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。
本发明涉及一种仿生偏振/惯性/大气数据组合导航系统，组合导航系统由图像式仿生偏振传感器、惯导系统和大气数据系统组成。正常工作下包括三种导航模式，模式一：在正常运行情况下，利用偏振导航、大气数据系统与惯性导航进行模式匹配，实现仿生偏振/惯性/大气自主导航；模式二：在偏振信号受干扰或难以获取情况下，利用大气辅助导航与惯性导航进行模式匹配，进行惯性/大气组合导航。模式三：在惯导信息发生故障时，可不依赖惯性导航信息，由偏振传感器提供的航向角信息和大气数据系统提供的速度、高度信息进行模式匹配，路径积分，独立解算位置信息。本系统可实时输出载体的速度、高度、姿态等导航信息及实时定位信息，适用于无人机的姿态确定及实时定位。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题为：克服单一导航系统精度较低、抗干扰能力差等缺点，利用偏振导航、大气数据系统与惯性导航进行模式匹配，进行仿生偏振/大气/惯性自主导航；在偏振信号受干扰或难以获取情况下，利用大气辅助导航与惯性导航进行模式匹配，进行大气辅助/惯性自主导航；不依赖惯性导航信息时，由偏振传感器提供的航向角信息和大气数据系统提供的速度、高度信息进行模式匹配，路径积分，独立解算位置信息，实现环境适应性强的多模式自主组合导航，运用仿生学及组合导航的原理，克服了单一导航手段精度及可靠性不高的缺点。
本发明采用的技术方案为：一种仿生偏振/惯性/大气数据组合导航系统，包括组合传感器模块，导航解算模块，接口电路，微处理器，存储模块以及电源模块，其中，组合传感器模块包括偏振传感器，惯导系统及由静压传感器、总压传感器和总温电路组成的大气数据系统；导航解算模块包括压力变送器，压力变送器的rs232接口，总温电路的rs232接口，惯导系统的rs422接口，偏振传感器的rs422接口，电平转换芯片，惯导解算arm芯片和图像式偏振导航解算dsp芯片；接口电路包括pwm接口、sbus接口及遥控模块接口rs232；接口电路中，pwm接口和sbus接口分别通过隔离器和反相器与微处理器连接，遥控模块接口遥控模块接口rs232通过电平转换芯片与微处理器连接；电源模块为微处理器提供稳定电源；惯导系统通过惯导系统的rs422接口将测量数据传送给arm芯片进行自我检测和导航解算，将结果输出到微处理器；大气数据系统分别通过压力变送器，压力变送器的rs232接口和总温电路的rs232接口将将测量数据输出到微处理器，进行自我检测和导航解算。偏振传感器通过偏振传感器的rs422接口和电平转换芯片，与图像式偏振导航解算dsp芯片相连，进行自我检测，图像处理及导航解算，并输出到微处理器；微处理器将所有数据存储到存储模块的flash芯片及sdram内存上。
其中，导航解算模块中的惯性导航解算arm芯片和图像式偏振导航解算dsp芯片具有自我检测功能，可以通过检测输入数据的范围及稳定性，判断相应传感器的工作状态及其导航数据的可靠性，并输出至微处理器，自动切换导航模式；在偏振信号受干扰情况下，利用偏振导航、大气数据系统与惯性导航进行模式匹配，进行仿生偏振/大气数据系统/惯性自主导航；在偏振信号受干扰或难以获取情况下，利用大气数据系统与惯性导航进行模式匹配，实现大气数据系统/惯性自主导航；不依赖惯性导航信息时，由偏振传感器提供的航向角信息和大气数据系统提供的速度，高度信息进行模式匹配，独立解算位置信息；
其中，所述的电源模块由锂电池和电源转换芯片组成，锂电池的输出电压可由电源转换芯片转换成3.3v、4.2v、5v三种不同电压，满足系统对不同电压的需求；所述的pwm接口和sbus接口为控制接口，其中pwm接口通过隔离器，将微处理器的六路定时器引出，从而输出六路pwm波控制信号，sbus接口通过反相器与微处理器的一路串口输入端相连，可以外接遥控接收机来接收遥控指令，实现无线远程操控；所述的微处理器包括组合导航信息融合arm芯片；所述的存储模块由一片flash芯片及sdram模块构成，可实现对导航解算数据的大容量存储；所述的串口接口遥控模块接口rs232通过电平转换芯片与微处理器的一路串口相连，可与上位机通信，进行程序调试、更新工作；组合导航信息融合arm芯片通过接收导航解算芯片传递的信号，智能切换组合导航系统的信息融合工作模式；模式一：在正常运行情况下，利用偏振导航、大气数据系统与惯性导航进行模式匹配，进行仿生偏振/大气/惯性自主导航；模式二：在偏振信号受干扰或难以获取情况下，利用大气辅助导航与惯性导航进行模式匹配，进行大气辅助/惯性自主导航；模式三：在惯性导航系统发生故障时，可不依赖惯性导航信息，由偏振传感器提供的航向角信息和大气数据系统提供的速度、高度信息进行模式匹配，独立解算位置信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)较传统的单一导航系统或者常规的gnss/ins组合导航系统，本发明利用了大气数据系统及图像式仿生偏振系统提供的环境信息，具有多种导航模式，可以在所有传感器数据在可靠范围内时提供高精度组合导航信息，而在有传感器信号受干扰的情况下进入偏振-惯性或大气-偏振全自主导航模式，具有较高的自主性，可靠性，环境适应性。
(2)由偏振传感器提供的航向角信息和由大气数据系统提供的真空速、高度等信息均可作为冗余信息有效提高与惯性导航的组合导航系统精度，对惯性导航误差的累积发散实现有效的校正。
(3)本发明采用体积较小且便于安装的嵌入式设计，数据处理能力强。所选用的传感器均为高精度数字信号输出传感器，由于a/d环节被省去，系统处理的延迟大幅减小，系统稳定性得到提高。
(4)本发明作为一个具有多种导航模式的新型组合导航系统，可根据载体的实时导航(姿态及定位)信息和遥控信号对载体发出控制指令。
附图说明
图1为本发明的组合导航数据结构图；
图2为本发明的结构组成框图；
图3为本发明工作模式一的原理流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图2所示，为本发明的结构组成框图，即一种多模式仿生偏振/大气数据组合导航系统。本发明一种仿生偏振/惯性/大气数据组合导航系统包括传感器模块15，导航解算模块30，接口电路11，微处理器1，存储模块3以及电源模块5。其中，传感器模块15包括偏振传感器21，惯导系统20及由静压传感器17，总压传感器18和总温电路19组成的大气数据系统16，导航解算模块30包括压力变送器22，压力变送器的rs232接口27，总温电路的rs232接口23，惯导系统的rs422接口24，偏振传感器的rs422接口25，电平转换芯片26，惯导解算arm芯片28和图像式偏振导航解算dsp芯片29，接口电路11包括pwm接口12、sbus接口13及遥控模块接口rs23214。接口电路中，pwm接口12和sbus接口13分别通过隔离器8和反相器9与微处理器1连接，遥控模块接口遥控模块接口rs23214通过电平转换芯片10与微处理器1连接。电源模块5为微处理器1提供稳定电源。惯导系统20通过惯导系统的rs422接口24将测量数据传送给arm芯片28进行自我检测和导航解算，将结果输出到微处理器1。大气数据系统16分别通过压力变送器22，压力变送器的rs232接口27和总温电路的rs232接口23将将测量数据输出到微处理器1，进行自我检测和导航解算。偏振传感器21通过偏振传感器的rs422接口25和电平转换芯片26，与图像式偏振导航解算dsp芯片29相连，进行自我检测，图像处理及导航解算，并输出到微处理器1。微处理器1将所有数据存储到存储模块3的flash芯片4及sdram内存5上。
如图1所示，为本发明工作模式一的组合导航数据结构图。在硬件组成上包含惯性导航系统(ins)、大气数据系统(ads)和偏振导航系统(pol)组成，ins可以输出速度、姿态、航向和位置信息，可以输出导航及定位信息；大气数据系统输出真空速和高度等信息，偏振导航系统输出航向角信息，ins可以与ads组合形成ins/ads组合导航系统，实现速度和高度的精确输出；pol可以辅助ins校正航向角，并组合形成ins/pol组合导航系统。在软件算法上使用卡尔曼滤波的方法，卡尔曼滤波包括时间更新和测量更新，时间更新主要是针对系统状态，这里没有新的量测信息的引入，测量更新则引入了大气数据系统信息和ins的信息实现速度和高度的校正，同时偏振信息的引入用于校正惯性导航系统的航向角，并将估计的导航参数通过反馈校正惯性导航系统。
如图3所示，给出了本发明工作模式一的原理流程图。系统开始工作后，电源模块上电，并对系统进行初始化。此时系统为全自主组合导航系统，惯导系统、大气数据系统和偏振传感器这三种传感器同时开始采集数据。其中惯导系统采集陀螺、加速度计的数据，大气信息系统中的空速表和气压计采集实时总温、总压及静压信息，偏振传感器通过偏振器件采集相机上的图像。这些数据通过接口电路传送至导航解算模块。
在接收到量测数据后，导航解算模块首先进行自我检测，通过输入数据的范围及稳定性，判断相应传感器的工作状态及其导航数据的可靠性，并输出至微处理器，自动切换导航模式。在无外部干扰情况下，利用偏振导航、大气数据系统与惯性导航进行模式匹配，进行仿生偏振/大气/惯性自主导航；在偏振信号受干扰或难以获取情况下，利用大气辅助导航与惯性导航进行模式匹配，进行大气辅助/惯性自主导航；不依赖惯性导航信息时，由偏振传感器提供的航向角信息和大气数据系统提供的速度，高度信息进行模式匹配，独立解算位置信息。
在确定模式后，进行导航解算，由总压、静压及总温信息解算得到真空速、高度、升降速度等信息，并实时计算风速模型获取地速信息，通过姿态角信息解算东向，北向地速信息。微处理器将大气数据系统测得的真空速，高度信息和偏振传感器测得的姿态角信息作为冗余辅助信息以松耦合形式对惯导系统的输出进行校正，储存最终的速度、相对位置、姿态导航信息，并根据所得到的导航信息为载体或执行机构发出控制指令。