[发明专利]一种低成本组合式定位定向装置及组合定位方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种定位定向装置，特别是一种由微惯性导航系统(MEMSINS)、全球定位系统(GPS)、电子罗盘、微型压力高度计和微型压力空速计等构成的微型组合式定位定向装置。本发明还涉及一种采用该低成本组合式定位定向装置的定位定向方法。

(二)背景技术

惯性导航的基本原理是根据牛顿力学定律，通过测量载体在惯性参考系的加速度和角速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、位置和姿态角信息等。所以，它是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。具有很好的隐蔽性，其工作环境不仅包括空中、地球表面，还可以在水下。比如，1958年美国“皇后鱼”号核潜艇依靠惯性导航系统穿过北极在冰下航行21天；美国“阿波罗”号飞船上也装备了捷联式惯性导航系统。目前，惯性导航在海、陆、空、天等各领域都得到了广泛的应用。

惯性导航的主要缺点是它的误差会随时间增长而迅速积累。而且由于启动时需要加温、初始对准，所以进入导航状态的时间较长，比如某型船用平台罗经需要约4小时。

美国的全球定位系统(GPS)是一个高精度、全天候和全球性的多功能无线电导航定位、定时系统，它的显著优点是精度均匀，定位误差不随时间积累。因而，目前GPS的定位导航技术发展非常迅速，应用极为广泛。但是GPS系统存在的问题是：在使用时，城市的高大树木或高层建筑对GPS信号有遮挡效应，即城市大峡谷效应，会导致GPS定位失效。而且GPS是非自主式导航，数据更新频率低(一般为1Hz)，不能满足实时控制的要求，故需利用辅助装置与GPS组成组合定位系统。

电子罗盘是以地磁北为基准测量物体方位的，在静止或运动状态下均能给出方位信息，且不受高大阻挡物的影响，因此高精度电子罗盘可以对GPS进行有效地补偿，即使在GPS信号消失后也能正确地给出航向，也能保证导航定位信息的有效性。但是电子罗盘受外环境磁介质的影响较大，如果补偿不当，航向测量误差可达几十度。

从上面的分析看到，将INS、GPS和电子罗盘各有自己的长处，也都存在一定的短处，如果能将它们组合起来，构成组合式定位定向系统，各取所长而避其所短，无疑可以提高系统的精度和可靠性，降低对各分系统的要求，从而达到以较低的成本、构成中等精度的定位定向系统的目的。但是如何将它们结合起来，在系统结构设计；MEMS INS姿态、速度及位置更新算法；MEMS INS与GPS、数字电子罗盘HMR3000、高度计、气速计等信息融合方式以及人机界面及接口等方面还存在许多需要解决的技术问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种成本较低、功能较全的定位定向的低成本组合式定位定向装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的低成本组合式定位定向装置的组成包括由MEMS IMU和导航计算机组成的MEMSINS、GPS接收机、三维数字电子罗盘、高度计、气速计、电源模块、箱体及接插件等，其中MEMS IMU包括9只MEMS陀螺和6只双轴MEMS加速度计。+24V直流电压进入电源模块，通过DC-DC模块转换为±5V和+12V，供给相应的子系统，系统加电启动后，MEMS陀螺和加速度计分别测量出载体运动的角速度和加速度，输出为相应的模拟电压值，通过数据采集电路将该电压值进行A/D转换，然后输入到MEMS INS的标定或导航程序中，得到载体运动的姿态、位置和速度等信息，GPS接收机、电子罗盘、气速计和高度计都是通过232串口向导航计算机发送位置、姿态、速度和高度信息。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的微惯性导航系统(MEMS INS)的9个MEMS陀螺选择ADXRS150、6个双轴加速度计选择ADXL202，9个MEMS陀螺和6个双轴加速度计安装在一个由4块平整的铜板组成的安装基座上，MEMS陀螺和双轴加速度计分布在三个正交面上。

2、所述的GPS接收机选择iTrax02，所述的三维数字电子罗盘选择HMR3000，所述的高度计选择AXD550。

3、MEMSINS和数字电子罗盘设置在箱体的中间，艏艉线从中穿过。

本发明的低成本组合式定位定向装置的组合定位方法为：

1、选用由微惯性测量单元(MEMS IMU)和导航计算机组成微惯性导航系统(MEMS INS)、电源模块以及外界通讯插头、气速计、是高度计、GPS接收机、三维数字电子罗盘以及箱体组成的低成本组合式定位定向装置，MEMS IMU包括9只MEMS陀螺和6只双轴加速度计；

2、微惯性导航系统(MEMS INS)进行姿态、位置和速度更新