CN114577218A - 基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法及系统，通过采用磁力仪和深度计相结合，计算运载体行进间的姿态。在不占用运载体过多载荷的情况下，精准的测量运载体的姿态角；并且由于没有使用有源传感器，不会降低运载体的隐蔽性。

Description

基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法及系统
技术领域
本发明涉及水下运载体姿态测量领域，具体涉及一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法及系统。
背景技术
水下运载体在海洋资源开发、工业应用和军事应用等领域中都发挥着重要的作用，水下运载体的姿态信息作为一种基础信息，在水下运载体的探测、定位、导航等关键应用中都具有非常大的价值。水下运载体因为受到海流、潮汐等海况的影响，其姿态一直处于动态变化之中，需要对其姿态进行持续测量观测。当前测量水下运载体姿态的方法主要有以下两种：（1）使用惯性导航系统，从惯导系统解算出的方向余弦矩阵中提取出运载体的俯仰角、横滚角和航向角。（2）使用由磁力计和双轴倾角仪组成的电子罗盘，通过双轴倾角传感器测量获取运载体的俯仰角和横滚角，再基于测得的俯仰角和横滚角对磁力仪测得的地磁场分矢量进行补偿后得到航向角。
使用上述第一种方式进行水下运载体姿态测量需要运载体安装惯性导航系统，高精度惯性导航设备虽然可以提供高精度的姿态测量信息，但其价格往往较高，且重量也比较重，在低载荷水下运载体上无法使用；低精度惯性导航设备测得的姿态信息误差随着时间快速发散，需要使用多普勒计程仪测得的信息进行组合校正才能维持较高精度，但多普勒计程仪这种有源传感器的使用会降低运载体的隐蔽性。使用第二种方式进行水下运载体姿态测量时需要运载体处于静止状态，否则运动产生的加速度将使得倾角仪测量得到的俯仰角和横滚角中包含较大误差，从而进一步影响从磁力仪的测量值中获取的航向角；因此使用第二种方式无法实现运载体行进间的姿态测量。因此，需要设计一种能够基于无源传感器实现水下惯性导航系统行进间姿态测量的方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法及系统，通过采用磁力仪和深度计相结合，计算运载体行进间的姿态。在不占用运载体过多载荷的情况下，精准的测量运载体的姿态角，并且由于没有使用有源传感器，不会降低运载体的隐蔽性。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
步骤S1：以运载体中心为原点，运载体的右-前-上为轴构建笛卡尔直角坐标系，记为传感器系o-xsyszs；在所述运载体中心安装三轴磁力仪，调整所述三轴磁力仪敏感轴，使其三轴与所述传感器系各轴重合；
步骤S2：在所述传感器系中，于原点两侧，沿xs轴、ys轴和zs轴分别各安装两个深度计，将所述深度计进行编号，深度计1和深度计3位于ys轴上，深度计2和深度计4位于xs轴上，深度计5和深度计6位于zx轴上；
步骤S3：根据所述深度计采集的深度数据计算横滚角Φ和俯仰角Θ；
步骤S4：对所述三轴磁力仪采集到的三轴磁力数据进行校正，得到校正后的磁力分量Xmc和Ymc；
步骤S5：根据所述磁力分量以及地磁偏角计算航向角Ψ。
优选地，步骤S3具体包括：
步骤S31：计算横滚角Φ采用如下公式：
Figure 740032DEST_PATH_IMAGE001
式中，hi表示深度计i测量得到的深度数据，单位为米；li表示深度计i与所述传感器系原点的距离，单位为米；
步骤S32：计算俯仰角Θ采用如下公式：
Figure 126014DEST_PATH_IMAGE002
优选地，步骤S4中校正所述磁力数据通过如下公式：
Figure 640172DEST_PATH_IMAGE003
式中，Xmc表示磁力计在水平方向 xs 轴上的分量，Ymc 表示磁力计在水平方向 ys轴上的分量，Xm、Ym和Zm表示磁力计三轴采集得到的磁力数据；
优选地，步骤S5中计算航向角Ψ通过如下公式：
Figure 753491DEST_PATH_IMAGE004
式中，α表示运载体所处地的磁偏角。
本发明还提出了一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量系统，包括磁力仪和深度计，所述基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量系统执行所述的基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法。
进一步地，所述三轴磁力仪安装于运载体中心,并调整所述三轴磁力仪敏感轴，使其三轴与所述传感器系各轴重合。
更进一步地，所述深度计为六个，分别布置于传感器系原点两侧，沿xs轴、ys轴和zs轴方向分别各安装两个深度计。
与现有技术相比，本发明设计的一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法及系统，至少具有如下优点：
1、本发明采用磁力仪和深度计相结合，设备轻体积小，在不占用运载体过多载荷的情况下，精准的测量水下运载体的姿态角。
2、本发明采用无源传感器进行测量，因此不会降低运载体的隐蔽性。
3、采用磁力仪和深度计，在精准测量水下运载体姿态角的同时，降低成本，并且易于安装。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为传感器安装位置示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法，为了使本发明的技术方案、技术特点及优点表述更清楚，以武汉市某水域一水下运载体为例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1~2所示，实施例的技术方案包括以下步骤：
步骤S1：以运载体中心为原点，运载体的右-前-上为轴构建笛卡尔直角坐标系，记为传感器系o-xsyszs；在所述运载体中心安装三轴磁力仪，调整所述三轴磁力仪敏感轴，使其三轴与所述传感器系各轴重合；
步骤S2：在所述传感器系中，于原点两侧，沿xs轴、ys轴和zs轴分别各安装2个深度计，将所述深度计进行编号，深度计1和深度计3位于ys轴上，深度计2和深度计4位于xs轴上，深度计5和深度计6位于zx轴上；
本实施例中，位于xs轴上的深度计2和深度计4距离原点的距离分别为l2=l4=1.0m，位于ys轴上的深度计1和深度计3距离原点的距离分别为l1==l3=1.0m，位于zs轴上的深度计5和深度计6距离原点的距离分别为l5==l6=0.5m；
六个深度计测量得到的深度信息分别为h1=-9.50m、h2=-10.14m、h3=-10.49m、h4=-9.85m、h5=-10.85m、h6=-9.14m。
步骤S3：根据所述深度计信息计算横滚角Φ和俯仰角Θ；
Figure 302284DEST_PATH_IMAGE005
步骤S4：对所述三轴磁力仪采集到的三轴磁力数据进行校正，得到校正后的磁力分量Xmc和Ymc；
Figure 859167DEST_PATH_IMAGE006
式中，Xmc表示磁力计在水平方向 xs 轴上的分量，Ymc表示磁力计在水平方向 ys轴上的分量；
Xm=13196nT，表示三轴磁力仪测得的xs轴的磁力数据；
Ym=7522nT，表示三轴磁力仪测得的ys轴的磁力数据；
Zm=47415nT，表示三轴磁力仪测得的zs轴的磁力数据；
步骤S5：根据所述磁力分量以及地磁偏角计算航向角Ψ。
Figure 860621DEST_PATH_IMAGE007
式中，α表示运载体所处地武汉的磁偏角，α=2.9°。
综上所述，水下运载体当前状态下的姿态角分别为：横滚角Φ为30.1°、俯仰角Θ为-8.3°、航向角Ψ为28.5°，实现了水下运载体姿态角的动态测量。
本发明还提出了一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量系统，包括三轴磁力仪和深度计，系统用于执行基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法。
以运载体中心为原点、运载体的右-前-上为轴构建笛卡尔直角坐标系，记为传感器系o-xsyszs；三轴磁力仪安装于运载体中心,并调整三轴磁力仪敏感轴，使其三轴与传感器系各轴重合。
深度计为六个，布置于传感器系原点两侧，沿xs轴、ys轴和zs轴方向分别各安装两个深度计。
最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：以运载体中心为原点、运载体的右-前-上为轴构建笛卡尔直角坐标系，记为传感器系o-xsyszs；在所述运载体中心安装三轴磁力仪，调整所述三轴磁力仪敏感轴，使其三轴与所述传感器系各轴重合；
步骤S2：在所述传感器系中，于原点两侧，沿xs轴、ys轴和zs轴方向分别各安装两个深度计，将所述深度计进行编号，深度计1和深度计3位于ys轴上，深度计2和深度计4位于xs轴上，深度计5和深度计6位于zx轴上；
步骤S3：根据所述六个深度计采集得到深度数据计算横滚角Φ和俯仰角Θ；
步骤S4：根据所述横滚角Φ和俯仰角Θ对所述三轴磁力仪采集到的三轴磁力数据进行校正，得到校正后的磁力分量Xmc和Ymc；
步骤S5：根据所述磁力分量以及地磁偏角计算航向角Ψ。
2.根据权利要求1所述的基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
步骤S31：采用下述公式计算横滚角Φ：
Figure 971707DEST_PATH_IMAGE001
式中，hi表示深度计i采集得到的深度数据，单位为米；li表示深度计i与所述传感器系原点的距离，单位为米，i=1,2,3,4,5,6；
步骤S32：采用下述公式计算俯仰角Θ：
Figure 109427DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求2所述的基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法，其特征在于，步骤S4中所述磁力数据的校正方法为：
Figure 102791DEST_PATH_IMAGE003
式中，Xmc表示磁力计在水平方向 xs 轴上的分量，Ymc 表示磁力计在水平方向 ys轴上的分量，Xm、Ym和Zm表示磁力计三轴采集得到的磁力数据。
4.根据权利要求3所述的基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法，其特征在于，步骤S5中计算航向角Ψ通过如下公式：
Figure 325962DEST_PATH_IMAGE004
式中，α表示运载体所处地的磁偏角。
5.一种基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量系统，其特征在于：包括三轴磁力仪和深度计，所述基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量系统执行权利要求1~4所述的基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量方法。
6.根据权利要求5所述的基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量系统，其特征在于：所述三轴磁力仪安装于运载体中心,并调整所述三轴磁力仪敏感轴，使其三轴与所述传感器系各轴重合。
7.根据权利要求5所述的基于磁力仪和深度计的水下运载体姿态测量系统，其特征在于：所述深度计为六个，布置于所述传感器系原点两侧，沿xs轴、ys轴和zs轴方向分别各安装两个深度计。
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