基于bd、gps及mems的組合導航系統(tǒng)及導航方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于導航技術領域，適用于微小型平臺穩(wěn)定控制、姿態(tài)與航向參考、組合導 航等系統(tǒng)領域，具體為基于BD、GPS及MEMS的組合導航系統(tǒng)及導航方法。
【背景技術】
[0002] 隨著新軍事變革思想的不斷推進，以及國產(chǎn)武器裝備持續(xù)升級換代，國防領域對 武器系統(tǒng)的精確打擊提出了一系列新的要求：抗過載、小型化、低功耗、低成本、高精度。但 是現(xiàn)有的組合導航系統(tǒng)普遍存在著體積大、難以集成、精度較差等缺點，既難以滿足微小型 系統(tǒng)的發(fā)展需求，也不符合軍工設備發(fā)展的迫切需要。而近年來發(fā)展起來的、采用集成電路 的加工工藝的慣性微傳感器（MEMS-MU)的性能不斷提高，且具有體積小、重量輕、功耗低、 成本低的特點。將MEMS-IMU應用到武器系統(tǒng)中，尤其是武器的導航系統(tǒng)中去，從而確保武 器裝備的精確打擊能力，同時減小武器系統(tǒng)中的組合導航系統(tǒng)的體積，是今后國產(chǎn)武器發(fā) 展的重要方向。但是，目前MEMS-IMU的精度仍處于較低水平，無法單獨實現(xiàn)導航，需要進一 步的硬件結構設計與導航算法的優(yōu)化，才能滿足技術發(fā)展的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提出一種基于BD、GPS及MEMS的組合導航系統(tǒng)及導航方法，使之 具有抗過載、小型化、低功耗、低成本、較高精度的特點，尤其具有較高精度的姿態(tài)控制與導 航定位性能。具體如下：
[0004] 基于BD、GPS及MEMS的組合導航系統(tǒng)，包括MEMS-MU模塊100、GNSS模塊200、磁 強計模塊300和組合導航計算機400。MEMS-MU模塊100、GNSS模塊200和磁強計模塊300 分別與組合導航計算機400連接。所述的基于BD、GPS及MEMS的組合導航系統(tǒng)安裝在載體 上使用。
[0005] 所述的MEMS-MU模塊100包括三軸MEMS陀螺儀101和三軸MEMS加速度計102， 其中，三軸MEMS陀螺儀101為單芯片數(shù)字化的角速度檢測器，負責向組合導航計算機400 輸出角速度信號。三軸MEMS加速度計102為單芯片數(shù)字化的比力檢測器，負責向組合導航 計算機400輸出比力信號。
[0006] 所述的GNSS模塊200包含一片集成BD2和GPS的導航芯片205,通過集成BD2和 GPS的導航芯片205向組合導航計算機400輸出導航信號。
[0007] 所述的磁強計模塊300負責向組合導航計算機400輸出三維磁場強度信號。
[0008] 所述組合導航計算機400將三軸MEMS陀螺儀101的輸出信號、三軸MEMS加速度 計102的輸出信號與GNSS模塊200的輸出信號進行濾波運算，獲得本組合導航系統(tǒng)的三維 位置值、三維速度值和加速度計漂移估計值。
[0009] 組合導航計算機400將三軸MEMS陀螺儀101的輸出信號、三軸MEMS加速度計102 的輸出信號、磁強計模塊300的輸出信號、以及運算獲得的加速度計漂移估計值進行融合 運算，獲得本組合導航系統(tǒng)的姿態(tài)角估計值。
[0010] 上述的三維位置值、三維速度值和姿態(tài)角估計值做為本組合導航系統(tǒng)的導航數(shù)據(jù) 輸出值對外輸出。
[0011] 采用本發(fā)明所述的基于BD、GPS及MEMS的組合導航系統(tǒng)獲取導航坐標的方法，按 如下步驟進行：
[0012] 步驟1 :由組合導航計算機400讀取三軸MEMS陀螺儀101輸出的角速度信號、三 軸MEMS加速度計102輸出的比力信號和GNSS模塊200輸出的導航坐標信號，并通過組合 導航擴展卡爾曼濾波器402轉換得到本組合導航系統(tǒng)的位置數(shù)值、速度數(shù)值和加速度計漂 移數(shù)值。
[0013] 步驟2 :由組合導航計算機400讀取三軸MEMS陀螺儀101輸出的角速度信號、三 軸MEMS加速度計102輸出的比力信號、磁強計模塊300輸出的三維磁場強度信號，并通過 姿態(tài)解算濾波器401轉換得到本組合導航系統(tǒng)的絕對值的姿態(tài)角數(shù)值。
[0014] 步驟3 :由組合導航計算機400將步驟1得到加速度計漂移數(shù)值轉化成陀螺漂移 數(shù)值和磁強計失真誤差值。
[0015] 步驟4 :將步驟3得到陀螺漂移數(shù)值和磁強計失真誤差值輸入姿態(tài)解算濾波器 401，對由步驟2獲得的絕對值的姿態(tài)角數(shù)值進行校正，獲得本組合導航系統(tǒng)的校正后的姿 態(tài)角數(shù)值。
[0016] 步驟5 :將本組合導航系統(tǒng)的位置數(shù)值、速度數(shù)值和校正后的姿態(tài)角數(shù)值作為導 航運算的結果對外輸出。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：
[0018] 1、采用了MEMS慣性器件，極大降低導航系統(tǒng)成本，與此同時，MEMS慣性器件具有 高抗沖擊等特性，尤其適合各種戰(zhàn)爭環(huán)境應用。本發(fā)明將MEMS-MU與GPS、磁強計相結合， 構建組合導航系統(tǒng)，實現(xiàn)較高精度姿態(tài)控制與導航定位，且克服了傳統(tǒng)設備的體積大、重量 重的技術難題。
[0019] 2、本發(fā)明采用了一種全新的MEMS-MU模塊。MEMS-MU模塊采用單芯片數(shù)字化三 軸MEMS陀螺儀和單芯片數(shù)字化三軸MEMS加速度計，與傳統(tǒng)組合導航系統(tǒng)相比較，極大的降 低了系統(tǒng)體積，同時降低了由于正交誤差引起的系統(tǒng)誤差。由于MEMS陀螺儀和MEMS加速 度計均輸出數(shù)字信號，為應用開發(fā)帶來便利。
[0020] 3、本發(fā)明采用的GNSS模塊是一片單片BD2/GPS導航芯片，兼?zhèn)浔倍范鶥D2和 GPS的導航能力。適應北斗、GPS需求，應用面廣。此外，GNSS模塊采用單芯片方案，極大的 降低了GNSS模塊體積和功耗，從而降低整體系統(tǒng)體積和功耗。
[0021] 4、本發(fā)明采用了一種新的姿態(tài)解算方法，通過加速度計可以獲得橫滾角roll、俯 仰角pitch，將橫滾角、俯仰角與磁強計輸出的三維磁場強度進行融合，便獲得航向角yaw。 重要的是，以重力軸系與磁場軸系作為基準，保證系統(tǒng)測姿誤差有界，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 通過陀螺儀與加速度計、磁強計進行數(shù)據(jù)融合，采用新的姿態(tài)解算方法對姿態(tài)四元數(shù)和陀 螺儀的漂移、加速度計的漂移和磁強計失真誤差進行濾波估計，從而對陀螺儀、加速度計和 磁強計進行誤差補償，抑制了陀螺儀、加速度計和磁強計的漂移，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和精 度。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的組合導航系統(tǒng)。
[0023] 圖2為本發(fā)明的GNSS模塊拓撲結構示意圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明的磁強計模塊拓撲結構示意圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明組合導航計算機的數(shù)據(jù)處理示意圖。
[0026] 圖5為本發(fā)明的姿態(tài)解算方法的示意圖。
[0027] 圖6為現(xiàn)有的擴展卡爾曼濾波算法的流程圖。
【具體實施方式】
[0028] 現(xiàn)結合附圖詳細說明本發(fā)明的技術細節(jié)。
[0029] 參見圖1，基于BD、GPS及MEMS的組合導航系統(tǒng)，安裝在載體上，包括MEMS-MU模 塊100、GNSS模塊200、磁強計模塊300和組合導航計算機400。MEMS-MU模塊100、GNSS 模塊200和磁強計模塊300分別與組合導航計算機400連接。
[0030] 所述的MEMS-MU模塊100包括三軸MEMS陀螺儀101和三軸MEMS加速度計102， 其中，三軸MEMS陀螺儀101為單芯片數(shù)字化的角速度檢測器，負責向組合導航計算機400 輸出角速度信號。三軸MEMS加速度計102為單芯片數(shù)字化的比力檢測器，負責向組合導航 計算機400輸出比力信號。
[0031] 所述的GNSS模塊200包含一片集成BD2和GPS的導航芯片205,通過集成BD2和 GPS的導航芯片205向組合導航計算機400輸出導航信號。
[0032] 所述的磁強計模塊300負責向組合導航計算機400輸出三維磁場強度信號。
[0033] 所述組合導航計算機400將三軸MEMS陀螺儀101的輸出信號、三軸MEMS加速度 計102的輸出信號與GNSS模塊200的輸出信號進行濾波運算，獲得本組合導航系統(tǒng)的三維 位置值、三維速度值和加速度計漂移估計值。
[0034] 組合導航計算機400將三軸MEMS陀螺儀101的輸出信號、三軸MEMS加速度計102 的輸出信號、磁強計模塊300的輸出信號、以及運算獲得的加速度計漂移估計值進行融合 運算，獲得本組合導航系統(tǒng)的姿態(tài)角估計值。
[0035] 上述的三維位置值、三維速度值和姿態(tài)角估計值做為本組合導航系統(tǒng)的導航數(shù)據(jù) 輸出值對外輸出。
[0036] 參見圖2,所述的GNSS模塊200還包括天線201。所述的集成BD2和GPS導航芯片 205由BD2信號前端處理單元202、GPS信號前端處理單元203和基帶處理S0C204組成。其 中，天線201分別與BD2信號前端處理單元202的信號輸入端、GPS信號前端處理單元203 的信號輸入端相連接，BD2信號前端處理單元202的信號輸出端與GPS信號前端處理單元 203的信號輸出端分別與基帶處理S0C(也稱為基帶處理片上系統(tǒng)S0C) 204的信號輸入端相 連接。
[0037] 參見圖3,所述的磁強計模塊300包括x軸磁阻傳感器301、y軸磁阻傳感器302、 z軸磁阻傳感器303和磁阻信號處理電路304。其中，x軸磁阻傳感器301的信號輸出端、y 軸磁阻傳感器302的信號輸出端、z軸磁阻傳感器303的信號輸出端分別與磁阻信號處理 電路304的信號輸入端相連接，由磁阻信號處理電路304對接收到的信號進行模數(shù)轉換后， 輸出數(shù)字化的三維磁場強度信號。
[0038] 參見圖4,所述組合導航計算機400包括姿態(tài)解算濾波器401和組合導航擴展卡爾 曼濾波器（也稱為組合導航EKF) 402。其中，姿態(tài)解算濾波器401獲取三軸MEMS陀螺儀 101的信號、三軸MEMS加速度計102的信號、以及磁強計模塊300的信號。組合導航擴展卡 爾曼濾波器組合導航EKF402獲取三軸MEMS陀螺儀101的信號、三軸MEMS加速度計102的 信號、以及GNSS模塊200的信號。組合導航擴展卡爾曼濾波器402的輸出信號反饋至姿態(tài) 解算濾波器401。
[0039] 所述組合導航擴展卡爾曼濾波器組合導航EKF402對接收到的GNSS模塊200的輸 出信號、三軸MEMS陀螺儀101的輸出信號和三軸MEMS加速度計102的輸出信號進行濾波 運算，獲得本組合導航系統(tǒng)的三維位置值、三維速度值和加速度計漂移估計值。
[0040] 所述姿態(tài)解算濾波器401對接收到的三軸MEMS陀螺儀101的輸出信號、三軸MEMS 加速度計102的輸出信號、磁強計模塊300的輸出信號以及由組合導航EKF402通過濾波運 算獲得的加速度計漂移估計值進行融合運算，獲得本組合導航系統(tǒng)的姿態(tài)角估計值。
[0041] 本組合導航系統(tǒng)的姿態(tài)角估計值、三維位置值和三維速度值作為導航的結果向外 輸出。
[0042] 采用本發(fā)明所述的基于BD、GPS及MEMS的組合導航系統(tǒng)獲取導航坐標的方法，按 如下步驟進行：
[0043] 步驟1 :由組合導航