通用组合导航系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及导航领域，提供一种通用组合导航系统，包括：组合导航模块和通用接口电路；所述组合导航模块至少用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航解算，并结合传感器的测量数据完成组合导航解算；所述组合导航模块包括硬件层和软件层，所述硬件层与通用接口电路连接并支撑软件层的运算；所述通用接口电路至少用于连接不同接口类型的传感器和其他系统外部设备；本发明专利技术的通用接口电路可以直接接入绝大部分导航相关行业的传感器，方便应用于机载、车载、船载和水下组合导航。

【技术实现步骤摘要】
通用组合导航系统与方法
本专利技术涉及导航领域，具体涉及一种通用组合导航系统、通用组合导航方法。
技术介绍
现代常用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、天文导航、无线电导航等。其中只有惯性导航是完全自主的，既不向外界辐射信号，也不用接收外部信号。惯性导航(InertialNavigationSystem，INS)仅依靠陀螺仪和加速度计敏感载体在惯性系下的运动，实现全球、全天候地提供全面导航信息，是一种独立自主导航技术。它具备连续输出载体位置速度和姿态信息、短时导航精度高、完全独立自主等突出优点。惯性导航系统己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工业、医疗电子设备中都得到了应用。惯性导航系统不仅在国防现代化中占有十分重要的地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。但是，受自身惯性器件误差漂移的影响，惯性导航系统有着无法克服的缺点，导航误差随时间累积。实际的导航系统常以惯性导航系统为主导航系统，辅以其他如天文导航、卫星导航、无线电导航、地形匹配辅助/视觉导航等导航手段，通过组合导航技术进行优势互补，提高导航系统整体性能。组合导航是近代导航理论和技术发展的结果。通过将不同的导航方式组合在一起可以获得比单独使用任一系统时更高的导航性能，也因此组合导航系统得到了越来越广泛的研究和应用。在不同的行业应用中，现有的组合导航系统通常以惯性导航系统为核心，结合不同的传感器和组合导航模型实现组合导航。常见载体的组合导航系统采用的组合方式如下：机载组合导航采用惯性导航(INS)、卫星导航(GNSS)和高度计等组合；车载组合导航采用惯性导航(INS)、卫星导航(GNSS)和里程计(ODO)等组合；船载组合导航采用惯性导航(INS)、卫星导航(GNSS)和测速仪(DVL)等组合；水下组合导航采用惯性导航(INS)、测速仪(DVL)、深度计和基线系统(BL)等组合。在不同类型的行业应用中，由于传感器和组合导航模型不一样，现有技术方案通常采用不同的组合导航系统，需要采用不同的系统、模型、硬件和软件，明显提高系统成本和应用难度。此外，在很多行业应用(智能驾驶、轨道检测和管线测量)中惯性导航和组合导航输出的导航数据只是中间结果，通常需要结合其它的硬件和技术才能得到最终的结果和功能。因此，亟需开发一种通用组合导航系统，能够满足不同的组合导航方式直接应用在同一个组合导航系统中，并且能够通过导航数据和传感器数据直接解算并输出最终的行业测量结果。
技术实现思路
为了实现多种不同的组合导航方式能够运用在同一个组合导航模型上，以及组合导航模型能够针对不同的组合导航方式计算出导航数据，本专利技术提供一种通用组合导航系统与方法。根据本专利技术的第一方面，提供一种通用组合导航系统，包括：组合导航模块和通用接口电路；其中，所述组合导航模块至少用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航解算，并结合其他传感器的测量数据完成组合导航解算；所述组合导航模块包括硬件层和软件层，所述硬件层与多个通用接口电路连接并支撑软件层的运算，所述软件层包括导航解算模块、系统误差校正模块、最优估计模块和结果输出模块；导航解算模块用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航的姿态解算、速度解算和位置解算；最优估计模块利用导航解算模块输出结果和传感器的测量数据对系统误差进行最优估计，用于实现姿态组合导航、速度组合导航和位置组合导航功能；系统误差校正模块至少用于根据所述最优估计模块的输出结果对系统误差进行校正；结果输出模块用于输出测量结果数据；所述通用接口电路至少用于连接不同接口类型的传感器和其他系统外部设备。根据本专利技术的一示例实施方式，所述组合导航模块的软件层还包括行业测量解算模块，所述行业测量解算模块与所述导航解算模块、所述最优估计模块和所述结果输出模块连接，用于完成在机载、车载、船载或水下的具体行业应用中的测量模型解算和误差补偿。根据本专利技术的一示例实施方式，所述组合导航模块的软件层还包括误差补偿模块、故障检测模块、重力异常解算模块、动力学解算模块和运动约束解算模块中的一个或多个模块；其中，误差补偿模块用于对接入的传感器数据进行误差补偿；故障检测模块用于对误差补偿模块输出的数据进行故障检测；重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与导航解算模块采用的重力模型之间的误差；动力学解算模块用于动力学运动模型解算和误差补偿；运动约束解算模块用于具体行业应用中的运动约束模型解算和误差补偿。根据本专利技术的一示例实施方式，系统误差校正模块还用于校正重力异常误差。根据本专利技术的一示例实施方式，所述组合导航模块还包括数据存储模块，所述数据存储模块用于实时保存各种原始数据和结果数据，包括惯性导航数据(陀螺和加速度计数据及惯性导航解算的结果数据)、其他传感器和惯性导航数据组合的导航数据、系统状态数据、外部传感器数据、伺服控制数据和智能驾驶数据。根据本专利技术的一示例实施方式，所述组合导航模块的硬件层包括SOC芯片、FPGA、DRAM和固态硬盘；所述SOC芯片为软件层提供运算和控制的支撑；所述FPGA连接SOC芯片和通用接口电路，至少用于采集陀螺、加速度计和传感器的信号并传输给SOC芯片；所述DRAM与所述SOC芯片连接，用于存储数据；所述固态硬盘与所述SOC芯片连接，用于存储数据。根据本专利技术的一示例实施方式，每个通用接口电路包括四个硬件接口，分别是同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口；同步接口用于同步输入信号和输出信号；模拟接口用于连接传感器和其他系统外部设备的模拟接口；数字接口用于连接传感器和其他系统外部设备的数字接口；通信接口用于连接传感器和其他系统外部设备的通信接口，包括网络接口、串口、CAN接口、USB接口、光纤接口和无线接口。根据本专利技术的一示例实施方式，每个通信接口电路包括四层结构，依次为接口链路层、接口设备层、设备驱动层和设备应用层；接口链路层用于提供传感器和其他系统外部设备与四个接口的电气连接和电平标准转换硬件；接口设备层用于提供同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口的功能实现硬件，包括FPGA电路、ADC电路、DAC电路、运放电路和SOC通信接口电路；设备驱动层用于提供通用接口驱动程序；设备应用层用于完成接口设备初始化、状态监测、数据通信和设备控制功能。根据本专利技术的一示例实施方式，所述通用组合导航系统还包括外部温度传感器，所述外部温度传感器与所述通用接口电路连接。根据本专利技术的一示例实施方式，所述通用组合导航系统还包括惯性器件电路，所述惯性器件电路与组合导航模块的硬件层的FPGA连接，用于连接不同接口类型的陀螺、加速度计和温度传感器；所述惯性器件电路包括ADC、运放电路、I/F转换电路、激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通用组合导航系统，其特征在于，包括：组合导航模块和通用接口电路；其中，/n所述组合导航模块至少用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航解算，并结合传感器的测量数据完成组合导航解算；/n所述组合导航模块包括硬件层和软件层，所述硬件层与通用接口电路连接并支撑软件层的运算，所述软件层包括导航解算模块、系统误差校正模块、最优估计模块和结果输出模块；/n导航解算模块用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航的姿态解算、速度解算和位置解算；/n最优估计模块利用导航解算模块输出结果和传感器的测量数据对系统误差进行最优估计，用于实现姿态组合导航、速度组合导航和位置组合导航功能；/n系统误差校正模块至少用于根据所述最优估计模块的输出结果对系统误差进行校正；/n结果输出模块用于输出测量结果数据；/n所述通用接口电路至少用于连接不同接口类型的传感器和其他系统外部设备。/n

【技术特征摘要】
1.一种通用组合导航系统，其特征在于，包括：组合导航模块和通用接口电路；其中，
所述组合导航模块至少用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航解算，并结合传感器的测量数据完成组合导航解算；
所述组合导航模块包括硬件层和软件层，所述硬件层与通用接口电路连接并支撑软件层的运算，所述软件层包括导航解算模块、系统误差校正模块、最优估计模块和结果输出模块；
导航解算模块用于利用陀螺和加速度计的测量数据完成惯性导航的姿态解算、速度解算和位置解算；
最优估计模块利用导航解算模块输出结果和传感器的测量数据对系统误差进行最优估计，用于实现姿态组合导航、速度组合导航和位置组合导航功能；
系统误差校正模块至少用于根据所述最优估计模块的输出结果对系统误差进行校正；
结果输出模块用于输出测量结果数据；
所述通用接口电路至少用于连接不同接口类型的传感器和其他系统外部设备。


2.根据权利要求1所述的通用组合导航系统，其特征在于，所述组合导航模块的软件层还包括行业测量解算模块，所述行业测量解算模块与所述导航解算模块、最优估计模块和结果输出模块连接，用于完成在机载、车载、船载或水下的具体行业应用中的测量模型解算和误差补偿。


3.根据权利要求1所述的通用组合导航系统，其特征在于，所述组合导航模块的软件层还包括重力异常解算模块、误差补偿模块、故障检测模块、动力学解算模块、运动约束解算模块和数据存储模块中的一个或多个模块；其中，
重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与导航解算模块采用的重力模型之间的误差；
误差补偿模块用于对接入的传感器数据进行误差补偿；
故障检测模块用于对误差补偿模块输出的数据进行故障检测；
动力学解算模块用于完成动力学运动模型解算和误差补偿；
运动约束解算模块用于具体行业应用中的运动约束模型解算和误差补偿；
数据存储模块用于实时保存各种原始数据和结果数据。


4.根据权利要求1所述的通用组合导航系统，其特征在于，所述组合导航模块的硬件层包括SOC芯片、FPGA、DRAM和固态硬盘；
所述SOC芯片为软件层提供运算和控制的支撑；
所述FPGA连接SOC芯片和通用接口电路，至少用于采集陀螺、加速度计和传感器的信号并传输给SOC芯片；
所述DRAM与所述SOC芯片连接，用于存储数据；
所述固态硬盘与所述SOC芯片连接，用于存储数据。


5.根据权利要求4所述的通用组合导航系统，其特征在于，每个通用接口电路包括四个硬件接口，分别是同步接口、模拟接口、数字接口和通信接口；同步接口用于同步输入信号和输出信号；
模拟接口用于连接传感器和其他系统外部设备的模拟接口；
数字接口用于连接传感器和其他系统外部...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春生，
申请(专利权)人：湖南星至导航科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43