[發明專利]三軸姿態測量系統非正交性誤差的正交補償方法

有效

• 申請號: 201310517875.4
• 申請日: 2013-10-25
• 公開（公告）號: CN103591949A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 程為彬;潘萌;湯楠;汪躍龍;霍愛清
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

技術領域

本發明應用于導航、制導與控制工程，屬于精密測量儀器技術領域，特別涉及一種三軸姿態測量系統非正交性誤差的正交補償方法。

背景技術

姿態測量和控制廣泛應用于國防、軍事、工業、農業和商業領域，減小測量誤差是提高姿態測量精度的重要技術手段。從誤差性質來分，有系統誤差、隨機誤差和壞差。壞差明顯歪曲了測量結果，這里不討論。隨機誤差服從統計規律，一般由不確定性因素造成，如電磁場的變化、零件的摩擦與間隙、熱起伏、空氣擾動、氣壓、溫濕度和測量人員的感官生理變化等，最重要的表現為抵償性，即隨機誤差是可以通過數據處理來減小或消除的。系統誤差是固定的，或服從一定的函數規律，產生原因眾多，通常涉及測量儀器設備、測量裝置對象、測量技術方法、測量者操作水平等，一般可以通過校正或補償來減小。

姿態測量系統中存在各類來源誤差，如零位誤差、非正交誤差（包括位置/位移誤差、指向/方位誤差、安裝誤差等）、標度因子誤差、溫度漂移誤差、傳感器測量誤差和數據處理誤差等，其中結構產生的非正交誤差占到整體誤差的70%，本發明主要研究其中的非正交誤差。所謂非正交誤差是指由于機械制造、加工所形成的各軸之間不正交，地理坐標系和儀器坐標系初始不重合，以及傳感器安轉或測量裝置二次安裝等形成的各軸空間偏差，是各測量軸與理想地理坐標系之間不正交度的表現。

經典誤差理論證明：對于系統誤差要采用合適的校正補償方法，對隨機誤差可以采用各種基于數據統計的擬合方法。

部分文獻綜合零位誤差、標度因子誤差、非正交誤差、溫度漂移誤差、測量誤差、數據處理誤差等，形成一個統一的校正模型。以上各類誤差包括系統誤差和隨機誤差，而它們的處理方法是不同的，一個統一的模型顯然難以同時滿足兩類性質完全不同誤差的校正。

部分文獻采用最小二乘法、共軛梯度法、最大似然法、卡爾曼濾波、神經網絡、參數估計、微分進化等算法，以及它們的改進算法，對姿態測量結果進行處理，而這些算法主要適合隨機誤差的處理，對系統誤差的處理難以奏效。

部分文獻對姿態傳感器的位置/位移、指向/方位、安裝誤差進行了獨立建模，給出了各軸的相對誤差角，但同時也存在缺陷，如假定地理坐標系S軸和儀器坐標系初始Z軸重合，這本身就是忽略了這2個軸的軸不重合誤差，顯然不全面。

還有文獻利用各類方法對三軸的非正交性進行解耦校正，即將測量結果正交化，但在處理時采用了簡化方案，或前提條件不嚴謹，或采用公式簡化，人為引入了方法誤差，降低了校正補償精度。

發明內容

為克服上述現有姿態測量系統中非正交性誤差補償方法的不足，本發明的目的在于提供一種三軸姿態測量系統非正交性誤差的正交補償方法，綜合非正交性誤差的形成，將傳感器三軸看成3個獨立的空間軸，通過包含這3個實軸的虛擬正交坐標系的多次坐標變換，獲得傳感器非正交性誤差的補償矩陣，最終將三軸傳感器測量結果正交化，減小非正交性及其誤差，提高測量精度。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種三軸姿態測量系統非正交性誤差的正交補償方法，包括如下步驟：

步驟1，在姿態測量系統中建立理想正交的地理坐標系，并將該坐標系通過歐拉旋轉得到一個初始虛擬、正交的理想儀器坐標系，此時的儀器姿態角即方位角、傾斜角和工具面角；

步驟2，該理想儀器坐標系分別以3組不同的姿態誤差角做3組坐標變換，每組坐標變換均為3個不同姿態誤差角的歐拉旋轉，從得到的3個虛擬正交儀器坐標系中分別抽取X軸、Y軸和Z軸，構成實際的測量儀器坐標系；

步驟3，根據3組坐標變換所得到的相應實軸輸出與正交虛擬的理想儀器坐標系理論輸出的關系矩陣，得到非正交儀器坐標系各測量軸的實際輸出與理想正交儀器坐標系理論輸出的關系矩陣；

步驟4，通過特殊位置的實際儀器坐標系測量輸出和正交儀器坐標系理論輸出，逆向求解關系矩陣，得到一個校正矩陣，該矩陣表示三軸正交理論輸出與實際非正交測量結果之間的關系，即將非正交測量結果進行正交解耦，得到補償的三軸正交化測量結果。

所述三軸姿態測量傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁強計及MEMS慣性器件。

所述地理坐標系包括北西天、北東地坐標系，其旋轉正方向由右手定則或左手定則決定。

所述步驟2中，每組坐標變換是指將所述虛擬正交儀器坐標系繞第一個軸旋轉第一姿態誤差角，再繞第二個軸旋轉第二姿態誤差角，再繞第三個軸旋轉第三姿態誤差角，最后得到一個新的虛擬正交儀器坐標系，3組坐標變換的旋轉順序相同，共得到三個新的虛擬正交儀器坐標系。