[發(fā)明專利]基于地磁梯度張量矩陣正交對角化的水下全姿態(tài)確定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011284160.5
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112504266B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃玉;武立華;秦洋;劉蘇濤;張濤;王洋
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G01C21/08
• 分類號: G01C21/08;G01C21/20
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于水下地磁輔助導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于地磁梯度張量矩陣正交對角化的水下全姿態(tài)確定方法。本發(fā)明通過地磁梯度張量矩陣的對角化和特征向量的正交歸一化處理，得到姿態(tài)矩陣，從而確定水下載體的姿態(tài)。本發(fā)明無積累誤差且具有很好的隱蔽性，能較為準(zhǔn)確地反演出載體的姿態(tài)角信息，且穩(wěn)定性好，對姿態(tài)角初始解的要求不高，姿態(tài)確定完全自主，計算量也較小，更適用于大初始姿態(tài)誤差下水下載體的全姿態(tài)確定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水下地磁輔助導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于地磁梯度張量矩陣正交對角化的水下全姿態(tài)確定方法。

背景技術(shù)

地磁場作為地球固有的一個穩(wěn)定的矢量場，蘊含的特征分量較多，已廣泛應(yīng)用于航空航天及航海領(lǐng)域中載體的導(dǎo)航定位與姿態(tài)控制。地磁導(dǎo)航相比于傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航，具有無累計誤差的優(yōu)點；而與衛(wèi)星導(dǎo)航相比，其抗干擾性更強。另外，由于地磁測量不會產(chǎn)生電磁信號的泄露，可以保障載體的隱蔽性。在眾多地磁導(dǎo)航方式中，單純基于地磁場強度的姿態(tài)確定方法由于其原理上的限制，易受附近各種干擾磁場影響，且載體上軟磁材料所產(chǎn)生的磁場，尤其是大傾斜角下的磁場，與載體的運動狀態(tài)有關(guān)，難以實現(xiàn)精確校正；另一方面，僅靠地磁場強度也不足以完成對全部姿態(tài)角的確定。而基于磁場梯度張量矩陣的姿態(tài)確定方法，可通過提取磁場的梯度張量消減干擾磁場的影響，同時可以解決單個磁強計無法自主定姿的問題。

目前，全姿態(tài)確定使用的大多數(shù)是基于衛(wèi)星和慣性的導(dǎo)航方法，它們大多應(yīng)用于航天器及地表物體的定姿；而水下載體的定姿大多采用慣性導(dǎo)航，但僅僅使用這種方法會產(chǎn)生隨時間累積的誤差，嚴(yán)重影響了姿態(tài)確定的精度，所以產(chǎn)生了天體輔助導(dǎo)航、無線電輔助導(dǎo)航以及聲納輔助導(dǎo)航等，但上述方法無疑都犧牲了水下載體的隱蔽性。為給水下載體姿態(tài)估計提供一種自主的、隱蔽的途徑，人們提出了一種基于地磁梯度張量測量值的全姿態(tài)確定法(黃玉，武立華，孫鐸.一種基于地磁梯度張量測量的水下載體全姿態(tài)確定方法.發(fā)明專利號：ZL201310692189.0，中國，[P].2015年12月2日)，它運用牛頓下山法求解以姿態(tài)四元數(shù)為自變量的非線性方程組，這就需要較好的初始解進行迭代計算。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供穩(wěn)定性好，對姿態(tài)角初始解的要求不高，姿態(tài)確定完全自主，計算量較小，更適用于大初始姿態(tài)誤差下水下載體的全姿態(tài)確定的一種基于地磁梯度張量矩陣正交對角化的水下全姿態(tài)確定方法。

本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)：包括以下步驟：

步驟1：按十單軸磁強計的對稱陣列形式構(gòu)建地磁梯度張量測量裝置并捷聯(lián)在載體上；所述的地磁梯度張量測量裝置包括第一三軸磁強計、第二三軸磁強計、第一二軸磁強計和第二二軸磁強計；設(shè)定第一三軸磁強計布置在載體上的位置為點A，第二三軸磁強計布置在載體上的位置為點B，第一二軸磁強計布置在載體上的位置為點C，第二二軸磁強計布置在載體上的位置為點D，且線段AB與線段CD垂直相交于點O，

以點O為原點，線段AB所在直線為x_b軸，線段CD所在直線為y_b軸，垂直于平面ABCD的直線為z_b軸，建立載體坐標(biāo)系ox_by_bz_b；l_x和l_y分別為ox_b坐標(biāo)軸和oy_b坐標(biāo)軸方向上的梯度測量基線長；

步驟2：獲取第一三軸磁強計、第二三軸磁強計、第一二軸磁強計和第二二軸磁強計的地磁場測量值，計算載體坐標(biāo)系ox_by_bz_b下的地磁梯度張量矩陣G^b；