专利名称：海洋惯性重力组合导航装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种海洋惯性重力组合导航装置，具有无源导航定位定向功能，适用于
导航与控制和海洋重力测量技术领域。
背景技术：
当今社会的发展要求水面和水下运动载体能够实现高精度、自主、全天候、寂静的 导航。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，所以重力辅助惯性导航对高精度、自主、全天候导航 技术的提高具有重要意义。 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。为了满足无源导航性能的基本要求，本发明提供了一种 体积小、精度高和可靠性好的海洋惯性重力组合导航装置。本发明装置不仅能够用于海洋 运动载体的定位定向，而且还能够进行海洋重力测量，在导航与控制技术领域中具有广泛 的应用前景。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种体积小、精度高和可靠性好的海洋惯性重力 组合导航装置。 技术方案本发明的海洋惯性重力组合导航装置包括二环式惯性平台系统、重力 传感器、多普勒计程仪、测深仪、数字重力异常图、组合导航计算机和显示终端，其中二环式 惯性平台系统、重力传感器、多普勒计程仪和测深仪与组合导航计算机相连，数字重力异常 图存贮在组合导航计算机内。 二环式惯性平台系统的惯性测量传感器是二个单自由度液浮陀螺仪、一个单轴速 率光纤陀螺仪和三个单轴石英挠性摆式加速度计。重力传感器被放置在二环式惯性平台系 统的台体上，重力传感器敏感轴与台体水平面垂直。多普勒计程仪和测深仪通过串行接口 与组合导航计算机相连。组合导航计算机包含浮点数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑门阵 列(FPGA)、微控制器(MCU)和数字重力异常图等模块。 组合导航计算机接收二环式惯性平台系统、重力传感器、多普勒计程仪和测深仪 信息，对加速度计、陀螺仪、多普勒计程仪和测深仪的误差进行补偿，用减小厄特弗斯效应 的重力匹配扩展卡尔曼滤波算法进行重力匹配组合导航计算，经反馈修正模块对二环式惯 性平台系统的导航参数进行修正，最后将修正后的导航参数显示在终端上。
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有益效果本发明的特点在于(1)海洋惯性重力组合导航装置能够实现海洋运 动载体的高精度定位定向；(2)海洋惯性重力组合导航装置能够实现海洋重力测量；(3)海 洋惯性重力组合导航装置体积小、可靠性好；(4)海洋惯性重力组合导航装置结构简单、维 修方便。


图1为本发明的结构组成示意图； 图2为本发明的信号数据处理流程示意图； 图3为本发明的重力匹配组合导航算法流程示意图。
具体实施例方式
二环式惯性平台系统1采用二个单自由度液浮陀螺仪8、一个单轴速率光纤陀螺 仪9和三个单轴的石英挠性摆式加速度计10作为敏感载体角运动和线运动的传感器，它们 被放置在台体上，二个单自由度液浮陀螺仪的敏感轴分别于俯仰轴和横滚轴平行，单轴速 率光纤陀螺仪的敏感轴垂直于台体水平面。三个单轴石英挠性摆式加速度计敏感轴分别与 台体的俯仰轴、横滚轴和台体水平面的垂直轴相平行。台体由水平环架支撑，水平环架由与 运载体固联的环架支撑。当台体倾斜时，二个单自由度液浮陀螺仪通过校正网络、调制放大 电路分别给俯仰角和横滚角稳定电机馈电，构成稳定回路，使台体恢复到水平面，此时姿态 角传感器输出的信号为载体的姿态信号。当台体水平面发生旋转时，单轴速率光纤陀螺仪 将敏感方位角的变化，它通过解析积分计算就能得到台体方位角的大小。
重力传感器2采用石英零长弹簧轴对称重力传感器；多普勒计程仪3采用相控阵 声学多普勒计程仪；测深仪4采用船用测深仪；数字重力异常图5采用数字重力异常图包 括EGM96重力异常数据和局部实测重力异常数据；组合导航计算机6主要由大规模可编程 逻辑门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)构成。 FPGA采集二环式惯性平台系统的导航参数、陀螺仪、加速度计和角度传感器以及 重力传感器、多普勒计程仪和测深仪的信号；DSP从FPGA中读取导航参数和传感器数据，进 行数字信号处理、误差补偿，以及重力匹配扩展卡尔曼滤波解算，并将解算后的导航参数写 入FPGA，经反馈修正模块对二环式惯性平台系统的导航参数进行修正，最后将修正后的导
航参数显示在终端上。 本发明的硬件结构组成示意图如图1所示。二环式惯性平台系统1向组合导航计 算机发送速度、位置、俯仰角、横滚角、航向角等导航信息，以及陀螺仪和加速度计的数字信 号信息。重力传感器2向组合导航计算机发送当地重力测量信息。多普勒计程仪3和测深 仪4向组合导航计算机发送外部速度和深度信息。组合导航计算机6通过浮点数字信号处 理器(DSP)和可编程逻辑门阵列(FPGA)对二环式惯性平台系统1、重力传感器2、多普勒计 程仪3和测深仪4的发送的信息进行信号调理和误差补偿，并依靠内部存贮的数字重力异 常图5，进行重力匹配组合导航计算或海洋重力测量数据处理，最后将处理后的结果在终端 7上显示。 本发明的信号数据处理流程示意图如图2所示。二环式惯性平台系统向组合导航 计算机发送速度、位置、俯仰角、横滚角、航向角、平台姿态误差角、陀螺仪和加速度计信息；重力传感器向组合导航计算机发送当地重力测量信息；多普勒计程仪和测深仪向组合导航 计算机发送外部测量的速度和深度信息。组合导航计算机根据二环式惯性平台系统发送的 信息做以下3件工作(l)对重力传感器发送的地重力测量信息进行重力误差补偿，即进行 平台误差角影响和厄特弗斯效应影响重力修正；(2)通过数字重力异常图确定载体附近的 重力异常值；(3)与重力测量值、外部测量的速度值和深度值进行重力匹配组合导航解算。 组合导航计算机根据多普勒计程仪和测深仪发送的信息首先进行误差补偿，然后将补偿后 的深度值对重力测量值进行重力归算；经重力归算后的重力数据以及补偿后的速度值和深 度值作为组合导航系统的观测量，与二环式惯性平台系统的导航信息做重力匹配组合导航 解算，得到误差估计；最后对二环式惯性平台系统的导航参数进行修正，并将修正后的导航 参数显示在终端上。 图3为本发明的重力匹配组合导航算法流程示意图。惯性重力组合导航装置首先 需要初始化和初始对准，确定惯性重力组合导航的初始位置、速度和初始俯仰角、横滚角和 航向角，以及当地重力值。在载体导航中，二环式惯性平台系统通过陀螺仪和加速度计敏 感载体的角运动和线运动，利用姿态角度传感器和对光纤陀螺仪和加速度计的解析积分运 算，得到载体的位置、速度、姿态角和航向角。当载体位于重力适配区，则利用重力传感器重 力测量值、多普勒计程仪外部速度测量值、测深仪深度测量值和二环式惯性平台系统提供 的导航参数，进行重力相关匹配和扩展卡尔曼滤波计算，得到误差估计，通过误差修正和反 馈模块对二环式惯性平台系统导航参数以及多普勒计程仪和测深仪的误差模型进行修正。 最后将修正后的导航参数显示在终端上。如果载体不在重力适配区内，那么不进行重力匹 配组合导航计算，直接把二环式惯性平台系统导航参数发送到显示在终端上。
权利要求
一种海洋惯性重力组合导航装置，其特征在于该装置包括二环式惯性平台系统(1)、重力传感器(2)、多普勒计程仪(3)、测深仪(4)、数字重力异常图(5)、组合导航计算机(6)和显示终端(7)，其中二环式惯性平台系统(1)、重力传感器(2)、多普勒计程仪(3)和测深仪(4)与组合导航计算机(6)相连，数字重力异常图(5)存贮在组合导航计算机(6)内。
2. 根据权利要求1所述的海洋惯性重力组合导航装置，其特征是二环式惯性平台系 统(1)的惯性测量传感器是二个单自由度液浮陀螺仪(8)、一个单轴速率光纤陀螺仪(9)和 三个单轴石英挠性摆式加速度计(10)。
全文摘要
海洋惯性重力组合导航装置由二环式惯性平台系统、重力传感器、多普勒计程仪、测深仪、数字重力异常图、组合导航计算机和显示终端组成。二环式惯性平台系统的惯性测量传感器是液浮陀螺仪、速率光纤陀螺仪、石英挠性摆式加速度计。本发明装置不仅能够用于海洋运动载体的定位定向，而且还能进行海洋重力测量。它体积小、精度高、可靠性好、结构简单、维修方便，在导航与控制技术领域中具有广泛的应用前景。
文档编号G01C21/18GK101769742SQ20101001821
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者蔡体菁 申请人:东南大学