一种弹性嵌入式GNSS/惯性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弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统及方法。该系统包括数据融合单元、微惯性测量单元、北斗深耦合模块、外源传感器交互单元、电源模块。方法为：微惯性测量单元提供解算后的载体的位置、速度、加速度和姿态信息，北斗深耦合模块通过星历信息提供卫星的位置与速度；将二者的位置、速度进行比较计算，得到多普勒频移及变化率以辅助北斗深耦合模块进行卫星的捕获与跟踪；将北斗深耦合模块得到的载体位置、速度的误差信息反馈给数据融合单元对系统IMU进行修正，得到最终的导航信息；外源传感器交互单元通过接入不同的外源传感器保证该组合导航系统具有冗余信息，从而使该系统在不同环境下输出连续、可靠、稳健的定位导航信息。

【技术实现步骤摘要】
一种弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统及方法
本专利技术涉及组合导航
，特别是一种弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统及方法。
技术介绍
微电子技术和信息技术的进步，导航系统应用场景的适应性和结果的可靠性、准确度需求的提高，推动着导航技术的发展。卫星导航系统固有的脆弱性、服务盲区问题(如：可用于定位的卫星数量少、接收信号功率低、易受干扰和欺骗、高动态环境下接收机环路易失锁等问题)使卫星导航用户不能在任何时间、任何环境下使用卫星导航服务。目前，现有北斗/惯性组合导航系统多采用“接收机+MIMU+数据融合单元”等常规架构，而常规架构单一，算法不能根据环境变化做自适应调整，导航信息来源有限，环境适应能力差，无法满足特殊用户对可靠性、环境适应能力等方面的需求。随着可用于导航的传感器种类增加，整合多种传感器信息的多源组合导航技术也应运而生。因此，导航系统如何充分利用各类信息源，生成适应复杂导航场景下的连续可用，可靠稳健的导航信息，成为目前亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种弹性嵌入式GNSS/惯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统，其特征在于，包括数据融合单元、微惯性测量单元、北斗深耦合模块、外源传感器交互单元、电源模块，其中：/n所述数据融合单元包括联邦滤波器；数据融合单元通过串口分别接收微惯性测量单元解算出的载体的速度、位置、姿态信息，北斗深耦合模块测量得到的载体的位置、速度信息；同时通过普通GPIO口模拟SPI口接收外源传感器交互单元接收到的外源传感器信息；在数据融合单元中将微惯性测量单元输出的多维信息作为联邦滤波器观测信息，北斗深耦合模块输出的位置及速度信息以及外源传感器输出的外源信息，作为联邦滤波器的量测信息在滤波器中进行滤波处理，最后将得到的载体位置、速度和姿态的...

【技术特征摘要】
1.一种弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统，其特征在于，包括数据融合单元、微惯性测量单元、北斗深耦合模块、外源传感器交互单元、电源模块，其中：
所述数据融合单元包括联邦滤波器；数据融合单元通过串口分别接收微惯性测量单元解算出的载体的速度、位置、姿态信息，北斗深耦合模块测量得到的载体的位置、速度信息；同时通过普通GPIO口模拟SPI口接收外源传感器交互单元接收到的外源传感器信息；在数据融合单元中将微惯性测量单元输出的多维信息作为联邦滤波器观测信息，北斗深耦合模块输出的位置及速度信息以及外源传感器输出的外源信息，作为联邦滤波器的量测信息在滤波器中进行滤波处理，最后将得到的载体位置、速度和姿态的误差信息反馈给系统进行修正，得到最终的导航信息；
所述外源传感器交互单元，包括CAN控制器与CAN收发器；CAN控制器用来实现CAN总线链路层的相关功能；数据融合单元与CAN控制器的数据接口连接后，通过软件编程对CAN控制器进行模式选择和控制；CAN收发器用来对CAN报文进行发送和接收。


2.根据权利要求1所述的弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统，其特征在于，所述微惯性测量单元，包括MIMU和惯导信息解算模块；MIMU内部的陀螺仪和加速度计测量输出原始的角速率和比力信息，并将原始数据发送给惯导信息解算模块，解算出载体的位置、速度、角速度、加速度和姿态角信息，最后将数据传送给数据融合单元进行滤波处理；
所述北斗深耦合模块，包括有源天线、射频前端处理模块、基带信号数字处理模块、卫星定位解算模块；射频前端处理模块对卫星信号进行放大、变频、滤波和模数转换，最终得到数字中频信号；基带信号数字处理模块对数字中频信号进行捕获、跟踪、位同步和帧同步处理；卫星定位解算模块获取卫星信号相关器中的载波相位信息以及卫星参数信息，通过解析卫星星历和历书信息计算出伪距和伪距率，进而计算出载体当前的位置、速度和时间信息；将卫星的位置、速度和微惯性测量单元输出的载体的位置、速度、姿态信息进行计算得到多普勒频移及其变化率从而进行惯性信息辅助卫星导航接收机环路捕获和跟踪。


3.根据权利要求2所述的弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统，其特征在于，所述电源模块，采用+5V直流电压进行供电，北斗深耦合模块采用LDO芯片TCL1117-3.3进行5V转3.3V集中供电，基带信号数字处理模块分别采用MP2104-ADJ芯片进行3.3V降压成1.0V和XC6206P182芯片进行3.3V降压成1.8V进行供电；数据融合单元采用MP2104-ADJ芯片进行5V降压成3.3V和1.2V进行供电；上述每个芯片之间的供电相对处于独立状态。


4.根据权利要求2所述的弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统，其特征在于，所述数据融合单元中的核心芯片采用TI公司生产的基于TMS320C674xDSP的数字信号处理器，该芯片主频高达300MHz，采用模块化上电功能，外形尺寸为17mm×l7mm；TMS320C6747DSP内核使用基于二级缓存的体系结构，1级程序高速缓存L1P是32KB的直接映射高速缓存，而1级数据高速缓存L1D是32KB的2路集关联高速缓存；2级程序缓存L2P由256KB的程序和数据共享存储空间构成。


5.根据权利要求2所述的弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统，其特征在于，所述北斗深耦合模块中的射频前端处理模块，采用一片型号为MXX2771芯片配合外围电路来实现射频前端信号处理；有源天线通过配置5.6nH的外部匹配电感和1.7pF并联电容将卫星的高频信号通过高频段LNA输入端口接入到MAX2771芯片中，16.369MHz的温补晶振通过串联10nF的电容与XTAL端口进行相连，为射频提供参考时钟基准；MAX2771选用SPI进行通信，将SCLK、SDATA、CSN分别于STM32H743的PC0、PC1、PC2进行相连；通过配置将射频芯片配置成能同时接收北斗B1I和GPSL1信号，射频前端处理模块通过I/Q支路将数字中频信号传输给基带信号数字处理模块进行基带信号处理。


6.根据权利要求2所述的弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统，其特征在于，所述外源传感器交互单元基于CAN总线设计，选择在DSP外置独立的CAN控制器，控制器选用MCP2515，该控制器通过高速SPI与DSP进行通信，利用软件实现GPIO模拟SPI，使控制器只需连接DSP上4个GPIO口，CAN控制器需要CAN接收器才能识别CAN总线上数据；CAN接收器选用TJA1050，在CAN控制器与收发器之间设置光电隔离电路，MCP2515的TXCAN和RXCAN管脚通过高速光电耦合器6N137与TJA1050的TXD和RXD相连。


7.一种弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、微惯性测量单元对惯性测量器件输出的原始测量信息进行误差补偿，利用补偿后的角速率计算实时更新的姿态矩阵和姿态角信息，然后利用姿态矩阵将比力信息转换到导航坐标系下，并进行积分运算得到载体的速度信息，进而得到位置的变化率；最后对位置的变化率进行积分运算，得到载体的位置信息；
步骤2、北斗深耦合模块通过天线接收太空中所有可见的北斗/GPS卫星的信号后，对接收到的数据进行处理从而测量出各个卫星信号的发射时间，接着将本地时间与测量所得的信号发射时间相减后再乘以光速，由此得到导航模块与卫星之间的伪距；同时，导航模块从卫星信号中解译出卫星运行轨道参数这些信息，依此计算出卫星空间位置；当知道四个卫星的位置时，结合已知卫星与导航模块的位置，计算出载体的位置；
步骤3、数据融合单元，建立超紧耦合系统的状态方程和量测方程，进行自适应滤波处理，选取伪距和伪距率作为观测量，经过KF滤波器的最优估计，输出校正信息，使用校正后的SINS输出的信息辅助GNSS接收机进行环路跟踪。


8.根据权利要求7所述的弹性嵌入式GNSS/惯性组合导航系统方法，其特征在于，步骤1所述微惯性测量单元对惯性测量器件输出的原始测量信息进行误差补偿，利用补偿后的角速率计算实时更新的姿态矩阵和姿态角信息，然后利用姿态矩阵将比力信息转换到导航坐标系下，并进行积分运算得到载体的速度信息，进而得到位置的变化率；最后对位置的变化率进行积分运算，得到载体的位置信息，具体如下：
步骤1.1、初始对准
采用静基座快速粗对准的方式进行水平姿态角的对准，在静态地理坐标系下，则地球系相对惯性系的转动角速率在地理系的投影和地球重力加速度gg均为已知，且地理系相对地球系的转动角速率在地理系的投影和载体系相对地理系的转动角速率在地理系上的投影均为零，忽略惯性测量器件误差的影响，陀螺仪和加速度计的输出和为：






对式(1)和式(2)求转置然后合并，得：



直接使用加速度计输出来进行水平姿态角的对准，由于gg＝[00-g]T，得：



得俯仰角θ和横滚角γ的初值：



其中为地理系到载体系的转换矩阵，为载体系到地理系的转换矩阵，初始航向角ψ通过高精度寻北设备获得；为加速度计的输出在x、y、z轴的分量；
步骤1.2、姿态解算
通过四元数的微分方程式计算来替代姿态矩阵微分方程式计算，进行四元数实时更新，再根据四元数与姿态矩阵之间的转换关系，求解载体的三个姿态角信息；
设载体b系相对n系的转动四元数为：
q＝q0+(q1i+q2j+q3k)(6)
上式中，q0为标量部分，(q1i+q2j+q3k)为矢量部分；
同样得到：



其中，表示载体坐标系相对地理坐标系的角速度在载体坐标系轴向的分量构成的列向量；
上式的矩阵形式为：



其中，为角速率构成的反对称矩阵，表示载体坐标系相对地理坐标系的角速度在载体坐标系三个轴向的分量；
在捷联惯性导航系统中采用龙格-库塔法进行数值积分求解，若T为陀螺仪采样步长，即积分步长，则四阶算法表达式如下：



其中，K1、K2、K3、K4分别为四元数在不同时刻的导数，T为四元数的更新周期即陀螺仪的采样周期，t为时间，为不同时刻的角速率构成的反对称矩阵；
对四元数进行规范化处理：



其中，为规范化后的四元数，从而由转动四元数表示的姿态矩阵为：



上式转换为如下的形式：



从而求出俯仰角θ、横滚角γ、航向角ψ为：



步骤1.3、速度解算
速度更新一阶递推公式为：


...

【专利技术属性】
技术研发人员：张孟军，白钲皓，周兴，王博浩，马永犇，程玉，陈帅，赵海飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32