[發明專利]機動加速度輔助的擴展卡爾曼濾波航姿系統姿態估計方法

無效

• 申請號: 200910087313.4
• 申請日: 2009-06-22
• 公開（公告）號: CN101782391A
• 公開（公告）日: 2010-07-21
• 發明（設計）人: 任章;郭鵬飛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01C21/18;G01C21/08
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明涉及一種捷聯慣性航姿系統航姿估計技術，尤其涉及一種利用載體機動加速度輔助的九態擴展卡爾曼濾波航姿系統姿態估計方法。

背景技術

由于開環式IFOG航姿系統的陀螺精度有限，初始化后僅依靠傳統的捷聯算法，姿態將很快發散，需要利用加速度計和磁羅盤的信息來進行修正。現有方法在載體機動小時比較有效，而當應用于無人機、直升機等載體時，由于其機動時間較長，且要求姿態仍能保持較高的精度，那么載體本身的機動加速度的影響無法消除，這樣根據加速度計信息不能得到較準確的俯仰角和橫滾角估計，同時也不能根據磁羅盤信息對航向角信息進行準確的估計。所以當載體長時間處于大機動狀態時(如飛機長時間協調轉彎)，由于向心加速度的存在，導致一段時間后加速度計和磁羅盤不能有效的對姿態誤差進行修正，相應陀螺的零偏也越來越大，這是開環式IFOG航姿系統在機動載體應用時存在的關鍵性障礙。

發明內容

現有的開環式IFOG航姿系統三軸加速度計和三軸磁傳感器信息不僅包含了對橫滾角、俯仰角和航向角的觀測，同時也能對載體自身機動加速度進行觀測。為解決載體長時機動情形下的姿態估計問題，本發明利用加速度和磁場觀測冗余信息，將載體機動加速度描述為一種非零均值時間相關模型，提出了一種九狀態擴展卡爾曼濾波方法，即取三個姿態角誤差、三軸陀螺的零偏誤差和載體系的三軸載體機動加速度誤差為狀態量，觀測量為三軸加速度誤差和三軸地磁場誤差的九狀態擴展卡爾曼濾波，并與捷聯姿態算法進行數據融合，能夠將不同機動情形下姿態角均方差控制在2°以內。

本發明提供一種能夠有效解決載體長時機動情形下的姿態精度保持的捷聯慣性航姿系統航姿估計方法，主要包括下列步驟：

步驟一、慣性傳感器標定，包括光纖陀螺儀、加速度計和磁傳感器的標定，分別取標定后載體坐標系下的三軸角速度、三軸加速度及三軸地磁場。

步驟二、羅差校正，利用陀螺和地磁場的轉動信息對三軸軟鐵和硬鐵效應進行校正。

步驟三、捷聯姿態解算：采用四元數表示方法，進行捷聯姿態解算。

步驟四、載體機動加速度模型

當載體進行直線加減速或長時間轉彎機動時，將機動加速度描述為一種非零均值時間相關模型，即當載體以某一加速度機動時，下一瞬時的加速度只能在當前加速度的鄰域內，如下式：

a·=a‾+δa---(1)]]>

δa·=-αδa+wa---(2)]]>