一種基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為了增強(qiáng)武器系統(tǒng)的快速機(jī)動(dòng)能力和目標(biāo)命中精度，滿足系統(tǒng)對(duì)車載導(dǎo)航設(shè)備的反應(yīng)快、精度高、自主性強(qiáng)、可靠性好的要求，提出了一種基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備，包括采用激光陀螺的激光捷聯(lián)慣組，還包括：里程計(jì)組件：測(cè)量車輛在地面行駛速度和距離；高程計(jì)組件：測(cè)量車輛所在水平面的氣壓獲取高度；兼容單天線和雙天線的多模衛(wèi)星系統(tǒng)；顯控器組件：將車載導(dǎo)航設(shè)備的定位信息與路網(wǎng)電子地圖進(jìn)行智能匹配。本發(fā)明利用激光陀螺精度高、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)范圍寬、反應(yīng)時(shí)間短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，基于數(shù)字濾波器的陀螺解調(diào)技術(shù)、多信息融合技術(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)了高精度、自主性強(qiáng)、可靠性好的定位、定向功能。
【專利說(shuō)明】一種基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車載導(dǎo)航定位【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種車載定位系統(tǒng)；更具體地，涉及一種 基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代先進(jìn)的陸地作戰(zhàn)車輛，如自行火炮、遠(yuǎn)程火箭炮、射擊指揮車、導(dǎo)彈發(fā)射車等， 一般都配備有先進(jìn)的導(dǎo)航定位設(shè)備，用來(lái)在車輛行駛過(guò)程中提供其精確的地理位置。為保 證和增強(qiáng)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)的快速性和精確性，要求定位設(shè)備具有快速反應(yīng)、高精度、高可靠、 自主性強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0003] 20世紀(jì)70年代末，最初的車載定位系統(tǒng)通常由里程表、磁羅盤(pán)、速率陀螺儀及微 處理器組成，這種車載定位系統(tǒng)定位精度低，使車載定位系統(tǒng)的實(shí)用性受到了限制。其后， 隨著GPS技術(shù)的飛速發(fā)展，GPS定位得到廣泛應(yīng)用，但是，由于GPS定位精度受周圍環(huán)境影 響較大，抗干擾性差，常見(jiàn)的高大建筑物、林蔭道、立交橋等都會(huì)造成定位設(shè)備工作異常。所 以，單純的車載GPS定位系統(tǒng)存在可靠性低等缺點(diǎn)。
[0004] 為解決這一問(wèn)題，國(guó)外開(kāi)始了組合導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用研究：利用GPS的位置、速度信 息校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的累積誤差，標(biāo)定慣性器件，甚至在GPS輔助下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)基座尋北；同時(shí)，當(dāng) GPS信號(hào)中斷時(shí)，慣導(dǎo)系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作，提供高精度的導(dǎo)航信息，改善GPS在信號(hào)干擾或 遮擋時(shí)的適應(yīng)能力。這種組合導(dǎo)航以其精度高、可靠性好、成本低、適用性強(qiáng)、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn) 成為國(guó)外軍用車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，例如：法國(guó)的Carminat車輛組合導(dǎo)航和信息 系統(tǒng)、德國(guó)和意大利開(kāi)發(fā)的EUR0LIT導(dǎo)航系統(tǒng)、法國(guó)的"SIGMA30"系統(tǒng)等。
[0005] 在國(guó)內(nèi)，從20世紀(jì)80年代左右開(kāi)始，清華大學(xué)、國(guó)防科大、航空618所等單位先后 研制了基于液浮陀螺和撓性陀螺的平臺(tái)式慣導(dǎo)定位系統(tǒng)，定位精度高，水平誤差優(yōu)于〇. 2% D。又例如，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310078769. 0的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定 位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)包括三軸激光陀螺儀、三軸光纖加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理器、慣導(dǎo)參數(shù)通 訊模塊、超寬帶無(wú)線接收器、超寬帶無(wú)線發(fā)射器、無(wú)線參數(shù)通訊模塊和協(xié)同運(yùn)算處理單元。 采用數(shù)據(jù)處理器采集移動(dòng)目標(biāo)的姿態(tài)角、加速度參數(shù)，然后超寬帶無(wú)線接收器接收到移動(dòng) 目標(biāo)與超寬帶無(wú)線發(fā)射器間的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差和到達(dá)角度參數(shù)，將多傳感器參量通過(guò)對(duì)應(yīng) 的串口通信模塊傳輸?shù)絽f(xié)同運(yùn)算處理單元，解算輸出得到移動(dòng)目標(biāo)的位置和姿態(tài)。但是，體 積大、器件可靠性低、實(shí)用壽命短、初始準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、造價(jià)高等缺點(diǎn)制約了這些定位設(shè)備的 應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定 位設(shè)備。本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問(wèn)題包括：增強(qiáng)武器系統(tǒng)的快速機(jī)動(dòng)能力和目標(biāo)命中精 度，滿足系統(tǒng)對(duì)車載導(dǎo)航設(shè)備的反應(yīng)快、精度高、自主性強(qiáng)、可靠性好的要求；設(shè)計(jì)一種以激 光陀螺捷聯(lián)慣組為核心的車載定位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車輛靜止或行駛時(shí)，精確輸出所在位置的地 理坐標(biāo)（包括經(jīng)緯度、高程、北向方位和姿態(tài)角）功能；使車載定位設(shè)備能夠適應(yīng)軍用車輛 導(dǎo)航領(lǐng)域，對(duì)我國(guó)的船艦導(dǎo)航、導(dǎo)彈導(dǎo)航同樣具有借鑒意義。
[0007] 本發(fā)明提出的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備包括采用激光陀螺的激光 捷聯(lián)慣組，還包括：
[0008] 里程計(jì)組件：測(cè)量車輛在地面行駛速度和距離；
[0009] 高程計(jì)組件：測(cè)量車輛所在水平面的氣壓獲取高度；
[0010] 兼容單天線和雙天線的多模衛(wèi)星系統(tǒng)；
[0011] 顯控器組件：將車載導(dǎo)航設(shè)備的定位信息與路網(wǎng)電子地圖進(jìn)行智能匹配。
[0012] 進(jìn)一步地，車載定位設(shè)備還包括導(dǎo)航處理單元，其利用零速修正原理和信息相似 性原理，設(shè)計(jì)漸消記憶最小二乘濾波器和位置跟蹤積分器，對(duì)激光捷聯(lián)慣組在車輛上的安 裝誤差角、里程計(jì)刻度系數(shù)誤差進(jìn)行在線辨識(shí)和修正。
[0013] 進(jìn)一步地，電源模塊包括二次電源，該二次電源接收外部供電單元提供的20? 30V直流電。
[0014] 進(jìn)一步地，加表組件、陀螺組件和減震器分別與捷聯(lián)慣組的本體連接。
[0015] 進(jìn)一步地，激光捷聯(lián)慣組包括依次連接的電源模塊、減震器、加表組件、陀螺組件、 I/F板、主控板、導(dǎo)航處理單元、多模衛(wèi)星接收板；導(dǎo)航處理單元分別接收里程計(jì)組件和高 程計(jì)組件的測(cè)量結(jié)果，并與上位機(jī)和顯控器組件通信；多模衛(wèi)星接收板與多模衛(wèi)星天線連 接。
[0016] 進(jìn)一步地，里程計(jì)組件包括：
[0017] 濾波和識(shí)別子單元，其將獲得的車輛在地面行駛速度和距離信息進(jìn)行智能識(shí)別和 速度濾波；
[0018] 判別子單元，其對(duì)上述濾波和識(shí)別子單元的輸出信號(hào)進(jìn)行零速判別；
[0019] 捷聯(lián)解算子單元，其與上述判別子單元的輸出端連接，并利用捷聯(lián)慣組的制導(dǎo)和 導(dǎo)航信息共同進(jìn)行捷聯(lián)解算；
[0020] 航位推算子單元，其與上述捷聯(lián)解算子單元的輸出端相連接，獲得將得到的姿態(tài) 矩陣，以及獲得經(jīng)過(guò)上述捷聯(lián)解算子單元輸出的速度矩陣連同里程計(jì)組件測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò) 智能識(shí)別和速度濾波得到的信息共同經(jīng)過(guò)安裝誤差、刻度因子在線識(shí)別和修正后得到的信 息，將上述各矩陣和在線識(shí)別和修正后得到的信息進(jìn)行導(dǎo)航推算；
[0021] 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換子單元，其與上述航位推算子單元的輸出端連接，利用航位推算子單 元的輸出信息與經(jīng)過(guò)智能識(shí)別得到的定位、速度和北向角信息被傳遞經(jīng)過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾 波，依次對(duì)該濾波器的輸出結(jié)果進(jìn)行地圖匹配和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的輸出。
[0022] 進(jìn)一步地，包括：
[0023] (1)獲得激光陀螺的原始數(shù)據(jù)；
[0024] (2)鑒相倍頻；
[0025] (3)進(jìn)行高頻采樣；
[0026] (4)采樣結(jié)果輸入IIR陷波器和FIR濾波器進(jìn)行濾波；
[0027] (5)將濾波結(jié)果輸出以供導(dǎo)航使用。
[0028] 進(jìn)一步地，在步驟（4)之后還包括對(duì)慣組在車輛上的安裝誤差角、里程計(jì)刻度系 數(shù)誤差進(jìn)行在線辨識(shí)和修正。
[0029] 進(jìn)一步地，所述IIR陷波器和FIR濾波器的定義分別為，其中Fs為信號(hào)采樣頻率：
[0030] (l)IIR 陷波器：
[0031] ffp = [Wplffp2]；
[0032] ffs = [Wslffs2]；
[0033] [N, ffn] = buttord (ffp, ffs, Rp, Rs)；
[0034] [b，a] = butter (N，Wn, 'stop，）；
[0035] 上式中，Wp表示通帶截止頻率，Wpl和Wp2分別為Wp的起始值和終止值，Ws表示 阻帶截止頻率，Wsl和Ws2分別為Ws的起始值和終止值，Rp表示通帶紋波系數(shù)（dB)，Rs表 示阻帶紋波系數(shù)（dB)，N表示巴特沃思的最小階次，Wn表示截止頻率，stop表示帶阻濾波， buter為巴特沃思函數(shù)；
[0036] 求出極點(diǎn)b和零點(diǎn)a后，建立系統(tǒng)差分方程如下：
[0037] (2)
[0038] 上式中ak, k = 1，…，N, bk，k = -0,…，Μ是方程的系數(shù)，分別表示零點(diǎn)和極點(diǎn)，N 和Μ表示自然數(shù)；給定激光陀螺輸出值χ(η)及系統(tǒng)的初始條件，就可以用上述差分方程的 解y (η)得到初步解抖后的信號(hào)輸出；
[0039] (2) FIR 濾波器：
[0040] dev = [(10~ (Rp/20)-l)/(10~ (Rp/20)+l) 10~ (-Rs/20)]；
[0041] [n, fo, ao, w] = remezord(f, a, dev, Fs)
[0042] b = remez (n, fo, ao, w) (3)
[0043] 式中f表示通帶截止頻率；a是向量，其元素用于指定過(guò)渡帶頻率段的理想濾波器 幅度值，；dev也是向量，其元素為各通帶和阻帶內(nèi)允許的幅度最大誤差；返回值fo為頻率 向量，ao為幅度向量，w為歸一化截止頻率，在0?1之間取值；RemezordO和remez ()為 最佳濾波器的matlab函數(shù)；η代表階數(shù)；
[0044] 求出極點(diǎn)b后，建立系統(tǒng)差分方程如下，式中參數(shù)意義同式（2):
[0045] (4)
[0046] 基于式⑷的線性相位型的結(jié)構(gòu)，利用濾波器脈沖響應(yīng)得對(duì)稱關(guān)系，即：
[0047] h (n) = ±h (Μ_η) η = 0, 1，…，Μ (5)
[0048] 可以將式4)進(jìn)行改進(jìn)為式（6)-(8)，將原來(lái)的乘法計(jì)算量縮減一半：
[0049] (6)
[0050] 當(dāng)Μ為偶數(shù)時(shí)， （7)
[0051] 當(dāng)Μ為奇數(shù)時(shí)， （8)
[0052] 該FIR濾波器的指標(biāo)精度均勻地分布在整個(gè)通帶和阻帶內(nèi)，有效的衰減剩余的陀 螺抖動(dòng)信號(hào)和其他高頻噪聲，留下真實(shí)的有用信號(hào)，從而保證了激光陀螺的高精度輸出。
[0053] 進(jìn)一步地，所述對(duì)慣組在車輛上的安裝誤差角、里程計(jì)刻度系數(shù)誤差進(jìn)行在線辨 識(shí)和修正包括：
[0054] 設(shè)捷聯(lián)慣導(dǎo)的速度誤差變化方程：
[0055] (9)
[0056] 式中，表示速度誤差變化、f是加表輸出的比力測(cè)量，是載體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換姿態(tài)矩陣，、分別為地心坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系、導(dǎo)航系相對(duì)地心坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn) 角矢量，g是重力矢量在導(dǎo)航系下的分解；上述Ψ為基于多準(zhǔn)則融合和D-S-v證據(jù)組合規(guī) 則的算法；
[0057] 根據(jù)上式，分析出滿足舒拉周期的載車低動(dòng)態(tài)條件下，速度誤差變化具有緩變特 性，所以設(shè)定短時(shí)間間隔內(nèi)的速度誤差變化很小時(shí)，參照信息相似原理，可以將慣導(dǎo)的速度 變化作為里程計(jì)速度變化的觀測(cè)量，設(shè)計(jì)衰減記憶遞推濾波器和位置跟蹤積分器，在線修 正里程計(jì)刻度因子，提高系統(tǒng)定位誤差；
[0058] 假設(shè)里程計(jì)刻度因數(shù)為，計(jì)數(shù)誤差是，車載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)處于導(dǎo)航狀態(tài)，慣導(dǎo)輸出 的車體方向速度為，里程計(jì)單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖為，那么時(shí)刻
[0059] (10)
[0060] 式（6)中，為導(dǎo)航速度誤差，短時(shí)間內(nèi)，，所以，且里程計(jì)計(jì)數(shù)誤差可視為白噪聲， 所以假設(shè)、，那么上式可以表示為：
[0061] (11)
[0062] 其中表示白噪聲；
[0063] 綜合導(dǎo)航時(shí)間內(nèi)的慣導(dǎo)、里程計(jì)信息得到離散的yl、y2-yn，xl、χ2···χη，根據(jù)線 性回歸方程，設(shè)計(jì)衰減最小二乘記憶法，用衰減因子（〇〈< 1)限制記憶的長(zhǎng)度，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù) 按照指數(shù)加權(quán)，舊的數(shù)據(jù)所加的權(quán)按照指數(shù)衰減，辨別最佳刻度因子Κ如下：
[0064] (12)
[0065] 取刻度因子在線修正中的短時(shí)間間隔，則第（i+1)時(shí)刻的速度差信息分別為，，方 差陣為P(i)，衰減因子為，則在線修正里程計(jì)刻度因子為：
[0066] (13)
[0067] (14)
[0068] (15)
[0069] 在考慮里程計(jì)微分速度瞬時(shí)噪聲較大的前提下，對(duì)捷聯(lián)慣組的速度輸出值進(jìn)行平 滑濾波（式16)，并將速度沿載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為里程計(jì)坐標(biāo)系后，設(shè)計(jì)位置跟蹤積分器（式 (17))，最后采用衰減記憶的遞推估計(jì)法辨識(shí)里程計(jì)刻度系數(shù)參數(shù)，假設(shè)導(dǎo)航周期為ls，捷 聯(lián)慣組輸出周期為200ms，積分獲取捷聯(lián)慣組的位置變化量，具體計(jì)算方法如下：
[0070] (16)
[0071] (17)
[0072] 選取直線段車輛數(shù)據(jù)，避免車輛機(jī)動(dòng)引入的里程計(jì)測(cè)量誤差。
[0073] 為實(shí)現(xiàn)高精度、反應(yīng)快、維護(hù)簡(jiǎn)單、自主性強(qiáng)的定位，本發(fā)明的車載定位設(shè)備還采 用了如下的信號(hào)處理方式：
[0074] 1)對(duì)激光陀螺進(jìn)行機(jī)械抖動(dòng)偏頻。這樣能夠消除閉鎖效應(yīng)，即通過(guò)加入交變的正 弦機(jī)械抖動(dòng)，使其大部分時(shí)間工作在鎖區(qū)之外。加入機(jī)械抖動(dòng)后，陀螺輸出信號(hào)不僅包括載 體輸入角速率信息，還包括抖動(dòng)信號(hào)的角速率信號(hào)，因此必須對(duì)激光陀螺進(jìn)行抖動(dòng)解調(diào)。采 用高頻采樣和基于數(shù)字濾波器的FIR和IIR雙級(jí)濾波，在保持有用信號(hào)不失真和延遲較小 的前提下，有效去除激光陀螺殘余的抖動(dòng)信號(hào)、隨機(jī)干擾和其它因素引起的高頻噪聲，獲得 載體的真實(shí)有用的角速率信號(hào)，提高角速度精度。
[0075] 2)當(dāng)系統(tǒng)為單天線衛(wèi)星模式時(shí)，以位置、速度為觀測(cè)量，當(dāng)系統(tǒng)為雙天線衛(wèi)星模式 時(shí)，以位置、速度、航向?yàn)橛^測(cè)量；根據(jù)信息智能融合設(shè)計(jì)擴(kuò)展的卡爾曼濾波器和航位推算 積分器，實(shí)現(xiàn)SINS/DR/衛(wèi)星/高程計(jì)組合系統(tǒng)的高精度、自主定位功能。
[0076] 3)利用參數(shù)的在線辨識(shí)算法對(duì)定位誤差源，如慣組在車輛上的安裝誤差角、里程 計(jì)刻度系數(shù)誤差等進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，提高系統(tǒng)的定位精度和魯棒性；利用零速修正原理和信 息相似性原理，設(shè)計(jì)漸消記憶最小二乘濾波器和位置跟蹤積分器，對(duì)慣組在車輛上的安裝 誤差角、里程計(jì)刻度系數(shù)誤差進(jìn)行在線辨識(shí)和修正。
[0077] 4)進(jìn)行多種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，以滿足用戶對(duì)1954北京坐標(biāo)系、1980線坐標(biāo)系、2000國(guó) 家大地坐標(biāo)系、WGS-84坐標(biāo)系等的需求，高精度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換保證定位信息的準(zhǔn)確性。
[0078] 5)利用衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)輸出的高精度北向角、位置和速度信息，不定期地校正激 光捷聯(lián)慣組關(guān)鍵器件陀螺和加速度計(jì)的零偏漂移。
[0079] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0080] 1.本發(fā)明的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備融合里程計(jì)、高程計(jì)、多模衛(wèi) 星系統(tǒng)和地圖信息，實(shí)現(xiàn)全溫域（-40°c -+60°c )產(chǎn)品定位定向精度。所實(shí)現(xiàn)的精度主要如 下：
[0081] 1)衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)，設(shè)備水平定位誤差彡10m(CEP95% )，衛(wèi)星信號(hào)受遮擋或不可 用時(shí)，設(shè)備水平定位誤差< 〇. 15% D(D為行駛里程，CEP75% )。
[0082] 2)有初始點(diǎn)坐標(biāo)輸入的前提下，設(shè)備高程誤差PE 10m。
[0083] 3)靜止或動(dòng)基座條件下，設(shè)備北向角精度：lmil (1 〇 )，姿態(tài)角精度： 0. 016mil(l σ )
[0084] 2.本發(fā)明采用了基于數(shù)字濾波器的陀螺解調(diào)技術(shù)、里程計(jì)刻度因子在線修正技 術(shù)、多信息融合技術(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)了高精度、自主性強(qiáng)、可靠性好的定位、定向功能，不僅提 高了設(shè)備的抗外界干擾能力，同時(shí)抑制了慣性系統(tǒng)定位誤差隨時(shí)間、隨車輛行駛距離發(fā)散 的缺點(diǎn)。
[0085] 3.激光陀螺以其精度高、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)范圍寬、反應(yīng)時(shí)間短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在 航空、航天、地面車輛等諸多領(lǐng)域均能得到廣泛運(yùn)用，是當(dāng)前高精度捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理 想傳感器。
[0086] 4.本發(fā)明基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的定位設(shè)備更以其體積小、精度高、性能穩(wěn)定、抗 干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍寬、啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)或準(zhǔn)備應(yīng)用在新型及改進(jìn)型 的多類武器裝備中。
[0087] 5.定位設(shè)備采用了基于激光捷聯(lián)慣組的多信息融合模式，設(shè)備中采用了特有的濾 波器組合設(shè)計(jì)方案去除激光陀螺機(jī)械抖動(dòng)，降低了系統(tǒng)對(duì)陀螺的精度要求，采用了里程計(jì) 刻度因子在線修正算法，提高了系統(tǒng)定位精度和魯棒性，具體問(wèn)題我已經(jīng)在文件中描述，只 是較為分散。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0088] 圖1示出了本發(fā)明的定位設(shè)備組成框圖；
[0089] 圖2示出了本發(fā)明的定位設(shè)備的電路框圖；
[0090] 圖3示出了本發(fā)明的定位設(shè)備工作原理圖；
[0091] 圖4示出了高精度激光陀螺抖動(dòng)解調(diào)流程圖；
[0092] 圖5示出了本發(fā)明的定位設(shè)備自主定位原理圖；
[0093] 圖6示出了本發(fā)明的定位設(shè)備航位推算（DR)計(jì)算圖；

【具體實(shí)施方式】
[0094] 下面將結(jié)合附圖1-2詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0095] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備 的組成框圖，包括采用激光陀螺的激光捷聯(lián)慣組，還包括：里程計(jì)組件、高程計(jì)組件、兼容單 天線和雙天線的多模衛(wèi)星系統(tǒng)、顯控器組件，以及多模衛(wèi)星定位定向組件。
[0096] 所述激光捷聯(lián)慣組包括依次連接的電源模塊、減震器、加表組件、陀螺組件、I/F 板、主控板、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)板、多模衛(wèi)星接收板；所述導(dǎo)航計(jì)算機(jī)分別接收所述里程計(jì)組件和 所述高程計(jì)組件的測(cè)量結(jié)果，并與上位機(jī)和所述顯控器組件通信；所述多模衛(wèi)星接收板與 所述多模衛(wèi)星天線連接。所述電源模塊包括二次電源，該二次電源接收外部供電單元提供 的20?30V直流電。所述高程計(jì)采用氣壓傳感器，例如由太航公司設(shè)計(jì)定型的氣壓傳感器。 所述加表組件、陀螺組件和減震器分別與捷聯(lián)慣組的本體連接。
[0097] 里程計(jì)組件：里程計(jì)組件用于測(cè)量車輛在地面行駛速度和距離，結(jié)合激光捷聯(lián)慣 組輸出的方位和姿態(tài)信息，進(jìn)行航位推算，獲取高精度的水平定位數(shù)據(jù)；同時(shí)對(duì)里程計(jì)速度 進(jìn)行智能辨識(shí)和濾波，作為車輛零速判別準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)停車時(shí)的定位零速修正。
[0098] 里程計(jì)設(shè)計(jì)兼容軟軸和霍爾兩種模式，借助車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量車輛在地面行駛的路 程，獲得車輛里程和速度信息，由于車輛行駛時(shí)，車輪存在側(cè)滑、彈跳和空轉(zhuǎn)的可能，所以系 統(tǒng)實(shí)時(shí)采集里程計(jì)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，進(jìn)行梯度變化、方差變化、絕對(duì)值等綜合智能識(shí)別算 法，診斷和剔除里程計(jì)的故障信息，獲取車輛真實(shí)的路程變化，同時(shí)對(duì)噪聲較大的速度進(jìn)行 濾波，作為車輛零速判別準(zhǔn)則，在車輛零速時(shí)補(bǔ)償激光捷聯(lián)慣組的速度誤差，抑制了慣性系 統(tǒng)速度、位置隨時(shí)間、隨車輛行駛距離發(fā)散的缺點(diǎn)。
[0099] 高程計(jì)組件：高程計(jì)組件測(cè)量車輛所在水平面的氣壓獲取高度，以彌補(bǔ)激光捷聯(lián) 慣組高度發(fā)散的不足，提高系統(tǒng)的高程精度。
[0100] 顯控器組件：顯控器組件將車載導(dǎo)航設(shè)備的定位信息與路網(wǎng)電子地圖進(jìn)行智能匹 配?；诙鄿?zhǔn)則融合和D-S-Ψ證據(jù)組合規(guī)則的算法，實(shí)現(xiàn)較高的匹配精度，完成地圖導(dǎo)航、 人工改航和選擇航線，提高系統(tǒng)定位精度。顯控器組件具有設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí) 顯示和保存激光捷聯(lián)慣組、里程計(jì)、高程計(jì)、DR和地圖的信息及狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合內(nèi)部存儲(chǔ)的 電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)地圖匹配功能。
[0101] 所述多模衛(wèi)星包括GPS、GLONASS、北斗中的至少兩種。多模衛(wèi)星定位定向組件兼 容單天線衛(wèi)星接收模式和雙天線衛(wèi)星接收模式。前者可以在衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)，提供高精度 的定位數(shù)據(jù)和納秒級(jí)的授時(shí)精度；后者除同等精度的定位和授時(shí)功能外，還可以實(shí)現(xiàn)靜止 或行進(jìn)間對(duì)準(zhǔn)功能。兼容單天線和雙天線的多模衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車載定位設(shè)備的靜止或行 進(jìn)間尋北、衛(wèi)星或自主高精度定位和高精度授時(shí)功能。
[0102] 激光陀螺采用機(jī)械抖動(dòng)偏頻方案。該方案能消除閉鎖效應(yīng)，即通過(guò)加入交變的正 弦機(jī)械抖動(dòng)，使其大部分時(shí)間工作在鎖區(qū)之外。加入機(jī)械抖動(dòng)后，陀螺輸出信號(hào)不僅包括載 體輸入角速率信息，還包括抖動(dòng)信號(hào)的角速率信號(hào)，因此必須對(duì)激光陀螺進(jìn)行抖動(dòng)解調(diào)：采 用高頻采樣和基于數(shù)字濾波器的FIR和IIR雙級(jí)濾波，在保持有用信號(hào)不失真和延遲較小 的前提下，有效去除激光陀螺殘余的抖動(dòng)信號(hào)、隨機(jī)干擾和其它因素引起的高頻噪聲，獲得 載體的真實(shí)有用的角速率信號(hào)。
[0103] 本發(fā)明提供的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備的電路框圖參見(jiàn)圖2。激光 陀螺輸出含正弦機(jī)械抖動(dòng)和車載角速度的脈沖信號(hào)，加表測(cè)量車載加速度，以電流信號(hào)傳 給IF板，由IF板進(jìn)行電流至頻率的轉(zhuǎn)換后，同樣以脈沖形式輸出，測(cè)溫板采集激光陀螺和 加表內(nèi)部的溫度信號(hào)，通過(guò)RS422串口發(fā)送給主控板，主控板對(duì)激光陀螺和加表的脈沖信 號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)、標(biāo)定和溫度補(bǔ)償后，進(jìn)行尋北和慣性導(dǎo)航，并將激光捷聯(lián)慣組的導(dǎo)航數(shù)據(jù)通過(guò) 主RS422串口發(fā)送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)板，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)板將高程計(jì)、衛(wèi)星天線、里程計(jì)、慣性導(dǎo) 航數(shù)據(jù)進(jìn)行多信息融合，并將最終解算結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送給顯控器和上位機(jī)。
[0104] 本發(fā)明提供的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備的工作原理參見(jiàn)圖3。衛(wèi)星 單元通過(guò)多模衛(wèi)星天線智能識(shí)別出不同天線模式下的定位等信息。衛(wèi)星系統(tǒng)兼容單天線 和雙天線兩種模式：對(duì)于單天線，以定位信息和速度信息為觀測(cè)量；對(duì)于雙天線，以定位信 息、速度信息和航向信息（例如北向角信息）為觀測(cè)量，提高設(shè)備誤差的估計(jì)精度。高程計(jì) 組件獲得車輛的高度信息，然后將經(jīng)過(guò)誤差修正以后的高度信息傳遞給航位推算（DR)單 J Li 〇
[0105] 其中，里程計(jì)組件包括：
[0106] 濾波和識(shí)別子單元，其將獲得的車輛在地面行駛速度和距離信息進(jìn)行智能識(shí)別和 速度濾波；
[0107] 判別子單元，其對(duì)上述濾波和識(shí)別子單元的輸出信號(hào)進(jìn)行零速判別；
[0108] 捷聯(lián)解算子單元（DR)，其與上述判別子單元的輸出端連接，并利用捷聯(lián)慣組制導(dǎo) 和導(dǎo)航信息共同進(jìn)行捷聯(lián)解算；
[0109] 航位推算子單元，其與上述捷聯(lián)解算子單元的輸出端相連接，獲得將得到的姿態(tài) 矩陣，以及獲得經(jīng)過(guò)上述捷聯(lián)解算子單元輸出的速度矩陣連同里程計(jì)組件測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò) 智能識(shí)別和速度濾波得到的信息共同經(jīng)過(guò)安裝誤差、刻度因子在線識(shí)別和修正后得到的信 息，將上述各矩陣和在線識(shí)別和修正后得到的信息進(jìn)行導(dǎo)航推算；
[0110] 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換子單元，其與上述航位推算子單元的輸出端連接，利用航位推算子單 元的輸出信息與經(jīng)過(guò)智能識(shí)別得到的定位、速度和北向角信息被傳遞經(jīng)過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾 波，依次對(duì)該濾波器的輸出結(jié)果進(jìn)行地圖匹配和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的輸出。 [0111] 本發(fā)明提供的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備的抖動(dòng)解調(diào)方法流程參見(jiàn) 圖4。激光陀螺抖動(dòng)頻率是相對(duì)固定的，基本在300Hz?700Hz之間，根據(jù)信號(hào)原理，為獲 得較好的解調(diào)效果，要求采用6?10倍以上的頻率采樣，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字濾波解調(diào)處 理。在定位設(shè)備中，采用了最高抖動(dòng)頻率（約730Hz)的陀螺，所以設(shè)計(jì)信號(hào)的采樣頻率為 5000Hz。
[0112] 處理平臺(tái)除了利用硬件電路的模式以外，還可以選用"FGPA+DSP"模式。硬件電 路模式的方式其連線較為復(fù)雜，但屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員基于現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)當(dāng)理解和能夠?qū)崿F(xiàn) 的。"FGPA+DSP"模式中，上述FPGA還可以通過(guò)VHDL硬件邏輯編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)激光陀螺原始 數(shù)據(jù)的鑒相、倍頻、計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸，上述DSP還可以通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)激光陀螺預(yù)處理后數(shù) 據(jù)的高頻采樣，獲取鑒相倍頻后的陀螺和加速度計(jì)信號(hào)。為消除陀螺的自振抖動(dòng)信號(hào)，捷聯(lián) 解算子單元設(shè)計(jì)FIR低通濾波器前，串連一個(gè)時(shí)延很小但衰減顯著，具有精度高、穩(wěn)定、靈 活、不要求阻抗匹配等眾多優(yōu)點(diǎn)的巴特沃思帶阻陷波器帶阻IIR陷波器；以抖頻為599Hz的 激光陀螺為例，設(shè)計(jì)陷波器的參數(shù)如下：
[0113] 通帶截止頻率為599±20(579. 8Hz和620. l)Hz，阻帶截止頻率為593. 9Hz和 606. 1Hz，階數(shù)為2階，通帶內(nèi)紋波Rp小于3dB，阻帶內(nèi)幅值衰減大于20dB，信號(hào)采樣頻率為 5000Hz。
[0114] 解算IIR陷波器的極點(diǎn)和零點(diǎn)的一個(gè)是實(shí)施例的算法如下：
[0115] ffpl = 579. 8/2500 ；
[0116] Wp2 = 620. 1/2500 ；
[0117] ffsl = 593. 9/2500 ；
[0118] Ws2 = 606. 1/2500 ；
[0119] ffp = [Wplffp2]；
[0120] ffs = [Wslffs2]；
[0121] Rp = 3 ；
[0122] Rs = 20 ；
[0123] [N, ffn] = buttord (ffp, ffs, Rp, Rs)；
[0124] [b，a] = butter (N，Wn, 'stop，）； (1)
[0125] 式中，Wp表示通帶截止頻率，Ws表示阻帶截止頻率，Rp表示通帶紋波系數(shù)（dB)， Rs表示阻帶紋波系數(shù)（dB)，N表示巴特沃思的最小階次，Wn表示截止頻率，stop表示帶阻 濾波，buter為Matalab的巴特沃思函數(shù)。
[0126] 求出極點(diǎn)b和零點(diǎn)a后，建立系統(tǒng)差分方程如下：
[0127]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備，包括采用激光陀螺的激光捷聯(lián)慣組， 其特征在于，還包括： 里程計(jì)組件：測(cè)量車輛在地面行駛速度和距離； 高程計(jì)組件：測(cè)量車輛所在水平面的氣壓獲取高度； 兼容單天線和雙天線的多模衛(wèi)星系統(tǒng)； 顯控器組件：將車載導(dǎo)航設(shè)備的定位信息與路網(wǎng)電子地圖進(jìn)行智能匹配。
2. 根據(jù)權(quán)利要求2的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備，其特征在于，車載定位 設(shè)備還包括導(dǎo)航處理單元，其利用零速修正原理和信息相似性原理，設(shè)計(jì)漸消記憶最小二 乘濾波器和位置跟蹤積分器，對(duì)激光捷聯(lián)慣組在車輛上的安裝誤差角、里程計(jì)刻度系數(shù)誤 差進(jìn)行在線辨識(shí)和修正。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備，其特征在于，電 源模塊包括二次電源，該二次電源接收外部供電單元提供的20?30V直流電。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備，其特征在于，力口 表組件、陀螺組件和減震器分別與捷聯(lián)慣組的本體連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備，其特征在于，激 光捷聯(lián)慣組包括依次連接的電源模塊、減震器、加表組件、陀螺組件、I/F板、主控板、導(dǎo)航處 理單元、多模衛(wèi)星接收板；導(dǎo)航處理單元分別接收里程計(jì)組件和高程計(jì)組件的測(cè)量結(jié)果，并 與上位機(jī)和顯控器組件通信；多模衛(wèi)星接收板與多模衛(wèi)星天線連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的基于激光陀螺捷聯(lián)慣組的車載定位設(shè)備，其特征在于，里 程計(jì)組件包括： 濾波和識(shí)別子單元，其將獲得的車輛在地面行駛速度和距離信息進(jìn)行智能識(shí)別和速度 濾波； 判別子單元，其對(duì)上述濾波和識(shí)別子單元的輸出信號(hào)進(jìn)行零速判別； 捷聯(lián)解算子單元，其與上述判別子單元的輸出端連接，并利用捷聯(lián)慣組的制導(dǎo)和導(dǎo)航 信息共同進(jìn)行捷聯(lián)解算； 航位推算子單元，其與上述捷聯(lián)解算子單元的輸出端相連接，獲得將得到的姿態(tài)矩陣， 以及獲得經(jīng)過(guò)上述捷聯(lián)解算子單元輸出的速度矩陣連同里程計(jì)組件測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)智能識(shí) 別和速度濾波得到的信息共同經(jīng)過(guò)安裝誤差、刻度因子在線識(shí)別和修正后得到的信息，將 上述各矩陣和在線識(shí)別和修正后得到的信息進(jìn)行導(dǎo)航推算； 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換子單元，其與上述航位推算子單元的輸出端連接，利用航位推算子單元的 輸出信息與經(jīng)過(guò)智能識(shí)別得到的定位、速度和北向角信息被傳遞經(jīng)過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波，依 次對(duì)該濾波器的輸出結(jié)果進(jìn)行地圖匹配和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的輸出。
7. -種利用權(quán)利要求1-6之一的車載定位設(shè)備的抖動(dòng)解調(diào)方法，其特征在于，包括： (1) 獲得激光陀螺的原始數(shù)據(jù)； (2) 鑒相倍頻； (3) 進(jìn)行高頻采樣； (4) 采樣結(jié)果輸入IIR陷波器和FIR濾波器進(jìn)行濾波； (5) 將濾波結(jié)果輸出以供導(dǎo)航使用。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的車載定位設(shè)備的抖動(dòng)解調(diào)方法，其特征在于，在步驟（4)之后還包 括 對(duì)慣組在車輛上的安裝誤差角、里程計(jì)刻度系數(shù)誤差進(jìn)行在線辨識(shí)和修正。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的車載定位設(shè)備的抖動(dòng)解調(diào)方法，其特征在于，所述IIR陷波器和 FIR 濾波器的定義分別為，其中Fs為信號(hào)采樣頻率： (1) IIR陷波器：
上式中，Wp表示通帶截止頻率，Wpl和Wp2分別為Wp的起始值和終止值，Ws表示阻帶 截止頻率，Wsl和Ws2分別為Ws的起始值和終止值，Rp表示通帶紋波系數(shù)（dB)，Rs表示阻 帶紋波系數(shù)（dB)，N表示巴特沃思的最小階次，Wn表示截止頻率，stop表示帶阻濾波，buter 為巴特沃思函數(shù)； 求出極點(diǎn)b和零點(diǎn)a后，建立系統(tǒng)差分方程如下：
上式中ak, k = 1，…，N, bk，k = -0,…，Μ是方程的系數(shù)，分別表示零點(diǎn)和極點(diǎn)，N和Μ表 示自然數(shù)；給定激光陀螺輸出值X(η)及系統(tǒng)的初始條件，就可以用上述差分方程的解y (η) 得到初步解抖后的信號(hào)輸出； (2) FIR濾波器：
式中f表示通帶截止頻率；a是向量，其元素用于指定過(guò)渡帶頻率段的理想濾波器幅度 值，;dev也是向量，其元素為各通帶和阻帶內(nèi)允許的幅度最大誤差；返回值fo為頻率向量， a〇為幅度向量，w為歸一化截止頻率，在0?1之間取值；RemezordO和remez ()為最佳濾 波器的matlab函數(shù)；η代表階數(shù)； 求出極點(diǎn)b后，建立系統(tǒng)差分方程如下，式中參數(shù)意義同式（2):
基于式（4)的線性相位型的結(jié)構(gòu)，利用濾波器脈沖響應(yīng)得對(duì)稱關(guān)系，即： h (n) = ±h (Μ_η) η = 0, 1，…，Μ (5) 可以將式4)進(jìn)行改進(jìn)為式￠)-(8)，將原來(lái)的乘法計(jì)算量縮減一半：
該FIR濾波器的指標(biāo)精度均勻地分布在整個(gè)通帶和阻帶內(nèi)，有效的衰減剩余的陀螺抖 動(dòng)信號(hào)和其他高頻噪聲，留下真實(shí)的有用信號(hào)，從而保證了激光陀螺的高精度輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的車載定位設(shè)備的抖動(dòng)解調(diào)方法，其特征在于，所述對(duì)慣組在 當(dāng)Μ為奇數(shù)時(shí)，
車輛 上的安裝誤差角、里程計(jì)刻度系數(shù)誤差進(jìn)行在線辨識(shí)和修正包括： 設(shè)捷聯(lián)慣導(dǎo)的速度誤差變化方程：
式中，1表示速度誤差變化、f是加表輸出的比力測(cè)量，C；：是載體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo) 系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換姿態(tài)矩陣，<、<?分別為地心坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系、導(dǎo)航系相對(duì)地心坐 標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角矢量，g是重力矢量在導(dǎo)航系下的分解；上述Ψ為基于多準(zhǔn)則融合和D-S-V 證據(jù)組合規(guī)則的算法； 根據(jù)上式，分析出滿足舒拉周期的載車低動(dòng)態(tài)條件下，速度誤差變化1具有緩變特性， 所以設(shè)定短時(shí)間間隔At內(nèi)的速度誤差變化sv(t+At)-sv(t)很小時(shí)，參照信息相似原 理，可以將慣導(dǎo)的速度變化作為里程計(jì)速度變化的觀測(cè)量，設(shè)計(jì)衰減記憶遞推濾波器和位 置跟蹤積分器，在線修正里程計(jì)刻度因子，提高系統(tǒng)定位誤差； 假設(shè)里程計(jì)刻度因數(shù)為Κ，計(jì)數(shù)誤差是δ Ν，車載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)處于導(dǎo)航狀態(tài)，慣導(dǎo)輸 出的車體方向速度為V (t)，里程計(jì)單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖為N(t)，那么t+ Λ t時(shí)刻 V (t+ Δ t) -V (t) = K (N (t+ Δ t) -N (t)) +K ( δ N (t+ Δ t) - δ N (t)) + ( δ V (t+ Δ t) - δ V (t)) (10) 式（6)中，δνα)為導(dǎo)航速度誤差，短時(shí)間內(nèi)，δνα+At)?δνα)，所以 δνα+Λ〇-δνα)。0,且里程計(jì)計(jì)數(shù)誤差SN(t+At)-SN(t)可視為白噪聲，所以假設(shè) y(t) =V(t+At)_V(t)、x(t) =1^(^+八1：)-1^(1:)，那么上式可以表示為： y (t) = Κχ(?) + Δ (11) 其中△表示白噪聲； 綜合導(dǎo)航時(shí)間內(nèi)的慣導(dǎo)、里程計(jì)信息得到離散的yl、y2…yn，xl、x2…χη，根據(jù)線性回 歸方程，設(shè)計(jì)衰減最小二乘記憶法，用衰減因子μ (〇〈 μ < 1)限制記憶的長(zhǎng)度，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù) 按照指數(shù)加權(quán)，舊的數(shù)據(jù)所加的權(quán)按照指數(shù)衰減，辨別最佳刻度因子Κ如下： Κ = (ΧτΧ)ΗχτΥ (12) 取刻度因子在線修正中的短時(shí)間間隔&和&+1，則第（i+1)時(shí)刻的速度差信息分別為 y(i+l) =\+1，，以1+1)=隊(duì)+1-隊(duì)，方差陣為P(i)，衰減因子為μ，則在線修正里程計(jì)刻度 因子為：

在考慮里程計(jì)微分速度瞬時(shí)噪聲較大的前提下，對(duì)捷聯(lián)慣組的速度輸出值進(jìn)行平滑 濾波（式16)，并將速度沿載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為里程計(jì)坐標(biāo)系后，設(shè)計(jì)位置跟蹤積分器（式 (17))，最后采用衰減記憶的遞推估計(jì)法辨識(shí)里程計(jì)刻度系數(shù)參數(shù)，假設(shè)導(dǎo)航周期為ls，捷 聯(lián)慣組輸出周期為200ms，積分獲取捷聯(lián)慣組的位置變化量，具體計(jì)算方法如下：
選取直線段車輛數(shù)據(jù)，避免車輛機(jī)動(dòng)引入的里程計(jì)測(cè)量誤差。
【文檔編號(hào)】G01C21/20GK104154916SQ201410424446
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】李宏, 李海洲, 孫謙, 山昆, 慕德 申請(qǐng)人:北京航天發(fā)射技術(shù)研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院