專利名稱：超小型gps/ins/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于GPS、INS、磁強(qiáng)計(jì)和氣壓計(jì)的采用高度集成電路設(shè)計(jì)和獨(dú)特安裝結(jié)構(gòu)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在眾多傳感器件中慣性傳感器是一種非常重要的傳感器，但到目前為止對(duì)傳統(tǒng)慣性傳感器的使用還僅僅局限于狹窄的范圍內(nèi)，如軍事、航空和航海領(lǐng)域，這主要是因?yàn)檫@些領(lǐng)域中對(duì)傳感器的成本和體積是幾乎不需要考慮的，而對(duì)于許多其他領(lǐng)域來說，盡管都對(duì)慣性傳感器有所需求，但由于各種原因(主要是成本的因素)，應(yīng)用很少。然而，隨著現(xiàn)代微電子與微加工工藝的迅速發(fā)展，一種面向21世紀(jì)的新興技術(shù)——微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)運(yùn)而生。在此基礎(chǔ)上，基于MEMS的微機(jī)械慣性傳感器的出現(xiàn)和工藝的日漸成熟，使得它在 民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。特別是它具有可靠性高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等傳統(tǒng)慣性傳感器件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。這些領(lǐng)域主要包括民用車輛導(dǎo)航、小型災(zāi)難搜救機(jī)器人、汽車安全氣囊裝置、照相(攝像)設(shè)備的防抖動(dòng)平臺(tái)、GPS系統(tǒng)的備份系統(tǒng)、電子玩具、三維仿真、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。這些領(lǐng)域種對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)有如下的要求低成本，可以安裝在狹小的空間內(nèi)，能夠依靠電池供電。而微機(jī)械傳感器能輕易滿足這些條件，易于被集成為嵌入式系統(tǒng)，方便使用。一般來說，通常的能測(cè)量6個(gè)自由度的傳統(tǒng)慣性傳感器一般需要10萬元，而采用微機(jī)械傳感器，其成本可以降至I萬元以內(nèi)甚至更低，而且體積可以顯著變小，功耗更是降低到只需數(shù)瓦的程度。而且，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械慣性傳感器來說，MEMS器件由于其采用硅微工藝，其可靠性及環(huán)境適應(yīng)性得到了極大的提高，能承受大的沖擊和振動(dòng)，適用于較惡劣的環(huán)境，所以應(yīng)用前景非常廣闊。但是由于MEMS器件本身的原因，使其組成的導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度低，而且隨時(shí)間發(fā)散很快。目前針對(duì)由微慣性器件組成微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Micro inertial navigationsystem, MINS)的研究方向主要是采用組合、信息融合技術(shù)，依靠測(cè)量定位誤差不隨時(shí)間積累的輔助測(cè)量系統(tǒng)，提高M(jìn)INS測(cè)量精度達(dá)到導(dǎo)航定位的要求。其中GPS就是一種理想的不隨時(shí)間積累的輔助測(cè)量系統(tǒng)。它是一個(gè)全球、全天候的高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其誤差不隨時(shí)間積累。這種方法成本低、周期短、效果好，已成為研究的一大熱點(diǎn)，并已產(chǎn)生很多成功的應(yīng)用范例。目前國外，HoneywelI>Draper> Crossbow 等公司以及 Stanford、Calgary、MIT 等大學(xué)均在該領(lǐng)域投入了大量的人力和財(cái)力。除了提高INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度夕卜，大多都采用自對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)來提高航向精度，取得了很多進(jìn)展。但是在導(dǎo)航過程中不能一直依靠載體的機(jī)動(dòng)性來提高航向角信息。在國內(nèi)，近年來這項(xiàng)技術(shù)也是眾多機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。雖然現(xiàn)在的平面定位精度依靠GPS達(dá)到了米級(jí)的測(cè)量精度，而且不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)，但是高度誤差卻在十幾米甚至更高的水平，而且不能抑制航向角誤差的發(fā)散。最主要的是這些系統(tǒng)大多都是體積大，功耗高，無法應(yīng)用于狹小安裝空間和低負(fù)載的載體。
雖然目前有人使用磁強(qiáng)計(jì)來輔助計(jì)算INS/GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的航向問題，但是一般都是引入外部磁強(qiáng)計(jì)信息，在傳輸過程中會(huì)受到一定的干擾，而且因?yàn)椴皇羌稍谝黄鸬陌惭b誤差也會(huì)大大降低解算精度。由此可見，目前基于MEMS器件的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的的主要問題就是集成度不高、精度差，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，體積大，算法不夠精確，難以滿足微小型設(shè)備的導(dǎo)航需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有組合導(dǎo)航系統(tǒng)體積大、功耗高、精度低等不足，設(shè)計(jì)一種超小體積、低功耗、重量輕、可靠性高和高度誤差不發(fā)散的高集成度GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)。本發(fā)明目的技術(shù)方案為一種超小型GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于包括GPS子系統(tǒng)、INS子系統(tǒng)、磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)、氣壓計(jì)子系統(tǒng)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和低壓差穩(wěn)壓源模塊；該導(dǎo)航計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，然后經(jīng)過擴(kuò)展kalman融合濾波器輸出載體的位置、速度和姿態(tài)信息；低壓差穩(wěn)壓源模塊分別獨(dú)立向GPS 子系統(tǒng)、INS子系統(tǒng)、磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)、氣壓計(jì)子系統(tǒng)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)供電；GPS子系統(tǒng)采用單獨(dú)供電并放置在一個(gè)上層PCB板上，三個(gè)小塊PCB板分別通過開槽處理保證相互正交安裝在下層PCB板上，INS子系統(tǒng)的三個(gè)單軸陀螺分別設(shè)置在三個(gè)小塊PCB板上,兩個(gè)雙軸加速度計(jì)分別設(shè)置在其中兩個(gè)小塊PCB板上；上下兩層PCB板之間通過連接固定部件連接；低壓差穩(wěn)壓源模塊設(shè)置在下層PCB板上并遠(yuǎn)離慣測(cè)量性器件和磁強(qiáng)計(jì)以減小熱量散發(fā)對(duì)器件造成零偏影響；整個(gè)系統(tǒng)的每個(gè)PCB板均采用高集成度的4層電路，最后達(dá)到49mm*36mm*28mm的超小型尺寸；整個(gè)結(jié)構(gòu)外殼設(shè)置有GPS天線接口和負(fù)責(zé)電源供電、信號(hào)傳輸?shù)乃亩俗雍娇战硬寮涌?，并設(shè)有安裝基準(zhǔn)面，以保證安裝誤差。有益效果由于GPS具有較高的二維定位精度，但是高度方面精度很差，而且不能提供姿態(tài)信息，INS具有成本低、功耗小、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但總體精度不高，定位誤差隨時(shí)間積累，不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航任務(wù)；磁強(qiáng)計(jì)可以精確測(cè)量載體航向與北向夾角，而且精度不隨時(shí)間發(fā)散；氣壓計(jì)系統(tǒng)可以提高精確的高度信息，也不隨時(shí)間發(fā)散。本發(fā)明將這4種導(dǎo)航系統(tǒng)集合在一起，通過kalman濾波融合算法有效的組合各個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的缺點(diǎn)來提高系統(tǒng)的整體導(dǎo)航精度。(I)各個(gè)子系統(tǒng)主要部件都使用MEMS器件，而且所使用低功耗導(dǎo)航計(jì)算機(jī)可將系統(tǒng)總體功耗控制在O. 5W以內(nèi)，在特殊條件下也可以使用電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作；(2)在PCB板設(shè)計(jì)中通過對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)部件進(jìn)行合理優(yōu)化布局，大大減小了器件之間的電磁噪聲干擾及發(fā)熱影響。如對(duì)GPS系統(tǒng)采用單獨(dú)板塊設(shè)計(jì)與主控單元進(jìn)行單點(diǎn)共地、INS系統(tǒng)傳感器參考電壓?jiǎn)为?dú)供應(yīng)、大功耗電源芯片遠(yuǎn)離對(duì)熱量敏感的陀螺、加速度計(jì)等測(cè)量芯片等。安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了電磁噪聲干擾和器件發(fā)熱影響，以及三個(gè)陀螺和加速度計(jì)之間的正交性，合理利用空間大大減小系統(tǒng)體積，最后達(dá)到49mm*36mm*28mm的超小型尺寸。(3) INS、GPS各個(gè)子系統(tǒng)之間進(jìn)行松耦合，可大大提高系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力，還具有冗余性；(4)該組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，精度高的優(yōu)點(diǎn)。


圖I為系統(tǒng)整體框圖；圖2(a)、(b)、(C)、(d)分別為INS系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)和氣壓計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖3為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖；圖4為GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)的組合導(dǎo)航結(jié)算流程圖；圖5為系統(tǒng)內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為系統(tǒng)整體安裝效果圖。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步更詳細(xì)說明。參見附圖1，為系統(tǒng)整體框圖。整個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)融合GPS、INS、磁強(qiáng)計(jì)和氣壓計(jì)各子系統(tǒng)信息，通過多維拓展kalman濾波器輸出載體的位置、速度和姿態(tài)信息。整個(gè)系統(tǒng)具有高度集成電路和獨(dú)特安裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。圖2(a)所示INS子系統(tǒng)包括三個(gè)單軸陀螺、兩個(gè)雙軸加速度計(jì)、溫度傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SPI通訊接口。其中三個(gè)單軸陀螺用來測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)角速度；兩個(gè)雙軸的加速度計(jì)用來測(cè)量載體的線性加速度，其中在航向方向進(jìn)行2個(gè)加速度差分處理；溫度傳感器3輸出陀螺內(nèi)部溫度，用于對(duì)陀螺和加速度計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；所有的模擬信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器放大以后，通過16位A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過SPI通訊接口把INS系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于采用2個(gè)雙軸MEMS加速度計(jì)，航向軸方向進(jìn)行差分處理，以提高航向方向加速度精度。圖2 (b)所示GPS子系統(tǒng)包括GPS射頻天線接收模塊、GPS信號(hào)解算模塊、RS-232標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊；其中通過GPS射頻天線接收模塊接收可見GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，然后進(jìn)入GPS信號(hào)解算模塊，最后導(dǎo)航信息通過標(biāo)準(zhǔn)0183協(xié)議輸出，然后通過RS-232通訊接口傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行kalman組合導(dǎo)航算法融合。其中GPS信號(hào)解算模塊主要采用瑞士U-blox公司提供的U-blox 5Q模塊，該模塊為多功能獨(dú)立型GPS模塊，以ROM為基礎(chǔ)架構(gòu)，成本低，體積小，該模塊具有50個(gè)通道衛(wèi)星接收功能，提供UART、USB、I2C、SPI數(shù)據(jù)接口，通過GPS接收天線接收GPS衛(wèi)星的信號(hào)，然后在其內(nèi)部解算出載體的位置、速度信息，以標(biāo)準(zhǔn)0183協(xié)議格式通過RS-232通信接口輸出給微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。圖3 (C)所示磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)包括一個(gè)三軸磁阻傳感器、運(yùn)算放大器模塊、16位A/D轉(zhuǎn)換模塊；其中三維磁阻傳感器輸出三個(gè)軸向上磁場(chǎng)強(qiáng)度的模擬信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大器和16位A/D轉(zhuǎn)換電路變換為數(shù)字信號(hào)；經(jīng)由SPI通訊接口把磁強(qiáng)信息傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)，該信息可用于初始對(duì)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)確定載體航向角。所述三軸磁阻傳感器采用霍尼韋爾的三軸磁阻傳感器，該傳感器是一種小型3軸表面安裝的傳感器系統(tǒng)，它可在二高斯的量程內(nèi)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量靈敏度達(dá)到100微高斯。圖2(d)所示氣壓計(jì)子系統(tǒng)包括大氣壓力傳感器、I2C通信接口模塊、高度解算模塊；該大氣壓力傳感器米用Bosch Sensortec公司的氣壓傳感器,該傳感器具有低電壓供電、體積小、功耗低、氣壓測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可直接輸出當(dāng)前氣壓值的數(shù)字信息，經(jīng)過標(biāo)定、補(bǔ)償和查表高度解算后通過I2C通訊接口傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)內(nèi)部，使用高度信息可以對(duì)系統(tǒng)的高度進(jìn)行約束或者直接輸出。
圖3所示導(dǎo)航計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)包括高速導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、低壓差穩(wěn)壓源模塊；所述高速導(dǎo)航計(jì)算機(jī)可采用DSP或者ARM芯片來完成慣性器件的數(shù)據(jù)濾波和補(bǔ)償算法、INS慣性測(cè)量單元的姿態(tài)解算和組合磁強(qiáng)計(jì)、氣壓計(jì)系統(tǒng)信息進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合算法；另外還可降低系統(tǒng)功耗、減小系統(tǒng)體積。該高速導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過SPI通訊接口接收INS的原始測(cè)量數(shù)據(jù)和磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、RS-232通訊接口接收GPS系統(tǒng)0183協(xié)議數(shù)據(jù)、I2C通訊接口接收氣壓數(shù)據(jù)，分別對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再經(jīng)過一個(gè)擴(kuò)展kalman融合濾波器推算出實(shí)時(shí)具有高精度的載體速度、位置和姿態(tài)信息。整個(gè)系統(tǒng)可選擇單獨(dú)直接輸出GPS子系統(tǒng)、INS子系統(tǒng)導(dǎo)航信息和氣壓計(jì)子系統(tǒng)測(cè)得的高度信息，進(jìn)行冗余存儲(chǔ)。低壓差穩(wěn)壓源模塊用來保證內(nèi)部各系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性；該系統(tǒng)還加入了硬件高通和低通濾波器，來濾除電源交流部分和干擾成分。通過該子系統(tǒng)給陀螺、加速度計(jì)提供穩(wěn)定的電壓源來保證慣性器件的零位和標(biāo)度因數(shù)等一系列參數(shù)的穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步提高導(dǎo)航系統(tǒng)的整體精度。圖4所示組合導(dǎo)航系統(tǒng)的算法流程是導(dǎo)航開始系統(tǒng)上電進(jìn)行參數(shù)初始化；INS子系統(tǒng)開始輸出角速度和加速度信息的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過滑動(dòng)平均和濾波處理，然后對(duì)此數(shù)據(jù)標(biāo)定和溫度補(bǔ)償，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過捷聯(lián)導(dǎo)航算法求解出速度、位置和姿態(tài)信息；GPS子系統(tǒng)從上電時(shí)刻開始由射頻天線接收當(dāng)前可見GPS導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過GPS信號(hào)解算模塊處理 后直接輸出標(biāo)準(zhǔn)0183協(xié)議，傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)內(nèi)部，提取出載體的速度、位置和高度信息；磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度，經(jīng)過干擾去除和標(biāo)定補(bǔ)償，再結(jié)合INS信息中的加速度信息可進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)和載體的三維姿態(tài)計(jì)算；氣壓計(jì)子系統(tǒng)測(cè)得的高度值可抑制INS系統(tǒng)高度的發(fā)散和GPS高度的測(cè)量誤差；所有上面子系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)kalman融合濾波解算出高精度的載體位置、速度和姿態(tài)信息進(jìn)行輸出，另通過濾波器估計(jì)出的陀螺和加速度計(jì)的隨機(jī)常值漂移，可反饋校正INS系統(tǒng)。如圖5所示，本發(fā)明采用高集成度但布局合理的電路設(shè)計(jì)以減小各子系統(tǒng)器件之間的電磁干擾、相互發(fā)熱影響和降低系統(tǒng)體積。GPS系統(tǒng)I采用單獨(dú)供電并放置在一塊上層PCB板上以減小對(duì)其他子系統(tǒng)的電磁干擾和搜星過程中電流波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)A/D采集帶來的干擾；對(duì)INS子系統(tǒng)的單軸陀螺2和雙軸加速度計(jì)3提供單獨(dú)參考電壓以提高精度；4為磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)；5為氣壓計(jì)子系統(tǒng)；6為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)；整個(gè)系統(tǒng)的低壓差穩(wěn)壓源模塊7遠(yuǎn)離慣測(cè)量性器件和磁強(qiáng)計(jì)以最大程度上減小熱量散發(fā)對(duì)器件造成零偏影響。本發(fā)明采用了獨(dú)特巧妙的硬件安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上下兩層之間的連接固定部件8用以加固兩層PCB板的連接強(qiáng)度；9所示為系統(tǒng)所有的五塊PCB板相對(duì)位置示意圖，其中上下兩層PCB板通過插接件連接和固定部件8進(jìn)行固定，中間三小塊PCB板分別通過開槽處理保證相互正交安裝在底板上，三個(gè)單軸陀螺2和兩個(gè)雙軸加速度計(jì)3分別設(shè)置在上述三小塊PCB板上，其余部件均設(shè)置在下層PCB板上；整個(gè)系統(tǒng)的每個(gè)PCB板均采用高集成度的四層電路；該安裝結(jié)構(gòu)可使導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、電源模塊、A/D模塊、單軸陀螺2、雙軸加速度計(jì)3、磁強(qiáng)計(jì)4和氣壓計(jì)子系統(tǒng)5合理的分布PCB板上，最大程度利用了內(nèi)部空間從而大大減小了系統(tǒng)體積；其中由于硬件安裝結(jié)構(gòu)使陀螺和加速度計(jì)分別呈現(xiàn)正交的結(jié)果，大大降低了后期軟件補(bǔ)償帶來的誤差；電磁兼容性強(qiáng)，并且設(shè)計(jì)有減震系統(tǒng)可抗較大沖擊。如圖6所示，為系統(tǒng)的整體安裝效果圖。其中10為Φ3πιπι螺釘固定孔；11為GPS天線接口 ；12為四端子航空接插件接口，負(fù)責(zé)電源供電和信號(hào)傳輸；13為安裝基準(zhǔn)面，以保證安裝誤差。最終大小尺寸為49mm*36mm*28mm。
總的來說，本發(fā)明采用獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成了 GPS、INS、磁強(qiáng)計(jì)、氣壓計(jì)、低壓差穩(wěn)壓源、運(yùn)算放大器、16位A/D采集、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積小、功耗低；內(nèi)部組合算法使用了松組合算法，各個(gè)子系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，具 有冗余性的特點(diǎn)；該系統(tǒng)可使用RS-232、RS-422協(xié)議通訊具有兼容性，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高、成本低，可用于低成本需要一定精度的導(dǎo)航系統(tǒng)，特別適用于路用車輛、小型機(jī)器人、小型飛行器等載重能力小，使用電池供電的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種超小型GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于包括GPS子系統(tǒng)、INS子系統(tǒng)、磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)、氣壓計(jì)子系統(tǒng)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和低壓差穩(wěn)壓源模塊；該導(dǎo)航計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，然后經(jīng)過擴(kuò)展kalman融合濾波器輸出載體的位置、速度和姿態(tài)信息；低壓差穩(wěn)壓源模塊分別獨(dú)立向GPS子系統(tǒng)、INS子系統(tǒng)、磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)、氣壓計(jì)子系統(tǒng)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)供電； GPS子系統(tǒng)采用單獨(dú)供電并放置在一個(gè)上層PCB板上，三個(gè)小塊PCB板分別通過開槽處理保證相互正交安裝在下層PCB板上，INS子系統(tǒng)的三個(gè)單軸陀螺分別設(shè)置在三個(gè)小塊PCB板上，兩個(gè)雙軸加速度計(jì)分別設(shè)置在其中兩個(gè)小塊PCB板上；上下兩層PCB板之間通過連接固定部件連接；低壓差穩(wěn)壓源模塊設(shè)置在下層PCB板上并遠(yuǎn)離慣測(cè)量性器件和磁強(qiáng)計(jì)以減小熱量散發(fā)對(duì)器件造成零偏影響；整個(gè)系統(tǒng)的每個(gè)PCB板均采用高集成度的四層電路，最后達(dá)到49mm*36mm*28mm的超小型尺寸； 整個(gè)結(jié)構(gòu)外殼設(shè)置有GPS天線接口和負(fù)責(zé)電源供電、信號(hào)傳輸?shù)乃亩俗雍娇战硬寮涌?，并設(shè)有安裝基準(zhǔn)面，以保證安裝誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超小型GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述INS子系統(tǒng)包括三個(gè)單軸陀螺、兩個(gè)雙軸加速度計(jì)、溫度傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換模塊和SPI通訊接口 ；其中三個(gè)單軸陀螺用來測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)角速度；兩個(gè)雙軸的加速度計(jì)用來測(cè)量載體的線性加速度，其中在航向方向進(jìn)行兩個(gè)加速度差分處理；溫度傳感器輸出陀螺內(nèi)部溫度，用于對(duì)陀螺和加速度計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；所有的模擬信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器放大以后，通過16位A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過SPI通訊接口把INS系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種超小型GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述GPS子系統(tǒng)包括GPS射頻天線接收模塊、GPS信號(hào)解算模塊、RS-232標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊；其中通過GPS射頻天線接收模塊接收可見GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的射頻信號(hào)，然后進(jìn)入GPS信號(hào)解算模塊，最后導(dǎo)航信息通過標(biāo)準(zhǔn)0183協(xié)議輸出，然后通過RS-232通訊接口傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行kalman組合導(dǎo)航算法融合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超小型GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)包括一個(gè)三軸磁阻傳感器、運(yùn)算放大器模塊和16位A/D轉(zhuǎn)換模塊；其中三維磁阻傳感器輸出三個(gè)軸向上磁場(chǎng)強(qiáng)度的模擬信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大器和16位A/D轉(zhuǎn)換電路變換為數(shù)字信號(hào)；經(jīng)由SPI通訊接口把磁強(qiáng)信息傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)，該信息可用于初始對(duì)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)確定載體航向角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超小型GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述氣壓計(jì)子系統(tǒng)包括大氣壓力傳感器、I2C通信接口模塊、高度解算模塊；該大氣壓力傳感器直接輸出當(dāng)前氣壓值的數(shù)字信息，經(jīng)過標(biāo)定、補(bǔ)償和查表高度解算后通過I2C通訊接口傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)內(nèi)部，使用高度信息可以對(duì)系統(tǒng)的高度進(jìn)行約束或者直接輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種超小型GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過SPI通訊接口接收INS子系統(tǒng)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)和磁強(qiáng)計(jì)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)、RS-232通訊接口接收GPS子系統(tǒng)0183協(xié)議數(shù)據(jù)、I2C通訊接口接收氣壓數(shù)據(jù)，分別對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再經(jīng)過一個(gè)擴(kuò)展kalman融合濾波器推算出實(shí)時(shí)具有高精度的載體速度 、位置和姿態(tài)信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超小型GPS/INS/磁強(qiáng)計(jì)/氣壓計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，由組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)融GPS、INS、磁強(qiáng)計(jì)和氣壓計(jì)系統(tǒng)信息，通過多維拓展kalman濾波器輸出載體的位置、速度和姿態(tài)信息；而且該系統(tǒng)具有自對(duì)準(zhǔn)功能，F(xiàn)lash存儲(chǔ)功能也保證了系統(tǒng)信息掉電不丟失，上電快速啟動(dòng)；組合導(dǎo)航算法采用優(yōu)化算法，在保證精度的情況下達(dá)到相當(dāng)高的數(shù)據(jù)更新率，可為高動(dòng)態(tài)小型飛機(jī)、制導(dǎo)炮彈等提供實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明總體具有體積小、成本低、重量輕、功耗低、數(shù)據(jù)更新速率快、通訊方便、易安裝、易標(biāo)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且具有實(shí)時(shí)精確的導(dǎo)航定位信息輸出，適用于路用車輛、人員定位、微小型飛機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01S19/49GK102879793SQ201210366449
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者蘇中, 李擎, 范軍芳, 趙旭, 劉洪 , 劉寧, 馬曉飛, 付國棟 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)