一种磁力/GNSS组合测量姿态角的方法技术

本发明专利技术涉及一种磁力/GNSS组合测量姿态角的方法，属于测量姿态角技术领域。在实际应用场景下，影响这些参数测量精度的因素主要包括以下几种：外部或系统干扰(外部磁场源干扰、内部电路的干扰、磁化影响等)、测量误差(高频误差、噪声干扰、跳点等)、系统误差(各轴向敏感度不同、零点漂移等)以及算法误差等(小迎角假设引起的偏差)。在实际应用场景下，影响这些参数测量精度的因素主要包括以下几种：外部或系统干扰(外部磁场源干扰、内部电路的干扰、磁化影响等)、测量误差(高频误差、噪声干扰、跳点等)、系统误差(各轴向敏感度不同、零点漂移等)以及算法误差等(小迎角假设引起的偏差)。算法误差等(小迎角假设引起的偏差)。

【技术实现步骤摘要】
一种磁力/GNSS组合测量姿态角的方法


[0001]本专利技术涉及一种磁力/GNSS组合测量姿态角的方法，属于测量姿态角


技术介绍

[0002]近年来，微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)的性能、可靠性有了极大的提高，制造和使用的成本也在大幅度下降。因此，体积小、功耗低、算法简单的各类MEMS传感器在航海、无人机、导航榴弹以及机器人等领域被广泛采用。
[0003]地磁传感器作为MEMS器件中的重要门类，结合卫星定位系统(GNSS)进行组合测量工具，具有成本低、抗过载能力强、适应性强、解算容易实现等优点，成为低成本无人机、迫弹、机器人、无人艇主要的姿态角测量方式，虽然地磁传感器/GNSS组合测量方式具有诸多优点，但也存在累积误差、零点漂移，易受环境因素影响等问题，从而导致姿态角解算精度低、稳定性差。为了克服这些问题对传感器进行标定和滤波成为了提高测量结果的有效方式。
[0004]滚转角误差取决于磁力计测量得到h
by
、h
bz
误差、俯仰角θ和偏航角ψ及其增量误差δθ、δψ。对于高频测量而言，由式(4)可知，同样取决于磁力计测量得到h
by
、h
bz
误差、俯仰角θ和偏航角ψ误差，而且于俯仰角速率θ和偏航角速率误差相关。
[0005]在实际应用场景下，影响这些参数测量精度的因素主要包括以下几种：外部或系统干扰(外部磁场源干扰、内部电路的干扰、磁化影响等)、测量误差(高频误差、噪声干扰、跳点等)、系统误差(各轴向敏感度不同、零点漂移等)以及算法误差等(小迎角假设引起的偏差)。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供一种磁力/GNSS组合测量姿态角的方法，其采用数据拟合、滤波算法进行处理对系统误差、测量误差进行纠正，采用补偿算法对于外部干扰、系统本身的电磁、磁化干扰等外部或系统干扰进行补偿。
[0007]本专利技术提供一种磁力/GNSS组合测量姿态角的方法，由由磁力计测量数据、地磁数据和载体姿态角之间存在如下转换关系：
[0008][0009]所述磁力计测量数据为体轴向磁场强度，所述地磁数据为导航坐标系下磁场强度，所述这里：h
nx
、h
ny
、h
nz
为导航坐标系下的地磁分量；h
bx
、h
by
、h
bz
为地磁矢量在载体坐标系下的投影分量；ψ、θ、γ分别是导航坐标系下的偏航角、俯仰角、滚转角；
[0010]在速度与导航坐标系中，利用测量设备提供的速度信息即可得到弹道倾角与弹道偏角如下式所示：
[0011][0012]所述v
x
、v
y
、v
z
分别为北向速度、东向速度和地向速度；
[0013]低旋应用场景下，在偏航角、俯仰角已知时，由式(1)可唯一确定滚转角的数值：
[0014][0015]所述：
[0016]m＝
‑
sinψh
nx
+cosψh
ny
[0017]n＝cosψsinθh
nx
+sinψsinθh
ny
+cosθh
nz
；
[0018]在高旋应用场景下，载体整个飞行过程中滚转角速率远远大于俯仰角及偏航角速率，即因此，在卫星数据更新的时间内，可假设载体仅有滚转角发生了变化，式(1)可简化为：
[0019][0020]所述A和α定义如下：
[0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]定义导航坐标系下的地磁输出为：
[0028][0029]所述A为磁测量值和地磁强度比例系数；f为测量变化频率；t为磁测量时间序列；φ为初始偏移角度；
[0030]由式(4)和式(5)可得滚转角速率为：
[0031][0032]在卫星测量器件更新速度信息之前，可以通过对式(6)进行积分从而获得滚转角信息。
[0033]由三个敏感轴向安装相互垂直的磁力计来说，其采集到的原始数据是大体分布在平行于体轴体三个轴向的一个空间椭球；
[0034]椭球的一般方程可表示为：
[0035]a1x2+a2y2+a3z2+a4xy+a5xz+a6yz+a7x+a8y+a9z＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0036]将标准方程写成如下形式：
[0037][0038]在该椭球上分布的点，从几何的角度可以表示成如下矩阵形式：
[0039][0040][0041]上式可表示为：
[0042][X
‑
C]M[X
‑
C]T
＝1+CMC
T
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0043]XMX
T
‑
2CMX
T
+CMC
T
＝1+CMC
T
ꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0044]所述X＝[x y z]表示椭球上的点，C＝[c
x c
y c
z
]为椭球球心坐标点，
[0045][0046]根据椭球模型，如下椭球参数：
[0047]球心坐标：
[0048]C＝0.5[a
7 a
8 a9]M
‑1[0049]x轴长度：
[0050][0051]y轴长度：
[0052]z轴长度：
[0053]所述SS＝CMC
T
+1
[0054]若磁力计采集到的n组数据，将这些数据带入椭球方程可表示为如下形式：
[0055][0056]令：
[0057][0058]k＝[a
1 a
2 ... a9]T
[0059]椭球拟合就是依据测量原始数据和该方程，确定一组方差最小的椭球参数值K。根据最小二阶乘算法，使得测量误差最小的椭球参数为：
[0060]k＝(H
T
H)
‑1H
T
ꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0061]由拟合得到的椭球参数，可以对磁力计测量得到的数据进行标定。
[0062]首先进行椭球坐标原点标定：
[0063]h
bt
＝h
b
‑
C
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0064]通过该校正后，测量数据是以坐标原点为球心的椭球分布，这也就消除了零点误差同时，为了消除各轴向敏感度不同，还需要进行球形标定。在进行球形标定时，首先需要确定一基准轴。在磁力计
‑
卫星测姿态角方案中，比较重要的是Y轴轴向，因此可以选择Y轴作为球形校正的基准，即：
[0065]h
b
＝y
scale...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁力/GNSS组合测量姿态角的方法，其特征在于：由磁力计测量数据、地磁数据和载体姿态角之间存在如下转换关系：所述磁力计测量数据为体轴向磁场强度，所述地磁数据为导航坐标系下磁场强度，所述这里：h
nx
、h
ny
、h
nz
为导航坐标系下的地磁分量；h
bx
、h
by
、h
bz
为地磁矢量在载体坐标系下的投影分量；ψ、θ、γ分别是导航坐标系下的偏航角、俯仰角、滚转角；在速度与导航坐标系中，利用测量设备提供的速度信息即可得到弹道倾角与弹道偏角如下式所示：所述v
x
、v
y
、v
z
分别为北向速度、东向速度和地向速度；低旋应用场景下，在偏航角、俯仰角已知时，由式(1)可唯一确定滚转角的数值：所述：m＝
‑
sinψh
nx
+cosψh
ny
n＝cosψsinθh
nx
+sinψsinθh
ny
+cosθh
nz
；在高旋应用场景下，载体整个飞行过程中滚转角速率远远大于俯仰角及偏航角速率，即因此，在卫星数据更新的时间内，可假设载体仅有滚转角发生了变化，式(1)可简化为：所述A和α定义如下：所述A和α定义如下：所述A和α定义如下：所述A和α定义如下：所述A和α定义如下：所述A和α定义如下：定义导航坐标系下的地磁输出为：
所述A为磁测量值和地磁强度比例系数；f为测量变化频率；t为磁测量时间序列；φ为初始偏移角度；由式(4)和式(5)可得滚转角速率为：在卫星测量器件更新速度信息之前，可以通过对式(6)进行积分从而获得滚转角信息。2.根据权利要求1所述的一种磁力/GNSS组合测量姿态角的方法，其特征在于：由三个敏感轴向安装相互垂直的磁力计来说，其采集到的原始数据是大体分布在平行于体轴体三个轴向的一个空间椭球；椭球的一般方程可表示为：a1x2+a2y2+a3z2+a4xy+a5xz+a6yz+a7x+a8y+a9z＝1
ꢀꢀ
(7)将标准方程写成如下形式：在该椭球上分布的点，从几何的角度可以表示成如下矩阵形式：上式可表示为：[X
‑
C]M[X
‑
C]
T
＝1+CMC
T
ꢀꢀ
(10)XMX
T
‑
2CMX
T
+CMC
T
＝1+CMC
T
ꢀꢀ
(11)所述X＝[x y z]表示椭球上的点，C＝[c
x c
y c
z
]为椭球球心坐标点，根据椭球模型，如下椭球参数：球心坐标：C＝0.5[a
7 a
8 a9]M
‑1x轴长度：
y轴长度：z轴长度：所述SS＝CMC
T
+1若磁力计采集到的n组数据，将这些数据带入椭球方程可表示为如下形式：令：k＝[a
1 a2ꢀ…ꢀ
a9]
T
椭球拟合就是依据测量原始数据和该方程，确定一组方差最小的椭球参数值K。根据最小二阶乘算法，使得测量误差最小的椭球参数为：k＝(H
T
H)
‑1H
T
ꢀꢀ
(13)由拟合得到的椭球参数，可以对磁力计测量得到的数据进行标定。首先进行椭球坐标原点标定：h
bt
＝h
b
...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦海巍，杨文靖，蔺大方，张伟，冯雪，蒋丽丽，
申请(专利权)人：中电星原科技有限公司，
类型：发明
国别省市：