[發明專利]基于分布式循環結構的飛行器自主姿態估計方法

有效

• 申請號: 202110261113.7
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113029127B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 黃婧麗;趙育良;白玉山;欒曉菲;張翔宇;張玉葉;黎志強
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍航空大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16;G01C21/08;G01C21/20
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本發明為了解決基于微機械陀螺/TAM姿態估計方法在線運行困難，精度較低的問題，提出了一種基于分布式循環結構的飛行器自主姿態估計方法。首先，建立自主姿態估計濾波器并將微機械陀螺和無校正誤差的三軸磁強計數據代入，求得當前時刻飛行器的姿態；然后，利用已求解的當前時刻姿態矩陣建立TAM校正系統；最后，將TAM校正系統輸出后無誤差的數值重新輸入姿態估計系統，對下一時刻的姿態進行估計。

技術領域

本發明屬于飛行器姿態估計領域，涉及一種基于分布式循環結構的飛行器自主姿態估計方法。

背景技術

全球衛星定位系統自應用以來取得了巨大的成就。但是隨著反制技術的發展，其隱蔽性差、易受敵方電子戰干擾的突出缺點也在多場局部戰爭中顯露無疑。因此為了能進一步適應當前戰爭的形式，發展一種不需要數據鏈通信、可靠的自主導航方式已成為亟待解決的問題。微機械陀螺儀工作過程中不需要發射和接收信號，隱蔽性好、短期精度高、可提供全天候連續實時導航信息，已成為導航系統的必選項。但同時具有積累誤差，需要其他輔助信息及時修正。三軸磁強計(Three?Axis?Magnetometer，TAM)是目前常用的矢量磁測量傳感器。與微機械陀螺儀組合后有更大的優勢，慣保持了純慣性導航設備全天候、連續導航的特點；被動測量，有很好的隱蔽性，避免通信時暴露和受到敵方誘騙、干擾；系統精度高，能夠為載體提供姿態、航向和位置等多維度高精度導航信息，在軍事、安保等領域有很大的應用潛力。

但是，由于這兩種傳感器精度相對較低，如何獲得較高的姿態精度是需要考慮的問題。TAM實際工作環境和線下測試時有很大區別，極端的溫度梯度、機械壓力、復雜的電磁環境等均對傳感器的狀態有較大影響，對姿態精度起著重要的作用。一些實際案例也證實了對TAM進行在線校正以確保獲得一定精度的姿態確定結果來說是非常必要的。但對于在線校正問題，以上方法是將參數化成額外增加的狀態。這樣一個全階濾波器的實現會有以下幾個方面的困難：(1)狀態向量的維數較大，會給實時操作帶來計算負擔；(2)狀態包含快速變化項和緩變項，濾波器參數很難調節；(3)由于TAM誤差校正參數較好的可觀測性，所以量測更新能夠更好的調節它，這將導致尺度因素和偏差對量測噪聲較敏感，而姿態則反應較慢。可見，如何在姿態估計的同時更好地在線校正TAM誤差參數是當前需要解決的一個關鍵問題。

針對現有微機械陀螺/TAM姿態估計系統的不足，本發明提出一種基于分布式循環結構的飛行器自主姿態估計新方法。該方法將姿態估計和傳感器校正分為兩部分，通過這種分布式雙循環的結構降低系統維數，提高姿態估計精度。

發明內容

本發明的目的在于突破微機械陀螺以及TAM精度較低，TAM易受電磁環境干擾，在線估計狀態維數較多的問題，提出一種基于分布式循環結構的飛行器自主姿態估計新方法。其中要解決的問題包括：

(1)狀態向量的維數較大，會給實時操作帶來計算負擔；

(2)狀態包含快速變化項和緩變項，濾波器參數很難調節；

(3)由于TAM誤差校正參數較好的可觀測性，所以量測更新能夠更好的調節它，這將導致尺度因素和偏差對量測噪聲較敏感，而姿態則反應較慢。

本發明所述的基于分布式循環結構的飛行器自主姿態估計方法，其特征在于包括以下技術措施：

步驟一：利用離散四元數動力學方程建立飛行器姿態估計系統狀態方程和三軸磁強計測量模型建立姿態估計系統觀測方程，從而完整構建飛行器姿態估計系統，并求解該姿態估計系統，從而得到當前時刻的姿態四元數、姿態轉換矩陣、三軸姿態，利用當前時刻姿態矩陣將當地地磁場矢量理論值轉化到載體坐標系下，將轉化到載體坐標系下的當地地磁場矢量值與校正后的三軸磁強計測量值做差，得到地磁場殘差向量；

步驟二：利用加入測量噪聲的殘差向量構建三軸磁強計校正系統觀測方程，以及由尺度因素誤差和零偏兩個誤差參數作為系統狀態構建的三軸磁強計校正系統狀態方程，由此構建完整的三軸磁強計校正系統，并利用UKF濾波器估計該系統當前時刻的狀態，也即誤差參數；