一種gnss/imu一體化天線的製作方法

2023-07-05 03:06:11

專利名稱：一種gnss/imu一體化天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及全球衛星定位系統(GNSS)與慣性導航系統(INS)的組合導航系統技術領域，特別涉及一種GNSS/MU —體化天線。
背景技術：
目前廣泛使用的GPS、GL0NASS,以及正在部署中的Galileo系統、我國的 Compass(北鬥2)系統都屬於全球導航衛星系統(GNSS)這一範疇。它們的導航定位原理都是在精確已知導航信號發射源(即衛星)在某一時刻的位置和速度的基礎上，通過測定接收設備與衛星之間的距離或都卜勒等參數來獲取接收設備的位置和速度等導航參數。以 GPS為例，接收機獲得衛星廣播的信號並利用本地復現的偽隨機碼取得距離觀測值，並解調信號當中調製的導航電文。導航電文中提供的參數可以用來計算的衛星位置及時鐘誤差等信息，在得到四顆以上可見衛星位置、速度等信息後，可以計算得到接收機的位置、速度和時間。基於以上工作原理，在具有足夠衛星覆蓋的條件下，以GPS為代表的GNSS系統可以提供全天候、全球範圍內較高精度的導航定位解。然而在某些由於遮擋或幹擾導致不能正常接收到導航衛星信號的情況下，GNSS接收機無法工作；或者當接收機隨載體進行大動態運動時，信號變化速度超過接收機跟蹤門限時，GNSS接收機也無法工作；出於成本等因素的考慮，通常使用的接收機給出導航解的速率較低，在某些需要連續定位的應用場景性能受限。
慣性導航系統(INS)的工作原理是基於牛頓提出的慣性定律，載體的運動過程可以分解為平移和旋轉，INS使用的慣性敏感元件包括加速度計和陀螺儀，二者可以分別測量載體的平移和旋轉動態，在已知的初始狀態基礎上進行積分來確定載體當前時刻的位置、速度和姿態等導航參數。在工作過程中它完全依靠自身設備，無需依賴任何外界信息，因此可以獨立完成導航任務而不受外界幹擾。在航天、航空、航海等諸多軍事和民用領域，慣導系統已經得到了廣泛的應用。GNSS具有較穩定的長期精度，INS (Inertial Navigation System)具有較好短期精度，將他們組合使用可望獲得各自的優勢互補。GNSS/INS組合導航系統當中，可以利用 GNSS系統定位誤差不隨時間累計的特點來修正INS系統，抑制其導航精度隨時間惡化；組合導航系統具有更好地健壯性，當有外界幹擾、遮擋等使得衛星信號惡化甚至不能被跟蹤時，INS可以依靠其短時精度來修正GNSS系統的誤差設置彌補無信號時段的導航定位解的空白，當信號條件改善時，INS可以向接收機提供位置、速度等信息幫助接收機迅速重捕信號。將慣性導航系統INS與GNSS組合，可以充分發揮各自的優勢，達到取長補短的效果。並且微機械(MEMS)慣性測量單元(MU)的快速發展，因其體積小，重量輕，可靠性高等突出優點，不僅降低了成本，而且提高了導航精度，擴大了應用範圍。GNSS接收機天線相位中心，是指天線的接受GNSS衛星發送的信號時的電氣中心， 其理論設計應與天線的幾何中心一致。但由於多種原因，如天線製造水平，GNSS信號的入
3射方向、高度角等，天線相位中心與幾何中心存在偏差。MU的測量中心主要指IMU中的加速度計的測量中心，一般可視其幾何中心為測量中心。由IMU測量中心指向GNSS天線相位中心的向量被稱為杆臂向量(Lever Arm vector).由於受到GNSS測量安裝的要求(信號無遮擋)的限制，一般情況下，GNSS/INS組合導航系統進行測量時，GNSS天線與IMU並不安裝在同一位置，對GNSS天線相位中心與IMU 測量中心的直接精確測量通常比較困難。由於杆臂的存在，GNSS與MU所測的位置、速度並不一樣，這種由杆臂所帶來的差異被稱為杆臂效應。杆臂誤差是GNSS/INS組合導航系統的主要誤差源之一。在較大型車輛情況下，進行載波相位GNSS定位，杆臂誤差甚至可達釐米級。並且，杆臂誤差會對位置、姿態以及慣性傳感器的偏置的估計產生影響。特別是當杆臂較長時，航向角誤差可能會引起較大的位置誤差。[Sinpyo Hong, 2005]
在專利號為CN 101765787 A的發明中，僅僅提出將GNSS天線與慣性傳感器安裝在一起作為耦合天線，並沒有強調如何消除天線相位中心與慣性測量單元的測量中心的杆臂效應。在其他現有組合導航系統中，GNSS天線與慣性測量單元都是物理分離的，兩者安裝位置的不確定性，不僅在不適用於高動態導航的情形，並且給杆臂的精確測量帶來困難。

發明內容
本發明提出了一種GNSS/IMU —體化天線，其目的在於避免GNSS/INS組合導航系統中的信號接收天線與慣性測量單元(MU)之間的杆臂效應。本發明的技術方案為一種GNSS/MU—體化天線，將一個或以上GNSS天線與一個或以上慣性測量單元一體化安裝，
當設有一個以上GNSS天線時,GNSS天線整體的相位中心是每個GNSS天線的相位中心合成的等效中心，當設有一個以上慣性測量單元時，慣性測量單元整體的測量中心是每個慣性測量單元的測量中心合成的等效中心；
當設有一個GNSS天線時，GNSS天線整體的相位中心就是這個GNSS天線的相位中心， 當設有一個慣性測量單元時，慣性測量單元整體的測量中心就是這個慣性測量單元的測量中心；
將慣性測量單元整體的測量中心和GNSS天線整體的相位中心設置在同一垂直線或水平線上,或者直接將慣性測量單元整體的測量中心與GNSS天線整體的相位中心重合。 而且，所述將GNSS天線與慣性測量單元一體化安裝，是將GNSS天線與慣性測量單元安裝於一個殼體中或同一個支架上，整體作為一個測量部件。而且，所述GNSS天線為可接收全球系統或區域系統或廣域增強系統的定位天線。而且，所述慣性測量單元，是三軸陀螺和三軸加速度計構成的慣性測量單元，或是帶有冗餘配置的慣性測量單元，或是不完整軸線配置的慣性測量單元，或是單軸慣性傳感器。而且，GNSS天線所得信號通過饋線傳輸，慣性測量單元所得MU信號的傳輸方式採用以下三種方式之一，
(I)在一天化天線的殼體或支架上設置接口，IMU信號與電源通過接口連接到外部設
備;(2)在饋線中增加線纜，將IMU信號與電源通過饋線中增加的線纜傳輸；
(3)將IMU慣性測量信號調製後，與GNSS天線所得信號經同一饋線傳輸。而且，所述慣性測量單元的測量中心，是指加速度計的測量中心；設置的慣性測量單元數量多於一個時，只設置一個完整配置的慣性測量單元，其他的慣性測量單元只配置加速度計。而且，當慣性測量單元整體的測量中心和GNSS天線整體的相位中心設置在同一垂直線或水平線上時，將測量中心和相位中心的距離作為一體化天線的參數提供；進行導航工作時，由慣性導航算法基於參數將慣性測量單元整體的測量中心等效轉換到GNSS天線整體的相位中心，消除杆臂效應。本發明針對上述問題，設計一體化天線，在本質上將衛星定位系統(GNSS)與慣性導航系統(INS)的信號採集部分在空間上實現重合，從而消除IMU與天線之間的杆臂效應。在進行導航工作時，該一體化天線可以同時為組合導航系統提供GNSS衛星信號與慣性測量數據。這種設計不僅實現了 GNSS天線與慣性測量單元的高度集成，將衛星定位與慣性導航的信號在空間上實現重合，消除了杆臂效應，有助於提高組合導航精度。本發明可廣泛應用於GNSS/INS組合導航系統，以及其它無線電定位於慣性導航集成的系統。這種零杆臂一體化天線尤其適用於高動態、高精度組合導航系統，以及採用低成本小體積慣性期間的組合導航系統中。


圖I是現有技術中GNSS天線與慣性測量單元IMU之間杆臂效應示意圖2是本發明實施例一的幾何結構示意圖3是本發明實施例二的幾何結構示意圖4是本發明實施例三的幾何結構示意圖5是本發明實施例四的幾何結構示意圖6是本發明實施例一的天化天線信號傳輸線示意圖。
具體實施例方式
本發明提供一種全球衛星定位系統(GNSS)的天線與慣性導航系統(INS)的慣性測量單兀(IMU, Inertial Measurement Unit)的一體化天線設計。如圖I所示，在通常情況下，GNSS/INS組合導航系統進行測量時，GNSS天線與 IMU並不安裝在同一位置，由IMU測量中心指向GNSS天線相位中心的向量被稱為杆臂向量 (Lever-arm vector)。而本發明提出將一個或以上GNSS天線與一個或以上慣性測量單元一體化安裝。 當設有一個以上GNSS天線時,GNSS天線整體的相位中心是每個GNSS天線的相位中心合成的等效中心，當設有一個以上慣性測量單元時，慣性測量單元整體的測量中心是每個慣性測量單元的測量中心合成的等效中心。當設有一個GNSS天線時，GNSS天線整體的相位中心就是這個GNSS天線的相位中心，當設有一個慣性測量單元時，慣性測量單元整體的測量中心就是這個慣性測量單元的測量中心。安裝時將慣性測量單元整體的測量中心和GNSS天線整體的相位中心設置在同一垂直線或水平線上，或者直接將慣性測量單元整體的測量中心與GNSS天線整體的相位中心重合。直接將慣性測量單元整體的測量中心與GNSS天線整體的相位中心重合，或者設置在同一垂直線或水平線上後將慣性測量單元的測量中心等效轉換到GNSS天線的相位中心，都可以消除杆臂的影響，為GNSS/INS組合導航系統提供同一空間點上的衛星信號與慣性測量數據(加速度/角速率)。根據現有IMU設計技術，慣性測量單元的測量中心，一般是加速度計的幾何中心。以下結合附圖和實施例詳細說明本發明技術方案。各實施例中只設置了一個GNSS 天線。設置多個GNSS天線時，只需根據多個GNSS天線的幾何空間位置，將每個GNSS天線的相位中心合成等效中心，作為GNSS天線整體的相位中心。其他處理與只設置一個GNSS 天線的情況類似，本發明不予贅述。如圖2所示，實施例一是本發明最簡明的一種實施方式，設置一個慣性測量單元。 將慣性測量單元的測量中心(指加速度計的測量中心)與GNSS天線的相位中心上下對齊，就近安裝，設置在同一垂直線上，這樣消除了水平位置上的杆臂誤差。然後對豎直方向上的杆臂力進行精密測量，該測量值作為一體化天線的參數提供給用戶，方便用戶根據此固定的參數值，在慣性導航算法中消除其杆臂效應，慣性測量單元的測量中心等效轉換到GNSS天線的相位中心。在非精密導航定位應用中，由於慣性測量單元與天線是就近安裝，垂直方向上的杆臂可以忽略，此時即可視為慣性測量單元(主要指加速度計)的測量中心與GNSS天線相位中心重合。如圖3所示，實施例二是一種垂直向的雙MU結構，在不影響GNSS天線接收信號的條件下，基於實施例一的結構，在同一垂直線上增加一個慣性測量單元。這樣兩個慣性測量單元的測量中心合成的等效中心與GNSS天線的相位中心處於同一垂直線上。兩個加速度計模塊同位於天線下側，將慣性測量單元的測量中心(指兩個加速度計的測量中心)與天線相位中心上下對齊，就近安裝，並將高程方向的杆臂(A1A2)精確測量出來。設兩個加速度計測量的比力為/；、/2，C1, C2為係數，/為等效的加速度計測量，加速度計比力測量的有如下投影關係
/ = cifi + c2fi > C1Ic2 = -H2Ihl, C1 + C3=I
進行精密機械位置安裝後，K與足作為一體化天線的參數提供給用戶，用戶據天線結構和上述算法即可得到GNSS天線相位中心與慣性測量中心對齊後的等效比力測量值f,實現將慣性測量單元整體的測量中心等效轉換到GNSS天線的相位中心，在慣性導航算法中消除杆臂效應。如圖4所示，實施例三是一種水平向的雙IMU結構，在不影響GNSS天線接收信號的條件下，在水平方向上放置2個慣性測量單元，將2個加速度計模塊分布於天線左右兩側。調節GNSS天線與2個IMU的垂直方向的位置，使天線的相位中心與2個IMU的測量中心位於同於水平線上，並就近安裝。這樣，兩個慣性測量單元的測量中心合成的等效中心與GNSS天線的相位中心處於同一水平線上，消除了垂直方向上的杆臂。測量2個加速度計的測量中心至GNSS天線相位中心的水平距離J1與72。則可以通過以下方式將2個加速度計的等效測量中心轉換至GNSS天線的測量中心
/ = + k2f2 ， ks k2~ i2 / 4，+ k2=l
其中/為等效比力測量值，/；、/2分別為兩個加速度計的實際測量，七、毛分別為加速度計I和加速度計2的比力測量等效係數。
J1與72作為一體化天線的參數提供給用戶，用戶據天線結構和上述算法即可得到 GNSS天線相位中心與慣性測量中心對齊後的等效比力測量值/，實現將慣性測量單元整體的測量中心等效轉換到GNSS天線的相位中心，在慣性導航算法中消除杆臂效應。如圖5所示，實施例四是水平向的雙MU結構的一種特殊情形，對2個頂U安裝精
密設置對稱位置，即4=44則設兩個加速度計測量的比力為 \, /2，加速度計比力測量的有
如下投影關係
權利要求
1.一種GNSS/MU—體化天線，其特徵在於將一個或以上GNSS天線與一個或以上慣性測量單元一體化安裝，當設有一個以上GNSS天線時,GNSS天線整體的相位中心是每個GNSS天線的相位中心合成的等效中心，當設有一個以上慣性測量單元時，慣性測量單元整體的測量中心是每個慣性測量單元的測量中心合成的等效中心；當設有一個GNSS天線時，GNSS天線整體的相位中心就是這個GNSS天線的相位中心, 當設有一個慣性測量單元時，慣性測量單元整體的測量中心就是這個慣性測量單元的測量中心；將慣性測量單元整體的測量中心和GNSS天線整體的相位中心設置在同一垂直線或水平線上,或者直接將慣性測量單元整體的測量中心與GNSS天線整體的相位中心重合。
2.根據權利要求I所述的GNSS/IMU—體化天線，其特徵在於所述將GNSS天線與慣性測量單元一體化安裝，是將GNSS天線與慣性測量單元安裝於一個殼體中或同一個支架上， 整體作為一個測量部件。
3.根據權利要求2所述的GNSS/IMU—體化天線，其特徵在於所述GNSS天線為可接收全球系統或區域系統或廣域增強系統的定位天線。
4.根據權利要求2所述的GNSS/IMU—體化天線，其特徵在於所述慣性測量單元，是三軸陀螺和三軸加速度計構成的慣性測量單元，或是帶有冗餘配置的慣性測量單元，或是不完整軸線配置的慣性測量單元，或是單軸慣性傳感器。
5.根據權利要求2或3或4所述的GNSS/IMU—體化天線，其特徵在於GNSS天線所得信號通過饋線傳輸，慣性測量單元所得IMU信號的傳輸方式採用以下三種方式之一，(1)在一天化天線的殼體或支架上設置接口，IMU信號與電源通過接口連接到外部設備;(2)在饋線中增加線纜，將IMU信號與電源通過饋線中增加的線纜傳輸；(3)將IMU慣性測量信號調製後，與GNSS天線所得信號經同一饋線傳輸。
6.根據權利要求2或3或4所述的GNSS/IMU—體化天線，其特徵在於所述慣性測量單元的測量中心，是指加速度計的測量中心；設置的慣性測量單元數量多於一個時，只設置一個完整配置的慣性測量單元，其他的慣性測量單元只配置加速度計。
7.根據權利要求2或3或4所述的GNSS/IMU—體化天線，其特徵在於當慣性測量單元整體的測量中心和GNSS天線整體的相位中心設置在同一垂直線或水平線上時，將測量中心和相位中心的距離作為一體化天線的參數提供；進行導航工作時，由慣性導航算法基於參數將慣性測量單元整體的測量中心等效轉換到GNSS天線整體的相位中心，消除杆臂效應。
全文摘要
本發明涉及一種GNSS/IMU一體化天線，將一個或以上GNSS天線與一個或以上慣性測量單元一體化安裝，將慣性測量單元整體的測量中心和GNSS天線整體的相位中心設置在同一垂直線或水平線上，或者直接將慣性測量單元整體的測量中心與GNSS天線整體的相位中心重合。本發明根據慣性測量單元與GNSS天線的幾何安裝位置，將慣性測量單元整體的測量中心與GNSS天線整體的相位中心重合或等效轉換至GNSS天線整體的相位中心，消除慣性測量單元與GNSS天線之間的杆臂效應，簡化組合導航算法中杆臂補償環節，減小相應誤差，以簡化系統設計和方便用戶安裝使用。
文檔編號G01S19/49GK102590842SQ20121004047
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月22日 優先權日2012年2月22日
發明者張提升, 施闖, 牛小驥, 班亞龍, 章紅平 申請人:武漢大學