專利名稱：組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用涉及一種航海用衛(wèi)星羅經(jīng)，特別涉及一種衛(wèi)星導航定位與地球磁場指向組合的衛(wèi)星羅經(jīng)儀。
背景技術(shù)：
在茫茫大海中，羅經(jīng)為船舶提供方向，是船舶最重要的通導設(shè)備之一，是船舶導航的必裝設(shè)備，國際海事組織(MO)對各種噸位船舶應(yīng)該安裝的羅經(jīng)性能和類型有具體的強制要求。目前船上普遍使用的羅經(jīng)有磁羅經(jīng)和電羅經(jīng)。磁羅經(jīng)根據(jù)指南針的基本原理，借助地球磁場而制造的指向儀器。電羅經(jīng)即陀螺羅經(jīng)，是利用陀螺儀的定軸性和進動性，結(jié)合地球自轉(zhuǎn)矢量和重力矢量，用控制設(shè)備和阻尼設(shè)備制成以提供真北基準的儀器。
磁羅經(jīng)結(jié)構(gòu)簡單、自主可靠、堅固耐用、維護方便；但是磁羅經(jīng)受地磁、環(huán)境影響，存在各向性能差異，隨地理位置、船體結(jié)構(gòu)不同，而表現(xiàn)出較大的誤差。電羅經(jīng)相比性能更加優(yōu)異，精度更高，具有自主可靠的優(yōu)點；但是電羅經(jīng)價格昂貴，結(jié)構(gòu)復雜，維護成本高，啟動穩(wěn)定時間長，安裝校準復雜；其中高速旋轉(zhuǎn)的陀螺球是損耗件，維修更換價格非常高。磁羅經(jīng)是各類船舶必須安裝的設(shè)備，電羅經(jīng)由于高性能也非常普及。而且，裝有電羅經(jīng)后，磁羅經(jīng)往往處于備用的狀況。衛(wèi)星羅經(jīng)儀則是利用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射的導航無線信號，經(jīng)過信號處理而解算出指向的新型羅經(jīng)，基本是純電子的系統(tǒng)。衛(wèi)星羅經(jīng)儀具有精度高，數(shù)字化，價格低，免維護，啟動快，安裝簡單等有點，具有良好的應(yīng)用前景。然而，衛(wèi)星羅經(jīng)儀依靠接收離地球約二萬公里的無線衛(wèi)星導航信號，因此存在可靠性問題，一旦接收的衛(wèi)星信號發(fā)生異常，就沒有航向輸出；盡管目前的衛(wèi)星羅經(jīng)儀為了提高輸出頻率和補償短暫的、瞬時性的接收異常，大多組合了微機械系統(tǒng)(MEMs)陀螺，但是廉價的MEMs —般都只能穩(wěn)定幾分鐘時間，衛(wèi)星羅經(jīng)儀存在長時間無方向輸出的實際缺陷和風險。另外，由于衛(wèi)星羅經(jīng)利用了最優(yōu)控制理論，存在局部最優(yōu)收斂點，在短時間(幾十分鐘內(nèi))會輸出錯誤的方向。以上兩點嚴重影響了總體性能優(yōu)越，價格低廉的衛(wèi)星羅經(jīng)儀的推廣使用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的發(fā)明目的是提供一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，解決傳統(tǒng)衛(wèi)星羅經(jīng)儀輸出可能會間斷的缺陷；解決一般衛(wèi)星羅經(jīng)儀輸出錯誤角度的問題；開機即有輸出，縮短一般衛(wèi)星羅經(jīng)儀的輸出穩(wěn)定時間；提高衛(wèi)星羅經(jīng)儀的核心技術(shù)整周模糊度求解速度；識別天線方向，降低安裝難度。為完成上述目的，本實用新型是這樣實現(xiàn)的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，它包括信號接收裝置、信號處理裝置、磁差和參數(shù)存儲器、主控制器、航向輸出設(shè)備，所述的信號處理裝置用于處理信號接收裝置接收的信號；磁差和參數(shù)存儲器存儲信號處理結(jié)果；主控制器統(tǒng)一控制信息的接收與發(fā)送；其特征在于所述的信號接收裝置包括導航衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊；信號處理裝置接收衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊的信息；磁差和參數(shù)存儲器保存和使用組合求解的結(jié)果；主控制器同時控制連接信號處理裝置、航向輸出設(shè)備。本實用新型將磁羅經(jīng)與衛(wèi)星導航結(jié)合的方式進行，解決衛(wèi)星羅經(jīng)儀輸出可能間斷的缺陷，從而提高了可靠性；開機即有方向輸出，不用等待衛(wèi)星信號，和開機時衛(wèi)星信號接收狀況無關(guān)。對上述技術(shù)方案作進一步的改進，所述的信號處理裝置包括磁羅儀磁差存儲器、誤差求解模塊以及姿態(tài)求解組合模塊；所述的誤差求解模塊接導航衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊的信息，經(jīng)過最優(yōu)理論計算得到位置相關(guān)的磁羅經(jīng)誤差，傳送至磁差存儲器；所述的姿態(tài)求解組合模塊接收衛(wèi)星導航信息和磁羅經(jīng)輸入信息，縮小姿態(tài)求解過程中搜索范圍，識別天線安裝方向，并將所獲得參數(shù)變量存入磁差和參數(shù)存儲器；所述的磁羅儀磁差存儲器受主控器控制。衛(wèi)星羅經(jīng)儀包括所有利用了衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)信號的羅經(jīng)儀，所述的衛(wèi)星包括GPS，GLONASS, GALILEO,和中國的北斗-2系統(tǒng)。所述的磁差和參數(shù)存儲器由非易失的存儲介質(zhì)組成。所述的導航衛(wèi)星信息輸入模塊至少包含兩個導航天線，每個天線對應(yīng)一個帶載波相輸出的衛(wèi)星導航接收機，可以是模塊或接收機電路。
·[0012]磁羅經(jīng)的輸出通過感應(yīng)器或圖像處理等數(shù)字化后進入誤差比較器；由于磁羅經(jīng)誤差較大，因此在衛(wèi)星羅經(jīng)正?；蚱渌呔却荚O(shè)備(電羅經(jīng))存在的情況下，自動根據(jù)位置對磁羅經(jīng)各方向進行自動補差，通過信息融合算法求得磁羅經(jīng)的誤差，存入磁差存儲器；在精確的方向輸出模塊或設(shè)備故障時，自動從磁差存儲器中讀取誤差，對磁羅經(jīng)輸出進行補償，從而大大提高磁羅經(jīng)的精度，使得本羅經(jīng)仍舊能維持高精度的航向輸出。對上述技術(shù)方案作進一步的改進，所述的導航衛(wèi)星信息輸入模塊至少包含兩個導航天線，每個天線對應(yīng)一個帶載波相輸出的衛(wèi)星導航接收機，可以是模塊或接收機電路。其中兩組天線是必要選的，可以選擇兩組以上的天線，通過導航衛(wèi)星接收天線和接收機電路(或模塊)，接收無線導航衛(wèi)星信號，然后通過姿態(tài)求解信號處理算法可以求得方向，如果是兩根天線，可以求得方向Heading和另外一維方向，如果是三根天線，貝U可以求得Heading(方向)，Pitch (距離)和Roll (角度)三姿態(tài)。對上述技術(shù)方案作進一步的改進，所述的磁羅經(jīng)信息輸入模塊是由磁羅經(jīng)和接收磁羅經(jīng)信息的磁羅經(jīng)數(shù)化接口構(gòu)成，接收磁羅經(jīng)信息的磁羅經(jīng)數(shù)化接口由主控制器控制；磁羅經(jīng)輸入信號還包括利用直接地球磁場的電子羅盤。磁羅經(jīng)的輸出通過感應(yīng)器或圖像處理等數(shù)字化后進入組合導航功能模塊；在衛(wèi)星羅經(jīng)正常或其它高精度船艏設(shè)備(電羅經(jīng))存在的情況下，自動根據(jù)位置對磁羅經(jīng)各方向進行自動補差，通過信息融合算法求得磁羅經(jīng)的誤差，存入磁差存儲器；在精確的方向輸出模塊或設(shè)備故障時，自動從磁差存儲器中讀取誤差，對磁羅經(jīng)輸出進行補償，從而大大提高磁羅經(jīng)的精度。對上述技術(shù)方案作進一步的改時，該組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀還包括MEMs慣性導航模塊，該慣性導航模塊與主控制器連接，受主控制器控制。MEMs的加入可以提高輸出頻度，平滑解算結(jié)果，以及在衛(wèi)星信號短暫故障情況下時間維持方向輸出。

[0016]圖I為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了更進一步的描述本實用新型的結(jié)構(gòu)，
以下結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明。一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，它包括信號接收裝置、信號處理裝置3、主控制器4、磁差和參數(shù)存儲器6、航向輸出設(shè)備7，所述的信號處理裝置3用于處理信號接收裝置接收的信號；所述的信號接收裝置包括導航衛(wèi)星信息輸入模塊I和磁羅經(jīng)信息輸入模塊2 ;所述的導航衛(wèi)星信息輸入模塊至少包含兩組導航天線11，12，每組天線對應(yīng)一個帶載波相輸出的衛(wèi)星導航接收機14。所述的磁羅經(jīng)信息輸入模塊2是由磁羅經(jīng)22和接收磁羅經(jīng)信息的磁羅經(jīng)數(shù)化接口 21構(gòu)成，接收磁羅經(jīng)信息的磁羅經(jīng)數(shù)化接口由主控制器控制4。可以選擇兩組以上的天線，通過導航衛(wèi)星接收天線和接收機電路(或模塊)，接收無線導航衛(wèi)星信號，然后通過姿態(tài)求解信號處理算法可以求得方向，如果是兩根天線11，12，13;可以求得方向Heading和另外一維方向，如果是三根天線，則可以求得Heading (方向)，·Pitch (距離)和Roll (角度)三姿態(tài)。磁羅經(jīng)的輸出通過感應(yīng)器或圖像處理等數(shù)字化后進入組合導航功能模塊；由于磁羅經(jīng)誤差較大，因此在衛(wèi)星羅經(jīng)正常或其它高精度船艏設(shè)備(電羅經(jīng))存在的情況下，自動根據(jù)位置對磁羅經(jīng)各方向進行自動補差，在精確的方向輸出模塊或設(shè)備故障時，自動從磁差存儲器中讀取誤差，對磁羅經(jīng)輸出進行補償，在雙方共同協(xié)作下，在對信息處裝置作一定的要求就可以完成本發(fā)明的任務(wù)了。所述的信號處理裝置3包括磁羅儀磁差存儲器和誤差比較器，所述的誤差比較器接導航衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊的信息，作出比較，傳送至磁羅儀磁差存儲器，所述的磁羅儀磁差存儲器受主控器控制。主控制器統(tǒng)一控制信息的接收與發(fā)送；信號處理裝置接收衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊的信息；主控制器同時控制連接信號處理裝置、航向輸出設(shè)備。該組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀還包括MEMs慣性導航模塊5，該慣性導航模塊與主控制器連接，受主控制器控制。MEMs的加入可以提高輸出頻度，平滑解算結(jié)果，以及在衛(wèi)星信號短暫故障情況下時間維持方向輸出。通過導航衛(wèi)星接收天線和接收機電路(或模塊)，接收無線導航衛(wèi)星信號，然后通過姿態(tài)求解信號處理算法可以求得方向，如果是2天線，可以求得方向Heading和另外一維方向，如果是3天線,貝U可以求得Heading (方向)，Pitch (距離)和Roll (角度)三姿態(tài)。MEMs的加入可以提高輸出頻度，平滑解算結(jié)果，以及在衛(wèi)星信號短暫故障情況下時間維持方向輸出；磁羅經(jīng)的輸出通過感應(yīng)器或圖像處理等數(shù)字化后進入組合導航功能模塊；由于磁羅經(jīng)誤差較大，因此在衛(wèi)星羅經(jīng)正?；蚱渌呔却荚O(shè)備(電羅經(jīng))存在的情況下，自動根據(jù)位置對磁羅經(jīng)各方向進行自動補差，通過信息融合算法求得磁羅經(jīng)的誤差，存入磁差存儲器；在精確的方向輸出模塊或設(shè)備故障時，自動從磁差存儲器中讀取誤差，對磁羅經(jīng)輸出進行補償，從而大大提高磁羅經(jīng)的精度，使得本羅經(jīng)仍舊能維持高精度的航向輸出 ’另夕卜，磁羅經(jīng)可以提供目前船舶的大致方位，因此可以縮小姿態(tài)求解過程中的整周模糊度搜索空間，大大提高算法收斂速度；同時，可以識別錯誤的局部收斂點，對算法設(shè)置條件，使得算法收斂到正確的最優(yōu)點；再則，一般衛(wèi)星羅經(jīng)儀要求正確的船首、船尾天線安裝方向，否則會有180°方向倒置，利用磁羅經(jīng)可以自動識別出船首尾天線位置，方便安裝；其它船艏輸出設(shè)備51可以是電羅經(jīng)等其它可以提供船艏的設(shè)備，可以參與到組合算法模塊里進行信息融合，或者作為監(jiān)視輸入，提高 本羅經(jīng)可靠性。
權(quán)利要求1.一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，它包括信號接收裝置、信號處理裝置、磁差和參數(shù)存儲器、主控制器、航向輸出設(shè)備，所述的信號處理裝置用于處理信號接收裝置接收的信號；磁差和參數(shù)存儲器存儲信號處理結(jié)果；主控制器統(tǒng)一控制信息的接收與發(fā)送；其特征在于所述的信號接收裝置包括導航衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊；信號處理裝置接收衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊的信息；磁差和參數(shù)存儲器保存和使用組合求解的結(jié)果；主控制器同時控制連接信號處理裝置、航向輸出設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，其特征在于所述的信號處理裝置包括磁羅儀磁差存儲器、誤差求解模塊以及姿態(tài)求解組合模塊；所述的誤差求解模塊接導航衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊的信息，經(jīng)過最優(yōu)理論計算得到位置相關(guān)的磁羅經(jīng)誤差，傳送至磁差存儲器；所述的姿態(tài)求解組合模塊接收衛(wèi)星導航信息和磁羅經(jīng)輸入信息，縮小姿態(tài)求解過程中搜索范圍，識別天線安裝方向，并將所獲得參數(shù)變量存入磁差和參數(shù)存儲器；所述的磁羅儀磁差存儲器受主控器控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，其特征在于衛(wèi)星羅經(jīng)儀包括所有利用了衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)信號的羅經(jīng)儀，所述的衛(wèi)星包括GPS，GLONASS, GALILEO，和中國的北斗-2系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，其特征在于所述的磁差和參數(shù)存儲器由非易失的存儲介質(zhì)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，其特征在于所述的導航衛(wèi)星信息輸入模塊至少包含兩個導航天線，每個天線對應(yīng)一個帶載波相輸出的衛(wèi)星導航接收機，可以是模塊或接收機電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，其特征在于所述的磁羅經(jīng)信息輸入模塊是由磁羅經(jīng)和接收磁羅經(jīng)信息的磁羅經(jīng)數(shù)化接口構(gòu)成，接收磁羅經(jīng)信息的磁羅經(jīng)數(shù)字化接口由主控制器控制；磁羅經(jīng)輸入信號還包括直接利用地球磁場的電子羅盤。
7.根據(jù)權(quán)利求I所述的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，其特征在于該組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀還包括MEMs慣性導航模塊，該慣性導航模塊與主控制器連接，受主控制器控制，參與衛(wèi)星羅經(jīng)的姿態(tài)求解。
8.根據(jù)權(quán)利求2所述的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，其特征在于所述的導航衛(wèi)星信息輸入模塊至少包含兩個導航天線，每個天線對應(yīng)一個帶載波相輸出的衛(wèi)星導航接收機，所述的磁羅經(jīng)信息輸入模塊是由磁羅經(jīng)和接收磁羅經(jīng)信息的磁羅經(jīng)數(shù)字化接口構(gòu)成，或直接感應(yīng)地球磁場的任何指向設(shè)備，接收磁羅經(jīng)信息的磁羅經(jīng)數(shù)字化接口由主控制器控制；所述的衛(wèi)星導航接收機的信息輸出端和磁羅經(jīng)數(shù)字化接口的信息輸出端同時連接磁差求解模塊和參數(shù)提取模塊。
9.根據(jù)權(quán)利求2或3或4或5或6或7或8所述的一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀，其特征在于該組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀還包括MEMs慣性導航模塊，該慣性導航模塊與主控制器連接，受主控制器控制。
專利摘要一種組合磁羅經(jīng)的高性能新型衛(wèi)星羅經(jīng)儀涉及衛(wèi)星導航定位與地球磁場指向組合的衛(wèi)星羅經(jīng)儀。目的是解決傳統(tǒng)衛(wèi)星羅經(jīng)儀輸出可能會間斷的缺陷；開機即有輸出提高衛(wèi)星羅經(jīng)儀的核心技術(shù)整周模糊度求解速度；識別天線方向。它包括信號接收裝置、信號處理裝置、磁差和參數(shù)存儲器、主控制器、航向輸出設(shè)備，信號處理裝置用于處理信號接收裝置接收的信號；磁差和參數(shù)存儲器存儲信號處理結(jié)果；主控制器統(tǒng)一控制信息的接收與發(fā)送；信號接收裝置包括導航衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊；信號處理裝置接收衛(wèi)星信息輸入模塊和磁羅經(jīng)信息輸入模塊的信息；磁差和參數(shù)存儲器保存和使用組合求解的結(jié)果；主控制器同時控制連接信號處理裝置、航向輸出設(shè)備。
文檔編號G01S17/32GK202563089SQ201220193330
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者褚人乾, 樓國強 申請人:上海圓舟電子科技有限公司