專利名稱：基于匹配技術(shù)的地磁輔助慣性的載體姿態(tài)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛行器姿態(tài)測(cè)量方法，具體涉及一種基于匹配技術(shù)的地磁輔助慣性的載體姿態(tài)測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
姿態(tài)測(cè)量是飛行器控制中不或缺的一部分。目前的姿態(tài)測(cè)量方法較多，大致可以分為使用慣性器件、無線電信號(hào)和自然環(huán)境信息三類方法。第一類方法包括捷聯(lián)慣導(dǎo)和平臺(tái)慣導(dǎo)，其特點(diǎn)是獨(dú)立性強(qiáng)，無需測(cè)量外界信息，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但是具有誤差累積的缺點(diǎn)；第二類方法包括用GPS和地面無線電基站信號(hào)測(cè)姿，其特點(diǎn)是飛行器需要不斷的接收外界信號(hào)，誤差不積累，但是容易受干擾，復(fù)雜環(huán)境條件下生存能力弱；第三類方法采用星敏感器、紅外地平儀、磁強(qiáng)計(jì)等傳感器測(cè)量自然環(huán)境信息來導(dǎo)航，具有不易受干擾，誤差不累積等特點(diǎn)。本專利研究的是地磁輔助慣性測(cè)姿技術(shù)，即以第三類方法輔助第一類方法為應(yīng)用背景。慣導(dǎo)系統(tǒng)都具有抗干擾性強(qiáng)，短時(shí)精度高，但是長時(shí)間工作誤差累積精度較低的特點(diǎn)。而地磁測(cè)姿具有抗干擾性強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)。所以地磁輔助慣性測(cè)姿，一方面可以根據(jù)地磁測(cè)姿信息及時(shí)對(duì)慣性器件進(jìn)行修正，消除慣導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的累積誤差，另一方面可以根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的姿態(tài)信息將地磁匹配區(qū)域限定在一定的范圍內(nèi)，提高地磁匹配的可靠性和精度，從而實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)姿方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高運(yùn)動(dòng)載體的組合測(cè)姿精度。目前地磁測(cè)姿的方案較多，但是由于三維磁傳感器不能提供三個(gè)獨(dú)立的測(cè)量方程，因此需要其他輸入信號(hào)作為補(bǔ)充確定載體三維姿態(tài)。常用的思路是通過其他傳感器或者估計(jì)來給出至少一個(gè)姿態(tài)角，然后再用地磁信息進(jìn)行解算。解算算法主要有:歐拉角算法，方向余弦法，四元數(shù)法，等效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量法。經(jīng)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?201010231211.8，專利名稱為:一種基于微慣性和地磁技術(shù)的自適應(yīng)三維姿態(tài)定位方法，該專利利用三軸微陀螺傳感器來預(yù)測(cè)并用三軸微加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)更正獲取姿態(tài)信息。該方法是用三軸磁傳感器，使用的是迭代算法。中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?201010176997.8，專利名稱為:一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測(cè)量裝置，該專利用三軸MEMS陀螺給出角速度信號(hào)，再用兩個(gè)薄膜式地磁傳感器給出的旋轉(zhuǎn)角速度作為姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)MEMS的信號(hào)進(jìn)行修正，但磁傳感器只能在載體繞縱軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)才能給出角速度，因而該裝置提供的方法只能應(yīng)用于載體高速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合。文獻(xiàn)“基于磁傳感器組合的旋轉(zhuǎn)彈體姿態(tài)測(cè)試方法研究”(南京理工大學(xué)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(jì)組合旋轉(zhuǎn)彈測(cè)姿方法，還給出了零交叉和極值比較法等計(jì)算方法，但是都需要以彈體偏航角恒定，滾轉(zhuǎn)角速度變化緩慢為前提，因而該文獻(xiàn)提供的方法不適用與載體機(jī)動(dòng)場(chǎng)合，應(yīng)用條件受到嚴(yán)格限制。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上不足之處，本發(fā)明提供一種基于匹配技術(shù)的地磁輔助慣性的載體姿態(tài)測(cè)量方法，該方法同時(shí)利用多個(gè)點(diǎn)的地磁測(cè)量數(shù)據(jù)和這些點(diǎn)之間的姿態(tài)變化信息，通過匹配算法來測(cè)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:從地磁數(shù)據(jù)庫中讀出載體所在位置的地磁矢量信息，以載體的滾轉(zhuǎn)角、偏航角和俯仰角為坐標(biāo)軸建立空間直角坐標(biāo)系，并計(jì)算出每個(gè)姿態(tài)下磁傳感器的理論值； 按照如下步驟建立以載體的滾轉(zhuǎn)角、偏航角和俯仰角為坐標(biāo)軸的空間直角坐標(biāo)系，首先從地磁數(shù)據(jù)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(biāo)xyz分別指向北東地方向:
權(quán)利要求
1.一種基于匹配技術(shù)的地磁輔助慣性的載體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:從地磁數(shù)據(jù)庫中讀出載體所在位置的地磁矢量信息，以載體的滾轉(zhuǎn)角、偏航角和俯仰角為坐標(biāo)軸建立空間直角坐標(biāo)系，并計(jì)算出每個(gè)姿態(tài)下磁傳感器的理論值； 按照如下步驟建立以載體的滾轉(zhuǎn)角、偏航角和俯仰角為坐標(biāo)軸的空間直角坐標(biāo)系，首先從地磁數(shù)據(jù)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(biāo)xyz分別指向北東地方向:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于匹配技術(shù)的地磁輔助慣性的載體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于:所述的步驟(3)采用固定點(diǎn)數(shù)的滑動(dòng)窗口方式進(jìn)行匹配，每次匹配點(diǎn)數(shù)為N點(diǎn)，在新的磁場(chǎng)測(cè)量值％到來后，將11^加到匹配序列中，并將mi_N從該序列中剔除，留下mi_N+1到Hii共N個(gè)測(cè)量值作為新的匹配序列，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的姿態(tài)測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于匹配技術(shù)的地磁輔助慣性的載體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于:所述的匹配準(zhǔn)則采用MAD、MSD、NPROD或Hausdorff距離準(zhǔn)則；匹配方法采用ICP算法、遺傳算法或模擬退火算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于匹配技術(shù)的地磁輔助慣性的載體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于:所述的步驟(3)，采用ICP匹配算法和MSD相似性準(zhǔn)則匹配過程如下: (a)對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，從B中找出磁傳感器實(shí)測(cè)值Hii(i = 1,2,…，N)所在的等值面Si，并在Si上找到一點(diǎn)c, =[cr, οθ, cj，使其距離屮最近，由此得到最近點(diǎn)點(diǎn)集坐標(biāo)C如式(7)所示:
全文摘要
一種基于匹配技術(shù)的地磁輔助慣性的載體姿態(tài)測(cè)量方法，包括1)從地磁數(shù)據(jù)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(biāo)系，計(jì)算出每個(gè)姿態(tài)下磁傳感器的理論值；2)在一定時(shí)間內(nèi)，從慣性器件得到運(yùn)動(dòng)載體的N個(gè)測(cè)量姿態(tài)，從磁強(qiáng)計(jì)得到N個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量值；3)根據(jù)步驟2得到的載體N個(gè)測(cè)量姿態(tài)，在步驟1所建立的姿態(tài)角坐標(biāo)系中，找到對(duì)應(yīng)的N個(gè)點(diǎn)，結(jié)合磁傳感器N個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量值，采用匹配算法進(jìn)行匹配，得到載體姿態(tài)的匹配結(jié)果；4)把匹配結(jié)果作為載體的真實(shí)姿態(tài)來修正慣性器件的輸出結(jié)果；5)在下一測(cè)量時(shí)刻，重復(fù)執(zhí)行步驟2-4，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)姿。本發(fā)明能夠有效的矯正慣性器件的積累誤差，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、高精度的載體姿態(tài)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01C21/16GK103196445SQ20131006325
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者解偉男, 屈楨深, 夏紅偉, 白俊林 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)