[发明专利]目标的方位测量

说明书

技术领域

本发明涉及目标的方位测量，具体地涉及用加速度计测量目标方位的方法和系统。

背景技术

可将三维加速度计装附于各种目标上，并可按三维方式测量目标的加速度。作为这些测量的一部分，加速度计测量由重力引起的作用在目标上的力。

通过利用测量由重力引起的作用在目标上的力，加速度计能够用作倾斜传感器来测量目标相对于地球的角方位。

然而，由于加速度计不能区分由重力引起的力和由于非重力的“惯性力”引起的加速度，所以，在大多数情况下，能够确定所测得的加速度与重力的不符，但是仅从这些测量结果不能确定目标的方位。

此外，通常不可能通过对加速度计的测量结果求积分来估算(estimate)目标的位置。这有如下三条理由：首先，由于重力和“惯性力”所引起的总加速度的各个部分都是未知的；第二，“惯性力”作用的方向相对于重力作用的方向是未知的；以及第三，必须两次积分加速度测量结果才能得到位置测量结果，而由于测量结果的漂移(drift)，这实际上是不可能精确地实现的。

众所周知，利用三维加速度计测量目标倾斜与两维或三维磁强计测量地球磁场的组合，能测量或确定目标的方位。

图1示出这种系统的方框图。系统2包括加速度计4和磁强计6，它们提供加速度测量，并得出装有加速度计4和磁强计6的目标的相应方向(heading)。

该系统2还包括用于存储目标方位的先前估算值(estimate)Q的寄存器或存储器8。该方位Q可按数学方式表示为四元数、欧拉角或者任何其它合适的方位表达。

第一单元10对于在基于地球的参考系中由重力(矢量G)对目标引起的加速度提供预期测量结果。该预期测量结果提供给第一变换单元11，第一变换单元11根据目标方位的先前估算值Q计算来自加速度计4的预期测量结果。换言之，第一变换单元11将在基于地球的参考系中与重力相关的矢量G转换到相对于目标固定的参考系中。

同样，第二单元12对于在基于地球的参考系中的磁场(矢量M)提供预期测量结果。该预期测量结果提供给第二变换单元13，第二变换单元13根据目标方位的先前估算值Q计算来自磁强计6的预期测量结果。第二变换单元13也是将矢量M转换到相对于目标固定的参考系中。

加法器14确定分别来自加速度计4和磁强计6的实际测量结果与它们的来自第一变换单元11和第二变换单元13的预期值之间的差值。所得到的误差信号提供给乘法器15。

在单元18中，通过对估算信号关于方位估算值Q求微分(differentiating)，计算估算的加速度计4和磁强计6的信号对方位估算值的灵敏度矩阵。在逆变块20中对灵敏度矩阵求逆(例如，通过伪逆变)。

将逆变块20的输出提供给乘法器15。乘法器15将逆变块20的输出和来自加法器14的误差信号组合，产生校正值ΔQ。

在更新器22中，将校正值ΔQ与方位的先前估算值Q组合，产生方位的新估算值Q，存储在寄存器或存储器8中。

当把方位估算值Q表示为四元数时，更新器22是称为四元数乘法器的乘法器。当使用旋转矩阵表示方位估算值Q时，更新器是称为矩阵乘法器的乘法器。

然后该过程以迭代循环方式重复。

如上所述，加速度计4给出的各测量结果随目标方位的变化(即从目标和加速度计的观点沿不同方向的重力引力)而变化，同时也随作用于目标的其它非重力的结果而变化。加速度计4不能区分这些重力和“惯性力”。因此，为了在解决因目标运动引起的高频加速度力的同时跟踪目标的快速旋转，将三维陀螺仪加入到系统2中。

图2示出带陀螺仪的系统。这里的方位重构算法基本上与图1的相同，其差别是现在还用来自陀螺仪24的测量结果更新方位估算值Q。特别是为了角速度测量结果与角方位Q的正确积分，在第二更新器28中与更新器22的输出组合之前，在第二乘法器26中，用采样周期dt乘陀螺仪24的测量结果。

在将校正值ΔQ提供给第一更新器22之前，还通过第三乘法器30用因子K(其中K＜＜1)加权校正值ΔQ。

然而，使用陀螺仪的缺点是，它们相当昂贵、体积大，而且功耗大。

因此，在使用加速度传感器和磁强计来测量目标方位的系统中，当加速度是由除作用在目标上的重力以外的力所引起时，这种估算的目标方位将是不准确的。

比如，考虑一桶水围绕水平轴回转。假定桶以足够快的速度回转，当桶在回转的顶部被倒置时水不会落下，因为作用在水上的重力和惯性力的合力将向上，而当桶在回转的底部时，作用在水上的重力和惯性力的合力将向下。