[發明專利]一種通信輔助定位的低成本自主導航裝置及導航方法

有效

• 申請號: 202010623261.4
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111947658B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 侯旭陽;曾憲超;馬杰;楊亮;謝寧波;王文晶;張玲;郭濤
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/00;G01C21/16;G01C21/18;G01C21/08;G01C5/06;G01S5/02;G01S5/10;G01S5/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

1.一種通信輔助定位的低成本自主導航裝置，其特征在于，包括移動自主導航設備和地面通信基站設備，其中，移動自主導航設備包含自主導航模塊、通信輔助定位模塊和電源模塊，其均安裝在可移動的載體上；地面通信基站設備包含一個主通信基站和至少一個輔助通信基站，均安置在載體的地面發射陣地上；

通信輔助定位模塊，其實施移動自主導航設備內部模塊、以及自主導航設備與地面通信基站設備之間的信息交換，接收并轉發地面通信基站設備發送的通信輔助定位數據，獲得轉發時間差該轉發時間差將發送至地面通信基站設備；通信輔助定位模塊包括信號編碼器、功率放大器、信號解調器、信號同步與計時器、電臺天線和通信串口；其中，

信號編碼器，用于將通信輔助定位模塊需要發送的數據編碼生成微波調制信號，經功率放大器進行功率放大，送至電臺天線，以微波形式發送至地面通信基站設備；

功率放大器，用于接收信號編碼器發送的微波調制信號，進行功率放大處理后，傳輸至電臺天線；

電臺天線，用于微波信號的接收和發送，其接收功率放大器傳輸的微波調制信號，以微波形式發送至地面通信基站設備；并接收地面通信基站設備發送的微波信號，傳輸至信號解調器，解算完成后發送給自主導航模塊；

信號解調器，用于將電臺天線接收的微波信號進行解調；

信號同步與計時器，用于在接收到地面通信基站設備發送的通信輔助定位數據時啟動計時，在完成通信輔助定位數據的解調、提取、識別、編碼生成微波調制信號發回時停止計時，得到轉發時間差

通信串口，用于自主導航模塊和通信輔助定位模塊之間信息的傳輸，信號解調器解調出的有效數據信號，通過通信串口發送至自主導航模塊的微處理器；信號同步與計時器生成的轉發時間差數據通過通信串口發送給自主導航模塊的微處理器；微處理器需向外發送的數據，通過通信串口發送至信號編碼器；主通信基站和輔助通信基站，均用于與通信輔助定位模塊之間相互收發數據，主通信基站和輔助通信基站向通信輔助定位模塊發送通信輔助定位數據，并測量通信輔助定位數據發送時刻和回收時刻時間差結合通信輔助定位模塊測得的轉發時間差得到通信輔助定位數據在空中傳播的時間長度，進而得到通信基站設備相對移動自主導航設備的距離；主通信基站根據多個地面通信基站與移動自主導航設備的距離，利用三角定位原理得到移動自主導航設備的空間三維坐標通信輔助定位數據P_CAS，并經通信輔助定位模塊回傳給移動自主導航設備的自主導航模塊；主通信基站，其還用于在載體發射前接收輔助通信基站發送的位置坐標信息P_CB,k，確定主通信基站和輔助通信基站的編號k和空間三維坐標P_CB,k；以及在載體發射后，若地面通信基站處于移動狀態，實時確定主通信基站和輔助通信基站的名稱、編號和空間三維坐標；

每個地面通信基站與通信輔助定位模塊之間的距離可計算如下：

式(12)中，c為微波在空氣中的傳播速度，為通信輔助定位數據在空中傳播的時間長度；

載體的通信輔助定位數據P_CAS通過以下方式獲得：每個輔助通信基站將其基站編號k、通信輔助定位模塊編號i、數據回收時刻和距離d_i,k發送給主通信基站，主通信基站根據各個通信基站的空間三維坐標及與通信輔助定位模塊的距離d_i,k，利用三角定位原理計算得到載體的通信輔助定位數據P_CAS，具體計算通過求解如下方程得到：

式(13)中，P_CB,k為主、輔通信基站的空間三維坐標；d_i,k為通信輔助定位模塊相對主、輔通信基站的距離；P_CAS為通信輔助定位數據；h_CAS為通信輔助定位高度；h_bar為氣壓高度；

自主導航模塊，其采集包括載體運動加速度、運動角速度、磁場強度、氣壓高度的多傳感器數據，利用運動加速度和運動角速度數據進行慣性導航數據解算；利用慣性導航數據和磁場強度數據進行地磁航姿數據解算；利用慣性導航數據、通信輔助定位模塊發送的通信輔助定位數據P_CAS、地磁航姿數據及氣壓高度數據進行多源信息融合濾波導航數據解算，計算得到可移動載體的定位定向信息；

電源模塊，其用于給自主導航模塊和通信輔助定位模塊供電；

所述移動自主導航設備的主導航模塊包括：陀螺儀、加速度計、磁強計、氣壓高度計、微處理器和外圍電路；其中，

陀螺儀得到載體的運動角速度，將運動角速度傳輸給所述微處理器；

加速度計得到載體的運動加速度，將運動加速度傳輸給所述微處理器；

磁強計得到載體所處區域的磁場強度，將磁場強度傳輸給所述微處理器；

氣壓高度計得到載體所處區域的氣壓高度信息，將氣壓高度信息傳輸給所述微處理器；

微處理器根據接收的地面通信基站設備發送的地面裝訂信息，完成慣性導航運算、地磁航姿運算和多源信息融合濾波導航運算的參數初始化接收地面裝訂信息后，微處理器以固定頻率采集運動角速度、運動加速度、磁場強度、氣壓高度信息、以及通信輔助定位模塊發送的通信輔助定位數據P_CAS，并以固定頻率依次完成慣性導航運算、地磁航姿運算和多源信息融合濾波導航運算，得到載體在當前時刻的融合濾波位置P_DFF、融合濾波速度V_DFF、融合濾波姿態Atti_DFF數據；

外圍電路用于電壓轉換、通信數據轉換、數據存儲、溫度采集，為主導航模塊內的陀螺儀、加速度計、磁強計、氣壓高度計、微處理器供電，并為其提供用于數據采集、通信、存儲的接口及轉換電路；

慣性導航運算以運動角速度、運動加速度作為數據輸入，運算生成慣性導航位置P_INS、慣性導航速度V_INS、慣性導航姿態Atti_INS；

地磁航姿運算以慣性導航姿態Atti_INS、磁場強度作為數據輸入，運算生成地磁航向Yaw_Mag；

多源信息融合濾波導航運算以慣性導航位置P_INS、慣性導航速度V_INS、慣性導航姿態Atti_INS、地磁航向Yaw_Mag、氣壓高度h_Bar、通信輔助定位數據P_CAS數據作為數據輸入，運算生成當前時刻的融合濾波位置P_DFF、融合濾波速度V_DFF、以及融合濾波姿態Atti_DFF；

當前時刻的融合濾波位置P_DFF、融合濾波速度V_DFF、融合濾波姿態Atti_DFF通過以下方式獲得：

采用卡爾曼濾波方法構建基本的濾波方程：

式(1)～式(6)中，表示狀態估計矢量；表示狀態估計誤差矢量；表示狀態一步預測矢量；φ_k/k-1表示一步轉移矩陣；表示一步轉移矩陣轉置矩陣；K_k表示濾波增益矩陣；表示濾波增益矩陣轉置矩陣；Z_k表示量測矢量；H_k表示量測矩陣；表示量測矩陣轉置矩陣；P_k表示估計均方誤差矩陣；P_k/k-1表示一步預測均方誤差矩陣；R_k表示量測噪聲方差陣；Γ_k/k-1表示系統噪聲驅動矩陣；表示系統噪聲驅動陣轉置矩陣；Q_k-1表示系統噪聲方差陣；I表示單位矩陣；

式(1)～式(6)中狀態估計矢量選取為：

狀態估計矢量中各變量分別代表東向失準角、北向失準角、天向失準角、東向速度誤差、北向速度誤差、天向速度誤差、經度誤差、緯度誤差、高度誤差、東向陀螺漂移、北向陀螺漂移、天向陀螺漂移、東向加表偏值、北向價表偏值、天向加表偏值；

觀測變量選取為：

其中，式(7)中，Yaw_INS為慣性導航航向角；Yaw_Mag為地磁航向角；L_INS為慣性導航經度；L_CAS為通信輔助定位經度；λ_INS為慣性導航緯度；λ_CAS為通信輔助定位緯度；h_INS為慣性導航高度信息；h_Bar為載體所處區域的氣壓高度信息；

量測矩陣選取為：

根據融合濾波的狀態估計矢量，可計算得到融合濾波位置P_DFF、融合濾波速度V_DFF、融合濾波姿態Atti_DFF，計算公式如下：

式(9)中，L_DFF為融合濾波經度；L_INS為慣性導航經度；λ_DFF為融合濾波緯度；λ_INS為慣性導航緯度；h_DFF為融合濾波高度；h_INS為慣性導航高度；δL為經度誤差；δλ為緯度誤差；δh為高度誤差；

式(10)中，V_E,DFF為融合濾波東速；V_E,INS為慣性導航東速；V_N,DFF為融合濾波北速；V_N,INS為慣性導航北速；V_U,DFF為融合濾波天速；V_U,INS為慣性導航天速；δV_E為東速誤差；δV_N為北速誤差；δV_U為天速誤差；

式(11)中，Pitch_DFF為融合濾波俯仰角；Pitch_INS為慣性導航俯仰角；Roll_DFF為融合濾波橫滾角；Roll_INS為慣性導航橫滾角；Yaw_DFF為融合濾波航向角；Yaw_INS為慣性導航航向角；φ_x為東向失準角；φ_y為北向失準角；φ_z為天向失準角。

2.一種通信輔助定位的低成本自主導航方法，其特征在于，根據權利要求1所述的導航裝置實施，包括以下步驟：

移動自主導航設備在載體發射前上電，接收地面主通信基站設備的地面裝訂數據，該地面裝訂數據包含全部地面通信基站設備的位置數據、發射的射向和射角、發射初始位置和速度；

在載體發射后，移動自主導航設備的主導航模塊進行運動加速度、運動角速度、磁場強度、氣壓高度的采集，利用運動加速度和運動角速度數據進行慣性導航數據解算；利用慣性導航數據和磁場強度數據進行地磁航姿數據解算；

移動自主導航設備的通信輔助定位模塊接收并轉發地面通信基站設備發送的通信輔助定位數據，獲得轉發時間差數據，地面通信基站設備測量通信輔助定位數據發送時刻和回收時刻時間差得到通信輔助定位數據在空中傳播的時間長度，進而得到通信基站設備相對移動自主導航設備的距離；

主通信基站根據多個地面通信基站與移動自主導航設備的距離，利用三角定位原理得到移動自主導航設備的空間三維坐標通信輔助定位數據P_CAS，并經通信輔助定位模塊回傳給移動自主導航設備的自主導航模塊；

自主導航模塊利用得到的慣性導航數據、通信輔助定位數據P_CAS、地磁航姿數據及氣壓高度數據進行多源信息融合濾波導航數據解算，計算得到可移動載體的定位定向信息。