姿態角測量初始化方法和裝置、姿態角測量方法和裝置與流程

2023-12-09 17:03:51 3

本發明涉及載體的姿態測量技術領域，特別是涉及一種姿態角測量初始化方法和裝置，還涉及一種姿態角測量方法和裝置。

背景技術：

姿態測量一般應用於衛星、太空飛行器、載人機以及無人機等處於動態或者靜態的載體上。測姿過程中，主要針對載體的姿態角進行測量。姿態角包括航向角、俯仰角以及橫滾角。設備在首次輸出姿態角時，需要進行初始化。在採用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統)進行姿態角測量時，由於GNSS信號功率低，並且很容易受到多徑信號或者其他形式的幹擾，導致GNSS解算姿態角時出現不穩定情況，從而導致初始化錯誤，降低初始化可靠性，進而降低解算得到的姿態角的準確度。

技術實現要素：

基於此，有必要提供一種可以提高初始化可靠性的姿態角測量初始化方法和裝置，還提供一種姿態角測量方法和裝置。

一種姿態角測量初始化方法，所述姿態角為航向角、俯仰角或者橫滾角；所述方法包括：統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數；所述姿態角根據接收到的GNSS信號進行姿態解算得到；判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否超過第一門限；判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數和統計時長內總的姿態角次數之比是否超過第二門限；判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與姿態角出現概率第二大的角度區間內的姿態角次數之比是否超過第三門限；若上述三個判斷步驟中判斷結果均為是，則表示初始化成功，計算姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角的平均值作為初始化值輸出。

在其中一個實施例中，所述統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數的步驟之前還包括：將姿態角的分布區域按預設間隔劃分為多個角度區間。

在其中一個實施例中，所述預設間隔為5度。

在其中一個實施例中，若各判斷步驟的判斷結果不全為是，則重新執行所述統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數的步驟。

一種姿態角測量初始化裝置，所述姿態角為航向角、俯仰角或者橫滾角；包括：統計單元，用於統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數；所述姿態角根據接收到的GNSS信號進行姿態解算得到；判斷單元，用於判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否超過第一門限；所述判斷單元還用於判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數和統計時長內總的姿態角次數之比是否超過第二門限，並判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與姿態角出現概率第二大的角度區間內的姿態角次數之比是否超過第三門限；以及初始化單元，用於在所述判斷單元執行的各判斷過程的判斷結果均為是時，計算姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角的平均值作為初始化值輸出。

在其中一個實施例中，所述統計單元還用於將姿態角的分布區域按預設間隔劃分為多個角度區間。

在其中一個實施例中，所述預設間隔為5度。

在其中一個實施例中，所述統計單元還用於在所述判斷單元執行的各判斷過程的判斷結果不全為是時，重新統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數。

一種姿態角測量方法，用於對載體的姿態角進行測量；所述姿態角為航向角、俯仰角或者橫滾角；所述方法包括：接收GNSS信號並進行姿態角解算；進行姿態角測量初始化，包括統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數；判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否超過第一門限；判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數和統計時長內總的姿態角次數之比是否超過第二門限；判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與姿態角出現概率第二大的角度區間內的姿態角次數之比是否超過第三門限；若上述三個判斷步驟中判斷結果均為是，則表示初始化成功，計算姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角的平均值作為初始化值輸出；根據所述初始化值對解算得到的姿態角進行處理；以及輸出處理後得到的姿態角。

一種姿態角測量裝置，用於對載體的姿態角進行測量；所述姿態角為航向角、俯仰角或者橫滾角；所述姿態角測量裝置包括：解算單元，用於接收GNSS信號並進行姿態角解算；姿態角測量初始化裝置，包括統計單元，用於統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數；判斷單元，用於判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否超過第一門限；所述判斷單元還用於判斷判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數和統計時長內總的姿態角次數之比是否超過第二門限，並判斷統計時長內姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與姿態角出現概率第二大的角度區間內的姿態角次數之比是否超過第三門限；以及初始化單元，用於在所述判斷單元執行的各判斷過程的判斷結果均為是時，計算姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角的平均值作為初始化值輸出；處理單元，用於根據所述初始化值對解算得到的姿態角進行處理；以及輸出單元，用於輸處理後得到的姿態角。

上述姿態角測量初始化方法和裝置，通過統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數，並根據統計結果判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否大於第一門限，以保證最大概率的角度區間內具有一定的固定解比例，避免最大概率的角度區間內全部是浮點解。同時還會判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與統計時長內總的姿態角次數之比是否大於第二門限，以保證統計時長內有足夠的正確結果。初始化過程中，還需要判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與姿態角出現概率第二大的角度區間內的姿態角次數之比是否大於第三門限，以確保判斷出來概率最大的角度區間為正確解區間。僅在上述判斷步驟中的判斷結果均為是，才表示初始化成功，並計算姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角的平均值作為初始化值輸出，從而提高了初始化過程的可靠性。

上述姿態角測量方法和裝置，在上述姿態角測量初始化方法和裝置進行初始化得到較為可靠的初始化值後，利用該初始化值對後續輸出的姿態角進行處理，從而確保姿態角測量裝置測量得到的姿態角具有較高的準確度。

附圖說明

圖1為一實施例中的姿態角測量方法的流程圖；

圖2為圖1中的S120的流程圖；

圖3為一實施例中的姿態角測量裝置的結構框圖；

圖4為圖3中的姿態角測量初始化裝置的結構框圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

圖1為一實施例中的姿態角測量方法的流程圖。該姿態角測量方法可以應用於載體中，以對載體的姿態角進行測量。載體可以為靜態載體，也可以為動態載體。例如，載體可以為衛星、太空飛行器、載人機以及無人機等。測量的姿態角可以為航向角、俯仰角或者橫滾角。在本實施例中，以姿態角為航向角為例進行說明。該姿態角測量方法包括以下步驟：

S110，接收GNSS信號並進行航向角解算。

接收GNSS信號並對該GNSS信號進行相應處理後對其進行航向角解算，並輸出解算得到的航向角以及與該航向角對應的解算狀態。航向角的解算狀態包括固定解和浮點解兩種。航向角解算過程可以採用本領域現有的解算裝置來實現。

S120，進行航向角測量初始化。

在載體中的姿態角測量裝置開啟後，且在第一次輸出正確的航向角之前需要進行航向角測量初始化，以確保測量得到的航向角為正確的航向角。該步驟的具體流程如圖2所示，包括以下子步驟。

S210，統計在統計時長內落入到每個角度區間內的航向角次數、航向角的固定解次數和航向角的浮點解次數。

在本實施例中，會預設一個統計時長，以統計在該時長內航向角的分布情況。具體地，在統計之前(也即S210之前)，會先將航向角的分布區域按照預設間隔劃分為多個角度區間。例如，可以將360度航向角區域按預設角度間隔劃分為多個角度區間。預設角度間隔可以根據實際需要的精度進行調整。在本實施例中，預設間隔為5度，也即將360度航向角區域劃分為72個角度區間。統計在統計時長內落入到每個角度區間的航向角次數，並分別統計落入到每個角度區間內的航向角的固定解次數和浮點解次數。根據每個角度區間的航向角次數可統計出統計時長內總的航向角次數。並且，根據每個角度區間的航向角次數即可確定出航向角出現概率最大的角度區間和第二大的角度區間。統計時長可以根據需要設定，通常需要大於30秒。

S220，判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否超過第一門限。

通過判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否超過第一門限，可以確保概率最大的角度區間具有一定的固定解比例，防止全部是浮點解。浮點解的精度低於固定解的精度，通過確保概率最大的角度區間內的固定解比例，可以確保初始化值的準確性，提高初始化的可靠性。第一門限可以根據需要進行設定。在本實施例中，第一門限大於0.3。若判斷結果為否，則返回重新執行S210，若判斷結果為是，則繼續執行後續步驟。

S230，判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的航向角次數和統計時長內總的航向角次數之比是否超過第二門限。

通過判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的航向角次數和統計時長內總的航向角次數製備是否超過第二門限，可以確保統計時長內概率最大的角度區間內有足夠的航向角次數，進而確保統計時長內有足夠的正確結果，防止僅有少數正確結果的情況發生，進而提高初始化的可靠性。第二門限同樣可以根據需要進行設定。在本實施例中，第二門限大於0.67。若判斷結果為否，則返回執行S210，若是，則執行後續步驟。

S240，判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的航向角次數與航向角出現概率第二大的角度區間內的航向角次數之比是否超過第三門限。

通過判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的航向角次數與航向角出現概率第二大的角度區間內的航向角次數之比是否超過第三門限，可以確保最大概率區間和第二大概率區間各自的總數相差足夠大，以更加可靠的判斷概率最大的角度區間為正確解區間。第三門限同樣可以根據需要進行設定。在本實施例中，第三門限小於0.5。若判斷結果為否，則返回執行S210，若是，則執行後續步驟。在本實施例中，S220、S230和S240之間的順序可以相互調換，並沒有嚴格的先後順序，還可以通過多處理器同步處理。

S250，計算航向角出現概率最大的角度區間內的航向角的平均值作為初始化值輸出。

僅在S220、S230和S240三個判斷步驟中的判斷結果均為是的前提下，才可以認為初始化成功。此時，計算航向角出現概率最大的角度區間內的航向角的平均值作為初始化值輸出。通過上述航向角測量初始化方法後，初始化的可靠性較高。通過採用概率統計模型完成航向角初始化，該方法在環境惡劣或者GNSS信號受到一定幹擾情況下，仍具有較高的可靠性。

S130，根據該初始化值對解算得到的航向角進行處理。

在輸出初始化值後，會對後續輸出的航向角進行處理。具體地，採用濾波算法並利用得到的初始化值對解算得到的原始航向角進行處理，從而處理得到更為準確的航向角。由於濾波算法中使用的初始化值的可靠性較高，能夠確保處理得到的航向角具有較高的準確度。

S140，輸出處理後得到的航向角。

姿態角為俯仰角或者橫滾角時的測量方法跟航向角的測量方法相同。

上述姿態角測量方法，在輸出姿態角前會進行初始化。初始化過程通過統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數，並根據統計結果判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否大於第一門限，以保證概率最大的角度區間內具有一定的固定解比例，避免概率最大的角度區間內全部是浮點解。同時還會判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與統計時長內的姿態角次數之比是否大於第二門限，以保證統計時長內有足夠的正確結果。初始化過程中，還需要判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與姿態角出現概率第二大的角度區間內的姿態角次數之比是否大於第三門限，以確保判斷出來最大概率區間為正確解區間。僅在上述判斷步驟中的判斷結果均為是，才表示初始化成功，並計算姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角的平均值作為初始化值輸出，從而提高了初始化過程的可靠性，進而提高了姿態角測量的準確性。上述姿態角測量方法，通過採用概率統計模型完成航向角初始化，可以在環境惡劣或者GNSS信號受到一定幹擾情況下提高測量初始化可靠性，從而解決了在視野範圍內GNSS衛星數量少或者受到幹擾時的姿態角初始化時間長並且容易初始化出錯的問題。

圖3為一實施例中的姿態角測量裝置的結構框圖。該姿態角測量裝置可以應用於載體中，以對載體的姿態角進行測量。測量的姿態角可以為航向角、俯仰角或者橫滾角。在本實施例中，以航向角為例進行說明。該姿態角測量裝置包括解算單元310、姿態角測量初始化裝置320、處理單元330和輸出單元340。

解算單元310用於接收GNSS信號並進行航向角解算。

姿態角測量初始化裝置320包括統計單元410、判斷單元420和初始化單元430，如圖4所示。統計單元410用於統計在統計時長內落入到每個角度區間內的航向角次數、航向角的固定解次數和航向角的浮點解次數。在本實施例中，統計單元410在執行統計之前，還會先將航向角的分布區域按預設角度間隔劃分為多個角度區間。預設角度間隔可以根據實際需要的精度進行調整。在本實施例中，預設間隔為5度。統計時長可以根據需要設定，通常需要大於30秒。判斷單元420用於判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否超過第一門限。判斷單元420還用於判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的航向角次數和統計時長內總的航向角次數之比是否超過第二門限，並判斷統計時長內航向角出現概率最大的角度區間內的航向角次數與航向角出現概率第二大的角度區間內的航向角次數之比是否超過第三門限。初始化單元430用於在判斷單元420執行的上述三個判斷過程中的判斷結果均為是時，計算航向角出現概率最大的角度區間內的航向角的平均值作為初始化值輸出。統計單元430還用於在判斷單元420執行的上述三個判斷過程中的判斷結果不全為是時，重新統計在統計時長內落入到每個角度區間內的航向角次數、航向角的固定解次數和航向角的浮點解次數，以再次進行初始化，直至初始化成功。

處理單元330用於根據初始化單元430得到的初始化值對後續解算得到的航向角進行處理。

輸出單元340用於輸出處理後得到的航向角。

上述姿態角測量裝置，在輸出航向角前會進行初始化。初始化過程通過統計在統計時長內落入到每個角度區間內的姿態角次數、姿態角的固定解次數和姿態角的浮點解次數，並根據統計結果判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的固定解次數和浮點解次數的比例是否大於第一門限，以保證概率最大的角度區間內具有一定的固定解比例，避免概率最大的角度區間內全部是浮點解。同時還會判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與統計時長內的姿態角次數之比是否大於第二門限，以保證統計時長內有足夠的正確結果。初始化過程中，還需要判斷姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角次數與姿態角出現概率第二大的角度區間內的姿態角次數之比是否大於第三門限，以確保判斷出來最大概率區間為正確解區間。僅在上述判斷步驟中的判斷結果均為是，才表示初始化成功，並計算姿態角出現概率最大的角度區間內的姿態角的平均值作為初始化值輸出，從而提高了初始化過程的可靠性，進而提高了姿態角測量的準確性。上述姿態角測量裝置，通過採用概率統計模型完成航向角初始化，可以在環境惡劣或者GNSS信號受到一定幹擾情況下提高測量初始化可靠性，從而解決了在視野範圍內GNSS衛星數量少或者受到幹擾時的姿態角初始化時間長並且容易初始化出錯的問題。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。