基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法
2023-12-09 15:02:26
專利名稱：基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法
技術領域：
本發明涉及一種飛行器姿態測量方法，具體涉及一種基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法。
背景技術：
姿態測量是飛行器控制中不或缺的一部分。目前的姿態測量方法較多，大致可以分為使用慣性器件、無線電信號和自然環境信息三類方法。第一類方法包括捷聯慣導和平臺慣導，其特點是獨立性強，無需測量外界信息，具有較強的抗幹擾能力，但是具有誤差累積的缺點；第二類方法包括用GPS和地面無線電基站信號測姿，其特點是飛行器需要不斷的接收外界信號，誤差不積累，但是容易受幹擾，複雜環境條件下生存能力弱；第三類方法採用星敏感器、紅外地平儀、磁強計等傳感器測量自然環境信息來導航，具有不易受幹擾，誤差不累積等特點。本專利研究的是地磁輔助慣性測姿技術，即以第三類方法輔助第一類方法為應用背景。慣導系統都具有抗幹擾性強，短時精度高，但是長時間工作誤差累積精度較低的特點。而地磁測姿具有抗幹擾性強、體積小、質量輕、誤差不隨時間積累等優點。所以地磁輔助慣性測姿，一方面可以根據地磁測姿信息及時對慣性器件進行修正，消除慣導系統運行過程中的累積誤差，另一方面可以根據慣導系統提供的姿態信息將地磁匹配區域限定在一定的範圍內，提高地磁匹配的可靠性和精度，從而實現兩種測姿方式的優勢互補，提高運動載體的組合測姿精度。目前地磁測姿的方案較多，但是由於三維磁傳感器不能提供三個獨立的測量方程，因此需要其他輸入信號作為補充確定載體三維姿態。常用的思路是通過其他傳感器或者估計來給出至少一個姿態角，然後再用地磁信息進行解算。解算算法主要有:歐拉角算法，方向餘弦法，四元數法，等效轉動矢量法。經檢索文獻發現，中國發明專利申請號:201010231211.8，專利名稱為:一種基於微慣性和地磁技術的自適應三維姿態定位方法，該專利利用三軸微陀螺傳感器來預測並用三軸微加速度傳感器和三軸磁場傳感器的數據更正獲取姿態信息。該方法是用三軸磁傳感器，使用的是迭代算法。中國發明專利申請號:201010176997.8，專利名稱為:一種基於陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置，該專利用三軸MEMS陀螺給出角速度信號，再用兩個薄膜式地磁傳感器給出的旋轉角速度作為姿態測量基準，對MEMS的信號進行修正，但磁傳感器只能在載體繞縱軸高速旋轉時才能給出角速度，因而該裝置提供的方法只能應用於載體高速旋轉場合。文獻「基於磁傳感器組合的旋轉彈體姿態測試方法研究」(南京理工大學博士論文，2009.3.1)中，文中給出了全磁傳感器的特殊配置方法與磁傳感器和陀螺/加速度計組合旋轉彈測姿方法，還給出了零交叉和極值比較法等計算方法，但是都需要以彈體偏航角恆定，滾轉角速度變化緩慢為前提，因而該文獻提供的方法不適用與載體機動場合，應用條件受到嚴格限制。
發明內容
基於以上不足之處，本發明提供一種基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法，該方法同時利用多個點的地磁測量數據和這些點之間的姿態變化信息，通過匹配算法來測姿。本方法能夠有效的矯正慣性器件的累積誤差，具體方法包括如下步驟:步驟1:從地磁資料庫中讀出載體所在位置的地磁矢量信息，以載體的滾轉角、偏航角和俯仰角為坐標軸建立空間直角坐標系，並計算出每個姿態下磁傳感器的理論值； 按照如下步驟建立以載體的滾轉角、偏航角和俯仰角為坐標軸的空間直角坐標系，首先從地磁資料庫中讀出載體所在地理位置的地磁矢量信息M，由(I)式所示，下標xyz分別指向北東地方向:
權利要求
1.一種基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法，其特徵在於包括如下步驟: 步驟1:從地磁資料庫中讀出載體所在位置的地磁矢量信息，以載體的滾轉角、偏航角和俯仰角為坐標軸建立空間直角坐標系，並計算出每個姿態下磁傳感器的理論值； 按照如下步驟建立以載體的滾轉角、偏航角和俯仰角為坐標軸的空間直角坐標系，首先從地磁資料庫中讀出載體所在地理位置的地磁矢量信息M，由(1)式所示，下標xyz分別指向北東地方向:
2.根據權利要求1所述的一種基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法，其特徵在於:所述的步驟(3)採用固定點數的滑動窗口方式進行匹配，每次匹配點數為N點，在新的磁場測量值％到來後，將11^加到匹配序列中，並將mi_N從該序列中剔除，留下mi_N+1到Hii共N個測量值作為新的匹配序列，從而實現連續的姿態測量。
3.根據權利要求1或2所述的一種基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法，其特徵在於:所述的匹配準則採用MAD、MSD、NPROD或Hausdorff距離準則；匹配方法採用ICP算法、遺傳算法或模擬退火算法。
4.根據權利要求1所述的一種基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法，其特徵在於:所述的步驟(3)，採用ICP匹配算法和MSD相似性準則匹配過程如下: (a)對每個測量點，從B中找出磁傳感器實測值Hii(i = 1,2,…，N)所在的等值面Si，並在Si上找到一點c, =[cr, οθ, cj，使其距離屮最近，由此得到最近點點集坐標C如式(7)所示:
全文摘要
一種基於匹配技術的地磁輔助慣性的載體姿態測量方法，包括1)從地磁資料庫中讀出載體所在位置的地磁矢量信息，建立空間直角坐標系，計算出每個姿態下磁傳感器的理論值；2)在一定時間內，從慣性器件得到運動載體的N個測量姿態，從磁強計得到N個磁場測量值；3)根據步驟2得到的載體N個測量姿態，在步驟1所建立的姿態角坐標系中，找到對應的N個點，結合磁傳感器N個磁場測量值，採用匹配算法進行匹配，得到載體姿態的匹配結果；4)把匹配結果作為載體的真實姿態來修正慣性器件的輸出結果；5)在下一測量時刻，重複執行步驟2-4，實現連續測姿。本發明能夠有效的矯正慣性器件的積累誤差，實現長時間、高精度的載體姿態測量。
文檔編號G01C21/16GK103196445SQ20131006325
公開日2013年7月10日 申請日期2013年2月7日 優先權日2013年2月7日
發明者解偉男, 屈楨深, 夏紅偉, 白俊林 申請人:哈爾濱工業大學