极地区域操作姿态与航向参考系统技术方案

技术编号:19119516 阅读:69 留言:0更新日期:2018-10-10 04:02
极地区域操作姿态与航向参考系统。一种用于交通工具的姿态与航向参考系统(AHRS)包括生成惯性测量结果的IMU、生成航向测量结果的航向源、与IMU通信的姿态滤波器以及与航向源通信的航向滤波器。姿态滤波器从IMU接收惯性测量结果;计算姿态估算,其包括姿态估计和用于姿态估计的协方差;以及输出姿态估算。航向滤波器在可用时从航向源接收航向测量结果;接收姿态估算,包括姿态估计和用于姿态估计的协方差;计算航向估算,包括航向均值估计和航向方差;以及输出航向估算。来自姿态滤波器的姿态估算输出独立于航向测量结果的任何可用性,使得姿态估算输出在交通工具的操作期间在所有地球区域处可用。

【技术实现步骤摘要】
极地区域操作姿态与航向参考系统
技术介绍
用于飞行器的姿态与航向参考系统(AHRS)通常基于互补滤波算法。为了增加解精度,一般使用通常基于一阶近似(例如,经扩展的卡尔曼滤波器)的统计滤波器。此方法的缺点是在极地区域中,在那里航向(例如,磁性辅助)不足以将滤波器维持在其线性区域中。在极地区域处,磁场矢量的水平分量变得非常小(或零),使得航向确定是有挑战性的任务。此外,在地理极地的紧邻区中,要求非常(或者无穷)高的竖直角速率以保持交通工具本地水平的(切向)坐标系统对准到北方。然而,在此类情况下,AHRS必须能够为用户提供姿态(滚动和俯仰角度)的可靠估计,即使来自航向源的输出不可靠或者完全消失。
技术实现思路
用于交通工具的姿态与航向参考系统(AHRS)包括:惯性测量单元(IMU),其在交通工具机上并且配置成在交通工具的操作期间生成包括角速率和加速度测量结果的惯性测量结果;航向源,其在交通工具机上并且配置成在交通工具的操作期间生成航向测量结果;姿态滤波器,其在交通工具机上并且与IMU进行操作通信;以及航向滤波器,其在交通工具机上并且与航向源进行操作通信。姿态滤波器配置成从IMU接收惯性测量结果;基于惯性测量结果来计算姿态估算,所述姿态估算包括姿态估计和用于姿态估计的协方差;以及输出姿态估算,所述姿态估算包括姿态估计和用于姿态估计的协方差。姿态估算独立于交通工具的地理纬度,并且是基于交通工具的浮动平台框架(没有针对陀螺仪传感器误差校正)与主体参考框架之间执行的误差参数化,其中在平台框架中估计地球与输运速率,避免极地奇点(polarsingularity)。航向滤波器配置成在可用时从航向源接收航向测量结果;从姿态滤波器接收姿态估算,所述姿态估算包括姿态估计和用于姿态估计的协方差;基于航向测量结果和姿态估算来计算航向估算,所述航向估算包括航向均值估计和航向方差;以及在航向测量结果可用时输出航向估算,所述航向估算包括航向均值估计和航向方差。从姿态滤波器输出的姿态估算独立于航向测量结果的任何可用性,使得姿态估算输出在交通工具的操作期间在所有地球区域处可用。附图说明根据关于附图的以下描述,本专利技术的特征将对本领域技术人员变得明显。理解到附图仅仅描绘了典型的实施例并且因此不被视为在范围方面是限制性的,将通过使用附图以附加的特征和细节来描述本专利技术,其中:图1是根据示例性实施例的用于交通工具的姿态与航向参考系统(AHRS)的框图;以及图2是用于交通工具的各种纬度和高度的重力模型变化的曲线图。具体实施方式在以下详细描述中,以充足的细节描述实施例以使得本领域技术人员能够实施本专利技术。要理解到,可以利用其它实施例,而不脱离本专利技术的范围。以下详细描述因此不将以限制性意义来考虑。本文描述了用于交通工具(诸如飞行器、直升机、导弹、宇宙飞船、火箭、轮船、潜艇、汽车、卡车、或者期望针对其的姿态与航向的任何交通工具或装置)的姿态与航向参考系统(AHRS),其被适配有允许AHRS恰当地在地球上的任何地方进行操作的方法。在此AHRS中,姿态估算从航向估算解耦合,使得在级联方案中将总体解解耦合到两个分离的统计滤波器(姿态滤波器和航向滤波器)中。通过使用分离的统计滤波器对AHRS中的姿态与航向估算的解耦合提供了以下优点:交通工具的姿态估计甚至在极地区域操作期间或者其中航向测量结果不可用的任何其它操作期间可用。在所述系统和方法中,在姿态滤波器中独立于航向估计来生成姿态估计。就其均值和对应的不确定性(协方差矩阵)而言,从姿态滤波器向航向滤波器中馈送姿态估计。然后在航向滤波器中生成航向估计,其包括均值和不确定性。然后分别输出姿态估计和航向估计以用于由交通工具导航系统使用。为了使得姿态滤波器操作独立于交通工具的地理纬度,在交通工具“浮动”平台框架(没有针对陀螺仪传感器误差校正)和主体参考框架中执行误差参数化。所谓的“浮动”平台框架(在此之后,P框架)就以下含义与公知的平台(或游离)不同:它没有针对陀螺仪测量引发的误差校正。涉及姿态、惯性测量单元(IMU)传感器估算误差以及交通工具的加速度的滤波器误差状态在非漂移(主体)框架中估计,这与通常针对AHRS机械化所采用的导航(切向)框架相反。另一方面,在平台框架中估计地球和输运速率,避免极地奇点(以及照此的纬度依赖性)。所述方法还缓解了重力中的赤道到极地的变化的影响,允许改进的姿态性能。仅仅在航向滤波器中采用常见导航框架(N框架)来估计交通工具的输运速率的竖直分量。航向滤波器还促进了来自姿态滤波器以及航向机械化本身的误差的适当统计建模和近似。本方法提供了极地区域中的增加的姿态可用性以用于重力寻求AHRS实现。方法还可以实现在空中数据辅助的AHRS(ADAHRS)、GPS辅助的AHRS或者其它导航系统内。通过还提供姿态/航向估计的不确定性,未来的交通工具导航架构将获益于所述方法。如本文中使用的,地球极地区域通常被定义为大约北纬78度以北的区域,或者大约南纬78度以南的区域。所公开的系统和方法的另外的细节在此之后参照附图来描述。图1是根据一个实施例的AHRS100的框图。AHRS100一般包括配置成生成惯性测量结果的惯性测量单元(IMU)110以及操作地与IMU100连接的姿态滤波器120。此外,AHRS100包括生成航向测量结果的航向源130(诸如,磁力计),以及与航向源1和姿态滤波器120操作地连接的航向滤波器140。IMU110可以包括例如3轴陀螺仪112和3轴加速度计114。姿态滤波器120配置成从IMU110接收惯性测量结果。例如,姿态滤波器120可以接收从陀螺仪112输出的所测量的角速率的量,并且姿态滤波器120可以接收从加速度计114输出的所测量的比力的量。姿态滤波器120配置成生成姿态估算,其包括姿态(滚动和俯仰)估计以及用于姿态估计的协方差(Patt)。航向滤波器140配置成接收从航向源130输出的所测量的航向(,例如,基于磁力计测量结果)。航向滤波器140还从姿态滤波器120接收姿态估计以及用于姿态估计的协方差。航向滤波器140配置成生成并且输出航向估算,其包括航向均值估计和航向方差(Phdg)。姿态滤波器120在150处输出姿态估计(滚动和俯仰),以及在154处输出姿态协方差矩阵。航向滤波器140在160处输出航向估计(偏航)以及在164处输出航向方差。这些姿态和航向估计然后由交通工具导航系统(诸如,飞行器导航系统)使用。通过使姿态和航向估算在级联方案中解耦合到两个分离的滤波器中,姿态完全独立于AHRS100中的航向。这防止航向测量结果(诸如,来自磁力计)对姿态估计的任何破坏影响,同时允许AHRS100在航向测量结果不可用时在没有限制的情况下操作。如在此之后进一步详细地讨论的,在姿态滤波器120中,仅仅通过使用两个参考框架来执行所有误差参数化:主体框架和“浮动”平台框架。“浮动”平台框架是本地水平的(locallyleveled),随陀螺仪传感器误差而漂移。这具有以下优点:避免由于导航框架的所有易损性,通常称为极地区域中的NED(北方-东方-下向)。此外,姿态误差在主体框架中被解析(resolve),其具有以下优点:在非漂移(主体)框架中估计姿态误差状态。另外,地球和输运速率误差在漂移平台框架中被本文档来自技高网...
极地区域操作姿态与航向参考系统

【技术保护点】
1.一种用于交通工具的姿态与航向参考系统(AHRS),所述AHRS包括:惯性测量单元(IMU),其在交通工具机上并且配置成在交通工具的操作期间生成惯性测量结果,所述测量结果包括角速率和加速度测量结果;航向源,其在交通工具机上并且配置成在交通工具的操作期间生成航向测量结果;姿态滤波器,其在交通工具机上并且与IMU进行操作通信;以及航向滤波器,其在交通工具机上并且与航向源进行操作通信,其中姿态滤波器配置成:从IMU接收惯性测量结果;基于惯性测量结果来计算姿态估算,所述姿态估算包括姿态估计和用于姿态估计的协方差,其中姿态估算独立于交通工具的地理纬度,并且是基于在没有针对陀螺仪传感器误差校正的交通工具的浮动平台框架与主体参考框架之间执行的误差参数化,其中在平台框架中估计地球和输运速率,避免极地奇点;以及输出姿态估算,其包括姿态估计和用于姿态估计的协方差;其中航向滤波器配置成:在可用时从航向源接收航向测量结果;从姿态滤波器接收姿态估算,所述姿态估算包括姿态估计和用于姿态估计的协方差;基于航向测量结果和姿态估算来计算航向估算,所述航向估算包括航向均值估计和航向方差;以及在航向测量结果可用时,输出航向估算,所述航向估算包括航向均值估计和航向方差;其中来自姿态滤波器的姿态估算输出独立于航向测量结果的任何可用性,使得姿态估算输出在交通工具的操作期间在所有地球区域处可用。...

【技术特征摘要】
2017.03.16 US 15/4610281.一种用于交通工具的姿态与航向参考系统(AHRS),所述AHRS包括:惯性测量单元(IMU),其在交通工具机上并且配置成在交通工具的操作期间生成惯性测量结果,所述测量结果包括角速率和加速度测量结果;航向源,其在交通工具机上并且配置成在交通工具的操作期间生成航向测量结果;姿态滤波器,其在交通工具机上并且与IMU进行操作通信;以及航向滤波器,其在交通工具机上并且与航向源进行操作通信,其中姿态滤波器配置成:从IMU接收惯性测量结果;基于惯性测量结果来计算姿态估算,所述姿态估算包括姿态估计和用于姿态估计的协方差,其中姿态估算独立于交通工具的地理纬度,并且是基于在没有针对陀螺仪传感器误差校正的交通工具的浮动平台框架与主体参考框架之间执行的误差参数化,其中在平台框架中估计地球和输运速率,避免极地奇点;以及输出姿态估算,其包括姿态估计和用于姿态估计的协方差;其中航向滤波器配置成:在可用时从航向源接收航向测量结果;从姿态滤波器接收姿态估算,所述姿态估算包括姿态估计和用于姿态估计的协方差;基于航向测量结果和姿态估算来计算航向估算,所述航向估算包括航向均值估计和航向方差;以及在航向测量结果可用时,输...

【专利技术属性】
技术研发人员:P马利纳克Z卡纳M索塔克R巴拉内克
申请(专利权)人:霍尼韦尔国际公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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