專利名稱：地磁輔助組合導(dǎo)航裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于飛行器的導(dǎo)航裝置，特別是涉及一種用于飛行器由微電腦控制的自主定軌的地磁輔助組合導(dǎo)航裝置。
飛行器要實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行，必須使用自主導(dǎo)航系統(tǒng)，而目前廣泛使用的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)是一種半自主導(dǎo)航系統(tǒng)。以往為了克服它的半自主性都是使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，簡稱INS)和GPS組成組合導(dǎo)航裝置，簡稱GPS／INS組合導(dǎo)航裝置。整個(gè)GPS／INS由INS裝置和GPS接收機(jī)組成。其中INS裝置是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。正如文獻(xiàn)袁信等編著，《導(dǎo)航系統(tǒng)》，航空工業(yè)出版社，1993，一書第21頁介紹(見附

圖1)。INS由三個(gè)陀螺、三個(gè)加速度計(jì)、慣導(dǎo)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)、控制顯示裝置和其它許多部件組成。而慣導(dǎo)平臺(tái)又包含有三個(gè)伺服穩(wěn)定回路、三個(gè)力矩馬達(dá)、三個(gè)平衡環(huán)和機(jī)械臺(tái)體組成。平臺(tái)安裝在飛行器上，加速度計(jì)和陀螺安裝在平臺(tái)上。平臺(tái)通過穩(wěn)定回路被穩(wěn)定在導(dǎo)航坐標(biāo)系上。陀螺儀和加速度計(jì)的測(cè)量信息分別輸入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)經(jīng)解算求得飛行器的位置和速度(即INS導(dǎo)航解)。INS導(dǎo)航解再輸入組合卡爾曼濾波器。而另一方面GPS接收機(jī)的偽距和偽距率測(cè)量數(shù)據(jù)也同時(shí)輸入組合卡爾曼濾波器，最后得到飛行器的組合導(dǎo)航解(即飛行器的位置和速度等導(dǎo)航參數(shù))。所以GPS／INS組合導(dǎo)航裝置結(jié)構(gòu)、原理復(fù)雜，造價(jià)高，體積、重量和功耗大。并且只能在短期內(nèi)失去GPS信號(hào)才能得到比較高的精度。
本發(fā)明的目的在于改善GPS接收機(jī)的跟蹤、捕獲性能和提高系統(tǒng)可靠性，克服已有GPS／INS組合導(dǎo)航裝置復(fù)雜而昂貴的缺點(diǎn)，提高該裝置的性能價(jià)格比。使飛行器能實(shí)現(xiàn)自主定軌，實(shí)時(shí)、在軌給出飛行器的位置和速度，從而為飛行器提供一種使用一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)代替慣導(dǎo)系統(tǒng)、與GPS接收機(jī)構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、功耗和造價(jià)低的地磁輔助組合導(dǎo)航裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所說的自主定軌是不依賴地面設(shè)施實(shí)時(shí)、在軌給出飛行器的位置和速度，而飛行器的位置和速度定義為飛行器的狀態(tài)；本發(fā)明提供的地磁輔助組合導(dǎo)航裝置包括GPS接收機(jī)和微電腦，和還包括一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)組成。其中GPS接收機(jī)包括由變頻器和中頻信號(hào)處理器組成的RF信號(hào)處理器、GPS碼環(huán)和載波跟蹤回路串聯(lián)，GPS碼環(huán)和載波跟蹤回路的測(cè)量輸出線與微電腦的另兩路輸入接口相連接，GPS接收機(jī)天線與變頻器輸入端相連接，變頻器和偽碼產(chǎn)生器的輸出端分別和四個(gè)積分濾波器的輸入端相連接。四個(gè)積分濾波器的輸出端，分別和兩個(gè)A／D變換器的輸入端相連接，其中一個(gè)A／D變換器的輸出端與載波環(huán)誤差產(chǎn)生器的輸入端相連接，另一個(gè)A／D變換器的輸出端與碼環(huán)相位誤差產(chǎn)生器輸入端相連接。載波環(huán)誤差產(chǎn)生器的輸出端與環(huán)路濾波器的輸入端相連接，而碼環(huán)相位誤差產(chǎn)生器的輸出端則與碼環(huán)濾波器的輸入端相連接。環(huán)路濾波器和碼環(huán)濾波器的輸出端分別與微電腦的輸入接口相連接；微電腦地磁輔助信號(hào)輸出接口端分別與GPS接收機(jī)碼環(huán)壓控振蕩器輸入端和載波壓控振蕩器輸入端相連接；所包括的三軸磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度三個(gè)分量輸出線與微電腦的輸入接口相連接，微電腦對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度三個(gè)分量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，微電腦內(nèi)存儲(chǔ)了組合卡爾曼濾波器算法程序，組合卡爾曼濾波器采用序貫最優(yōu)組合濾波算法，利用算法程序中的方程(1)-(2)和地磁場(chǎng)模型(對(duì)該領(lǐng)域一般技術(shù)人員是公知的)對(duì)采集到的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到地磁導(dǎo)航解(即利用地磁方法得到的飛行器的實(shí)時(shí)位置和速度)。存儲(chǔ)了組合卡爾曼濾波器算法程序微電腦，執(zhí)行以下步驟星箭分離后先由地面測(cè)控站給出航天器的初始軌道參數(shù)輸入到微電腦，經(jīng)計(jì)算得到航天器的初始位置和速度，它們作為組合卡爾曼濾波器的初始狀態(tài)量；三軸磁強(qiáng)計(jì)(1)測(cè)得航天器所在位置的地磁場(chǎng)三個(gè)分量和GPS接收機(jī)(單頻，C／A碼式)(2)測(cè)得的偽距和偽距率輸入到存儲(chǔ)有組合卡爾曼濾波器算法程序的微電腦作為測(cè)量數(shù)據(jù)，這里組合卡爾曼濾波器采用如方程(1)到(4)所示的序貫最優(yōu)組合濾波算法，微電腦使用這些測(cè)量數(shù)據(jù)、初始位置和速度，運(yùn)行該算法程序即可計(jì)算得到經(jīng)校正的地磁導(dǎo)航解Xmk^]]>和組合導(dǎo)航解Xk^]]>(航天器的實(shí)時(shí)位置和速度)。
微電腦地磁輔助信號(hào)輸出接口端與GPS碼環(huán)和載波跟蹤回路輸入端即圖4的碼環(huán)壓控振蕩器(簡稱碼NCO)和載波壓控振蕩器(簡稱載波NCO)輸入端相連接，這樣GPS接收機(jī)便接收到地磁輔助信號(hào)；微電腦內(nèi)存儲(chǔ)了組合卡爾曼濾波器算法程序，按方程(3)和(4)所示的組合卡爾曼濾波器算法計(jì)算即得到組合導(dǎo)航解(即飛行器的實(shí)時(shí)位置和速度)。地磁導(dǎo)航解再經(jīng)微電腦計(jì)算得到的預(yù)測(cè)偽距和偽距率再饋送到GPS接收機(jī)的碼環(huán)和載波跟蹤回路作為速度輔助信號(hào)(見圖(4))，從而改善GPS接收機(jī)的跟蹤、捕獲性能和提高系統(tǒng)可靠性。以上便完成了飛行器的自主定軌。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是由于采用一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)和微電腦組成地磁導(dǎo)航裝置代替慣導(dǎo)裝置，再與一個(gè)GPS接收機(jī)組合構(gòu)成地磁輔助組合導(dǎo)航裝置，使GPS和地磁導(dǎo)航裝置優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有GPS的高精度，利用地磁導(dǎo)航裝置又加強(qiáng)了GPS的自主性，提高了GPS接收機(jī)的抗干擾和跟蹤性能。本發(fā)明沒有活動(dòng)部件，因此可靠性高，又具有結(jié)構(gòu)和原理簡單、體積小、重量輕、功耗小、成本低的特點(diǎn)；本發(fā)明可有效地改善GPS接收機(jī)的跟蹤、捕獲性能和提高系統(tǒng)的可靠性，跟蹤精度可改善百分之二十；在結(jié)構(gòu)上比GPS／INS組合導(dǎo)航裝置簡單得多，性能價(jià)格比可提高五倍，重量和體積只有GPS／INS組合導(dǎo)航裝置的十分之一，功耗可降低百分之九十；使用本發(fā)明可使飛行器實(shí)現(xiàn)自主定軌，實(shí)時(shí)、在軌給出飛行器的位置和速度。
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是已有技術(shù)的慣性導(dǎo)航裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的導(dǎo)航裝置運(yùn)行流程示意圖；圖3是本發(fā)明的一種實(shí)施例具體線路連接示意圖4是本發(fā)明采用的組合卡爾曼濾波器的具體實(shí)施例程序流程圖；實(shí)施例1按圖3、4制作一臺(tái)用于低軌道衛(wèi)星自主定軌的地磁輔助組合導(dǎo)航裝置。在圖2中(1)-SJ-5型磁通門式的三軸磁強(qiáng)計(jì)；(2)-Trimble400型GPS接收機(jī)；(3)-微電腦；其中微電腦(3)使用PC486導(dǎo)航計(jì)算機(jī)完成。該導(dǎo)航裝置由一個(gè)磁通門式的三軸磁強(qiáng)計(jì)(1)、GPS接收機(jī)(2)和微電腦(3)組成，并安裝在飛行器上，各部分由信號(hào)線連接。現(xiàn)利用附圖3說明其連接關(guān)系。在附圖3中的三軸磁強(qiáng)計(jì)(1)的輸出線與微電腦(3)的輸入接口相連接，GPS接收機(jī)(2)的測(cè)量輸出線(即圖3的偽距、偽距率輸出端)與微電腦(3)的另兩路輸入接口線相連接。微電腦(3)對(duì)應(yīng)的地磁輔助信號(hào)輸出接口端分別與碼環(huán)壓控振蕩器(碼NCO)和載波壓控振蕩器(載波NCO)輸入端相連接。另外，GPS接收機(jī)天線與變頻器輸入端相連接，變頻器和偽碼產(chǎn)生器的輸出端分別和四個(gè)積分濾波器的輸入端相連接。四個(gè)積分濾波器的輸出端，分別和兩個(gè)A／D變換器的輸入端相連接，其中一個(gè)A／D變換器的輸出端與載波環(huán)誤差產(chǎn)生器的輸入端相連接，另一個(gè)A／D變換器的輸出端與碼環(huán)相位誤差產(chǎn)生器輸入端相連接。載波環(huán)誤差產(chǎn)生器的輸出端與環(huán)路濾波器的輸入端相連接，而碼環(huán)相位誤差產(chǎn)生器的輸出端則與碼環(huán)濾波器的輸入端相連接。環(huán)路濾波器和碼環(huán)濾波器的輸出端分別與微電腦(3)的輸入接口相連接。
微電腦完成組合卡爾曼濾波器算法和預(yù)測(cè)偽距、偽距率計(jì)算工作。由三軸磁強(qiáng)計(jì)輸出的地磁場(chǎng)強(qiáng)度三分量和GPS接收機(jī)輸出的偽距和偽距率經(jīng)微電腦完成組合卡爾曼濾波器算法處理，分別得到經(jīng)校正的地磁導(dǎo)航解和組合導(dǎo)航解(即飛行器的實(shí)時(shí)位置和速度)。其中組合卡爾曼濾波器采用序貫最優(yōu)組合濾波算法。地磁導(dǎo)航解再經(jīng)微電腦計(jì)算得到的預(yù)測(cè)偽距和偽距率再饋送到GPS接收機(jī)的碼環(huán)和載波跟蹤回路作為速度輔助信號(hào)。
下面結(jié)合附圖4具體描述本發(fā)明的工作過程，星箭分離后先由地面測(cè)控站給出航天器的初始軌道參數(shù)輸入到微電腦，經(jīng)計(jì)算得到航天器的初始位置和速度，它們作為組合卡爾曼濾波器的初始狀態(tài)量。三軸磁強(qiáng)計(jì)(1)測(cè)得航天器所在位置的地磁場(chǎng)三個(gè)分量和GPS接收機(jī)(單頻，C／A碼式)(2)測(cè)得的偽距和偽距率輸入到存儲(chǔ)有組合卡爾曼濾波器算法程序的微電腦作為測(cè)量數(shù)據(jù)，這里組合卡爾曼濾波器采用如方程(1)到(4)所示的序貫最優(yōu)組合濾波算法，微電腦使用這些測(cè)量數(shù)據(jù)、初始位置和速度，運(yùn)行該算法程序即可計(jì)算得到經(jīng)校正的地磁導(dǎo)航解Xmk^]]>和組合導(dǎo)航解Xk^]]>(航天器的實(shí)時(shí)位置和速度)。Kmk=Pk-HmkT[HmkPk-HmkT+Rmk]-1(1)Xmk^=Xk-^+Kmk{ymk-[N(B(Xk-^))+ξk-^]}-----(2)]]>Kk=PmkHGkT[HGkPmkHGkT+RGk]-1(3)Xk^=Xmk^+Kk[yGk-G(Xmk^)]------(4)]]>式中Yk為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。G(X^mk)]]>是GPS接收機(jī)的測(cè)量理論值，B()為磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量理論值，Kk為濾波增益矩陣，Pk為狀態(tài)誤差方差矩陣，Hk為量測(cè)矩陣，Rk為測(cè)量誤差方差矩陣，它們可以通過計(jì)算得到。下標(biāo)“m”表示地磁導(dǎo)航有關(guān)的量，“G”表示GPS導(dǎo)航有關(guān)的量，N(·)表示求模運(yùn)算。上述算法的程序流程圖如圖4所示。
現(xiàn)結(jié)合方程(1)到(4)和圖4具體闡述組合導(dǎo)航解Xk^]]>的求解過程在圖4，以初始狀態(tài)量(初始位置、速度)作為初始條件，經(jīng)計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)“k=k+1”后進(jìn)入到“計(jì)算狀態(tài)預(yù)報(bào)”環(huán)節(jié)，它根據(jù)初始條件和飛行器軌道動(dòng)力學(xué)模型(該模型對(duì)該領(lǐng)域一般技術(shù)人員是公知的)計(jì)算飛行器的狀態(tài)(位置和速度)預(yù)報(bào)值；經(jīng)計(jì)算得到方程(2)的狀態(tài)預(yù)報(bào)Xk-^]]>，再經(jīng)“計(jì)算預(yù)報(bào)誤差方差矩陣”環(huán)節(jié)得到方程(1)的狀態(tài)預(yù)報(bào)誤差方差矩陣P-k，“計(jì)算濾波增益矩陣”環(huán)節(jié)跟據(jù)方程(1)和(3)分別得到地磁導(dǎo)航濾波增益矩陣Kmk和GPS導(dǎo)航濾波增益矩陣Kk，再經(jīng)“計(jì)算狀態(tài)”環(huán)節(jié)使用方程(2)和(4)計(jì)算便分別得到地磁導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)值Xmk^]]>和組合導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)值Xk^,]]>接著經(jīng)“計(jì)算誤差方差矩陣”環(huán)節(jié)計(jì)算得到狀態(tài)誤差方差矩陣Pk，以便下次計(jì)算預(yù)報(bào)誤差方差矩陣時(shí)使用，下面再經(jīng)比較環(huán)節(jié)“k=max ”(max為預(yù)先設(shè)定的最大遞歸計(jì)算次數(shù))，如果k≠max則重新回到計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)“k=k+1”，于是開始如上所述的下一輪的循環(huán)計(jì)算，如果k=max則輸出狀態(tài)濾波值即經(jīng)校正的地磁導(dǎo)航解Xmk^]]>和組合導(dǎo)航解Xko^]]>地磁導(dǎo)航解作為冗余導(dǎo)航信息。經(jīng)過校正的地磁導(dǎo)航解Xmk^]]>經(jīng)微電腦程序計(jì)算得到航天器的預(yù)測(cè)偽距和偽距率，該預(yù)測(cè)偽距和偽距率饋送到GPS接收機(jī)的碼環(huán)和載波跟蹤回路作為地磁輔助GPS接收機(jī)跟蹤和快速捕獲導(dǎo)航星的信號(hào)[見圖(2)和圖(3)]。從而使GPS接收機(jī)碼環(huán)快速跟蹤載體(航天器)的運(yùn)動(dòng)速度、減小偽距測(cè)量誤差、增強(qiáng)碼環(huán)抗干擾性能和提高捕獲速度。地磁導(dǎo)航解增加了系統(tǒng)的冗余度，從而加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。以上計(jì)算工作全部由微電腦完成。實(shí)施方案如附圖2到4所示。
權(quán)利要求
1.一種地磁輔助組合導(dǎo)航裝置，包括GPS接收機(jī)和微電腦，其特征在于地磁輔助組合導(dǎo)航裝置還包括一個(gè)與微電腦的輸入接口相連接的三軸磁強(qiáng)計(jì)，其中GPS接收機(jī)包括由RF信號(hào)處理器和GPS碼環(huán)和載波跟蹤回路串聯(lián)組成，所述的RF信號(hào)處理器是由變頻器和中頻信號(hào)處理器組成，GPS碼環(huán)和載波跟蹤回路的測(cè)量輸出線與微電腦的兩路輸入接口相連接，GPS接收機(jī)天線與變頻器輸入端相連接，變頻器和偽碼產(chǎn)生器的輸出端分別和四個(gè)積分濾波器的輸入端相連接；四個(gè)積分濾波器的輸出端，分別和兩個(gè)A／D變換器的輸入端相連接，其中一個(gè)A／D變換器的輸出端與載波環(huán)誤差產(chǎn)生器的輸入端相連接，另一個(gè)A／D變換器的輸出端與碼環(huán)相位誤差產(chǎn)生器輸入端相連接；載波環(huán)誤差產(chǎn)生器的輸出端與環(huán)路濾波器的輸入端相連接，而碼環(huán)相位誤差產(chǎn)生器的輸出端則與碼環(huán)濾波器的輸入端相連接；環(huán)路濾波器和碼環(huán)濾波器的輸出端分別與微電腦的輸入接口相連接；微電腦地磁輔助信號(hào)輸出接口端與GPS碼環(huán)壓控振蕩器和載波壓控振蕩器輸入端相連接；三軸磁強(qiáng)計(jì)的三個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度分量輸出線與微電腦的輸入接口相連接，所述的微電腦對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度三個(gè)分量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，微電腦內(nèi)存儲(chǔ)了組合卡爾曼濾波器算法程序，該存儲(chǔ)算法程序的微電腦執(zhí)行以下步驟星箭分離后先由地面測(cè)控站給出航天器的初始軌道參數(shù)輸入到微電腦，經(jīng)計(jì)算得到航天器的初始位置和速度，它們作為組合卡爾曼濾波器的初始狀態(tài)量；三軸磁強(qiáng)計(jì)測(cè)得航天器所在位置的地磁場(chǎng)三個(gè)分量和GPS接收機(jī)測(cè)得的偽距和偽距率輸入到存儲(chǔ)有組合卡爾曼濾波器算法程序的微電腦作為測(cè)量數(shù)據(jù)，組合卡爾曼濾波器采用序貫最優(yōu)組合濾波算法，微電腦使用這些測(cè)量數(shù)據(jù)、初始位置和速度，運(yùn)行該算法程序計(jì)算得到經(jīng)校正的地磁導(dǎo)航解Xmk^]]>和組合導(dǎo)航解Xko^]]>。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于飛行器自主定軌的地磁輔助組合導(dǎo)航裝置,它由三軸磁強(qiáng)計(jì)、GPS接收機(jī)和微電腦組成。三軸磁強(qiáng)計(jì)和GPS接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)輸入給微電腦,它按照組合卡爾曼濾波器算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,解算得到經(jīng)校正的地磁導(dǎo)航解和組合導(dǎo)航解(飛行器的實(shí)時(shí)位置和速度)。地磁導(dǎo)航解作為冗余導(dǎo)航信息,并經(jīng)計(jì)算處理后再饋送到GPS碼環(huán)和載波跟蹤回路作為地磁速度輔助信號(hào),以改善GPS接收機(jī)的跟蹤、捕獲性能和提高系統(tǒng)可靠性,提高GPS/慣性組合導(dǎo)航裝置的性能價(jià)格比。
文檔編號(hào)G01C21/08GK1291714SQ0010603
公開日2001年4月18日 申請(qǐng)日期2000年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月11日
發(fā)明者左文輯, 宋福香 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心