专利名称：磁向位导航数字集成系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁向位导航数字集成系统，是载体(运载工具)指向和定位的数字集成式导航系统。
背景技术：
当前，运载工具使用的指向类导航设备多是磁罗经或电罗经。磁罗经安全可靠，其主要缺点是安装环境条件受限制多，并在使用中需驾驶员进行繁杂的向位换算，与其他导航设备结合也不便，制约了导航设备的集成自动化。而电罗经结构复杂，造价高，须大功率电源，故障多，寿命短，一旦电源故障或失电就无法工作。定位类的导航设备要数全球定位系统GPS较普遍受到欢迎，但它只能给出载体位置坐标点，再根据点移动轨迹给出航迹向量，而不是首向和主机速度，尤其当载体静止时只有点坐标，也就无法用以辨认方向，并且受制于卫星的控制者和环境对信号的干扰，这就使其可靠性无法全时保证。鉴于以上原因，各国都规定各种运载工具在配备导航设备时，还必须配备有磁罗经。由于各种设备多是单独工作，综合互补性差，操作不便，并存在观测时间差引起的误差，保证航行安全效率低，所以都想谋求安全可靠的导航集成系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有指向类导航设备的缺点，采用固态三维数字磁向位传感器，提供数字化的磁向位信息，利用计算机技术的数据处理及通信优势综合现有导航设备的信息，形成磁向位数字导航数字集成系统。
本发明的技术方案是一种磁向位导航数字集成系统。其特点是，它是由“固态三维数字磁向位传感器”、GPS、环境静磁场消除器构成的“向位传感装置”与由操控台、通信接口扩展器、通信适配器、复示器组成的“导航集控装置”连接而成。
固态三维数字磁向位传感器为一个内置计算机芯片的智能传感器，它由三个磁场计，微处理机及接口电路组成，是一个可提供水平、倾斜和横滚的三维数据的向位传感器，在规定范围内，通过内置软件可改正软、硬铁所产生的磁场干扰，实现自差的自动修正，给出磁向位，其特点是，固态三维数字磁向位传感器置于环境静磁场消除器的罩壳内，并在下部间隔垂直交叉置有两根消磁调节杆。当安装环境的干扰静磁场超出传感器允许时，可通过向位传感装置的环境静磁场消除器进行消磁调整，使之符合传感器的安装环境条件。
操控台是本系统的“主机”，是一台数据通信、数据分析处理、设备调度、信息显示、系统操作的专用计算机，显示和操作按照人机工程学原则设计，大屏幕彩色液晶显示屏加分页的屏幕触摸键设计，达到操作简便明了、信息显示按行业习惯设计、内容齐全，并可根据习惯提供多种选择操作之目的。内置系统监控软件对整个系统进行操控，监控软件对整个系统网络进行实时监控、数据分析处理、人机及系统响应等，人机操作采用了触摸屏方式，在监控软件上将键功能设计成树型结构按操作项目分屏展开，各种导航信息在显示屏上以图形或文字方式多种格式显示，通过触摸屏进行切换，以适应使用者的习惯。主机提供了标准的RS232通信插座，按照国际上导航通用的NMEA0183数据格式进行通信。它由CPU、数据存储器、系统监控程序存储器、显示器接口、触摸屏驱动接口的主板、工作电源、液晶显示器、触摸屏、并行通信口及串行RS232通信口连接而成。
通信接口扩展器是本系统与所需扩展的众多导航设备通信的一个枢纽设备，功能是将主机的一路通信接口扩展成多路分别与各种扩展的导航设备连接按主从方式通信，同时实现远距离通信。所扩展的各个设备不在导航集控装置内设置，而是充分利用各载体现有的导航设备，或根据需要另购的设备，以及一些辅助性设备，如打印机、绘图仪、存储器等等。本通信接口扩展器的特点是采用电流环的电路结构扩展成多路，通过相应的适配器与包括载体所有堪配导航安全设备的扩展网络相连接。
本系统的复示器的特点是它包括CPU、操作键电路、显示屏驱动电路及彩色液晶显示屏，电源、RS-232通信口，复示器通过其内置的RS-232通信口经过集线器与通信接口扩展器连接。因此，“复示器”比之传统的复示器赋予了更多的功能，显示屏也采用彩色液晶显示，以提供各种需要彩色表示专用含义的信息。通过操作键电路，使复示器具有操作功能，这也是本系统的特色之一，可选择信息内容、画面种类、设置控制信息使之提示使用者等。
本系统为通信接口扩展器与扩展设备之间设置“通信适配器”，该适配器是一种计算机处理装置，置有的串行通信接口、并行通信接口、RS-232通信接口、数据存储器、程序存储器、模拟信号接口及自整角机信号接口等，通过电平转换、功率转换、模数数模转换、数据转换等，实现扩展设备与导航集控装置的通信连接，RS-232通信通过电流驱动进行。因此，使通信适配器具有硬件插座匹配、数据格式转换成统一的二进制格式、模数转换、远距离通信等功能，以实现主机可以在较远的距离与各种导航设备进行通信。
本发明能综合各种导航设备的特点，利用计算机技术的数据处理及通信优势，运用磁指向独立稳定可靠的优点，采用固态三维数字磁向位传感器，其固态特点就不存在磁罗经磁转子度盘易受摇摆震荡而读数不稳的弊�。蝗殖丝商峁┰靥宓乃降南蛭煌猓箍商峁┰靥宓那阈�、横滚等姿态数据，而且不像以往磁罗经等须严格保持水平度才能保证水平角位读数准确，因而本传感器安装非常方便；向位的数字化还可以利用计算机进行数据处理，使之实现自差的自动校正和误差修正以及不同位置的多路复示，克服磁罗经自差校正和误差修正等人工向位换算的繁琐性、易差错性、复示困难等。并集成了现今常用的GPS、雷达、自动操舵装置、电子海图、声纳设备、激光定向仪、时钟记录仪等辅助导航设备，做到各种导航信息的集中操控，集中显示，数据共享，取长补短，实现了集成式导航系统安全方便驾驶的目的。
图1数字磁向位导航集成系统框图；图2为数字磁向位传感器及其接口适配器电路�？橥迹煌�3为环境静磁场消除器图；图4为操控台电路�？�5为复示器电路模块图；图6为通信接口扩展器电路�？橥迹�
图7为通信适配器的电路�？橥迹煌�8为操控台工作程序流程图。
具体实施例方式
本系统的总体框图如图1所示，由本系统及扩展网络两部分组成。本系统由“数字三维磁向位传感器”、GPS、环境静磁场消除器构成的“向位传感装置”与由操控台、通信接口扩展器、通信适配器、复示器组成的“导航集控装置”连接而成。
固态三维数字磁向位传感器由图2所示，它包括向位传感器1和接口适配器2，向位传感器1是由双轴倾斜传感器、三轴磁阻传感器、模拟驱动电路、RS232接口及EEPROM和微处理器相连接而成，接口适配器2包括CPU、接口驱动电路、电源及缓冲存储器。由图3所示，固态三维数字磁向位传感器置于环境静磁场消除器的罩壳内，并在下部间隔垂直交叉置有两根消磁调节杆3、4。数字磁向位传感器通过如图3所示的“环境静磁场消除器”装在载体上自身磁场影响少，摇摆线速度不大，沉降幅度有限的合适的位置上，其上的磁阻传感器采集载体的水平航向及载体的倾斜、横滚姿态等数据，经模拟驱动电路模数转换后由单片微处理器处理后按照NMEA数据格式送至RS232通信口，“环境静磁场消除器”将安装位置的环境静磁场减少到传感器允许的范围，通过旋转两根消磁调节杆3、4即可控制消磁效果，剩余干扰磁场由向位传感器的内置软件自动找出并剔除，数字磁向位传感器所配置一块接口适配器2的作用是将传感器传输的NMEA格式数据解释成统一的二进制格式码，存于缓冲器内，经接口驱动电路实现与操控台远距离通信，向位传感器和适配器的工作电源由操控台通过通信电缆提供。
由图4所示，操控台由CPU、数据存储器、系统监控程序存储器、显示器接口、触摸屏驱动接口的主板、工作电源、液晶显示器、触摸屏、并行通信口及RS232通信口组成。主机板内置系统监控软件对整个系统进行操控，对整个系统网络进行实时监控、数据分析处理、人机及系统响应等，人机操作采用了触摸屏方式，在监控软件上将键功能设计成树型结构按操作项目分屏展开，各种导航信息在显示屏上以图形或文字方式多种格式显示，通过触摸屏进行切换，以适应使用者的习惯。主机提供了标准的RS232通信插座，按照国际上导航通用的NMEA0183数据格式进行通信。导航信息包括航向、倾斜、横滚、偏角、经纬度、世界时、星历、速度、方位角、高度、扩展网络中各设备运行状态等，其中向、位、时、速等是本系统的主要信息，突出以视觉显示，左右偏航许可度是驾驶操作者在触摸屏上自行设定的，用以监控驾驶航向，偏离左右航向时会以声音和颜色提示，正常时显示黄色，超出左偏角时显示红色，超出右偏角时显示绿色；其中位置、经纬度、航迹向、航速等信息由内置的GPS接收机或扩展设备提供。信息显示设计成多种格式，例如向位(航向)信息按照驾驶人员的观察习惯设计成转动度盘与数字双重格式，通过触摸屏可以方便地进行切换，以适应使用者的习惯。主板中的数据存储器建立有磁差数据库，监控程序根据地理位置自动修正磁向位而得到真向位。系统监控软件可对本系统及网络中所连接设备进行诊断、侦错、控制等。本发明中根据不同载体，操控台外形结构有台式、立式、壁挂式三种形式，主机配有+8V、5A直流电源，并有能在失电或复电时自动转接的独立备用电源。
复示器是一种计算机设备，外形为壁挂式，可以方便安装及复示，复示器也具备交互功能，这是现行的向位导航设备一般不具备的。由图5所示，复示器包括CPU、操作键电路、显示屏驱动电路、彩色液晶显示屏、电源、RS-232通信口等，若干个复示器(可多达几十个)的通信接口通过集线器汇集与接口扩展器连接，实现与主机的通信。因此，本发明的复示器比之传统的复示器赋予了更多的功能，显示屏也采用彩色液晶显示屏，以提供各种需要彩色表示专用含义的信息，通过操作键电路，使复示器具有操作功能，这也是本系统的特色之一，可选择信息内容、画面种类、设置控制信息使之提示使用者等。复示器的显示格式也设计成多种形式，通过面板上的操作键可以方便的选择。复示器与主机通信距离可达500公尺，通信接口驱动置于复示器电路中，不需适配器而可直接与通信扩展器相连，实现与操控台(主机)的通信，超过三台复示器时，复示器的电源需另配一台电源适配器，电源的内置或外置通过RS232接口的DB9针插座的第九脚设定。
本系统与扩展网络各设备的通信采用了主从结构，如图1所示，专门设计了一种“通信接口扩展器”。接口全部采用9针DB9插座，通信接口扩展器是本系统与所需扩展的众多导航设备通信的一个枢纽设备，功能是将主机的一路通信接口扩展成多路分别与各种扩展的导航设备连接按主从方式通信，同时实现远距离通信。所扩展的各个设备不在导航集控装置内设置，而是充分利用各载体现有的导航设备，或根据需要另购的设备，以及一些辅助性设备，如打印机、绘图仪、存储器等等。本通信接口扩展器的特点是采用电流环的电路结构扩展成多路，通过相应的适配器与包括载体所有堪配导航安全设备的扩展网络相连接。如图6所示，采用了电流环的电路结构，电路简单成本低，通信距离可达500米，完全能满足使用本系统的任何载体的通信需要。
由图1所示，本发明的扩展网络是将载体现有性能堪配的导航设备，与本系统通信连接，将各设备的导航信息集中在操控台中控制及显示，做到数据共享，方便数据分析处理，获得集控优势。各种扩展设备与导航集控装置的连接可在操控台的触摸屏上设定其相应参数，本系统设计了与各种扩展设备的通信的适配器，由图7所示，通信适配器置有标准RS-232通信接口、电流驱动的串行通信、并行通信接口、模拟信号接口及自整角机信号接口等，实现扩展设备与导航集控装置的通信，内置CPU、数据存储器、程序存储器、电平转换、模数转换和数模转换、功率驱动电路等。这使适配器将各种如模拟、数字、不同电平、并行、串行等不同制式，不同协议规范的信号统一成装置的标准数据格式(TTL二进制)，通信格式与主机通信，为了实现低成本的远距离通信，通信接口适配器将RS232通信采用电流驱动通信，最长距离可达500米，以满足使用需求。
本系统及其网络的工作程序流程图即导航集成系统工作程序流程图，由图8所示，按照图1联接好各种设备并处于工作状态后，打开电源，液晶屏上即出现欢迎画面，按动其上的“进入”按键，即进入下一页“选择页面”，选择页面中安排了一系列图形或文字按键，视设备数量及显示画面安排而定，其中把若干个显示页面设计成图形按键，直观地表示出欲显示的画面式样，按下相应按键就进入所希望的显示的页面，显示页面中只设计一个“选择”键，仍可退回到选择页面继续选择；“查询”按键可进入系统信息查询页面，该页面给出了“磁差”、“航向”、“设备状态”、“目标方位”等参数以及对装置设定的各个参数，这些参数可给定查询条件，例如给出当时载体所在位置的磁差，或给出所测目标位置(方位、距离)，或运载工具当时的航向等，退出查询页面就回到“选择页面”；按下“设定”键准备进入“设定页面”，之前有一个身份确认程序，即先进入“身份验证”页面，输入密码(许可操作人)，经确认便可进入“设定页面”，或修改密码后继续，在该页面上可对装置正常运行所需要的参数进行设置，这些参数有磁差数据表、扩展设备联机状态、扩展设备数据类别、左右偏航角设定、时钟选择、时钟校对、星历校对、GPS选择(内置还是扩展设备)，按“确定”键系统即接受所作设定，按“退出”键即回到“选择页面”；按“诊断”键即进入“诊断页面”，对系统运行状态进行诊断，诊断项目有固态三维磁向位传感器、复示器等设备运行状态，各种扩展设备运行状态以及数据通信质量等，按“退出”键即返回选择页面；按“校正”键即进入“校正页面”，在校正页面上设计了三个按键“开始”、“结束”和“退出”，该页面还设计有一个校正采样纪录器，按下“开始”键，数字向位传感器即开始对周围的磁场采样，这时需要载体在作360度均匀缓慢旋转(2-6.5°/秒)，采样纪录器会开始记录采样次数，要求在360度范围内的采样次数大于275次，传感器内置软件计算出地磁场以外的环境干扰静磁�。⒋硬裳葜邢勾衅髦唤邮艿卮懦〉淖饔茫炊敖崾奔赐瓿尚Ｕぷ鳎础巴顺觥奔阃嘶氐健把≡褚趁妗�。
权利要求
1.一种磁向位导航数字集成系统，其特征在于，它是由“固态数字三维磁向位传感器”、GPS、环境静磁场消除器构成的“向位传感装置”与由操控台、通信接口扩展器、通信适配器、复示器组成的“导航集控装置”连结为集成系统。
2.根据权利要求1所述的磁向位导航数字集成系统，所述的固态三维数字磁向位传感器为一个内置计算机芯片的智能传感器，它由三个磁场计，微处理机及接口电路组成，其特征在于，固态三维数字磁向位传感器置于环境静磁场消除器的罩壳内，并在下部间隔垂直交叉置有两根消磁调节杆。
3.根据权利要求1所述的磁向位导航数字集成系统，其特征在于，所述的操控台由包括CPU、数据存储器、系统监控程序存储器、显示器接口、触摸屏驱动接口的主板、工作电源、液晶显示器、触摸屏、并行通信口及RS232通信口连接而成。
4.根据权利要求1所述的磁向位导航数字集成系统，其特征在于，所述的固态三维数字磁向位传感器还设置有接口适配器，它包括CPU、接口驱动电路、电源及缓冲存储器，传感器传输的NMEA格式数据解释成统一的二进制格式码，存于缓冲存储器内，经接口驱动电路实现与操控台远距离通信。
5.根据权利要求1所述的磁向位导航数字集成系统，其特征在于，所述的通信接口扩展器采用电流环的电路结构，扩展成多路通过相应的适配器与包括载体所有堪配导航安全设备的扩展网络相连接。
6.根据权利要求1所述的磁向位导航数字集成系统，其特征在于，所述的系统监控程序存储器内置的监控软件对整个网络进行实时监控、数据分析处理、人机及系统响应等，人机操作采用了触摸屏方式，在监控软件上将键功能设计成树型结构按操作项目分屏展开，各种导航信息在显示屏上以图形或文字方式多种格式显示，通过触摸屏进行切换，以适应使用者的习惯。
7.据权利要求1所述的磁向位导航数字集成系统，其特征在于，所述的复示器是一种计算机设备，包括CPU、操作键电路、显示屏驱动电路及彩色液晶显示屏、电源、RS-232通信口，复示器通过其内置的RS-232通信口经过复示器集线器与通信接口扩展器连接。
8.根据权利要求1所述的磁向位导航数字集成系统，其特征在于，所述的通信适配器为一种计算机处理装置，置有的串行通信接口、并行通信接口、RS-232通信接口、数据存储器、程序存储器、模拟信号接口及自整角机信号接口等，通过电平转换、功率转换、模-数或数-模转换、数据转换等，实现扩展设备与本集控装置的通信连接，RS-232通信通过电流驱动进行。
全文摘要
本发明涉及一种磁向位导航数字集成系统，其特点是，它是由“固态三维数字磁向位传感器”、GPS、环境静磁场消除器构成的“向位传感装置”与由操控台、通信接口扩展器、通信适配器、复示器组成的“导航集控装置”连接而成。采用固态三维数字磁向位传感器，克服动态磁转子在载体摇摆时发生摆荡而读数不稳的弊�。痪弑冈靥宓乃较蛭�、倾斜、横滚等三维测角功能，且安装方便；能实现自差的自动校正和误差修正以及多路复示，并做到各种导航信息的集中操控、显示，实现了集成式导航系统安全方便驾驶的目的。
文档编号G01C21/04GK1521482SQ0311517
公开日2004年8月18日 申请日期2003年1月27日 优先权日2003年1月27日
发明者童明, 庄钠, 童 明 申请人:童明, 庄钠, 童 明
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