收及处理器的位置信息输出端与卡尔曼融合单元构成导航信息卡尔曼融合处理模块；具体是采用体积与质量很小的mems惯性器件与紧凑型gnss接收机，结合惯导与gnss数据同步模块、导航信息卡尔曼融合处理模块，组成的高精度定位、定姿产品；因此能够解决解决现有全球卫星导航系统gnss存在只能输出位置与速度信息及输出带宽低的问题及惯性导航系统ins存在难以独立胜任长时间高精度的导航任务及尺寸较大的问题，具有体积小、重量轻、定位精度高等突出的实质性特点和显著进步。可广泛应用于激光雷达、高光谱相机集成等应用领域。

2、本实用新型组成了一款高精度定位、定姿产品；解决了同类型定位定姿产品体积大、质量大，不易扩展运用等问题，与常规类型产品相比，本方案质量很轻、小于或等于80g；体积很小、小于或等于83*85*18mm；产品精度很高，定位精度3-6cm；水平姿态精度0.05°；航向姿态精度0.15°。

附图说明

图1是本实用新型一个具体实施例的结构框图。

图2是本实用新型一个具体实施例的局部结构框图。

具体实施方式

具体实施例1：

参照图1，本实施例包括imu惯性传感器1、gnss接收及处理器2、时间同步处理器3、导航融合信息处理器4和输出接口电路5；imu惯性传感器1的信号输出端、gnss接收及处理器2的信号输出端之一各连接时间同步处理器3的一个信号输入端，时间同步处理器3的信号输出端连接导航融合信息处理器4的信号输入端之一，gnss接收及处理器2的信号输出端之二连接导航融合信息处理器4的信号输入端之二，gnss接收及处理器2的信号输出端之三连接输出接口电路5的输入端之一，导航融合信息处理器4的信号输出端连接输出接口电路5的输入端之二，输出接口电路5具有外接的信号输出端；imu惯性传感器1的检测端对准被测物体、以实时输出被测物体的角速度与加速度，gnss接收及处理器2的检测端对准被测物体、以测量被测物体的位置与速度，时间同步处理器3通过gnss接收及处理器2输入的秒脉冲信号对imu惯性传感器1输出的数据进行时间同步；导航融合信息处理器4用于将imu惯性测量信息与gnss位置、速度测量信息进行融合处理；输出接口电路5用于向外发送导航信息。

参照图2，时间同步处理器3包括imu惯性测量信号采集单元和捷联惯导机械编排单元，imu惯性测量信号采集单元的信号输入端连接imu惯性传感器1的信号输出端，捷联惯导机械编排单元的信号输入端连接imu惯性测量信号采集单元的信号输出端、以输入被测物体的角速度与加速度信息；卡尔曼融合单元的信号输入端之三连接gnss接收及处理器2的信号输出端，gnss接收及处理器2的信号输入端接收基站发送的rtcm数据、以解算出被测物体的位置、速度信息输送给卡尔曼融合单元；导航融合信息处理器4包括卡尔曼融合单元，捷联惯导机械编排单元具有ins误差信息输出端、初始化信息输出端和误差估值输入端，所述ins误差信息输出端连接卡尔曼融合单元的信号输入端之一、初始化信息输出端连接卡尔曼融合单元的信号输入端之二，卡尔曼融合单元的信号输出端连接捷联惯导机械编排单元的误差估值输入端；捷联惯导机械编排单元的信号输出端通过导航融合信息处理器4的输出端连接输出接口电路5的输入端之二、以输出被测物体的位置、速度、姿态信息。

本实施例中：

所述的是imu惯性传感器1为常规技术的imu惯性传感器；所述的gnss接收及处理器2为常规技术的gnss接收传感器，具有接收信息及检测传送信息功能结构；时间同步处理器3由ic芯片组成，包括常规技术的stm32芯片；导航融合信息处理器4由ic芯片组成，包括常规技术的imx6芯片；输出接口电路5由ic芯片组成，包括常规技术的max232芯片。

imu惯性传感器1构成mems惯性器件，gnss接收及处理器2构成紧凑型gnss接收机，imu惯性测量信号采集单元和捷联惯导机械编排单元构成惯导与gnss数据同步模块，gnss接收及处理器2的位置信息输出端与卡尔曼融合单元构成导航信息卡尔曼融合处理模块。

参照图2，本实施例主要包括以下功能模块：

imu惯性传感器：采集原始惯导输出的数据，三轴加速度的原始值，三轴陀螺的原始值输出给惯性导航系统ins；

惯性导航系统ins：对采集的惯导数据进行机械编排，得到位置姿态信息；对惯导进行初始赋值；接收到卡尔曼融合单元输出的误差状态值，补偿惯性导航系统ins解算，输出精确的位置速度姿态状态；

卡尔曼融合单元：对惯导值与gnss定位值进行间接卡尔曼融合，估计出位置误差，姿态误差，加速度计与陀螺的漂移值，反馈给惯性导航系统；

gnss接收及处理器：接收基站的rtcm数据流，输出rtk位置解。

本方案采用体积与质量很小的mems惯性器件与紧凑型gnss接收机，结合惯导与gnss数据同步模块、导航信息卡尔曼融合处理模块，组成了一款高精度定位、定姿产品；解决了同类型定位定姿产品体积大、质量大，不易扩展运用等问题，使之可广泛应用于激光雷达、高光谱相机集成等应用领域。

需要说明的是imu惯性传感器是测量物体角速度与加速度的装置，它可以实时输出被测物体的角速度与加速度信息；gnss接收传感器是测量物体位置与速度的装置；时间同步处理器是通过gnss接收传感器的秒脉冲信号对imu惯性传感器的数据数据进行时间同步；导航融合信息处理器是imu惯性测量信息与gnss位置、速度测量信息进行融合处理的装置；输出用户接口电路是发送导航信息给用户的装置。

使用时，imu惯性测量传感器实时测量物体的加速度、角速度信息，然后进行捷联机械编排；与此同时，gnss接收传感器实时接收基站发送的差分信号rtcm，进行rtk解算得到高精度位置；两者把各自信息传递给卡尔曼融合器进行融合，卡尔曼融合器把位置、速度与姿态的修正信息反馈给惯导的捷联机械编排模块，然后其将修正后的精确位置、速度姿态信息输出给用户。

需要说明的是：imu惯性测量采集通过spi接口采集原始的惯导数据，并进行低通滤波，过滤数据的高频干扰；捷联惯导机械编排对采集的被测物体的角速度与加速度信息采用牛顿力学定律计算得到位置、速度与姿态；卡尔曼融合器是对gnss板卡rtk解算后的高精度位置信息与经过机械编排得到的惯导信息采用卡尔曼滤波器技术进行融合，并把融合得到的误差估计值反馈给捷联惯导机械编排模块，其经过校正后输出给用户高精度的位置、速度、姿态信息。

由上可知，imu惯性测量器虽然具有不受外界干扰的特点，在gnss信号不佳时，可进行连续导航，但是其误差是随着使用时间的增长逐渐累加；而gnss传感器虽然在开阔地带可持续高精度导航，但是其信号容易受到干扰。本实用新型卡尔曼融合器可以在imu惯性测量采集原始的惯导数据的基础上通过gnss的rtk高精度位置对惯导的累积误差进行清除，有效的提高了系统的位置、速度与姿态的精度。

本实用新型利用ins与gnss在导航原理、误差特性、输出特性等方面具有的强互补性，将ins与gnss组合，可克服各自的不足、提高整体性能。

本实用新型与现有技术相比，还具有如下特点：

1、与常规类型产品相比，本实用新型的产品质量更轻，为80g左右；体积更小，其尺寸为83*85*18mm左右。

2、本实用新型的产品精度较高，定位精度为3-6cm，水平姿态精度为0.05°，航向姿态精度为0.15°。

本方案采用体积与质量很小的mems惯性器件与紧凑型gnss接收机，结合惯导与gnss数据同步模块、导航信息卡尔曼融合处理模块，组成了一款高精度定位、定姿产品；解决了同类型定位定姿产品体积大、质量大，不易扩展运用等问题，使之可广泛应用于激光雷达、高光谱相机集成等应用领域。