一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法，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，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，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线通信的便携式组合导航系统及方法
本专利技术属于导航系统领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，按照本专利技术的一个方面，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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，按照本专利技术的另一个方面，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。作为本专利技术的进一步改进，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、第一速度数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，所述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；所述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；所述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；所述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，其特征在于，所述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；所述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；所述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；所述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、位置及速度数据并确保所述导航系统的准确性。

【技术特征摘要】
1.一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，所述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；所述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；所述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；所述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，其特征在于，所述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；所述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；所述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；所述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、位置及速度数据并确保所述导航系统的准确性。2.根据权利要求1所述的一种基于无线通信的便携式组合导航系统，其特征在于，所述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具体为：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。3.根据权利要求2所述的一种基于无线通信的便携式组合导航系统，其特征在于，所述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；；所述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。4.根据权利要求3所述的一种基于无线通信的便携式组合导航系统，其特征在于，所述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。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于无线通信的便携式组合导航...

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣颖，卞鸿巍，马恒，陈雷，许微，林秀秀，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42