利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法，该方法中飞行器的滚转角为‑90°～90°，且飞行器机动过载小于重力加速度的值，采用自适应最小二乘滤波法，根据飞行器纵轴与地磁矢量的夹角变化确定测量噪声协方差矩阵，以磁阻传感器和重力传感器的测量误差为权重，对测量噪声协方差矩阵进行调整，实现对飞行器滚转角的最优估计。该方法通过地磁信息和重力传感器配合使用，可以消除飞行器测量盲区的影响。

A Method of Solving Aircraft Attitude Using Geomagnetic Information and Gravity Sensor

【技术实现步骤摘要】
利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法
本专利技术涉及一种利用地磁信息和重力传感器解算飞行体姿态的方法，特别涉及一种利用地磁信息和重力传感器解算飞行体滚转角的空间盲区及固有偏差的方法。
技术介绍
磁阻传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的。传感器内部由四个磁阻单元构成了惠斯通电桥，当外磁场施加于传感器上时，其中两个相对放置的磁阻单元磁化方向朝着电流方向转动，引起电阻值增加；另外两个相对放置的磁阻单元的磁化方向背向电流方向转动引起电阻值减小。由于利用多个磁阻单元搭建电桥，磁阻传感器对外界磁场的变化极为敏感。同时，其具有尺寸小、成本低、可抗高过载等优势，被广泛应用于飞行体特别是导弹滚转姿态测量系统中。在安装时，磁阻传感器敏感轴的安装方向通常与弹轴方向一致。然而，在实际应用中发现，当导弹轴向靠近磁北向附近时，滚转姿态解算会出现较大误差。通过理论分析与试验验证，之所以产生此类误差，是由于当导弹的弹体轴(x轴)靠近磁北向时，与弹体轴垂直截面(Oyz面)上地磁场分量较小，导致y轴和z轴上磁阻传感器的测量值过于微弱，输出信号信噪比太低，从而导致滚转姿态解算存在误差。本领域人员普遍认为，可以通过提高传感器的测量精度和提升传感器输出信号的信噪比来减小甚至消除此误差。然而，本专利技术人通过基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术，理论推导出了依靠磁阻传感器信息解算导弹滚转角的算法，发现了滚转角误差的主要来源，不仅与磁阻传感器的测量误差有关，还与导弹的俯仰角和偏航角的测量误差有关。即使磁阻传感器的测量精度达到理想的状态，当弹体轴与磁北向夹角较小时，因俯仰角和偏航角的测量存在误差，也会导致滚转角的解算误差在一定程度上趋于发散。为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术人发现，由于重力传感器可以敏感重力矢量方向，结合地磁传感器所测量的地磁矢量方向，利用双矢量即可构造出飞行器机体系与大地坐标系的几何关系，从而可以确定飞行器的空间姿态角。从而，本专利技术提供了一种利用地磁信息和重力传感器解算飞行体姿态的方法。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，结果发现：通过地磁信息和重力传感器配合使用，采用自适应最小二乘滤波法，可以消除测量盲区的影响，从而完成了本专利技术。本专利技术的目的在于提供以下方面：第一方面，本专利技术提供一种利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法，该方法中飞行器的滚转角为-90°～90°，且飞行器机动过载小于重力加速度的值时，采用自适应最小二乘滤波法，根据飞行器纵轴与地磁矢量的夹角变化确定测量噪声协方差矩阵，以磁阻传感器和重力传感器的测量误差为权重，对测量噪声协方差矩阵进行调整，实现对飞行器滚转角的最优解算。所述重力传感器用于测定敏感重力方向在飞行器纵轴的分量。当飞行器纵轴与当地地磁矢量夹角大于W时，仅采用磁阻传感器的测量值来解算滚转角的最优解算值当飞行器纵轴与当地地磁矢量夹角小于W时，采用式Ⅰ所示的利用磁阻传感器的测量值解算出的滚转角γM和重力传感器测量值解算出的滚转角γA进行加权平均获得飞行器滚转角的最优解算值此时，使用式Ⅰ所示方程式进行解算：σM2为磁阻传感器解算值的方差；σA2为重力传感器冗余测量值的方差；γM为根据磁阻传感器的测量值解算出的滚转角；γA为根据重力传感器每一时刻的测量值解算出的滚转角。其中，根据磁阻传感器的测量值解算出的滚转角γM＝γ+δγM；γ表示飞行器的真实滚转角；δγM为磁阻传感器测定滚转角的解算误差，误差δγM～N(0,σM2)，其中σM2由飞行器的俯仰和偏航误差角决定。其中，所述重力传感器每一时刻的测量值解算出的滚转角γA由以下式Ⅱ给出：其中，ayz为重力在Oyz平面的投影总量，ayb为Oy轴重力传感器的测量值。其中，根据重力传感器测量值解算出的滚转角γA＝γ+δγA；γ表示飞行器的真实滚转角；δγA为解算误差，误差δγA～N(0,σA2)，σA2根据选用的重力传感器的性能参数确定。所述W为8～13°，更优选为9～11°。第二方面，本专利技术提供了一种飞行器姿态控制系统，所述系统采用上述方法对飞行器的姿态进行控制。根据本专利技术提供的利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法，具有以下有益效果：(1)本专利技术通过地磁信息和重力传感器配合使用来消除测量盲区的影响；当飞行器的滚转角为-90°～90°，且飞行器机动过载小于重力加速度的值时，该方法适用；(2)本专利技术提供的利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法通过采用自适应最小二乘滤波法，根据飞行器纵轴与地磁矢量的夹角变化调整测量噪声协方差矩阵，以磁阻传感器和重力传感器的测量误差为权重，对测量噪声协方差矩阵进行调整，实现对飞行器滚转角的最优估计；(3)通过地磁传感器和重力传感器的联用，可以有效的降低导弹姿态角的测量误差，提高测量精度，并且可避免地磁测量姿态的盲区。(4)本专利技术提供的方法需要利用重力传感器敏感重力方向，适用于滚转稳定类巡航导弹、无人机等飞行器，不适用于自由滚转类导弹。附图说明图1示出发射坐标系与北天东坐标系的关系图；图2示出准弹体坐标系与发射坐标系的关系图；图3示出弹体坐标系和准弹体坐标系的关系图；图4示出北东地坐标系下地磁场的描述图；图5示出地磁总量M与发射坐标系Oxyz及北天东坐标系OxNyUzE的关系图；图6-1示出实施例1中导弹轴向与磁北向夹角为0～60°时磁场在弹截面上投影占总磁场强度百分比安变化图；图6-2示出实施例1中导弹轴向与磁北向夹角为90～180°时磁场在弹截面上投影占总磁场强度百分比安变化图；图6-3示出实施例1中导弹轴向与磁北夹角4°～8°时滚转角解算误差对俯仰角误差敏感程度；图6-4示出实施例1中导弹轴向与磁北夹角-20°～-55°时滚转角解算误差对偏航角误差敏感程度；图6-5示出实施例1利用三轴地磁传感器和三轴地磁传感器+二轴重力传感器解算滚转角的解算结果与真实值的对比图。具体实施方式下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。以下详述本专利技术。本专利技术提供了一种利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法，所述飞行器是指由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的在大气层内或大气层外空间(太空)飞行的器械飞行物。所述飞行器包括航空器、航天器、火箭、导弹、无人机和制导武器，优选为滚转稳定的巡航导弹和无人机。飞行器在飞行过程中会产生滚动，获得实时有效的飞行器姿态参数，扩展飞行器可用状态对优化飞行器的控制系统非常重要。现有技术中常常利用飞行器上安装的磁阻传感器获得弹体姿态的测量数据，该数据是基于北天东坐标系OxNyUzE、发射坐标系Oxyz、准弹体坐标系Ox4y4z4和弹体坐标系Ox1y1z1，以及坐标系间的转换得到的。其中，所述北天东坐标系是与地球表面固连的坐标系，原点O取在发射点，OxN位于水平面内指向地理北极；OyU垂直水平面朝天；OzE与其他两轴垂直并构成右手坐标系。所述发射坐标系也是与地球表面固连的坐标系，原点O取在发射点，Ox轴位于水平面内指向飞行器发射方向，与OxN轴夹角记为方位角Oy轴与Ox轴垂直指向上为正；Oz轴与其他两轴成右手坐标系。所述准弹体坐标系的原点O与飞行器质心重合，Ox4轴与弹体纵轴重合，指向头部为正；Oy4轴位于包含Ox4轴的铅垂平面内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法，其特征在于，飞行器的滚转角为‑90°～90°，且飞行器机动过载小于重力加速度的值时，采用自适应最小二乘滤波法，根据飞行器纵轴与地磁矢量的夹角变化确定测量噪声协方差矩阵，以磁阻传感器和重力传感器的测量误差为权重，对测量噪声协方差矩阵进行调整，实现对飞行器滚转角的最优解算。

【技术特征摘要】
1.一种利用地磁信息和重力传感器解算飞行器姿态的方法，其特征在于，飞行器的滚转角为-90°～90°，且飞行器机动过载小于重力加速度的值时，采用自适应最小二乘滤波法，根据飞行器纵轴与地磁矢量的夹角变化确定测量噪声协方差矩阵，以磁阻传感器和重力传感器的测量误差为权重，对测量噪声协方差矩阵进行调整，实现对飞行器滚转角的最优解算。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重力传感器用于测定敏感重力方向在飞行器纵轴的分量。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当飞行器纵轴与当地地磁矢量夹角大于W时，仅采用磁阻传感器的测量值来解算滚转角的最优解算值当飞行器纵轴与当地地磁矢量夹角小于W时，利用磁阻传感器的测量值解算出的滚转角γM和重力传感器测量值解算出的滚转角γA进行加权平均获得飞行器滚转角的最优解算值4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，利用磁阻传感器的测量值解算出的滚转角γM和重力传感器测量值解算出的滚转角γA进行加权平均获得飞行器滚转角的最优解算值为包括使用式Ⅰ所示方程式进行解算：σM2为磁阻传感器解算值的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晨迪，林德福，杨哲，王江，王伟，王辉，李虹言，陈斯，程文伯，纪毅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11