CN104864870A - 多自由度组合姿态测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度组合姿态测量方法及装置，在与常规的正交地理坐标系初始重合的测量仪器坐标系OXYZ的三轴上安装一组(三自由度)姿态传感器，接着将正交地理坐标系绕其重力方向平行的轴旋转一次，构成第二个仪器坐标系OMNZ，在M、N轴方向安装一组(二自由度)姿态传感器，再将正交地理坐标系绕其非重力方向平行的轴旋转一次，构成第三个仪器坐标系OXPQ或OSYT，在P、Q轴或S、T轴方向安装一组(二自由度)姿态传感器，这样得到一个多自由度组合姿态测量装置，可使得在任何姿态位置，至少有一个仪器坐标系中的2个传感器可以输出较大幅度的姿态测量信号，提高姿态测量的原始信噪比和整体测量精度。

Description

多自由度组合姿态测量方法及装置

技术领域

本发明应用于石油工程、航天、航空和航海，属于精密测量仪器领域，特别涉及多自由度组合姿态测量方法及装置。

背景技术

精确姿态测量是石油勘探和航行器导航、制导与控制的基础，在国内外争夺愈来愈激烈的石油能源勘探和国防军事领域有着非常重要的地位。姿态惯性测量与控制技术是衡量一个国家尖端技术水平的重要标志，精度要求越来越高；而采用的常规正交坐标系在全角度范围内的相对误差奇点多、整体精度分布离散。改进设计和校正补偿可提高部分精度，但无法提高整体精度。

以采用3个轴向安装、相互正交的加速度计实现钻井轨迹测量为例，在北西天ONWS地理坐标系中建立地下/井下导航(简称航地)钻井工具仪器坐标系(OXYZ坐标系)。

两个坐标系初始重合，N轴沿当地子午线指北，W轴沿当地纬线指西，S轴沿当地地垂线指天，NW面为当地水平面，NS面为当地子午面。定义方位角A为钻井工具在水平面内从地理北逆时针旋转到井轨迹在水平面投影的角，倾斜角I为井眼轴线与重力矢量之间的夹角，工具面角T为从重力高边逆时针旋转到钻井工具高边的夹角。

通常的欧拉旋转经过3次不同轴的旋转就可得到当前工具的仪器姿态。ONWS地理坐标系绕OS轴旋转角A到OX1Y1Z1，绕OY1轴旋转角I到OX2Y2Z2，再绕OZ2轴旋转角T到OX3Y3Z3，就得到仪器的当前坐标系。

将地球重力加速度g向仪器坐标系上投影，可得三轴加速度计输出为

$\left\{\begin{array}{c}{G}_x=-g\sin I\cos T\\ G_y=-g\sin I\sin T\\ G_z=-g\cos I\end{array}\right.---\left(1\right)$

G_x、G_y和G_z为加速度计在XYZ方向的分量输出。

由于三轴采用同类型传感器，它们的精度一致或非常接近，设受井斜角和工具面角变化所产生的相对误差相等，即dI/I＝dT/T，由公式(1)可推得三轴传感器输出的相对误差为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{gx}}=(\frac{\cos I}{\sin I}-\frac{\sin T}{\cos T})\·\frac{\mathrm{dI}}{I}\\ r_{\mathrm{gy}}=(\frac{\cos I}{\sin I}+\frac{\cos T}{\sin T})\·\frac{\mathrm{dI}}{I}\\ r_{\mathrm{gz}}=-\frac{\sin I}{\cos I}\·\frac{\mathrm{dI}}{I}\end{array}\right.---\left(2\right)$

从式(2)看来，三轴输出的相对误差分布存在一些奇点，即式(2)中分母为0的点：I＝0°、90°、180°和270°，T＝0°、90°、180°和270°。这些奇点附近，参与计算的1个或2个量的相对误差趋于无穷，数值整体分布范围从0到±∞，非线性很强。

对正交姿态测量误差进行分析，可知：小倾斜角姿态时，r_gx、r_gy很大，表明常规正交坐标系难以获得较高的整体测量精度；大倾斜角姿态时，r_gz很大，同时r_gx、r_gy交替存在奇点，表明常规正交坐标系也同样难以获得较高的整体测量精度；中间倾斜角姿态时，常规正交坐标系还存在奇点，部分区域误差仍然很大，仍需设法提高整体测量精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多自由度组合姿态测量方法及实现该方法的装置，该装置采用三个正交坐标系进行组合，使得在装置的任何姿态位置，至少有一个坐标系中的2个传感器的测量信号有较大的幅值，以此获得较大的原始信噪比，提高整体测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多自由度组合姿态测量方法，包含三个各自正交的仪器坐标系，其中第一个仪器坐标系与地理坐标系重合，与地理坐标系的重力方向平行的轴为Z轴，其他两个正交轴分别为X、Y轴，另外两个仪器坐标系是由地理坐标系旋转得到的，

首先，以位于待测装置中间位置的传感器检测元件中心O为原点，以地理坐标系中重力方向平行的轴为Z轴，与地理坐标系中非重力方向平行的其他两个轴为X、Y轴，建立第一个仪器坐标系OXYZ；

然后，将地理坐标系绕其重力方向平行的轴逆时针或顺时针旋转θ角，θ＝±45°或θ＝±135°，构成第二个仪器坐标系OMNZ，与Z轴正交的另外两个轴为M、N轴；

接着，将地理坐标系绕其非重力方向平行的X轴逆时针或顺时针旋转θ角，构成第三个仪器坐标系OXPQ，与X轴正交的另外两个轴为P、Q轴，或者将地理坐标系绕其非重力方向平行的Y轴逆时针或顺时针旋转θ角，成第三个仪器坐标系OSYT，与Y轴正交的另外两个轴为S、T轴；

最后，定义待测装置的倾斜角I为待测装置的中心轴线与地理坐标系中指向地心的重力矢量的夹角，工具面角T为从第一个仪器坐标系下待测装置的重力铅垂面指北方向逆时针旋转到待测装置中心轴线的铅垂面上高边方向的夹角，方位角A为第一个仪器坐标系下待测装置从地理北逆时针旋转到待测装置在非重力轴所组成的平面上投影的角度；

在任何姿态位置，当其中一个仪器坐标系中有2个传感器测量幅值均比其他仪器坐标系中的任何传感器测量幅值大时，该仪器坐标系即作为当前姿态位置的最佳测量仪器坐标系，根据该仪器坐标系与地理坐标系的旋转关系来计算姿态参数。

地理坐标系可以是北西天坐标系或西北天坐标系或北东地坐标系或者东北地坐标系。

一种多自由度组合姿态测量装置，该装置由三个仪器坐标系组成，其特征在于，第一个仪器坐标系与地理坐标系初始重合，与地理坐标系的重力方向平行的轴为Z轴，其他两个轴分别为X、Y轴，另外两个仪器坐标系是由地理坐标系分别绕其重力方向平行和非重力方向平行的轴旋转λ角得到的，λ＝±45°或λ＝±135°，在各轴上安装通用姿态测量传感器，各传感器检测元件的中心始终在装置的中心轴线上。

三个仪器坐标系在待测装置的轴向空间安装顺序从上到下可以为第一个仪器坐标系、第二个仪器坐标系、第三个仪器坐标系，或第一个仪器坐标系、第三个仪器坐标系、第二个仪器坐标系，或第二个仪器坐标系、第一个仪器坐标系、第三个仪器坐标系，或第二个仪器坐标系、第三个仪器坐标系、第一个仪器坐标系，或第三个仪器坐标系、第二个仪器坐标系、第一个仪器坐标系，或第三个仪器坐标系、第一个仪器坐标系、第二个仪器坐标。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

在任何姿态位置，至少有一个坐标系的2个传感器输出幅值较大的原始测量信号，可较大幅度提高原始信号信噪比和整体测量精度。

附图说明

图1是现有技术中旋转方式示意图，(a)为方位角旋转图，(b)为倾斜角旋转示意图，(c)为工具面角旋转示意图；

图2是本发明中三个仪器坐标系的方位示意图，OXYZ为第一个仪器坐标系，OMNZ为第二个坐标系，OXPQ或OSYT第三个仪器坐标系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明为一种多自由度姿态测量方法及装置，测量方法利用三个仪器坐标系组合来实现全角度姿态的整体高精度测量，三个仪器坐标系均来自于地理坐标系的欧拉旋转。

实施例一

首先，以位于待测装置中间位置的传感器检测元件中心O为原点，以重力方向平行的轴为Z轴，与地理坐标系非重力方向平行的其他两个轴为X、Y轴，建立第一个仪器坐标系OXYZ，地理坐标系选择北西天坐标系。

然后，将地理坐标系绕其重力方向平行的轴逆时针旋转θ角，θ＝45°，构成第二个仪器坐标系OMNZ，与Z轴正交的另外两个轴为M、N轴；

接着，将地理坐标系绕其非重力方向平行的X轴逆时针旋转θ角，构成第三个仪器坐标系OXPQ，与X轴正交的另外两个轴为P、Q轴；

最后，定义待测装置的倾斜角I为待测装置的中心轴线与指向地心的重力矢量的夹角，工具面角T为从第一个仪器坐标系下待测装置的重力铅垂面指北方向逆时针旋转到待测装置中心轴线的铅垂面上高边方向的夹角，方位角A为第一个仪器坐标系下待测装置从地理北逆时针旋转到待测装置在非重力轴所组成的平面上投影的角度，根据旋转后的传感器测量输出可以得到待测装置的姿态参数。

则第一个仪器坐标系的三轴输出为

$\left\{\begin{array}{c}{G}_x=-g\sin I\cos T\\ G_y=-g\sin I\sin T\\ G_z=-g\cos I\end{array}\right.---\left(3\right)$

G_x、G_y和G_z为加速度计在XYZ方向的分量输出。

第二个仪器坐标系的三轴输出为

$\left[\begin{array}{c}{G}_m\\ G_n\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]---\left(4\right)$

G_m、G_n和G_z为加速度计在MNZ方向的分量输出。

第三个仪器坐标系的三轴输出为

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_p\\ G_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]---\left(5\right)$

G_x、G_p和G_q为加速度计在XPQ方向的分量输出。

任意姿态位置下，当任一仪器坐标系中有2个传感器测量输出幅值均较大时，可以将该仪器坐标系作为该姿态下的最佳测量坐标系，将公式(4)或公式(5)测量结果依照公式(6)进行变换，再利用公式(3)得到姿态参数。

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_m\\ G_n\\ G_z\end{array}\right]$

或

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_p\\ G_q\end{array}\right]---\left(6\right)$

实施例二

首先，以位于待测装置中间位置的传感器检测元件中心O为原点，以重力方向平行的轴为Z轴，与地理坐标系非重力方向平行的其他两个轴为X、Y轴，建立第一个仪器坐标系OXYZ，地理坐标系选择西北天坐标系。

然后，将地理坐标系绕其重力方向平行的轴顺时针旋转θ角，θ＝135°，构成第二个仪器坐标系OMNZ，与Z轴正交的另外两个轴为M、N轴；

接着，将地理坐标系绕其非重力方向平行的Y轴顺时针旋转θ角，构成第三个仪器坐标系OSYT，与Y轴正交的另外两个轴为S、T轴；

最后，定义待测装置的倾斜角I为待测装置的中心轴线与指向地心的重力矢量的夹角，工具面角T为从第一个仪器坐标系下待测装置的重力铅垂面指北方向逆时针旋转到待测装置中心轴线的铅垂面上高边方向的夹角，方位角A为第一个仪器坐标系下待测装置从地理北逆时针旋转到待测装置在非重力轴所组成的平面上投影的角度，根据旋转后的传感器测量输出可以得到待测装置的姿态参数。

则第一个仪器坐标系的三轴输出为

$\left\{\begin{array}{c}{G}_x=-g\sin I\sin T\\ G_y=-g\sin I\cos T\\ G_z=-g\cos I\end{array}\right.---\left(7\right)$

G_x、G_y和G_z为加速度计在XYZ方向的分量输出。

第二个仪器坐标系的三轴输出为

$\left[\begin{array}{c}{G}_m\\ G_n\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]---\left(8\right)$

G_m、G_n和G_z为加速度计在MNZ方向的分量输出。

第三个仪器坐标系的三轴输出为

$\left[\begin{array}{c}{G}_s\\ G_y\\ G_t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]---\left(9\right)$

G_s、G_y和G_t为加速度计在SYT方向的分量输出。

任意姿态位置下，当任一仪器坐标系中有2个传感器测量输出幅值均较大时，可以将该仪器坐标系作为该姿态下的最佳测量坐标系，将公式(8)或公式(9)测量结果依照公式(10)进行变换，再利用公式(7)得到姿态参数。

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_m\\ G_n\\ G_z\end{array}\right]$

或

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_s\\ G_y\\ G_t\end{array}\right]---\left(10\right)$

实施例三

首先，以位于待测装置中间位置的传感器检测元件中心O为原点，以重力方向平行的轴为Z轴，与地理坐标系非重力方向平行的其他两个轴为X、Y轴，建立第一个仪器坐标系OXYZ，地理坐标系选择北东地坐标系。

然后，将地理坐标系绕其重力方向平行的轴顺时针旋转θ角，θ＝-135°，构成第二个仪器坐标系OMNZ，与Z轴正交的另外两个轴为M、N轴；

接着，将地理坐标系绕其非重力方向平行的X轴顺时针旋转θ角，构成第三个仪器坐标系OXPQ，与X轴正交的另外两个轴为P、Q轴；

最后，定义待测装置的倾斜角I为待测装置的中心轴线与指向地心的重力矢量的夹角，工具面角T为从第一个仪器坐标系下待测装置的重力铅垂面指北方向逆时针旋转到待测装置中心轴线的铅垂面上高边方向的夹角，方位角A为第一个仪器坐标系下待测装置从地理北逆时针旋转到待测装置在非重力轴所组成的平面上投影的角度，根据旋转后的传感器测量输出可以得到待测装置的姿态参数。

则第一个仪器坐标系的三轴输出为

$\left\{\begin{array}{c}{G}_x=g\sin I\cos T\\ G_y=-g\sin I\sin T\\ G_z=g\cos I\end{array}\right.---\left(11\right)$

G_x、G_y和G_z为加速度计在XYZ方向的分量输出。

第二个仪器坐标系的三轴输出为

$\left[\begin{array}{c}{G}_m\\ G_n\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]---\left(12\right)$

G_m、G_n和G_z为加速度计在MNZ方向的分量输出。

第三个仪器坐标系的三轴输出为

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_p\\ G_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]---\left(13\right)$

G_x、G_p和G_q为加速度计在XPQ方向的分量输出。

任意姿态位置下，当任一仪器坐标系中有2个传感器测量输出幅值均较大时，可以将该仪器坐标系作为该姿态下的最佳测量坐标系，将公式(12)或公式(13)测量结果依照公式(14)进行变换，再利用公式(11)得到姿态参数。

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_m\\ G_n\\ G_z\end{array}\right]$

或

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_p\\ G_q\end{array}\right]---\left(14\right)$

实施例四

首先，以位于待测装置中间位置的传感器检测元件中心O为原点，以重力方向平行的轴为Z轴，与地理坐标系非重力方向平行的其他两个轴为X、Y轴，建立第一个仪器坐标系OXYZ，地理坐标系选择东北地坐标系。

然后，将地理坐标系绕其重力方向平行的轴逆时针旋转θ角，θ＝-45°，构成第二个仪器坐标系OMNZ，与Z轴正交的另外两个轴为M、N轴；

接着，将地理坐标系绕其非重力方向平行的Y轴逆时针旋转θ角，，θ＝-45°，构成第三个仪器坐标系OSYT，与Y轴正交的另外两个轴为S、T轴；

最后，定义待测装置的倾斜角I为待测装置的中心轴线与指向地心的重力矢量的夹角，工具面角T为从第一个仪器坐标系下待测装置的重力铅垂面指北方向逆时针旋转到待测装置中心轴线的铅垂面上高边方向的夹角，方位角A为第一个仪器坐标系下待测装置从地理北逆时针旋转到待测装置在非重力轴所组成的平面上投影的角度，根据旋转后的传感器测量输出可以得到待测装置的姿态参数。

则第一个仪器坐标系的三轴输出为

$\left\{\begin{array}{c}{G}_x=-g\sin I\sin T\\ G_y=g\sin I\cos T\\ G_z=g\cos I\end{array}\right.---\left(15\right)$

G_x、G_y和G_z为加速度计在XYZ方向的分量输出。

第二个仪器坐标系的三轴输出为

$\left[\begin{array}{c}{G}_m\\ G_n\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]---\left(16\right)$

G_m、G_n和G_z为加速度计在MNZ方向的分量输出。

第三个仪器坐标系的三轴输出为

$\left[\begin{array}{c}{G}_s\\ G_y\\ G_t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]---\left(17\right)$

G_s、G_y和G_t为加速度计在SYT方向的分量输出。

任意姿态位置下，当任一仪器坐标系中有2个传感器测量输出幅值均较大时，可以将该仪器坐标系作为该姿态下的最佳测量坐标系，将公式(15)或公式(16)测量结果依照公式(18)进行变换，再利用公式(15)得到姿态参数。

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_m\\ G_n\\ G_z\end{array}\right]$

或

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\\ G_y\\ G_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{G}_s\\ G_y\\ G_t\end{array}\right]---\left(18\right)$

三个仪器坐标系在待测装置的轴向空间安装顺序从上到下可以为第一个仪器坐标系、第二个仪器坐标系、第三个仪器坐标系，或第一个仪器坐标系、第三个仪器坐标系、第二个仪器坐标系，或第二个仪器坐标系、第一个仪器坐标系、第三个仪器坐标系，或第二个仪器坐标系、第三个仪器坐标系、第一个仪器坐标系，或第三个仪器坐标系、第二个仪器坐标系、第一个仪器坐标系，或第三个仪器坐标系、第一个仪器坐标系、第二个仪器坐标。

本发明的原理为：

对于通常的正交仪器坐标系，在测量相对误差零点附近的较大区域内，姿态位置无法获得2个幅值较大的原始测量信号，导致解算出的姿态参数精度较低，为此分析了坐标变换和欧拉旋转的机理，提出了多种坐标系组合测量思想，采用基于地理坐标系的旋转坐标系组合，可以保证在任意姿态位置，至少有一个坐标系中的2个传感器输出幅值较大的原始信号，以便提高测量精度和姿态参数解算精度。

如图2所示，第一个仪器坐标系与地理坐标系重合，第二个仪器坐标系是地理坐标系绕其重力方向平行的轴旋转而成，第三个仪器坐标系是地理坐标系绕其非重力方向平行的轴旋转而成，在小倾斜角姿态下，OXPQ和OSYT坐标系的2个输出均有较大幅值；在大、中间倾斜角姿态下，OXYZ和OXMN交替获得2个较大幅值的输出，则全姿态位置下测量信号的原始精度大幅度提高，而由误差传递原理可知，两个测量精度高的量计算得到另外一个量，其精度也得到提高。

根据本发明所述的多自由度组合姿态测量方法，第二、第三个仪器坐标系是地理坐标系绕其重力方向平行和非重力方向平行的轴旋转λ角而成，λ＝±45°，或λ＝±135°，其中各自由度传感器检测元件的中心始终在同一直线上。

应用多自由度坐标系的组合，在任意姿态位置均可获得高精度的原始测量信号，可以实现全角度姿态的高精度姿态参数测量，并可拓展应用于石油深海深层勘探、机器人、导弹、飞机、舰艇等载体姿态测量中。

Claims (5)

1.一种多自由度组合姿态测量方法，采用三个各自正交的仪器坐标系，其中第一个仪器坐标系与地理坐标系初始重合，与地理坐标系中重力方向平行的轴为Z轴，其他两个正交轴分别为X、Y轴，另外两个仪器坐标系是由地理坐标系旋转得到的，其特征在于，

首先，以位于待测装置中间位置的传感器检测元件中心O为原点，以地理坐标系中重力方向平行的轴为Z轴，与地理坐标系中非重力方向平行的其他两个轴为X、Y轴，建立第一个仪器坐标系OXYZ；

然后，将地理坐标系绕其重力方向平行的轴逆时针或顺时针旋转θ角，θ＝±45°或θ＝±135°，构成第二个仪器坐标系OMNZ，与Z轴正交的另外两个轴为M、N轴；

接着，将地理坐标系绕其非重力方向平行的X轴逆时针或顺时针旋转θ角，构成第三个仪器坐标系OXPQ，与X轴正交的另外两个轴为P、Q轴，或者将地理坐标系绕非重力方向平行的Y轴逆时针或顺时针旋转θ角，构成第三个仪器坐标系OSYT，与Y轴正交的另外两个轴为S、T轴；

在各轴上安装姿态测量传感器，各传感器检测元件的中心始终在待测装置的中心轴线上；

最后，定义待测装置的倾斜角I为待测装置的中心轴线与指向地心的重力矢量的夹角，工具面角T为从第一个仪器坐标系OXYZ下待测装置的重力铅垂面指北方向逆时针旋转到待测装置中心轴线的铅垂面上高边方向的夹角，方位角A为第一个仪器坐标系OXYZ下待测装置从地理北逆时针旋转到待测装置在非重力轴所组成平面上投影的角度；

在任何姿态位置，当其中一个仪器坐标系中有2个传感器测量幅值均比其他仪器坐标系中的任何传感器测量幅值大时，该仪器坐标系即作为当前姿态位置的最佳测量仪器坐标系，根据该仪器坐标系与地理坐标系的旋转关系来计算姿态参数。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度组合姿态测量方法，其特征在于，所述地理坐标系为北西天坐标系或者西北天坐标系或者北东地坐标系或者东北地坐标系。

3.一种多自由度组合姿态测量装置，该装置由三个仪器坐标系组成，其特征在于，第一个仪器坐标系与地理坐标系初始重合，与地理坐标系中重力方向平行的轴为Z轴，其他两个轴分别为X、Y轴，另外两个仪器坐标系是由地理坐标系分别绕其重力方向平行和非重力方向平行的轴旋转λ角得到的，λ＝±45°或λ＝±135°，在各轴上安装通用的姿态测量传感器，各传感器检测元件的中心始终在装置的中心轴线上。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度组合姿态测量装置，其特征在于，所述地理坐标系为北西天坐标系或者西北天坐标系或者北东地坐标系或者东北地坐标系。

5.根据权利要求3所述的一种多自由度组合姿态测量装置，其特征在于，三个仪器坐标系在待测装置的轴向空间安装顺序从上到下可以为第一个仪器坐标系、第二个仪器坐标系、第三个仪器坐标系，或第一个仪器坐标系、第三个仪器坐标系、第二个仪器坐标系，或第二个仪器坐标系、第一个仪器坐标系、第三个仪器坐标系，或第二个仪器坐标系、第三个仪器坐标系、第一个仪器坐标系，或第三个仪器坐标系、第二个仪器坐标系、第一个仪器坐标系，或第三个仪器坐标系、第一个仪器坐标系、第二个仪器坐标。