本發(fā)明屬于航海導航技術領域，尤其是一種衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)及其組合導航方法。

背景技術：

羅經(jīng)是船舶上指示艏向的航海儀器，是保障航海安全的重要設備。國際海事組織(IMO)規(guī)定：遠洋艦船必須配備羅經(jīng)。目前船舶裝備大部分使用傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)產(chǎn)品：磁羅經(jīng)和電羅經(jīng)，磁羅經(jīng)經(jīng)常會受到地礦磁場、渦流、天電等環(huán)境因素的影響，準確度無法得到保證；而電羅經(jīng)長時間工作的累積誤差比較大、價格昂貴、維護頻繁且成本高昂。

與傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)產(chǎn)品相比，光纖陀螺羅經(jīng)和衛(wèi)星羅經(jīng)具有體積小、啟動快、精度高、壽命長、易安裝、免維護、全壽命周期成本低等多方面優(yōu)勢。衛(wèi)星羅經(jīng)具有全球、全天候適用且無誤差積累的特點，其缺點是會受環(huán)境因素影響，在天氣惡劣的情況下容易出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，造成輸出數(shù)據(jù)不連續(xù)。光纖羅經(jīng)測向精度高于磁羅經(jīng)和電羅經(jīng)且不受船磁等環(huán)境干擾，與船上其它設備接口方便，其缺點是隨著緯度的升高，存在誤差累積。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種設計合理、快速準確的衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)及其組合導航方法。

本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術問題是采取以下技術方案實現(xiàn)的：

一種衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)，包括兩個GNSS天線、衛(wèi)星羅經(jīng)單元和光纖羅經(jīng)單元；所述兩個GNSS天線沿船舶縱軸線分開安裝并分別獨立接收衛(wèi)星定位信號；所述衛(wèi)星羅經(jīng)單元與兩個GNSS天線相連用于接收并解算兩個GNSS天線的位置信息及艏向角，該衛(wèi)星羅經(jīng)單元與光纖羅經(jīng)單元連接；所述光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算信息并進行組合解算得到高精度的船舶艏向與姿態(tài)信息。

所述GNSS天線為3系統(tǒng)7頻點接收天線，用于接收北斗定位系統(tǒng)的B1頻點、B2頻點、B3頻點的衛(wèi)星信號，接收GPS定位系統(tǒng)的L1頻點、L2頻點的衛(wèi)星信號以及接收GLONASS定位系統(tǒng)的L1頻點、L2頻點的衛(wèi)星信號。

所述兩個GNSS天線的安裝位置為：一個GNSS天線作為主天線放于船艉，另一個GNSS天線作為副天線放于船首，該主天線指向副天線的連線方向與船舶艏向一致，兩個GNSS天線和水平面保持一致。

所述衛(wèi)星羅經(jīng)單元與兩個GNSS天線通過同軸電纜連接在一起。

所述衛(wèi)星羅經(jīng)單元內(nèi)置有傾斜傳感器、MEMS陀螺和人機交互裝置。

所述光纖羅經(jīng)單元采用三軸光纖陀螺作為主要慣性元件。

一種衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)的組合導航方法，包括以下步驟：

步驟1、兩個分開放置的GNSS天線分別接收衛(wèi)星信號并將信號傳輸至衛(wèi)星羅經(jīng)單元；

步驟2、衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算兩個GNSS天線的位置、速度及艏向、角速度信息和時碼信息發(fā)送給光纖羅經(jīng)單元；

步驟3、光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元信息進行組合解算得到修正后船舶艏向、姿態(tài)信息；

步驟4、光纖羅經(jīng)單元將組合解算的船舶艏向和姿態(tài)信息發(fā)送至衛(wèi)星羅經(jīng)單元供其顯示或其它設備使用。

所述步驟2衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算時采用載波相位差分方法進行解算，得到根據(jù)三角公式計算出艏向角。

所述步驟3的具體實現(xiàn)方法為：光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算出的位置、速度及艏向、角速度信息和時碼信息，與捷聯(lián)式三軸光纖陀螺解算的艏向、姿態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)融合算法采用卡爾曼濾波方法，解算出高精度、高可靠性的船舶艏向、姿態(tài)信息。同時光纖羅經(jīng)單元平滑衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算結果，在衛(wèi)星信號短暫失鎖時，對船舶艏向和姿態(tài)進行陀螺保持。

所述光纖羅經(jīng)單元在解算時，光纖羅經(jīng)單元還根據(jù)衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算的位置信息進行判斷是否進入高緯度航行區(qū)域，將原地理坐標系切換為橫向坐標系，消除緯度角引起的誤差，同時利用衛(wèi)星羅經(jīng)提供的艏向和姿態(tài)信息進行組合，不斷修正系統(tǒng)誤差。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：

1、本發(fā)明利用衛(wèi)星羅經(jīng)單元、光纖羅經(jīng)單元綜合的測定船舶艏向和姿態(tài)，不同于傳統(tǒng)組合算法中僅使用位置和速度信息，增加了艏向信息的融合，從而增加卡爾曼濾波器參數(shù)的維度，實現(xiàn)快速、準確的船舶真實艏向和姿態(tài)的導航功能，提高了衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)的精度。

2、本發(fā)明可兼容北斗、GPS和GLONASS系統(tǒng)，降低衛(wèi)星全部失鎖的風險，提高系統(tǒng)的適應范圍和可靠性；本發(fā)明支持載波相位差分解算，提高系統(tǒng)的定位精度，進而提高本發(fā)明的系統(tǒng)精度。

3、本發(fā)明增加極區(qū)坐標切換處理，降低高緯度航行時光纖羅經(jīng)解算誤差，提高系統(tǒng)定位精度和適應范圍。

4、本發(fā)明采用模塊化設計，各部分可獨立工作，如當衛(wèi)星羅經(jīng)單元或光纖羅經(jīng)單元出現(xiàn)故障時，另一部分可作為獨立羅經(jīng)系統(tǒng)繼續(xù)為用戶提供準確且可靠的艏向與姿態(tài)信息服務。

5、本發(fā)明充分結合衛(wèi)星全緯度、全天候、無誤差積累以及光纖羅經(jīng)不受地磁干擾、精度高、壽命長、易安裝、免維護等特點，克服衛(wèi)星羅經(jīng)輸出不連續(xù)和光纖羅經(jīng)容易累計誤差的各自缺點，達到優(yōu)勢互補的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)連接示意圖；

圖2是本發(fā)明的GNNS天線的安裝示意圖；

圖3是本發(fā)明的光纖羅經(jīng)單元的安裝示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述：

一種衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)，如圖1至圖3所示，包括兩個GNSS天線、衛(wèi)星羅經(jīng)單元和光纖羅經(jīng)單元。所述兩個GNSS天線作為衛(wèi)星信號接收裝置并且沿船舶縱軸線分開安裝，每個GNSS天線分別獨立接收衛(wèi)星定位信號。所述衛(wèi)星羅經(jīng)單元通過同軸電纜與兩個GNSS天線相連，用于接收并解算兩個GNSS天線的位置信息，進而計算出兩個GNSS天線間的連線與正北方向之間的夾角(艏向角)，該衛(wèi)星羅經(jīng)單元同時與光纖羅經(jīng)單元連接，發(fā)送解算的艏向、速度、位置和時間信息，衛(wèi)星羅經(jīng)單元還具有顯示與控制功能，可根據(jù)需要選擇系統(tǒng)的工作模式及工作參數(shù)。所述光纖羅經(jīng)單元采用三軸光纖陀螺作為主要慣性元件并配以捷聯(lián)技術方案，實時解算船舶的艏向、姿態(tài)信息，同時光纖羅經(jīng)單元對接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算的艏向、速度、位置和時間信息數(shù)據(jù)并與船舶的艏向、姿態(tài)信息進行組合解算，得到高精度、高可靠性的船舶艏向與姿態(tài)信息。

所述的兩個GNSS天線為3系統(tǒng)7頻點接收天線，可接收目前主流的三種衛(wèi)星導航系統(tǒng)：北斗定位系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)或GLONASS定位系統(tǒng)的BDS B1、B2、B3頻點，GPS L1、L2頻點和GLONASS L1、L2頻點的衛(wèi)星信號。在衛(wèi)星羅經(jīng)單元中設置系統(tǒng)的衛(wèi)星定位模式，即開啟或關閉北斗定位系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)或GLONASS定位系統(tǒng)，默認為三系統(tǒng)聯(lián)合定位，采用聯(lián)合定位方式可降低衛(wèi)星全部失鎖的風險，保證本發(fā)明的可靠性和精度。

衛(wèi)星羅經(jīng)單元內(nèi)置有傾斜傳感器和MEMS陀螺，當光纖羅經(jīng)單元故障時或GNSS被短暫屏蔽時，可保持艏向穩(wěn)定輸出。因此，衛(wèi)星羅經(jīng)單元可連接光纖羅經(jīng)單元和雙GNSS天線進行組合導航，也可與雙GNSS天線組成衛(wèi)星羅經(jīng)系統(tǒng)單獨使用。衛(wèi)星羅經(jīng)單元還設有人機交互裝置，人機交互裝置可以是顯示屏和按鍵，也可以是觸摸屏，通過人機交互裝置可以進行衛(wèi)星定位、安裝校準、輸入輸出等系統(tǒng)參數(shù)配置。

光纖羅經(jīng)單元可與衛(wèi)星羅經(jīng)單元、雙GNSS天線連接進行組合導航，當天線或衛(wèi)星羅經(jīng)單元發(fā)生故障時，光纖羅經(jīng)單元也可單獨以光纖羅經(jīng)系統(tǒng)進行工作，保證系統(tǒng)輸出的可靠性和精度。相比傳統(tǒng)羅經(jīng)隨緯度增高而誤差增大，光纖羅經(jīng)單元采用坐標系變換的方式消除緯度影響，增強本發(fā)明的可靠性和精度。光纖羅經(jīng)單元還可以接收衛(wèi)星羅經(jīng)發(fā)送的控制命令，配置設備技術參數(shù)。

基于上述衛(wèi)星光纖羅經(jīng)系統(tǒng)的組合導航方法，包括以下步驟：

步驟1、兩個分開放置的GNSS天線分別接收衛(wèi)星信號并將信號傳輸至衛(wèi)星羅經(jīng)單元。

GNSS天線的放置原則為：將其中一個GNSS天線作為主天線放于船艉，另一個GNSS天線作為副天線放于船首，該主天線指向副天線的連線方向與船舶艏向一致，而且，GNSS天線和水平面保持一致。如果天線安裝時無法與船舶艏向和水平面保持一致，可使用衛(wèi)星羅經(jīng)單元通過人工配置的方法去消除艏向角誤差和俯仰角誤差。

步驟2、衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算兩個GNSS天線的位置、速度及艏向、角速度信息和時碼信息發(fā)送給光纖羅經(jīng)單元。

在本步驟中，衛(wèi)星羅經(jīng)單元接收兩個GNSS天線傳送的衛(wèi)星信號，解算兩個天線的經(jīng)緯度坐標，根據(jù)三角公式計算出兩天線連線(主天線指向副天線，即船艉指向船首)與正北方向之間的夾角(艏向角)、與水平面間的夾角(俯仰角)。衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算時采用載波相位差分技術，提升衛(wèi)星定位、測向精度，進而提高本發(fā)明的系統(tǒng)精度。

衛(wèi)星羅經(jīng)單元內(nèi)置有傾斜傳感器(建議水平安裝，如果無法水平安裝則可于衛(wèi)星羅經(jīng)單元通過人工配置的方法去除橫滾角誤差)，當光纖羅經(jīng)單元故障時，衛(wèi)星羅經(jīng)單元可與雙GNSS天線組成衛(wèi)星羅經(jīng)系統(tǒng)獨立繼續(xù)工作，解算船舶艏向角、俯仰角，內(nèi)置傾斜傳感器解算橫滾角；衛(wèi)星羅經(jīng)單元內(nèi)置的MEMS陀螺儀在衛(wèi)星短暫失鎖時保持系統(tǒng)穩(wěn)定輸出，保證系統(tǒng)輸出的可靠性和精度。

步驟3、光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元信息進行組合解算得到修正后船舶艏向、姿態(tài)信息。

在本步驟中，光纖羅經(jīng)單元接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算出的位置、速度、艏向、角速度等信息，與捷聯(lián)式三軸光纖陀螺解算的艏向、姿態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)融合算法采用卡爾曼濾波方法，解算出高精度、高可靠性的船舶艏向、姿態(tài)信息。光纖羅經(jīng)單元通過接收衛(wèi)星羅經(jīng)單元信息進行組合解算，修正了系統(tǒng)誤差，提高了系統(tǒng)的解算精度和可靠性。光纖羅經(jīng)單元的加入還可以平滑解算結果，提高系統(tǒng)輸出頻度，以及在衛(wèi)星信號短暫失鎖的情況下維持艏向穩(wěn)定輸出。

光纖羅經(jīng)單元在進行組合解算時，將速度、艏向信息用來與光纖羅經(jīng)比對作為卡爾曼濾波器量測信息，角速度用來補償桿臂速度和衛(wèi)星羅經(jīng)艏向時間延遲誤差，時碼信息用來同步衛(wèi)星羅經(jīng)和光纖羅經(jīng)導航信息和計算時間延遲值，運用卡爾曼濾波進行數(shù)據(jù)融合，修正系統(tǒng)元件誤差，從而得到準確的船舶艏向和姿態(tài)信息。

步驟4、光纖羅經(jīng)單元將組合解算的船舶艏向和姿態(tài)信息發(fā)送至衛(wèi)星羅經(jīng)單元供其顯示或其它設備使用，如需要艏向姿態(tài)信息的設備。

本發(fā)明的組合導航算法是通過衛(wèi)星羅經(jīng)和光纖羅經(jīng)相互輔助實現(xiàn)的。衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算輸出數(shù)據(jù)為兩個天線測姿所得到艏向角，采用軸方向與艏向軸方向一致的陀螺輸出角速率與測向解算輸出值進行數(shù)據(jù)融合，融合算法采用卡爾曼濾波，組合后可增加卡爾曼濾波器參數(shù)的維度，從誤差產(chǎn)生的源頭做工作，從而提高導航精度。光纖羅經(jīng)單元根據(jù)衛(wèi)星羅經(jīng)單元解算的位置信息進行判斷是否進入高緯度航行區(qū)域，將原地理系統(tǒng)坐標系切換為橫向坐標系，以消除極區(qū)解算誤差大或無解的問題，此時光纖羅經(jīng)單元發(fā)揮陀螺方位儀功能，利用衛(wèi)星羅經(jīng)提供的艏向和姿態(tài)信息進行組合，不斷修正系統(tǒng)誤差的同時，在衛(wèi)星信號失鎖時對船舶艏向和姿態(tài)進行陀螺保持。

本發(fā)明的組合導航方法內(nèi)融入極區(qū)坐標切換處理，提高光纖羅經(jīng)單元于高緯度區(qū)域工作的性能，保證本發(fā)明的精度和可靠性。

需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。