[发明专利]一种仿生偏振/惯性/大气数据组合导航系统

说明书

本发明涉及一种仿生偏振/惯性/大气数据组合导航系统，包括导航传感器、解算模块、接口电路、微处理器、存储模块及电源模块。传感器由仿生偏振传感器、惯性测量单元和大气数据系统组成。其中，仿生偏振传感器包含光学相机、电机和偏振器件等部件；大气数据系统由全静压传感器、全静压管路和总温电路组成。工作流程为，传感器模块采集大气环境中的偏振光信息、大气静压、全压等数据，将数据传送至解算模块，处理器判断传感器是否可靠工作，选择工作模式，解算出航向角、真空速、高度等信息，用于补偿校正导航系统的姿态、速度，存储并输出导航参数。本发明具有导航模式灵活、自主性强、体积小等优点，具有干扰抑制、故障检测和系统重构功能。

技术领域

本发明涉及组合导航的技术领域，具体涉及一种仿生偏振/惯性/大气数据组合导航系统。

背景技术

导航是测量并估计运载体及运动体的位置、速度、姿态等物理量以引导设备从一点到达目标点的技术。组合导航利用多种导航传感器的信息源，互相补充，构成具有多余度且导航准确度较高的多功能系统，是目前国家科技发展的前沿技术和重点领域之一。惯性/卫星组合(INS/GNSS)导航技术是目前应用最为广泛的组合导航方式。然而，GNSS卫星导航信号易受到广播电台、中继电台、雷达站甚至人为干扰等电磁干扰、电子欺瞒等特殊环境的影响而无法工作，使得其数据连续性难以得到保证，且频带较窄，在机体高机动运动时易失锁。这一问题随着飞行器、机器人作业范围的逐渐增大，已经成为飞行器、机器人导航领域的瓶颈技术。惯性导航具有独立解算的优势，自主性与抗干扰性较强，导航参数全，可以输出位置、速度、航向、姿态等导航参数，但其误差会随时间积累，长时间精度低。为减少对卫星导航的依赖性，提高惯性导航的精度，迫切需要设计一种不依赖卫星导航信息，具有高度独立性、抗干扰能力且高精度的全自主组合导航系统。

仿生偏振导航技术是对动物的导航及定位能力的模拟与学习，具有自主性强、可靠性强、误差不随时间积累、具有较强的环境适应性等特点，是补偿、校正惯性导航系统姿态测量误差的有力技术手段。仿生偏振光导航方式利用天空中的大气偏振光分布模式确定载体的航向角，是一种新型自主导航方式。仿生偏振导航方式具备与惯性导航系统兼容互补的特性，已经成为了组合导航领域新兴的研究热点。

本系统中考虑到基于图像对称轴的仿生偏振传感器具有较强的环境适应性，借助大气数据系统和惯性导航系统组合，保证导航系统正常工作，增强了导航系统的可靠性及环境适应性。

现阶段的仿生偏振导航只能用于确定并校正系统的姿态，而惯性导航系统在独立运行时会快速累积较大的偏差，精度明显下降，难以在没有可靠卫星导航信号的情况下进行高精度、全自主定位。

大气数据系统由全静压传感器、全静压管路、总温电路和大气数据计算机组成。通过对全静压传感器和全静压管路收集到的全压和静压与总温进行导航解算，得到飞机重要的导航参数如高度、真空速、升降速度等，是飞行器上常用的导航传感器。本发明设计根据所建立风速模型和大气数据系统采集数据实时解算东向地速、北向地速、真空速、高度及升降速度信息，是辅助并校正惯性导航中高度、速度等信息的有效手段，也可以独立获取速度、高度信息。

中国专利申请“一种基于偏振信息的组合导航方法”，申请公布号CN106767752A将偏振信息应用到组合导航系统中，利用偏振导航修正组合导航系统的姿态角误差。但是该技术并不能修正惯性导航系统的速度、高度误差，没有解决惯性导航系统速度、高度数据快速发散的问题，实时定位精度无法得到保证。中国专利申请“一种嵌入式大气数据系统与惯性导航系统的数据融合方法”，申请公开号CN105066994A利用大气数据与惯性导航数据融合输出，并未利用天空偏振信息，无法高精度获取姿态角信息，且无智能模式切换功能，数据可靠性及环境适应性难以得到保证。目前尚无报道将大气数据系统，仿生偏振导航与惯性导航组合设计的全自主组合导航系统。大气数据系统可以与惯性导航、仿生偏振导航组合，有效提升组合导航系统速度、高度等导航参数的精度及收敛速度，也可以与惯性或偏振传感器各自独立组合，实现陆上和空中导航的路径解算与实时定位。综上所述，该系统符合组合导航系统的协合超越功能、互补功能、余度功能，具有智能化、自主性强、环境适应性强的特点。