CN111649738B - 微重力场下的加速度计初始姿态解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微重力场下的加速度计初始姿态解算方法，将导航坐标系下确定的三个已知外力施加到待测姿态的载体上，通过测量三个力在三轴加速度计上的各向分量，经旋转矩阵解算得到俯仰角、横滚角和偏航角，共同构成载体的全姿态角。本发明方法适用于太空等微重力场环境，成本低、算法设计简单、速度快，实现了微重力场下载体初始姿态参数的准确测量。

Description

微重力场下的加速度计初始姿态解算方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器控制技术，特别涉及一种微重力场下的加速度计初始姿态解算方法。

背景技术

确定物体的初始姿态，即确定物体初始状态时载体坐标系与导航坐标系之间的方位关系。

在微重力场内物体运动的研究中，确定物体的初始姿态是十分必要的。在太空微重力场中，很多航天飞行器都需要初始姿态作为前提输入，从而进一步控制其运动系统。

在一般的重力场条件下，现有的技术主要有以下两种方法：

(1)作者姜强在论文《四旋翼飞行器姿态航向参考系设计与实现》中，通过测量重力在三轴加速度计上的各向分量，来确定物体的初始俯仰角和横滚角。

(2)作者龙达峰在专利《适用于旋转弹初始姿态和速度联合测量方法》中，采用三轴陀螺仪等各种姿态传感器，根据载体滚转角速率计算得到全姿态角。

但基于加速度计的传统测量方法无法应用于微重力场，且解算得到的姿态角不完全，缺少偏航角；而陀螺仪等姿态传感器对温度等工作环境要求较高，数据在长时间工作后会发生漂移，导致测量精度下降，不适用于太空环境。

发明内容

本发明是针对合理解算完整的初始姿态的问题，提出了一种微重力场下的加速度计初始姿态解算方法,由三个在导航坐标系下已知的外力，通过测量外力在三轴加速度计上的各向分量，解算得到俯仰角、横滚角和偏航角。

本发明的技术方案为：一种微重力场下的加速度计初始姿态解算方法，具体包括如下步骤：

1)确定姿态测量的导航坐标系和载体坐标系；

2)将三轴加速度计直接固连在运载体上，组成捷联式惯导系统，测得惯导系统的质量为m，对其进行初始姿态测试：

3)以一单向稳定的外力作用在惯导系统上，记为F₁，利用拉力计测得F₁的大小，在导航坐标系中F₁的加速度方向矢量(x_n1,y_n1,z_n1)，利用三轴加速度计测得此时载体坐标系中F₁的加速度方向矢量(x_b1,y_b1,z_b1)；

4)以一不同方向的外力F₂重复步骤3)的操作，F₂在导航坐标系中的加速度方向矢量为(x_n2,y_n2,z_n2)，载体坐标系中的加速度分量为(x_b2,y_b2,z_b2)；

5)以一不同方向的外力F₃重复步骤3)的操作，F₃在导航坐标系中的加速度方向矢量为(x_n3,y_n3,z_n3)，载体坐标系中的加速度分量为(x_b3,y_b3,z_b3)；

6)对数据进行预处理，由步骤3)-5)所得数据经归一化及整合后，得到导航坐标系中F₁、F₂、F₃的加速度为：

载体坐标系中的加速度:

7)假设惯导系统初始位置的载体坐标系是由导航坐标系经过旋转矩阵R得到的，则有a_b＝R·a_n，计算得到导航坐标系到载体坐标系的转换矩阵R的具体值为：R＝a_b·a_n ^-1；

8)根据方向余弦法所规定的姿态角转序，得到R的解析式为：

其中，θ为俯仰角，

为横滚角，γ为偏航角；

9)对比旋转矩阵R的解析式和步骤7)中矩阵相关元素的数值形式，从而计算出姿态角

即为步骤2)惯导系统中运载体的初始姿态。

本发明的有益效果在于：本发明微重力场下的加速度计初始姿态解算方法，适用于太空等微重力场环境，成本低、算法设计简单、速度快，实现了微重力场下载体初始姿态参数的准确测量。

附图说明

图1为本发明微重力场下的加速度计初始姿态解算方法流程图；

图2为本发明初始姿态实例示意图。

具体实施方式

如图1所示微重力场下的加速度计初始姿态解算方法流程图，方法具体包括以下步骤：

步骤1，确定姿态测量的导航坐标系O_nX_nY_nZ_n。在太阳系中，以太阳作为原点O_n，黄道面(地球绕太阳公转的轨道平面)作为X_nO_nY_n面，春分时刻(春分这一天太阳直射地球赤道)太阳到地球的方向为X_n轴正方向；在太阳处作黄道面的垂线，垂线两段中，与地球北极处在黄道面的同一侧的垂线方向为Z_n轴正方向。

确定姿态测量的载体坐标系O_bX_bY_bZ_b。载体初始位置的载体中心为坐标原点O_b，X_b轴沿载体向前，Y_b轴沿载体向左，Z_b轴沿载体向上。

步骤2，将三轴加速度计直接固连在运载体上，组成捷联式惯导系统。如图2所示初始姿态实例示意图，将已知惯导系统总质量为m，初始姿态为俯仰角θ＝45°，横滚角

偏航角γ＝0°的惯导系统作为初始待测姿态运载体。

步骤3，以一单向稳定的外力作用在惯导系统上，记为F₁。在导航坐标系中,利用拉力计测得F₁的大小，其加速度方向矢量为：

同时，利用三轴加速度计测得，F₁在载体坐标系中X_b轴、Y_b轴、Z_b轴上的加速度分量为

步骤4，以一不同方向的外力F₂重复步骤3的操作。F₂在导航坐标系中的加速度方向矢量为(0,1,0)，载体坐标系中X_b轴、Y_b轴、Z_b轴上的加速度分量为(0,1,0)。

步骤5，以一不同方向的外力F₃重复步骤3的操作。F₃在导航坐标系中的加速度方向矢量为

载体坐标系中X_b轴、Y_b轴、Z_b轴上的加速度分量为(1,0,0)。

步骤6，为方便计算，上述参数均为归一化后的参数，故在此不再对数据进行预处理。整合后导航坐标系中X_n轴、Y_n轴、Z_n轴上的加速度

载体坐标系中X_n轴、Y_n轴、Z_n轴上的加速度

步骤7，假设惯导系统初始位置的载体坐标系是由导航坐标系经过旋转矩阵R得到的，则有

a_b＝R·a_n

根据方向余弦法所规定的姿态角转序，计算得到导航坐标系到载体坐标系的转换矩阵R的具体值

步骤8，对比旋转矩阵R的解析式和步骤7中矩阵相关元素的数值形式，从而计算出姿态角

其中，θ为俯仰角，

为横滚角，γ为偏航角。

计算结果与已知真实值一致，验证了该方法的可行性。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种微重力场下的加速度计初始姿态解算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)确定姿态测量的导航坐标系和载体坐标系；

2)将三轴加速度计直接固连在运载体上，组成捷联式惯导系统，测得惯导系统的质量为m，对其进行初始姿态测试：

3)以一单向稳定的外力作用在惯导系统上，记为F₁，利用拉力计测得F₁的大小，在导航坐标系中F₁的加速度方向矢量(x_n1,y_n1,z_n1)，利用三轴加速度计测得此时载体坐标系中F₁的加速度方向矢量(x_b1,y_b1,z_b1)；

4)以一不同方向的外力F₂重复步骤3)的操作，F₂在导航坐标系中的加速度方向矢量为(x_n2,y_n2,z_n2)，载体坐标系中的加速度分量为(x_b2,y_b2,z_b2)；

5)以一不同方向的外力F₃重复步骤3)的操作，F₃在导航坐标系中的加速度方向矢量为(x_n3,y_n3,z_n3)，载体坐标系中的加速度分量为(x_b3,y_b3,z_b3)；

6)对数据进行预处理，由步骤3)-5)所得数据经归一化及整合后，得到导航坐标系中F₁、F₂、F₃的加速度为：

载体坐标系中的加速度:

7)假设惯导系统初始位置的载体坐标系是由导航坐标系经过旋转矩阵R得到的，则有a_b＝R·a_n，计算得到导航坐标系到载体坐标系的转换矩阵R的具体值为：R＝a_b·a_n ^-1；

8)根据方向余弦法所规定的姿态角转序，得到R的解析式为：

其中，θ为俯仰角，

为横滚角，γ为偏航角；

9)对比旋转矩阵R的解析式和步骤7)中矩阵相关元素的数值形式，从而计算出姿态角

即为步骤2)惯导系统中运载体的初始姿态。

Images