CN103940425B - 一种磁‑惯性组合捷联测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁‑惯性组合捷联测量方法，其包括在导航坐标系下建立载体基于地磁测量的滚转角解算方程和基于惯性测量的角运动方程；将上一时刻的俯仰角和偏航角近似为当时刻的俯仰角和偏航角；将当时刻的弹体坐标系y轴、z轴地磁测量值、俯仰角和偏航角作为基于地磁测量的滚转角解算方程的输入，解算当时刻的滚转角；将当时刻陀螺对弹体坐标系y轴、z轴角速度的测量信息，及俯仰角和滚转角作为角运动方程的输入，解算下一时刻的俯仰角速率和偏航角速率，然后通过对当时刻的俯仰角速率和偏航角速率积分，计算出载体下一时刻的俯仰角和偏航角；将下一时刻作为当时刻，重复上述过程，完成载体姿态的实时解算。该方法较好地解决了具有高角速度特征的载体的姿态解算问题。

Description

一种磁-惯性组合捷联测量方法
技术领域
本发明属于姿态测量领域，尤其涉及一种磁-惯性组合捷联测量方法。
背景技术
目前，国内外为满足低成本要求，大部分姿态测量器件采用MEMS陀螺作为载体。然而，对具有高角速度特征的载体测量，由于MEMS陀螺量程的限制，致使高角速度条件下精准测量载体姿态成为一道难题。尽管标定MEMS陀螺的比例因数能够使其满足大量程的测量范围，但由于存在变转速的实际情况，MEMS陀螺的测量精度仍然不值得信赖。在已公开发表的文献中，主要通过对标定技术研究，提高MEMS陀螺的测量精度，导致MEMS陀螺的应用条件受限。
发明内容
为了解决高角速度特征载体的姿态解算问题，本发明提供了一种磁-惯性组合捷联测量方法。
该磁-惯性组合捷联测量方法包括：
（1）在导航坐标系下建立载体基于地磁测量的滚转角解算方程和基于惯性测量的角运动方程；
（2）将上一时刻的俯仰角和偏航角近似为当时刻的俯仰角和偏航角；
（3）将当时刻的弹体坐标系y轴、z轴地磁测量值、俯仰角、偏航角作为基于地磁测量的滚转角解算方程的输入，解算当时刻的滚转角；
（4）将当时刻陀螺对弹体坐标系y轴、z轴角速度的测量信息，以及俯仰角、滚转角作为角运动方程的输入，解算下一时刻的俯仰角速率和偏航角速率，然后通过对当时刻的俯仰角速率和偏航角速率积分，计算出载体下一时刻的俯仰角和偏航角；
（5）将下一时刻作为当时刻，重复（1）-（4）过程，完成载体姿态的实时解算。
进一步的，设t-1时刻载体的俯仰角为θ(t-1)，偏航角为ψ(t-1)；t时刻弹体坐标系下y轴地磁传感器的测量值为m by (t)，z轴地磁传感器的测量值为m bz (t)，当地地磁矢量的磁偏角为D，当地地磁矢量的磁倾角为I；将t-1时刻的俯仰角和偏航角近似为t时刻的俯仰角和偏航角，即θ(t)=θ(t-1)，ψ(t)=ψ(t-1)；将俯仰角θ(t)和偏航角ψ(t)作为t时刻滚转角γ解算的输入，利用基于地磁测量的滚转角解算方程解算γ(t)。所述滚转角解算方程为：
。
进一步的，所述角运动方程为：
将固连于弹体坐标系的y轴陀螺测量值ω by (t)、z轴陀螺测量值ω bz (t)、γ(t)及θ(t)带入到角动量方程，计算得到的俯仰角和偏航角速率，通过积分可计算出载体下一时刻的俯仰角θ(t+1)和偏航角ψ(t+1)。
本发明的有益效果为：
本发明可广泛应用于具有高角速度特征的载体姿态解算领域，为惯性导航关键问题的解决提供理论基础。
附图说明
图1为本发明磁-惯性组合捷联测量方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，设t-1时刻载体的俯仰角为θ(t-1)，偏航角为ψ(t-1)。t时刻弹体坐标系下y轴地磁传感器的测量值为m by (t)，z轴地磁传感器的测量值为m bz (t)，当地地磁矢量的磁偏角为D，当地地磁矢量的磁倾角为I。将t-1时刻的俯仰角和偏航角近似为t时刻的俯仰角和偏航角，即θ(t)=θ(t-1)，ψ(t)=ψ(t-1)。将俯仰角θ(t)和偏航角ψ(t)作为t时刻滚转角γ解算的输入，利用基于地磁测量的滚转角解算方程解算γ(t)，公式如下所示：
在导航坐标系下建立载体的角运动方程，如下所示：
将固连于弹体坐标系的y轴陀螺测量值ω by (t)、z轴陀螺测量值ω bz (t)、γ(t)及θ(t)带入到角动量方程，计算得到的俯仰角和偏航角速率，通过积分可计算出载体下一时刻的俯仰角θ(t+1)和偏航角ψ(t+1)。
将下一时刻作为当时刻，重复上述过程，完成载体姿态的实时解算。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种磁-惯性组合捷联测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）在导航坐标系下建立载体基于地磁测量的滚转角解算方程和基于惯性测量的角运动方程；
（2）将上一时刻的俯仰角和偏航角近似为当时刻的俯仰角和偏航角；
（3）将当时刻的载体坐标系y轴地磁传感器的测量值、z轴地磁传感器的测量值、俯仰角、偏航角作为基于地磁测量的滚转角解算方程的输入，解算当时刻的滚转角；
（4）将当时刻陀螺对载体坐标系y轴、z轴角速度的测量信息，以及俯仰角、滚转角作为角运动方程的输入，解算当时刻的俯仰角速率和偏航角速率，然后通过对当时刻的俯仰角速率和偏航角速率积分，计算出载体下一时刻的俯仰角和偏航角；
（5）将下一时刻作为当时刻，重复（1）-（4）过程，完成载体姿态的实时解算；
所述滚转角解算方程为：
其中，γ为滚转角、ψ为偏航角、D为磁偏角、θ为俯仰角、I为磁倾角、mby为y轴地磁传感器的测量值、mbz为z轴地磁传感器的测量值。
2.如权利1所述的一种磁-惯性组合捷联测量方法，其特征在于：设t-1时刻载体的俯仰角为θ（t-1），偏航角为ψ（t-1）；t时刻载体坐标系下y轴地磁传感器的测量值为mby（t），z轴地磁传感器的测量值为mbz（t），当地地磁矢量的磁偏角为D，当地地磁矢量的磁倾角为I；将t-1时刻的俯仰角和偏航角近似为t时刻的俯仰角和偏航角，即θ（t）=θ（t-1），ψ（t）=ψ（t-1）；将俯仰角θ（t）和偏航角ψ（t）作为t时刻滚转角γ解算的输入，利用基于地磁测量的滚转角解算方程解算γ（t）。
3.如权利1所述的一种磁-惯性组合捷联测量方法，其特征在于：所述角运动方程为：
将固连于载体坐标系的y轴陀螺测量值ωby（t）、z轴陀螺测量值ωbz（t）、γ（t）及θ（t）代入到角运动方程，计算得到的俯仰角速率 和偏航角速率 ，通过积分可计算出载体下一时刻的俯仰角θ（t+1）和偏航角ψ（t+1）。
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