本發(fā)明涉及一種便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法，屬于導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

艦船導(dǎo)航系統(tǒng)用于引導(dǎo)艦船自出發(fā)地準(zhǔn)確、高效、安全地到達(dá)目的地，在艦船航行過(guò)程中起到非常重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的種類越來(lái)越多，常見(jiàn)的包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、計(jì)程儀、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、數(shù)字導(dǎo)航雷達(dá)及電子海圖顯示信息系統(tǒng)(ECDIS)等，這些導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理不同，功能各異。艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述各種導(dǎo)航系統(tǒng)的物理連接和信息綜合集成，得到本船最佳的導(dǎo)航信息，并通過(guò)ECDIS動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示艦船的綜合航行態(tài)勢(shì)，既提高了導(dǎo)航信息精度，又?jǐn)U展了單一導(dǎo)航系統(tǒng)或設(shè)備的功能。

現(xiàn)有艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的體積、重量和功耗均比較大，價(jià)格也頗為昂貴，由此帶來(lái)了一些問(wèn)題，包括：一是難以在噸位較小的艦船上進(jìn)行安裝和使用；二是當(dāng)船上人員離船執(zhí)行任務(wù)或應(yīng)急使用時(shí)，現(xiàn)有艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)不滿足便攜的需求；三是現(xiàn)有艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)采用固定式安裝，與艦船的耦合性比較強(qiáng)，當(dāng)艦船發(fā)生火災(zāi)或電力故障時(shí)，容易導(dǎo)致綜合導(dǎo)航系統(tǒng)失效。目前，便攜式的艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)還未見(jiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)存在的不足，通過(guò)一體化設(shè)計(jì)，在電子海圖顯示模塊的基礎(chǔ)上，高度集成慣性導(dǎo)航傳感器、衛(wèi)星導(dǎo)航傳感器和天文導(dǎo)航傳感器，實(shí)現(xiàn)一種體積小、重量輕、功耗低、操作簡(jiǎn)易的便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。

一種便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括組合導(dǎo)航子系統(tǒng)、電子海圖子系統(tǒng)、顯控單元和電源模塊，

(1)所述組合導(dǎo)航子系統(tǒng)用于確定艦船航向、姿態(tài)、速度和位置，包括航姿參考模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)模塊和天文導(dǎo)航模塊；

a.航姿參考模塊用于提供艦船的姿態(tài)和航向，其組成包括三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計(jì)、三軸MEMS磁強(qiáng)計(jì)、溫度傳感器和通信接口：所述三軸MEMS陀螺儀用于測(cè)量艦船的運(yùn)動(dòng)角速度，所述三軸MEMS加速度計(jì)用于測(cè)量艦船的線性加速度；所述溫度傳感器 用于測(cè)量三軸MEMS陀螺儀的工作環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述三軸MEMS陀螺儀和三軸MEMS加速度計(jì)的溫度補(bǔ)償；所述三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計(jì)、三軸MEMS磁強(qiáng)計(jì)分別輸出角速度、線加速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)字信號(hào)，連同所述溫度傳感器輸出的溫度數(shù)字信號(hào)，通過(guò)通信接口輸出至微處理器-I；

b.衛(wèi)星導(dǎo)航模塊用于確定艦船的位置和速度，并進(jìn)行授時(shí)，其組成包括衛(wèi)星信號(hào)接收子模塊、衛(wèi)星信號(hào)解算子模塊和通信接口：所述衛(wèi)星信號(hào)接收子模塊用于接收視場(chǎng)內(nèi)所有導(dǎo)航衛(wèi)星的射頻信號(hào)，射頻信號(hào)經(jīng)濾波、低噪聲放大器放大后進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)解算子模塊；衛(wèi)星信號(hào)解算子模塊用于對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻、捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)、測(cè)量、解析處理，完成位置、速度和時(shí)間(PVT)解算，解算結(jié)果通過(guò)通信接口輸出至微處理器-II；

c.導(dǎo)航計(jì)算機(jī)模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、慣性導(dǎo)航解算與數(shù)據(jù)融合，由微處理器-I、微處理器-II和通信接口組成，所述微處理器-I和微處理器-II之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)；所述微處理器-II對(duì)微處理器-I和衛(wèi)星導(dǎo)航模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波運(yùn)算，在每個(gè)濾波周期結(jié)束后將結(jié)果傳輸給微處理器-I進(jìn)行系統(tǒng)誤差標(biāo)定補(bǔ)償；

d.天文導(dǎo)航模塊用于確定艦船的位置，其組成包括單筒望遠(yuǎn)鏡、導(dǎo)軌和夾具；所述單筒望遠(yuǎn)鏡用于觀測(cè)天體，在便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的頂部安裝所述導(dǎo)軌，所述夾具用于將所述單筒望遠(yuǎn)鏡安裝于導(dǎo)軌上；

(2)所述電子海圖子系統(tǒng)用于提供與艦船工作海域相關(guān)的海圖信息，并實(shí)現(xiàn)航海作業(yè)所需的參數(shù)計(jì)算，包括電子海圖存儲(chǔ)模塊和電子海圖綜合處理模塊；

a.電子海圖存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、電子海圖、電子海圖顯示信息軟件、天文導(dǎo)航計(jì)算軟件；

b.電子海圖綜合處理模塊通過(guò)調(diào)用所述電子海圖存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的軟件，實(shí)現(xiàn)航線擬定、航路監(jiān)控、常用航海參數(shù)計(jì)算和天文導(dǎo)航計(jì)算；所述電子海圖綜合處理模塊的組成包括中央處理器、顯卡、內(nèi)存和主板；

(3)所述顯控單元負(fù)責(zé)便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的人機(jī)交互，包括觸摸顯示屏和按鍵；

(4)所述電源模塊用于向所述組合導(dǎo)航子系統(tǒng)、電子海圖子系統(tǒng)和顯控單元進(jìn)行供電，包括低壓差穩(wěn)壓源子模塊和電池子模塊。

一種利用前述便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行天文導(dǎo)航的方法，包括：

步驟一：利用夾具將單筒望遠(yuǎn)鏡固定于導(dǎo)軌上；

步驟二：操作觸摸顯示屏，使便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入天文導(dǎo)航工作狀態(tài)；

步驟三：調(diào)整便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，使單筒望遠(yuǎn)鏡的物鏡中心與所觀測(cè)天體中心重合；

步驟四：按下顯控單元的功能按鍵，電子海圖綜合處理模塊自動(dòng)記錄當(dāng)前時(shí)刻微處理器-I解算的俯仰角信息，此即為觀測(cè)天體的高度；

步驟五：根據(jù)所選天文導(dǎo)航方法規(guī)定的觀測(cè)天體個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟二和步驟三；

步驟六：電子海圖綜合處理模塊調(diào)用電子海圖存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的天文導(dǎo)航計(jì)算軟件，自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前艦船位置，并顯示在觸摸顯示屏上；

步驟七：利用夾具將單筒望遠(yuǎn)鏡從導(dǎo)軌上拆卸下來(lái)。

與現(xiàn)有的技術(shù)比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：①選用芯片級(jí)導(dǎo)航傳感器，通過(guò)一體化設(shè)計(jì)，大幅降低了艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的體積、重量和功耗，實(shí)現(xiàn)了艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的便攜化；②通過(guò)功能復(fù)用，天文導(dǎo)航計(jì)算所需的天體高度可直接從航姿參考模塊中獲取，與已有方案相比，本方案在硬件上僅需要一個(gè)單筒望遠(yuǎn)鏡和所需的固定裝置，省去了一套天體高度測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的集成優(yōu)化；③天文導(dǎo)航模塊中的單筒望遠(yuǎn)鏡采用導(dǎo)軌方式進(jìn)行安裝與拆卸，操作人員可方便地進(jìn)行單筒望遠(yuǎn)鏡的位置調(diào)節(jié)，提高了天文觀測(cè)的人機(jī)工效性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明的組合導(dǎo)航子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的布局示意圖。

圖4為本發(fā)明的電子海圖子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖5為本發(fā)明的天文導(dǎo)航方法流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于：①對(duì)組合導(dǎo)航子系統(tǒng)和電子海圖子系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的便攜化；②天文導(dǎo)航模塊中的單筒望遠(yuǎn)鏡軸向與MEMS三軸加速度計(jì)的縱軸平行，天文導(dǎo)航過(guò)程中的天體高度可直接從航姿參考模塊中獲取；③天文導(dǎo)航模塊中的單筒望遠(yuǎn)鏡采用導(dǎo)軌方式進(jìn)行安裝與拆卸，提高了天文觀測(cè)的人機(jī)工效性。

下面將結(jié)合圖1至圖5對(duì)本發(fā)明提供的一種便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法進(jìn)行詳細(xì)的描述，其為本發(fā)明可選的實(shí)施例，可以認(rèn)為，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不改變本發(fā)明精神和內(nèi)容的范圍內(nèi)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行修改和潤(rùn)色。

請(qǐng)參考圖1，本實(shí)施例提出了一種便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：組合導(dǎo)航子系統(tǒng)1、電子海圖子系統(tǒng)2、顯控單元3和電源模塊4。所述組合導(dǎo)航子系統(tǒng)1用于確定艦船航向、姿態(tài)、速度和位置；所述電子海圖子系統(tǒng)2用于提供與艦船工作海域相關(guān)的海圖信息， 并實(shí)現(xiàn)航海作業(yè)所需的參數(shù)計(jì)算；所述顯控單元3負(fù)責(zé)便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的人機(jī)交互；所述電源模塊4用于向所述組合導(dǎo)航子系統(tǒng)1、電子海圖子系統(tǒng)2和顯控單元3進(jìn)行供電。

請(qǐng)參考圖2，所述組合導(dǎo)航子系統(tǒng)1包括航姿參考模塊5、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊6、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)模塊7和天文導(dǎo)航模塊8。

所述航姿參考模塊5用于提供艦船的姿態(tài)和航向，其組成包括三軸MEMS陀螺儀9、三軸MEMS加速度計(jì)10、三軸MEMS磁強(qiáng)計(jì)11、溫度傳感器12和通信接口13。所述三軸MEMS陀螺儀9用于測(cè)量艦船的運(yùn)動(dòng)角速度，所述三軸MEMS加速度計(jì)10用于測(cè)量艦船的線性加速度。所述溫度傳感器12用于測(cè)量所述三軸MEMS陀螺儀9的工作環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述三軸MEMS陀螺儀9和三軸MEMS加速度計(jì)10的溫度補(bǔ)償。所述三軸MEMS陀螺儀9、三軸MEMS加速度計(jì)10、三軸MEMS磁強(qiáng)計(jì)11分別輸出角速度、線加速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)字信號(hào)，連同所述溫度傳感器12輸出的溫度數(shù)字信號(hào)，通過(guò)通信接口13輸出至微處理器-I17。其中，三軸MEMS陀螺儀9、三軸MEMS加速度計(jì)10、三軸MEMS磁強(qiáng)計(jì)11分別采用意法半導(dǎo)體公司的I3G4250D芯片、IIS328DQ芯片和LIS3MDL芯片；溫度傳感器12集成在I3G4250D芯片中；通信接口15采用SPI接口。

所述衛(wèi)星導(dǎo)航模塊6用于確定艦船的位置和速度，并進(jìn)行授時(shí)，其組成包括衛(wèi)星信號(hào)接收子模塊14、衛(wèi)星信號(hào)解算子模塊15和通信接口16。所述衛(wèi)星信號(hào)接收子模塊14用于接收視場(chǎng)內(nèi)所有導(dǎo)航衛(wèi)星的射頻信號(hào)，射頻信號(hào)經(jīng)濾波、低噪聲放大器放大后進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)解算子模塊15。衛(wèi)星信號(hào)解算子模塊15用于對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻、捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)、測(cè)量、解析等處理，完成位置、速度和時(shí)間(PVT)解算，解算結(jié)果通過(guò)通信接口16輸出至微處理器-II18進(jìn)行卡爾曼濾波運(yùn)算。其中，衛(wèi)星信號(hào)接收子模塊14采用GPS有源天線；衛(wèi)星信號(hào)解算子模塊15采用u-blox公司的MAX-7Q模塊，該模塊體積小，功耗低，導(dǎo)航信息更新頻率可達(dá)10Hz，位置精度2.5米(CEP)；通信接口16采用RS-232接口。

所述導(dǎo)航計(jì)算機(jī)模塊7用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、慣性導(dǎo)航解算與數(shù)據(jù)融合，由微處理器-I17、微處理器-II18和通信接口19組成，微處理器-I17和微處理器-II18之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)通信接口19實(shí)現(xiàn)。所述微處理器-I17的作用包括五個(gè)方面：一是用于進(jìn)行所述三軸MEMS陀螺儀9、三軸MEMS加速度計(jì)10、三軸MEMS磁強(qiáng)計(jì)11和溫度傳感器12的數(shù)據(jù)采集；二是對(duì)三軸MEMS陀螺儀9和三軸MEMS加速度計(jì)10采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、低通濾波預(yù)處理、溫度補(bǔ)償和系統(tǒng)誤差標(biāo)定補(bǔ)償；三是進(jìn)行慣性導(dǎo)航解算，將解算得到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和三軸MEMS磁強(qiáng)計(jì)11的采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑻幚砥?II18；四是為天文導(dǎo)航計(jì)算提供俯仰角信息；五是向所述顯控單元3連續(xù)實(shí)時(shí)地輸出艦船的位置、速度和姿態(tài)。所述微處理器-II18對(duì)微處理器-I17和衛(wèi)星導(dǎo)航模塊6傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波運(yùn)算，在每個(gè)濾波周期結(jié)束后將 結(jié)果傳輸給微處理器-I17進(jìn)行系統(tǒng)誤差標(biāo)定補(bǔ)償。其中，微處理器-I17和微處理器-II18均采用TI公司的TMS320C6713高精度浮點(diǎn)型DSP，通信接口19采用雙口RAMDT71V321作為共享存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)微處理器-I17和微處理器-II18之間的數(shù)據(jù)通信。

所述天文導(dǎo)航模塊8用于確定艦船的位置，其組成包括單筒望遠(yuǎn)鏡20、導(dǎo)軌21和夾具22。請(qǐng)參考圖3，所述單筒望遠(yuǎn)鏡20用于觀測(cè)天體，為便于用戶操作，參考武器裝備中光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的安裝方法，在便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的頂部23上安裝導(dǎo)軌21，所述夾具22用于將所述單筒望遠(yuǎn)鏡20安裝于導(dǎo)軌21上，當(dāng)不需要進(jìn)行天文導(dǎo)航時(shí)，單筒望遠(yuǎn)鏡20可方便地從導(dǎo)軌21上拆卸下來(lái)。其中，單筒望遠(yuǎn)鏡20采用蔡司10×25T單筒望遠(yuǎn)鏡，導(dǎo)軌21采用皮卡汀尼導(dǎo)軌。

請(qǐng)參考圖4，所述的電子海圖子系統(tǒng)2包括電子海圖存儲(chǔ)模塊28和電子海圖綜合處理模塊29。

所述電子海圖存儲(chǔ)模塊28用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、電子海圖、電子海圖顯示信息軟件、天文導(dǎo)航計(jì)算軟件。本實(shí)施例中，電子海圖存儲(chǔ)模塊28采用固態(tài)硬盤，存儲(chǔ)容量64G。

所述電子海圖綜合處理模塊29通過(guò)調(diào)用所述電子海圖存儲(chǔ)模塊23存儲(chǔ)的軟件，實(shí)現(xiàn)航線擬定、航路監(jiān)控、常用航海參數(shù)計(jì)算和天文導(dǎo)航計(jì)算，電子海圖綜合處理模塊29的組成包括中央處理器30、顯卡31、內(nèi)存32和主板33。其中，中央處理器30和顯卡31分別采用英特爾公司的i5-4300處理器和HD核芯顯卡4400，內(nèi)存32采用4GDDR3L。

請(qǐng)參考圖3，所述的顯控單元3包括觸摸顯示屏24和按鍵25～27。其中，觸摸顯示屏24采用電容式多點(diǎn)觸控屏；按鍵25為電源鍵，用于實(shí)現(xiàn)便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的開機(jī)；按鍵26為主界面鍵，用于用戶快速地返回主操作界面；按鍵27為記錄鍵，用于對(duì)天體高度角進(jìn)行記錄。

所述電源模塊4由低壓差穩(wěn)壓源子模塊和電池子模塊組成。低壓差穩(wěn)壓源子模塊支持AC/DC雙路輸入，具有AC/DC自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，具有輸出短路保護(hù)及自恢復(fù)、輸出過(guò)流保護(hù)及自恢復(fù)、輸入過(guò)壓保護(hù)及自恢復(fù)的功能。電池子模塊置于便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的背面。本實(shí)施例中，電池子模塊采用鋰離子電池，容量為4200mAh。

請(qǐng)參考圖5，一種利用前述便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行天文導(dǎo)航的方法，包括：

步驟34：利用夾具22將單筒望遠(yuǎn)鏡20固定于導(dǎo)軌21上；

步驟35：操作觸摸顯示屏24，使便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入天文導(dǎo)航工作狀態(tài)；

步驟36：調(diào)整便攜式艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，使單筒望遠(yuǎn)鏡20的物鏡中心與所觀測(cè)天體中心重合；

步驟37：按下按鍵27，電子海圖綜合處理模塊29自動(dòng)記錄當(dāng)前時(shí)刻微處理器-I17解算 的俯仰角信息，此即為觀測(cè)天體的高度；

步驟38：根據(jù)所選天文導(dǎo)航方法規(guī)定的觀測(cè)天體個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟36和步驟37；

步驟39：電子海圖綜合處理模塊29調(diào)用電子海圖存儲(chǔ)模塊28存儲(chǔ)的天文導(dǎo)航計(jì)算軟件，自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前艦船位置，并顯示在觸摸顯示屏24上；

步驟40：利用夾具22將單筒望遠(yuǎn)鏡20從導(dǎo)軌21上拆卸下來(lái)。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。