惯性/重力组合导航半实物模拟装置

摘要

惯性重力组合导航半实物模拟装置是适用于惯性/重力组合导航系统的理论方法和工程应用研究的装置，轨迹发生器生成理想数据，输入给惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器、测深仪模拟器和组合导航计算机；重力仪模拟器包括重力传感器、数字重力异常图和计算机；多普勒计程仪模拟器包括普勒计程仪和计算机；测深仪模拟器包括测深仪和计算机；组合导航计算机由工控机实现，它通过串口对轨迹发生器、惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器和测深仪模拟器进行同步控制，并对惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器和测深仪模拟器发送和接收信息，以及进行组合导航计算和评估分析，最后通过终端显示结果。

权利要求

1.一种惯性重力组合导航半实物模拟装置，其特征在于该装置包括惯性测量单元(1)、重力仪模拟器(2)、多普勒计程仪模拟器(4)、测深仪模拟器(5)、组合导航计算机(6)、轨迹发生器(7)和演示验证与评估终端(8)；轨迹发生器(7)分别给惯性测量单元(1)、重力仪模拟器(2)、多普勒计程仪模拟器(4)、测深仪模拟器(5)和演示验证与评估终端(8)输入理想数据；组合导航计算机(6)通过串口对惯性测量单元(1)、重力仪模拟器(2)、多普勒计程仪模拟器(4)、测深仪模拟器(5)和轨迹发生器(7)进行同步控制，并对惯性测量单元(1)、重力仪模拟器(2)、多普勒计程仪模拟器(4)和测深仪模拟器(5)发送和接收信息，同时进行组合导航计算，最后在终端上显示组合导航计算结果，分析评估系统性能。

2.根据权利要求1所述的惯性重力组合导航半实物模拟装置，其特征是：重力仪模拟器(2)由重力传感器、数字重力异常图(3)和计算机组成；多普勒计程仪模拟器(4)由普勒计程仪和计算机组成；测深仪模拟器(5)由测深仪和计算机组成。

说明书

惯性/重力组合导航半实物模拟装置

技术领域

[0001] 本发明是一种组合导航半实物模拟装置，适用于惯性/重力组合导航系统的理论方法和工程应用研究。

背景技术

[0002] 当今社会的发展要求运载体导航系统能够实现高精度、自主、全天候、寂静的导航，例如水面舰船、地面车辆以及空中飞行器能够不依赖GPS进行导航，水下航行体能够在不上浮到水面以及不向外发射信号的情况下实现长期高精度导航等等。为了实现自主导航，一般采用惯性导航系统，它可以实时提供多种导航信息如航向、速度、位置和姿态等。但是惯性导航系统的定位误差会随时间积累，需要定期利用外部信号进行校正，否则会导致定位精度下降。重力场信息与星光、地形场和地磁场信息相比，抗干扰能力强，具有全天候、无源性的优点，所以研究重力辅助导航对我国的高精度、自主、全天候导航技术的提高具有重要意义。

[0003] 上世纪90年代美国洛克希德马丁公司发表了重力辅助惯性导航系统的专利(A.Jircitano，D.E.Dosch，Gravity aided inertial navigation system，US5339684，1994)，之后又研制出重力辅助导航系统，该系统由惯性平台导航系统、重力梯度仪、重力仪、重力梯度图、重力图和精密声纳导航模块等组成。美国研制的重力辅助导航系统不仅体积大，结构复杂，而且成本非常高。为了研究惯性/重力组合导航系统的理论、方法及其工程应用，提供一种体积小、成本低的惯性/重力组合导航半实物模拟装置是非常有意义的。

发明内容

[0004] 技术问题：本发明的目的是提供一种成本低、精度高、使用方便的无源自主式的惯性/重力组合导航半实物模拟装置。

[0005] 技术方案：本发明的惯性重力组合导航半实物模拟装置包括惯性测量单元、重力仪模拟器、数字重力异常图、多普勒计程仪模拟器、测深仪模拟器、组合导航计算机、轨迹发生器和演示验证与评估终端；轨迹发生器分别给惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器、测深仪模拟器和演示验证与评估终端输入理想数据；组合导航计算机通过串口对惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器、测深仪模拟器和轨迹发生器进行同步控制，并对惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器和测深仪模拟器发送和接收信息，同时进行组合导航计算，最后在终端上显示组合导航计算结果，分析评估系统性能。重力仪模拟器重力传感器、数字重力异常图和计算机组成；多普勒计程仪模拟器由普勒计程仪和计算机组成；测深仪模拟器由测深仪和计算机组成。

[0006] 惯性测量单元主要由加速度计、陀螺仪、计算机、输入输出接口和电子线路组成，其中计算机由浮点数字信号处理器(DSP)、大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)、中央处理器(MCU)组成。惯性测量单元的导航算法是捷联惯性导航算法。

[0007] 重力仪模拟器由重力传感器、数字重力异常图和计算机组成；数字重力异常图包括EGM96重力异常数据和局部实测重力异常数据；重力仪模拟器根据轨迹发生器产生的理想轨迹、速度和加速度，通过数字重力异常图、深度归算和重力异常局部逼近算法计算出理想轨迹上的重力异常值，然后叠加上正常重力、重力传感器的实际噪声和厄特弗斯效应，最后输出重力值。

[0008] 多普勒计程仪模拟器由多普勒计程仪和计算机组成；多普勒计程仪模拟器根据轨迹发生器产生的理想速度，叠加上多普勒计程仪的实际噪声，最后输出速度值。

[0009] 测深仪模拟器由测深仪和计算机组成。测深仪模拟器根据轨迹发生器产生的理想深度，叠加上测深仪的实际噪声，最后输出深度值。

[0010] 在组合导航计算机中采用减小厄特弗斯效应的重力匹配扩展卡尔曼滤波算法，经反馈修正模块对惯性测量单元的导航参数和加速度计以及陀螺仪进行修正，最后在终端上显示修正后的结果和轨迹发生器产生的理想结果，依此来分析评估系统的性能。

[0011] 有益效果：本发明的特点在于：(1)能够实现惯性/重力组合导航数字仿真和半实物仿真；(2)由于采用轨迹发生器生成的理想数据作为惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器和测深仪模拟器的参考源，提高了惯性/重力组合导航系统的评估能力和演示效果；(3)试验快速，成本低廉；(4)惯性/重力组合导航半实物模拟装置研制费用少。

附图说明

[0012] 图1为本发明的结构组成示意图；

[0013] 图2为本发明的工作流程图；

[0014] 图3为本发明的软件流程示意图。

具体实施方式

[0015] 惯性测量单元1采用3个石英挠性加速度计、3个光纤陀螺陀螺仪、AD转换模块、大规模可编程逻辑门阵列FPGA、浮点数字信号处理器DSP、中央处理器MCU、I/O接口电路和电源构成，FPGA实现采集陀螺与加速度计信号、双口RAM和DSP的逻辑电路，DSP功能是从FPGA中读取陀螺和加速度计数据，进行数字信号处理、捷联导航解算，并将解算后的导航参数写入FPGA，MCU通过双口RAM与DSP通信，负责数据采集等输入输出的工作。重力仪模拟器2采用高精度加速度计重力传感器、PC104计算机、I/O接口电路和电源构成，其中装有全球数字重力异常图；数字重力异常图3采用EGM96全球重力异常数据和局部区域重力异常实测数据构成；多普勒计程仪模拟器4采用多普勒计程仪、PC104计算机、I/O接口电路和电源构成；测深仪模拟器5采用测深仪、PC104计算机、I/O接口电路和电源构成；组合导航计算机6、轨迹发生器7和演示验证与评估终端8都采用工控机构成。

[0016] 如图1所示。轨迹发生器通过串口分别给惯性测量单元1、重力仪模拟器2、多普勒计程仪模拟器4、测深仪模拟器5和演示验证与评估终端8输入理想数据。组合导航计算机的时间统一卡发布同步信号指令使惯性测量单元1、重力仪模拟器2、多普勒计程仪模拟器4、测深仪模拟器5和轨迹发生器7同步，并对惯性测量单元1、重力仪模拟器2、多普勒计程仪模拟器4和测深仪模拟器5发送和接收信息，同时进行组合导航计算，最后通过终端显示组合导航计算结果，分析评估系统性能。

[0017] 本发明的工作流程图如图2所示。轨迹发生器包括了运动载体随时间变化的理想位置、速度、加速度、角速度和姿态，它通过串口分别给惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器、测深仪模拟器和演示验证与评估终端输入理想数据；组合导航计算机的时间统一卡对惯性测量单元1、重力仪模拟器2、多普勒计程仪模拟器4、测深仪模拟器5和轨迹发生器7进行同步控制。在惯性测量单元中，轨迹发生器输入的载体加速度和角速度与加速度计和陀螺仪的静态输出叠加，产生半实物仿真的加速度和角速度的数据，经过捷联惯性导航算法计算出运动载体的位置、速度和姿态。在重力仪模拟器中，根据轨迹发生器输入的位置在数字重力异常图中计算出载体所处位置的重力异常值，又根据轨迹发生器输入的经纬度、深度、速度、加速度和航向角计算出各项重力改正，它们再与重力传感器的静态输出叠加产生半实物仿真数据。在多普勒计程仪模拟器中，轨迹发生器输入的速度与多普勒计程仪静态输出叠加产生半实物仿真数据。在测深仪模拟器中，轨迹发生器输入的深度与测深仪静态输出叠加产生半实物仿真数据。组合导航计算机并行接收惯性测量单元输出的导航数据和重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器、测深仪模拟器输出的半实物仿真数据，并进行组合导航计算，分析评估该组合导航系统的性能，最后将结果显示在演示终端上。

[0018] 图3为本发明的软件流程示意图。首先对组合导航系统进行初始化，给定导航系统的初始位置、初始速度和初始俯仰角、初始横滚角和初始航向角。轨迹发生器通过串口分别给惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器、测深仪模拟器和演示验证与评估终端输入理想数据，组合导航计算机的时间统一卡发布同步信号指令使惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器、测深仪模拟器和轨迹发生器同步。惯性测量单元中的捷联惯性导航算法根据半实物仿真的加速度和角速度的数据，通过圆锥姿态算法、划船速度算法和振摆位置算法，计算出运动载体的位置、速度和姿态。组合导航计算机并行接收惯性测量单元、重力仪模拟器、多普勒计程仪模拟器和测深仪模拟器的输出数据。当重力仪模拟器输出数据正常时，组合导航算法进行重力匹配计算，该算法是减小厄特弗斯效应的重力匹配扩展卡尔曼滤波算法。当重力仪模拟器输出数据不正常时，组合导航算法就是考虑外速度和深度信息下的扩展卡尔曼滤波算法。反馈修正是依据组合导航算法得到的结果对惯性测量单元的导航参数进行修正。经反馈修正后的计算结果显示在终端上，依此来分析评估系统的性能。