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    重庆时时彩如何跟计划: 捷联惯性/卫星组合导航检测系统及其仿真测试方法.pdf

    关 键 词:
    惯性 卫星 组合 导航 检测 系统 及其 仿真 测试 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201310210188.8

    申请日:

    2013.05.30

    公开号:

    CN103308073A

    公开日:

    2013.09.18

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 25/00申请日:20130530|||公开
    IPC分类号: G01C25/00; G01S19/01(2010.01)I 主分类号: G01C25/00
    申请人: 上海交通大学
    发明人: 战兴群; 秦峰; 湛雷; 苏先礼
    地址: 200240 上海市闵行区东川路800号
    优先权:
    专利代理机构: 上海交达专利事务所 31201 代理人: 王毓理;王锡麟
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201310210188.8

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2015.10.28|||2013.10.23|||2013.09.18

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种卫星导航技术领域的捷联惯性/卫星组合导航检测系统及其仿真测试方法,该系统包括:捷联惯导子系统、卫星导航子系统、导航??楹涂刂葡允灸??,控制显示??榉直鹩虢萘叩甲酉低骋约拔佬堑己阶酉低诚嗔⒋湓硕旒P畔?,捷联惯导子系统和卫星导航子系统再分别与导航??橄嗔⒋浣撬俣?、加速度和卫星信号,导航??榈氖涑龆擞肟刂葡允灸?橄嗔楹系己浇峁蠢≈量刂葡允灸?椴⒐钩杀栈废低?。本发明具有真实误差特性;可以生成任意轨迹,不需实际载体的搭载,缩短了组合导航系统研发周期,减小了研发成本;能按预先轨迹实现完成载体运动的实时动态模拟,具有很强的通用性。

    权利要求书

    权利要求书
    1.   一种捷联惯性/卫星组合导航半实物实验系统,其特征在于,包括:捷联惯导子系统、卫星导航子系统、导航??楹涂刂葡允灸??,其中:控制显示??榉直鹩虢萘叩甲酉低骋约拔佬堑己阶酉低诚嗔⒋湓硕旒P畔?,捷联惯导子系统和卫星导航子系统再分别与导航??橄嗔⒋浣撬俣?、加速度和卫星信号,导航??榈氖涑龆擞肟刂葡允灸?橄嗔楹系己浇峁蠢≈量刂葡允灸?椴⒐钩杀栈废低?。

    2.   根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的控制显示??楦菰ど璧谋瓿乒旒J萸嶙ǖ淖?、触发加速度计模拟??榈墓ぷ?,并且触发卫星信号模拟器发出射频信号以模拟载体所处的动态场景;导航??榈牡己浇峁蠢』乩春?,在控制显示??橹杏氡瓿乒旒J菹啾冉洗佣拦赖己叫阅?;
    所述的标称轨迹数据包括:载体的位置、速度和姿态。

    3.   根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的捷联惯导子系统包括:三轴转台、加速度计模拟??楹凸咝宰榧?,其中:惯性组件安装于三轴转台上,三轴转台接收显示控制??槭涑龅淖颂刂菩畔⒉⒅葱邢嘤Φ淖?;同时惯性组件采集三轴转台转动的角速度信息并将其输出至导航???,加速度计模拟??樵蚪邮绽醋钥刂葡允灸?槭涑龅脑硕旒P畔?,通过数值微分输出加速度信息至导航???。

    4.   根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的卫星导航子系统包括:卫星信号模拟器和与之相连的卫星接收机,其中:卫星信号模拟器接收显示控制??槭涑龅脑硕旒P畔⒉⑸上嘤Φ纳淦敌藕?,卫星接收机采集卫星信号模拟器生成的射频信号进行捕获、跟踪和导航结算后输出卫星导航结果和观测数据至导航???。

    5.   根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的导航??槭凳辈⑿胁杉咝宰榧?、加速度计模拟??楹臀佬墙邮栈涑龅慕撬俣?、加速度以及导航数据信息,通过卡尔曼滤波算法融合多传感器数据得到组合导航数据,实现捷联惯导/卫星组合导航系统高精度的实时导航;导航??榻楹系己绞萁徊绞凳狈蠢』乜刂葡允灸??,通过控制显示??橛朐ど韫旒=斜冉?,实现系统的演示验证和导航结果评估,并根据验证和评估结果对测试的捷联惯导/卫星组合导航系统中硬件设计和组合滤波算法进行改进和优化,实现系统最优性能。

    6.   根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的改进和优化是指:通过整个捷联惯性/卫星组合导航半实物闭环实验系统,评估测试的捷联惯导/卫星组合导航系统性能,对该系统的硬件设计和组合滤波算法进行改进和优化。

    7.   根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的三轴转台为闭环结构,该结构可以根据设定的标称轨迹数据模拟载体三维姿态,使安装在其上的惯性组件实时输出三维的角速度;同时,加速度计模拟??樵蚋萆瓒ǖ睦硐牍旒<扑愠隼硐爰铀俣?,叠加上加速度计的常值偏移、随机游走、刻度系数误差和实际噪声,模拟出载体三维的加速度。

    8.   根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的卫星信号模拟器为闭环结构,该模拟器可以同时模拟BD二代B1、B3频点和GPS L1、L2频点的射频信号;可仿真包含卫星钟差、设备时延、相对论效应,电离层、对流层误差的卫星导航信号;可仿真针对静态用户、低动态用户、高动态用户的卫星导航信号。

    9.   一种根据上述权利要求1?8中任一所述系统的仿真测试方法,包括以下步骤:
    1)捷联惯性/卫星组合导航半实物实验平台系统上电启动,系统参数初始化;
    2)初始轨迹参数设定,根据轨迹参数生成标称轨迹数据,包括载体的速度、位置和姿态数据;
    3)根据设定轨??刂谱刂破髑嶙ㄗ?;
    4)三轴转台转动的实际姿态信息通过数字接口发送至控制显示??橛肷瓒ü旒6员?,确定转台响应时间差,消除时间差预测下一时刻轨迹;
    5)根据预测轨迹,触发加速度计模拟??楹臀佬切藕拍D馄鞴ぷ?,模拟加速度计数据和发出卫星射频信号;
    6)安装在三轴转台上的惯性组件输出角速度数据与加速度计模拟??槟D獾募铀俣仁莨钩山萘咝源衅魇莘⑺透楹系己侥??;
    同时,卫星接收机接收射频信号处理后通过USB口也将导航结果和观测数据发送给组合导航???;
    7)组合导航??椴捎檬萑诤纤惴ń淙氲慕萘咝允莺臀佬堑己绞萁腥诤?,得到高精度的实时组合导航结果并反馈回控制显示???;
    8)在控制显示??橹薪凳弊楹系己浇峁肷瓒ü旒O啾冉?,评估测试的组合导航系统性能;
    9)根据评估结果优化测试的组合导航系统结构和算法,进行下一次的仿真测试。

    说明书

    说明书捷联惯性/卫星组合导航检测系统及其仿真测试方法
    技术领域
    本发明涉及的是一种卫星导航技术领域的检测装置及方法,具体涉及一种捷联惯性/卫星组合导航检测系统及其仿真测试方法,适用于捷联惯性/卫星组合导航系统的理论方法和工程应用技术的研究,以及组合导航系统的性能分析和验证。
    背景技术
    20世纪70年代以来,现代控制理论的巨大成就和计算机技术的进步为GNSS/INS组合导航技术的发展和导航系统的研制提供了理论基础和技术保障。近40年来,组合导航技术已成为最具应用发展潜力的导航技术之一,捷联惯性/卫星组合导航系统广泛应用于飞机导航与精密进场着陆、导弹精确制导、卫星定轨定姿、航天航空遥感、舰船导航、重力测量、智能交通等海陆空领域。
    目前,对于长航时、高动态载体的高精度导航,难以利用一种导航手段独立实现。捷联惯导系统可以自主、实时提供全面的导航信息,具有较高的短时导航精度,但其误差随工作时间累积的致命缺陷限制了它在远程、长航时载体上的应用;卫星导航系统可以全天候、实时提供三维位置、速度信息,具有一定的长时导航精度,但其导航信息不连续、不能提供姿态信息,且系统较脆弱,易被干扰。因此,将两种导航方式结合起来,可以进行优势互补,实现高精度导航。现今捷联惯性/卫星组合导航系统已成为机载系统定位和导航的重要电子设备,特别是在高动态、强干扰情况下,捷联惯性/卫星超紧组合导航方式能显著提高噪声环境下的信号跟踪能力,并缩短卫星信号失锁后的重捕获搜索时间,研究捷联惯性/卫星超紧组合技术对于高速载体的系统导航精度与抗干扰能力的改善具有重要意义。
    但是目前对于捷联惯性/卫星组合导航系统的性能测试主要通过实际飞行测试的方式,测试成本很高,且实验数据无法重复,不利于导航系统的技术开发与有效性能评估。此外,各子系统的地面调试,算法的实验测试,以及组合导航系统的演示验证与评估,不可能都通过实时飞行测试完成,因此,构建一种捷联惯性/卫星组合导航半实物平台便十分必要。它可以用于检验算法的性能、器件调试、半实物仿真和导航系统演示验证,从而加快了组合导航系统样机的研制周期,降低了成本,提高了效率。
    捷联惯性/卫星组合导航半实物实验平台根据设定的运动场景,利用三轴转台、加速度计模拟??楹臀佬切藕拍D馄魇迪终媸底颂?、运动和卫星信号模拟,并实现精确时间同步。安装在实验平台上的捷联惯性/卫星组合导航系统以半物理的方式实现了器件调试、算法验证和导航系统演示。目前国内外在这一研究上都处在起步阶段,尚未见成熟的实现方案。
    发明内容
    本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种捷联惯性/卫星组合导航检测系统及其仿真测试方法,成本低、体积小、使用方便、实时性强,能够实现捷联惯导/卫星导航组件的整体性能和指标的测试和半实物仿真。
    本发明是通过以下技术方案实现的:
    本发明涉及一种捷联惯性/卫星组合导航检测系统,包括:捷联惯导子系统、卫星导航子系统、导航??楹涂刂葡允灸??,其中:控制显示??榉直鹩虢萘叩甲酉低骋约拔佬堑己阶酉低诚嗔⒋湓硕旒P畔?,捷联惯导子系统和卫星导航子系统再分别与导航??橄嗔⒋浣撬俣?、加速度和卫星信号,导航??榈氖涑龆擞肟刂葡允灸?橄嗔楹系己浇峁蠢≈量刂葡允灸?椴⒐钩杀栈废低?。
    所述的捷联惯导子系统包括:三轴转台、加速度计模拟??楹凸咝宰榧?,其中:惯性组件安装于三轴转台上,三轴转台接收显示控制??槭涑龅淖颂刂菩畔⒉⒅葱邢嘤Φ淖?。与此同时,惯性组件采集三轴转台转动的角速度信息并将其输出至导航???。加速度计模拟??樵蚪邮绽醋钥刂葡允灸?槭涑龅脑硕旒P畔?,通过数值微分输出加速度信息至导航???。
    所述的卫星导航子系统包括:卫星信号模拟器和与之相连的卫星接收机,其中:卫星信号模拟器接收显示控制??槭涑龅脑硕旒P畔⒉⑸上嘤Φ纳淦敌藕?,卫星接收机采集卫星信号模拟器生成的射频信号进行捕获、跟踪和导航结算后输出卫星导航结果和观测数据至导航???。
    发明原理
    根据设定的轨迹生成标称轨迹数据,输出给三轴转台、加速度计模拟??楹臀佬切藕拍D馄?,作为它们信息处理的参考源来统一规范输入,使捷联惯性、卫星导航子系统实时同步运行,组合导航信息实时准确,有效提高了组合导航精度和验证与评估质量;组合导航??楦萁萘咝缘己较低澈臀佬堑己较低呈涑龅氖?,完成高精度导航;最后组合导航结果反馈至控制显示??橛肷瓒ü旒O啾冉?,实现整个半实物平台系统的演示验证和评估。
    技术效果
    与现有技术相比,本发明优点包括:
    1)采用真实的惯性组件和成熟的卫星信号模拟器产品构成捷联惯导、卫星导航实物系统,具有真实误差特性;
    2)控制计算机含有轨迹发生器软件,可以生成任意轨迹,不需实际载体的搭载,实现了捷联惯导/卫星组合导航系统的半实物测试,缩短了组合导航系统研发周期,减小了研发成本;
    3)捷联惯导/卫星组合导航半实物实验平台能按预先轨迹实现完成载体运动的实时动态模拟,具有很强的通用性;
    4)设计的捷联惯导/卫星组合导航半实物实验平台结构简单易操作,且成本较低。
    附图说明
    图1实施例结构示意图。
    图2实施例安装配置方案。
    图3实施例导航性能原理图。
    图4实施例流程图。
    具体实施方式
    下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的?;し段Р幌抻谙率龅氖凳├?。
    实施例1
    如图2所示,本实施例需要的最基本配置包括一台可模拟三维姿态运动的三轴转台,一台可模拟真实卫星信号的卫星信号模拟器,一套包括惯性组件和卫星接收机的用于导航的传感器以及用于控制和数据处理的高性能计算机。
    如图1所示,本实施例包括:捷联惯导子系统1、卫星导航子系统2、导航???和控制显示???,其中:捷联惯导子系统1、卫星导航子系统2、导航???和控制显示???,其中:捷联惯导子系统1和卫星导航子系统2分别与导航???相连并传输加速度、角速度和卫星信号,导航???的输出端与控制显示???相连并传输组合导航结果数据,控制显示???分别与捷联惯导子系统1以及卫星导航子系统2相连并传输控制指令和运动轨迹。
    所述的捷联惯导子系统1包括:三轴转台5、加速度计模拟???和惯性组件7,其中:惯性组件7安装于三轴转台5上,三轴转台5接收显示控制??槭涑龅淖颂刂菩畔⒉⒅葱邢嘤Φ淖?。与此同时,惯性组件7采集三轴转台5转动的角速度信息并将其输出至导航???。加速度计模拟???则接收来自控制显示???输出的运动轨迹信息,通过数值微分输出加速度信息至导航???。
    所述的卫星导航子系统2包括:卫星信号模拟器8和与之相连的卫星接收机9,其中:卫星信号模拟器8接收显示控制??槭涑龅脑硕旒P畔⒉⑸上嘤Φ纳淦敌藕?,卫星接收机9采集卫星信号模拟器8生成的射频信号进行捕获、跟踪和导航结算后输出卫星导航结果和观测数据至导航???。
    所述的导航???实时并行采集惯性组件7、加速度计模拟???和卫星接收机9输出的角速度、加速度以及导航数据信息,通过卡尔曼滤波算法融合多传感器数据得到组合导航数据,实现捷联惯导/卫星组合导航系统高精度的实时导航;导航???将组合导航数据进一步实时反馈回控制显示???,通过控制显示???与预设轨迹进行比较,实现系统的演示验证和导航结果评估,并根据验证和评估结果对测试的捷联惯导/卫星组合导航系统中硬件设计和组合滤波算法进行改进和优化,实现系统最优性能。
    所述的标称轨迹数据包括:载体的位置、速度和姿态;所述的控制显示???根据预设的标称轨迹数据驱动三轴转台5的转动、触发加速度计模拟???的工作,并且触发卫星信号模拟器8发出射频信号以模拟载体所处的动态场景。导航???的导航结果反馈回来后,在控制显示???中与标称轨迹数据相比较从而评估导航性能。
    所述的惯性组件7和加速度计模拟???根据运动场景,输出惯性传感器数据,卫星接收机接收射频信号输出卫星导航结果和观测数据。通过数字接口将这些数据结果发送至导航??榻懈呔茸楹系己浇馑?,解算结果最终再反馈回控制显示???与标称轨迹数据比较以评估导航系统性能,从而优化组合导航系统。
    所述的三轴转台5为闭环结构,该结构可以根据设定轨迹模拟载体三维姿态,使安装在其上的惯性组件7实时输出三维的角速度;同时,加速度计模拟???则根据设定的理想轨迹计算出理想加速度,叠加上加速度计的常值偏移、随机游走、刻度系数误差和实际噪声,模拟出载体三维的加速度。
    所述的卫星信号模拟器8为闭环结构,该模拟器8可以同时模拟BD二代B1、B3频点和GPS L1、L2频点的射频信号;可仿真包含卫星钟差、设备时延、相对论效应,电离层、对流层误差的卫星导航信号;可仿真针对静态用户、低动态用户、高动态用户的卫星导航信号。
    如图3和图4所示,本实施例涉及上述系统的检测方法,包括以下步骤:
    1)捷联惯性/卫星组合导航半实物实验平台系统上电启动,系统参数初始化;
    2)初始轨迹参数设定,根据轨迹参数生成标称轨迹数据,包括载体的速度、位置和姿态数据;
    3)根据设定轨??刂谱刂破髑嶙ㄗ?;
    4)三轴转台转动的实际姿态信息通过数字接口发送至控制显示??橛肷瓒ü旒6员?,确定转台响应时间差,消除时间差预测下一时刻轨迹;
    5)根据预测轨迹,触发加速度计模拟??楹臀佬切藕拍D馄鞴ぷ?,模拟加速度计数据和发出卫星射频信号;
    6)安装在三轴转台上的惯性组件输出角速度数据与加速度计模拟??槟D獾募铀俣仁莨钩山萘咝源衅魇莘⑺透楹系己侥??;
    同时,卫星接收机接收射频信号处理后通过USB口也将导航结果和观测数据发送给组合导航???;
    7)组合导航??椴捎檬萑诤纤惴ń淙氲慕萘咝允莺臀佬堑己绞萁腥诤?,得到高精度的实时组合导航结果并反馈回控制显示???;
    8)在控制显示??橹薪凳弊楹系己浇峁肷瓒ü旒O啾冉?,评估测试的组合导航系统性能;
    9)根据评估结果优化测试的组合导航系统结构和算法,进行下一次的半实物仿真测试。
    由于所述的三轴转台是机械结构,通常需要较长的响应时间,因此,在步骤4中根据三轴转台实测的姿态确定它的响应延时时间,调整用于卫星信号模拟器和加速度计模拟??榈南乱皇笨坦旒?,时间惯性子系统和卫星子系统的时间同步以保证实时性。
    本实施例选用的三轴转台主要参数为:工作方式有位置、速度、摇摆和伺服四种,负载重量0?20kg,转动精度为3角秒。陀螺的主要参数如下:质量5.832kg,尺寸208mm×160mm×167.5mm,测量范围±205°/s,零偏0.1°/h(1σ),随机游走比例误差100ppm(1σ)。
    本实施例选用的某型卫星信号模拟器能够模拟BD二代和GPS全星座,可以发出BD二代B1、B3频点和GPS L1、L2频点的射频信号,信号功率为?130dBm,具有开环和闭环功能。本实施例所选用接收机为某型多模硬件接收机或自主研发的实时软件接收机,水平定位精度10m,垂直定位精度15m。

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