首页 / 专利分类库 / 测时学 / 无线电控制的计时器[2013.01] / 一种弹性集成的水下定位导航授时终端

一种弹性集成的定位导航授时终端

申请号 CN202210254273.3 申请日 2022-03-15 公开(公告)号 CN115208965A 公开(公告)日 2022-10-18
申请人 北京金坤科创技术有限公司; 发明人 吴彤;
摘要 本 发明 公开了一种弹性集成的 水 下 定位 导航授时(PNT)终端。水下PNT终端采用共性 传感器 深度集成,水下传感器弹性集成的总体架构。将卫星定位模 块 、微惯导、微时钟、通信模块等定义为共性传感器,并在水下PNT终端的核心板卡上进行深度集成;对于声呐、高 精度 惯导、多普勒测速仪、温盐深仪、声速剖面仪、压 力 计、磁力仪等水下传感器,采用核心板卡与各类水下传感器之间的标准 接口 实现即插即用。弹性集成的核心在于,水下传感器并非硬性 捆 绑,而是通过导航场景自主 感知 ,水下PNT终端能够快速实现水下传感器的自适应接入与移出,并确定不同传感器的最佳组合和最优参数。本发明在无人船、潜航器等的导航定位 载荷 上具有良好的应用前景。
权利要求

1.一种弹性集成的定位导航授时终端,其特征在于:
所述水下定位导航授时(PNT)终端采用共性传感器深度集成,水下传感器弹性集成的总体架构;
所述水下PNT终端的关键部件是核心板卡,所述核心板卡包括主控单元、共性传感器单元、拓展外设接口单元、电源管理单元、以及数据存储单元;
所述主控单元承载所述水下PNT终端的主控逻辑与核心算法,其中算法层面包括四个子系统,分别是多源融合时空预处理子系统、复杂场景感知子系统、自适应传感器接入与移出子系统、多源融合弹性定位子系统;
所述弹性集成,是指所述水下传感器并非松散式硬性绑地集成,而是通过导航场景自主感知,所述水下PNT终端能够快速实现所述水下传感器的自适应接入与移出,并确定不同所述水下传感器的最佳组合和最优参数。
2.根据权利要求1所述的一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
所述多源融合时空预处理子系统,是向所述主控单元提供所述共性传感器与所述水下传感器的原始观测数据的时空基准对准与预处理结果;
所述复杂场景感知子系统,是基于所述共性传感器与所述水下传感器的原始观测数据的时空基准对准与预处理结果,根据函数模型、或指纹匹配、或大数据分析提供复杂场景类型判定的结果;
所述自适应传感器接入与移出子系统,是所述水下PNT终端弹性集成的核心软件子系统;
所述自适应传感器接入与移出子系统基于所述复杂场景类型判定的结果,结合导航场景先验信息,快速进行所述水下传感器参数的最优配置,以及所述共性传感器与所述水下传感器的最优组合;
向所述主控单元提供在当前所述复杂场景类型下应参与定位导航的所述共性传感器或所述水下传感器,并保持所述共性传感器或所述水下传感器同所述主控单元的逻辑连接,分别给出各个所述共性传感器或所述水下传感器的置信度结果;
进一步的,所述自适应传感器接入与移出子系统将此时用不上的所述共性传感器或所述水下传感器同所述主控单元断开逻辑连接,即物理上保持连接但逻辑上移出,即同时满足导航性能指标以及所述水下PNT终端低功耗的约束条件下,实现不同复杂场景下所述水下传感器的弹性化重构,从而具备多场景无缝切换的能,并将进行场景软切换需预留的所述共性传感器或所述水下传感器列表提供给主控单元;
所述多源融合弹性定位子系统,是基于所述自适应传感器接入与移出子系统输出的当前所述复杂场景类型下应参与定位导航的所述共性传感器或所述水下传感器的列表信息,并根据所述共性传感器或所述水下传感器进行所述时空基准对准后的量测数据,通过多源融合定位算法,计算所述水下PNT终端的位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
所述拓展外设接口单元,包含一个或多个,一种或多种用于所述水下传感器接入的外部接口;所述外部接口是用于所述水下PNT终端的核心板卡与所述水下传感器之间的标准数据接口,包括但不限于RS232接口、RS422接口、RS485接口,实现所述水下传感器相对于所述水下PNT终端的即插即用;根据具体应用场景决定所述外部接口的数量、种类,并在所述核心板卡上进行配置和预留;
所述水下PNT终端能够通过所述拓展外设接口单元,具备智能识别接入到所述外部接口的所述水下传感器的种类和数量的能力,识别方式包括但不限于高低电平信号采集、原始测量信息采集、接口协议字段解析。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
所述主控单元根据所述自适应传感器接入与移出子系统输出的参与定位导航的所述共性传感器或所述水下传感器列表、以及对应所述共性传感器或所述水下传感器的置信度、或再包括场景软切换需预留的所述共性传感器或所述水下传感器列表,生成所述电源管理单元所利用的供电控制信息。
5.根据权利要求1和权利要求4所述的一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
所述电源管理单元负责所述水下PNT终端的所述核心板卡的供电,但并不向即插即用的所述水下传感器提供供电;
所述电源管理单元周期性地、或事件触发式地接收到来自所述主控单元发送的供电控制信息,采用供电使能信号,调整承载在所述核心板卡上的所述共性传感器的供电状态,以及所述水下传感器的连接状态,以动态优化并调整所述水下PNT终端的整机功耗;
所述供电使能信号,是对应所述共性传感器与所述水下传感器的供电使能信号集合,即每个所述共性传感器、每个所述水下传感器都对应一路供电使能信号。
6.根据权利要求1所述的一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
所述数据存储单元,用于解算数据和采样数据的存储,包括但不限于定位位置信息、以及所述共性传感器和所述水下传感器的各类原始采样信息、时间戳信息。
7.根据权利要求1所述的一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
所述共性传感器单元,由所述共性传感器组成,包括但不限于卫星定位模、微惯导、微时钟、通信模块;
所述共性传感器需采用集成度高、体积小、功耗低的芯片或模组级产品。
8.根据权利要求1和权利要求3所述的一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
所述水下传感器包括但不限于声呐、高精度惯导、多普勒测速仪、温盐深仪、声速剖面仪、压力计、磁力仪;
所述水下传感器具有独立的供电单元和水密线缆,且支持即插即用式的外部标准接口和数据传输线缆。
9.根据权利要求1所述的一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
所述水下PNT终端的所述核心板卡,针对所述主控单元、所述共性传感器单元、所述拓展外设接口单元、所述电源管理单元、以及所述数据存储单元,采用最简电路设计和最优化共用组件的方式,将上述各个单元深度集成到所述核心板卡上;
进一步的,为减小所述水下PNT终端的体积,所述核心板卡还将采用如下方式,包括但不限于双面PCB布局、兼顾抗电磁干扰的高密度信号走线、高密度贴片工艺、多层板卡安装。

说明书全文

一种弹性集成的定位导航授时终端

技术领域

[0001] 本发明涉及导航定位、水面无人船、水下无人艇等应用领域。

背景技术

[0002] 随着导航定位技术与智能控制技术的快速发展,无人机、无人车、无人船、水下无人艇等已经在国民生产诸多领域中获得越来越多的关注与应用,导航定位技术就像是无人系列载体的眼睛,提供精确的位置信息,智能控制技术则通过高精度的位置信息,有效控制动系统、导航系统、通信系统等的高效配合,使得无人载体在复杂场景下可按照既定路线精准前行。在无人系列的领域中,水下(包括江、河、湖、海)无人船/无人艇的定位导航授时(PNT,time,navigation and time)由于长时间无法依赖卫星定位(GNSS)信号,因此必须要采用其它类型的传感器来进行水下定位;再考虑到水下传感器的特殊性,包括它们的功耗、体积、以及水下密闭防水、克服水流以及耐压等复杂环境的因素,研制实现高精度定位导航的水下定位导航授时PNT终端已是水上/水下无人船、无人艇等业界关注的热点。
[0003] 为了满足多场景、高可用、坚韧连续的导航定位需求,水下PNT终端必须采用多源传感器的集成解决方案。然而,多源传感器的集成存在诸多亟待解决的技术问题。首先,当前大部分多PNT终端的组件及接口存在非标准化问题,各类传感器组件难以通联,多源PNT集成通常采取松散式硬性绑,并且每种水下传感器都有自身特定的数据展示平台或界面,难以实现真正的多维数据融合;其次,由于多种水下传感器的尺寸与重量相对于地面上通常采用的定位导航类传感器要更大,且水下传感器所采用的定位机制与原理差异性也非常大,因此直接将不同种类的传感器合并在一起来实现终端小型化,是完全不可行的;第三,随着导航集成的多源异构传感器数量不断增加,能否根据水下场景自适应地选择传感器的最优组合与最佳硬件参数配置是亟待解决的痛点问题,同时,多源信息融合处理的复杂度也急剧增加,会消耗大量的硬件资源,很难降低终端功耗。因此,如何能将水下多源异构传感器能够有效地、有机的结合成一个有效的物理实体——即水下PNT终端,并从硬件集成、传感器智能选配、软件自适应融合算法等方面有技术突破,整体降低终端功耗并实现终端小型化,是水下PNT终端研制的核心关键所在。
[0004] 本发明公开了一种弹性集成的水下定位导航授时终端,核心思想是,水下PNT终端采用共性传感器深度集成,水下传感器弹性集成的总体架构。将卫星定位模、微惯导、微时钟、通信模块等定义为共性传感器,并在水下PNT终端的核心板卡上进行深度集成;共性传感器的主要应用点在水面场景,卫星定位模块、微惯导、微时钟、通信模块等均能发挥相应的导航与通信功能;对于声呐、高精度惯导、多普勒测速仪、温盐深仪、声速剖面仪、压力计、磁力仪等水下传感器,采用核心板卡与各类水下传感器之间的标准接口实现即插即用。弹性集成的核心在于,水下传感器并非硬性捆绑,而是支持通过导航场景自主感知,核心板卡不仅支持新型和非传统传感器接入与快速重新配置,并能实现水下传感器的自适应接入与移出,并确定不同传感器的最佳组合和最优参数。这种弹性化的硬件架构能支持建立场景自适应的软件算法模块调度机制,实现传感器功能的在嵌入式软件与核心算法层面的弹性融合。通过共性传感器深度集成与水下传感器弹性集成的方式,为真正意义上实现水下PNT终端的小型化、低功耗、以及水下多源传感器的数据融合提供了有效的解决方案。

发明内容

[0005] 本发明公开了一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
[0006] 所述水下定位导航授时(PNT)终端采用共性传感器深度集成,水下传感器弹性集成的总体架构;所述水下PNT终端的关键部件是核心板卡,所述核心板卡包括主控单元、共性传感器单元、拓展外设接口单元、电源管理单元、以及数据存储单元;
[0007] 所述主控单元承载所述水下PNT终端的主控逻辑与核心算法,其中算法层面包括四个子系统,分别是多源融合时空预处理子系统、复杂场景感知子系统、自适应传感器接入与移出子系统、多源融合弹性定位子系统;
[0008] 所述弹性集成,是指所述水下传感器并非松散式硬性捆绑地集成,而是通过导航场景自主感知,所述水下PNT终端能够快速实现所述水下传感器的自适应接入与移出,并确定不同所述水下传感器的最佳组合和最优参数。
[0009] 一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
[0010] 所述多源融合时空预处理子系统,是向所述主控单元提供所述共性传感器与所述水下传感器的原始观测数据的时空基准对准与预处理结果;
[0011] 所述复杂场景感知子系统,是基于所述共性传感器与所述水下传感器的原始观测数据的时空基准对准与预处理结果,根据函数模型、或指纹匹配、或大数据分析提供复杂场景类型判定的结果;
[0012] 所述自适应传感器接入与移出子系统,是所述水下PNT终端弹性集成的核心软件子系统;所述自适应传感器接入与移出子系统基于所述复杂场景类型判定的结果,结合导航场景先验信息,快速进行所述水下传感器参数的最优配置,以及所述共性传感器与所述水下传感器的最优组合;向所述主控单元提供在当前所述复杂场景类型下应参与定位导航的所述共性传感器或所述水下传感器,并保持所述共性传感器或所述水下传感器同所述主控单元的逻辑连接,分别给出各个所述共性传感器或所述水下传感器的置信度结果;进一步的,所述自适应传感器接入与移出子系统将此时用不上的所述共性传感器或所述水下传感器同所述主控单元断开逻辑连接,即物理上保持连接但逻辑上移出,即同时满足导航性能指标以及所述水下PNT终端低功耗的约束条件下,实现不同复杂场景下所述水下传感器的弹性化重构,从而具备多场景无缝切换的能力,并将进行场景软切换需预留的所述共性传感器或所述水下传感器列表提供给主控单元;
[0013] 所述多源融合弹性定位子系统,是基于所述自适应传感器接入与移出子系统输出的当前所述复杂场景类型下应参与定位导航的所述共性传感器或所述水下传感器的列表信息,并根据所述共性传感器或所述水下传感器进行所述时空基准对准后的量测数据,通过多源融合定位算法,计算所述水下PNT终端的位置信息。
[0014] 一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
[0015] 所述拓展外设接口单元,包含一个或多个,一种或多种用于所述水下传感器接入的外部接口;所述外部接口是用于所述水下PNT终端的核心板卡与所述水下传感器之间的标准数据接口,包括但不限于RS232接口、RS422接口、RS485接口,实现所述水下传感器相对于所述水下PNT终端的即插即用;根据具体应用场景决定所述外部接口的数量、种类,并在所述核心板卡上进行配置和预留;
[0016] 所述水下PNT终端能够通过所述拓展外设接口单元,具备智能识别接入到所述外部接口的所述水下传感器的种类和数量的能力,识别方式包括但不限于高低电平信号采集、原始测量信息采集、接口协议字段解析。
[0017] 所述主控单元根据所述自适应传感器接入与移出子系统输出的参与定位导航的所述共性传感器或所述水下传感器列表、以及对应所述共性传感器或所述水下传感器的置信度、或再包括场景软切换需预留的所述共性传感器或所述水下传感器列表,生成所述电源管理单元所利用的供电控制信息。
[0018] 所述电源管理单元负责所述水下PNT终端的所述核心板卡的供电,但并不向即插即用的所述水下传感器提供供电;所述电源管理单元周期性地、或事件触发式地接收到来自所述主控单元发送的供电控制信息,采用供电使能信号,调整承载在所述核心板卡上的所述共性传感器的供电状态,以及所述水下传感器的连接状态,以动态优化并调整所述水下PNT终端的整机功耗;所述供电使能信号,是对应所述共性传感器与所述水下传感器的供电使能信号集合,即每个所述共性传感器、每个所述水下传感器都对应一路供电使能信号。
[0019] 所述数据存储单元,用于解算数据和采样数据的存储,包括但不限于定位位置信息、以及所述共性传感器和所述水下传感器的各类原始采样信息、时间戳信息。
[0020] 一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
[0021] 所述共性传感器单元,由所述共性传感器组成,包括但不限于卫星定位模块、微惯导、微时钟、通信模块;所述共性传感器需采用集成度高、体积小、功耗低的芯片或模组级产品。
[0022] 所述水下传感器包括但不限于声呐测距仪、高精度惯导、多普勒测速仪、温盐深仪、声速剖面仪、压力计、磁力仪;所述水下传感器具有独立的供电单元和水密线缆,且支持即插即用式的外部标准接口和数据传输线缆。
[0023] 一种弹性集成的水下定位导航授时终端,其特征在于:
[0024] 所述水下PNT终端的所述核心板卡,针对所述主控单元、所述共性传感器单元、所述拓展外设接口单元、所述电源管理单元、以及所述数据存储单元,采用最简电路设计和最优化共用组件的方式,将上述各个单元深度集成到所述核心板卡上;进一步的,为减小所述水下PNT终端的体积,所述核心板卡还将采用如下方式,包括但不限于双面PCB布局、兼顾抗电磁干扰的高密度信号走线、高密度贴片工艺、多层板卡安装。
[0025] 本发明公开了一种弹性集成的水下定位导航授时终端。首先,本发明将传感器分成两种类型,分别为共性传感器与水下传感器,并设计水下PNT终端采用共性传感器深度集成,水下传感器弹性集成的总体架构。共性传感器的主要应用点在水面场景的定位导航,当然共性传感器也可以支撑其它场景,如地表的车载场景,近地表的机载场景等。水下传感器的主要应用点在水下场景的定位导航,提供水下各种数据的原始观测与采集。其次,本发明的关键点在于弹性集成,一方面体现在硬件层面,核心板卡与各类水下传感器之间的标准接口实现即插即用,硬件上支持新型和非传统传感器接入与快速重新配置;另一方面体现在软件与算法层面,在核心板卡上承载了四个算法子系统,分别是多源融合时空预处理子系统、复杂场景感知子系统、自适应传感器接入与移出子系统、多源融合弹性定位子系统;这四个算法子系统具有密切的关联性,且自适应传感器接入与移出子系统是弹性集成的核心软件子系统,能快速进行水下传感器参数的最优配置,以及共性传感器与水下传感器的最优组合,从软件算法层面实现各传感器数据的有机融合。第三,通过共性传感器深度集成与水下传感器弹性集成的方式,为实现水下PNT终端的小型化、低功耗、以及水下多源传感器的数据融合提供了有效的解决方案。本发明适用于水下定位导航场景,特别是搭载在ROV或AUV等潜航器平台,或水面无人船、水下无人艇等,具有广阔的应用前景。
附图说明
[0026] 图1是一种弹性集成的水下PNT终端的概念示意图。
[0027] 图2是水下PNT终端的核心板卡硬件架构示意图。
[0028] 图3是核心板卡中主控单元的嵌入式算法框架示意图。
[0029] 图4是实施例1弹性集成的水下PNT终端的组成示意图。
[0030] 图5是实施例1弹性集成的水下PNT终端进行海洋实验的系统连接示意图。具体实施例
[0031] 实施例1:
[0032] 基于发明内容,本实施例详细阐述一种弹性集成的水下PNT终端的原理及组成。本实施例中,水下PNT终端由核心板卡、显控单元、按键单元所组成。其中核心板卡是水下PNT终端的硬件核心部分;而显控单元和按键单元是用于人机交互的外部接口。显控单元主要进行水下航行的实时位置显示与轨迹显示,同时可以展示不同传感器的采集参数、工作状态、以及各类预警报警信息;按键单元主要方便操作人员进行按键等人机交互操作。水下PNT终端采用共性传感器深度集成,水下传感器弹性集成的总体架构,此架构体现在核心板卡的硬件组成上;核心板卡包括主控单元、共性传感器单元、拓展外设接口单元、电源管理单元、以及数据存储单元,如图4所示。
[0032] 共性传感器单元包括北斗/GNSS模块、微惯导模块、微时钟模块、以及用于无线通信的5G模块。拓展外设接口单元包括:RS232接口、RS422接口、RS485接口、UWB接口、网口。支持即插即用的水下传感器包括:声呐测距仪、高精度惯导、多普勒测速仪(DVL)、温盐深仪(CTD)、声速剖面仪(SVP)、压力计、磁力仪。
[0033] 为说明不同模组或即插即用传感器的连接方式,定义共性传感器接口(Iu),以及即插即用传感器接口(Ipnp),如图4所示。不同接口的定义和功能分别如下:
[0034] 共性传感器接口:包括Iu_1~Iu_4。
[0035] Iu_1:该接口面向北斗/GNSS模组;向主控单元输出解算的经纬高结果,以及北斗/GNSS卫星信号的伪距、多普勒、载波相位、星历、加速度、速度等卫星导航的原始观测数据,以及用于弹性增强模组特有的相关器结果;该接口输入为主控单元的控制信令,包括用于控制弹性增强模组NCO的多普勒/伪距估计信息;深度集成不仅体现在硬件上,也体现在算法层面的紧耦合,北斗/GNSS模组能提供上述原始观测量,是进行紧组合定位导航算法的基础
[0036] Iu_2:该接口面向微惯导模组;向主控单元输出微惯导九轴传感器原始观测数据;该接口输入为主控单元的控制信令;
[0037] Iu_3:该接口面向微时钟模组;向主控单元输出微时钟的原始观测数据,这是核心板卡内部进行统一授时和不同传感器时空校对的基准;该接口输入为主控单元的控制信令;
[0038] Iu_4:该接口面向通信模组;向主控单元输出5G蜂窝网络的无线信号原始观测数据;该接口输入为主控单元的控制信令。
[0039] 为保证弹性集成的水下PNT终端的可扩展性,共性传感器接口有预留;如果选用其它传感器作为共性传感器,同样可以采用深度集成的方式,在核心板卡上进行集成。
[0040] 即插即用传感器接口:包括Ipnp_1~Ipnp_7。
[0041] Ipnp_1:该接口面向声呐测距仪;向主控单元输出测距信息,该测距信息是基于声呐的收发设备,与水下的浅标,或者信标装置进行通信所测量出的声波在水下的传输时间,并折算成测距信息;该接口输入为主控单元的控制信令;在即插即用方面,为支持声呐测距仪的数据协议标准,采用拓展外设接口单元的RS232接口;
[0042] Ipnp_2:该接口面向温盐深仪(CTD);向主控单元输出海水温度、海水盐度和深度剖面数据等原始观测数据;该接口输入为主控单元控制信令;在即插即用方面,为支持CTD的数据协议标准,采用拓展外设接口单元的RS232接口;
[0043] Ipnp_3:该接口面向声速剖面仪(SVP);向主控单元输出不同方向和维度的声速、以及深度剖面的采集数据;该接口输入为主控单元控制信令;在即插即用方面,为支持SVP的数据协议标准,采用拓展外设接口单元的RS232接口;
[0044] Ipnp_4:该接口面向压力计;向主控单元输出压力计在水下复杂场景的原始观测数据,以转换成水下的深度信息;该接口输入为主控单元控制信令;在即插即用方面,为支持压力计的数据协议标准,采用拓展外设接口单元的RS232接口;
[0045] Ipnp_5:该接口面向磁力仪;向主控单元输出向主控单元输出在水下复杂环境是,磁罗经的原始观测数据;该接口输入为主控单元控制信令;在即插即用方面,为支持磁力仪的数据协议标准,采用拓展外设接口单元的RS232接口;
[0046] Ipnp_6:该接口面向高精度惯导;向主控单元输出高精度惯导的九轴传感器原始观测数据;该接口输入为主控单元控制信令;在即插即用方面,为支持高精度惯导的数据协议标准,采用拓展外设接口单元的RS422接口;
[0047] Ipnp_7:该接口面向多普勒测速仪(DVL);向主控单元输出多普勒信号、多普勒频移、流体速度等原始观测数据;该接口输入为主控单元控制信令;在即插即用方面,为支持DVL的数据协议标准,采用拓展外设接口单元的RS422接口。
[0048] 为保证弹性集成的水下PNT终端的可扩展性,拓展外设接口单元的传感器接口也有预留,如RS485接口、USB接口、网口等。如果选用其它传感器作为水下定位导航用的传感器,同样可以采用即插即用的方式,在水下PNT终端的核心板卡上进行弹性集成。
[0049] 本实施例中,主控单元承载着水下PNT终端的主控逻辑与核心算法,其中算法层面包括四个子系统,分别是多源融合时空预处理子系统、复杂场景感知子系统、自适应传感器接入与移出子系统、多源融合弹性定位子系统。在嵌入式算法层面,同样需要定义嵌入式算法的函数接口,分别如下:
[0050] Ia_1:该接口是弹性集成的水下PNT终端软硬件融合的重要接口之一,用于主控单元和多源融合时空预处理子系统进行数据和控制信令的交互;其中多源融合时空预处理子系统将向主控单元提供多PNT的原始观测数据的时空基准对准与预处理结果;
[0051] Ia_2:该接口是弹性集成的水下PNT终端软硬件融合的重要接口之一,用于主控单元和复杂场景感知子系统进行数据和控制信令的交互;其中复杂场景感知子系统将向主控单元提供算法层面复杂场景感知的结果;
[0052] Ia_3:该接口是弹性集成的水下PNT终端软硬件融合的重要接口之一,用于主控单元和自适应传感器接入与移出子系统进行数据和控制信令的交互;其中自适应传感器接入与移出子系统将向主控单元提供在当前场景下应选择工作的传感器,并给出各传感器的置信度结果,同时会将可能进行场景软切换需预留的传感器list提供给主控单元;
[0053] Ia_4:该接口是弹性集成的水下PNT终端软硬件融合的重要接口之一,用于主控单元和多源融合弹性定位子系统进行数据和控制信令的交互;其中多源融合弹性定位子系统将在水下融合算法的等级进行确定,并结合不同层级的数据融合手段进行定位导航,向主控单元提供连续、可信、高精度的多源融合定位导航结果。
[0054] 具体的,对于多源融合时空预处理子系统,当弹性集成的水下PNT终端有新的传感器接入时,系统自动生成适配器,其步骤为:
[0055] ①当核心板卡接入新的传感器时,实例化传感器信息模型;
[0056] ②根据实例进行传感器注册;
[0057] ③注册信息提交到传感器信息管理器中维护;
[0058] ④根据实例,查询方法库:适配器生成模块根据通信接口和数据表达特征,配置和组合这些抽象方法动态生成适配器;
[0059] ⑤传感器与适配器建立通信连接,并进行数据结构转换;
[0060] ⑥解析后的数据交付给观测数据管理器进行统一管理;
[0061] ⑦数据服务管理器通过拓展接口进行数据交互,根据上层需要提取传感器信息管理器与观测数据管理器中的数据,按照规范进行数据重构,实现适配的接入异构感知数据;
[0062] ⑧通过各类传感器标准化协议的设计,实现多PNT传感器采集数据的解析。
[0063] ⑨通过水下PNT终端内外部时钟源的结合(主要依靠核心板卡上的微时钟,除非即插即用接口发现了更高精度的时钟源),对各类异构传感器提供统一的时空基准,实现数据预处理层的时空基准对齐。
[0064] 对于复杂场景感知子系统,本实施例的水下PNT终端不仅能够在水面工作,也能在水下进行工作,判定水面与水下环境;同时,针对水下环境还可以进一步的细分,如水下0~100m,水下100m~200m,…并考虑水的流速、温度、盐度、是否是已知场景(提前部署有水下浅标、信标)等。具体的复杂场景感知的算法,本发明中并不做任何限定。
[0065] 对于自适应传感器接入与移出子系统,本实施例中涉及的水下传感器包括声呐测距仪、高精度惯导、SVP、CTD、压力计等,不同体制下的导航定位精度、范围、特点等均不同。如何在不同场景下,选用置信度高,定位性能上佳且连续的传感器,对水下PNT终端的连续可信的定位导航是一个关键点。这也依赖于对于不同类型传感器在水下环境中的精度评估相关。例如:根据高精度惯导的标称速度和角度精度,借助误差传播定律,结合导航定位时间长度,推求其定位误差随时间的变化曲线。声呐导航定位精度与海洋声速场、声线跟踪、声程等相关,根据声学跟踪原理,构建测距误差模型;导航定位多采用声线交会方法,借助间接平差,利用定位的协因数阵,评估导航定位精度。物理场匹配主要包括重力匹配、磁力匹配、地形匹配和地貌图像匹配,匹配导航定位精度主要与背景场精度和分辨率、在航实测序列精度和分辨率以及匹配序列长度和匹配算法相关。匹配导航主要采用相关匹配,借助相关性系数、分辨率及相关性系数与精度的关系曲线综合确定物理场匹配导航的精度。需根据水上/水下场景,综合分析多PNT传感器的效能,完成导航场景感知与传感器自适应配置,对所接入的水下传感器进行接入或移出,并同时给出导航定位算法的边界条件。同时,自适应传感器接入与移出子系统为保证水下PNT终端具备多场景无缝切换的能力,并将进行场景软切换需预留的所述共性传感器或所述水下传感器列表提供给主控单元。
[0066] 对于多源融合弹性定位子系统,通过多源融合定位算法,计算所述水下PNT终端的位置信息,输出在水下坐标体系中的经纬高;具体的水下多源融合定位算法,本发明中不做任何限定。
[0067] 在本实施例中,假定目前水深在3000m处,能够有效发挥作用的水下传感器包括声呐测距仪、高精度惯导、CTD、以及DVL,因此,核心板卡的主控单元可以通过最优参数配置,把多源融合定位量测方程的融合系数进行调整,让声呐测距仪、高精度惯导、CTD、以及DVL的融合系数分别为:0.4、0.4、0.1、0.1;把磁力仪和压力计从接入传感器中进行逻辑移出;同时,将SVP列为场景软切换需要考虑的传感器进入到备选列表中。
[0068] 电源管理单元主要由电源管理芯片、充电接口等构成,用于对水下PNT终端核心板卡中各个共性组件提供稳定供电和电量监测等功能,保证各个组件的正常工作。
[0069] 数据存储单元包括内部存储单元和外部存储接口。内部存储单元主要用于存储一些软件程序,包括两部分即嵌入式多媒体卡(eMMC)和双倍速率同步动态随机存储器(DDR SDRAM);外部存储接口通过数据讯号与微处理器进行数据传输并进行文件的拷贝,通讯信号包括四位数据线,时钟线,命令和响应复用线,供电线。
[0070] 图5示出的本实施例中,所述弹性集成的水下PNT终端搭载在舰船上进行水下实验的组网方式。如图5所示,弹性集成的水下PNT终端将放置于水密舱中,其它的水下即插即用传感器都通过水密电缆,与放置于水密舱中水下PNT终端进行相连,连接方式分别为RS232,以及RS422。弹性集成的水下PNT终端在加装水密舱后,整体会固定在水下潜航器ROV上,ROV通过线缆同母船相连。同时,ROV上载有专的水下供电单元,为其它水下传感器进行供电。本实施例中,水下供电单元将为声呐测距仪、DVL、压力计、磁力仪、以及高精度惯导设备进行供电。需要说明的是,1)高精度惯导设备的数据线缆和供电线缆是同一根线缆,因此需要进行分线,由一根变成两根线缆,一根同水下PNT终端相连进行数据传输,一根同水下供电单元相连;2)本实施例中的SVP设备、以及CTD设备,是自带电池供电,无需外部电源的供电输入。
[0071] 以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
QQ群二维码
意见反馈