[发明专利]一种基于自适应扩展卡尔曼滤波的AHRS算法

说明书

本发明涉及导航定姿领域，尤其涉及姿态航向参考系统AHRS(attitude and heading reference system)中通过采用自适应卡尔曼滤波，解决不同动态下卡尔曼滤波观测噪声矩阵的确定问题，以及通过扩展卡尔曼滤波解决高动态场景下由于传统卡尔曼滤波线性化引入的误差，从而提高低成本AHRS的姿态测量精度。

技术领域

本发明涉及导航定姿领域，尤其涉及姿态航向参考系统AHRS(Attitude andHeading Reference System)中通过采用自适应卡尔曼滤波，解决不同动态下卡尔曼滤波观测噪声矩阵的确定问题，以及通过扩展卡尔曼滤波解决高动态场景下由于传统卡尔曼滤波线性化引入的误差，从而提高低成本AHRS的姿态测量精度。

背景技术

现代战争形势复杂多变，以位置、速度、姿态为核心信息的导航定位系统已经成为加快战争进程，决定战争胜负的关键因素。在现代导航系统中，GNSS(Global NavigationSatellite System)以其全球、全天候、高精度的优势成为目前应用最广泛的导航手段。INS(Inertial Navigation System)通过敏感载体的线性加速度信息以及角速度信息来提供载体的横滚、俯仰以及航向信息。GNSS和INS具有良好的互补性，两者的组合能够提供相较于单一系统更精确、可靠的导航定位结果。但是GNSS信号容易被干扰甚至被欺骗，除此之外如果信号长时间被遮挡，那么由惯导单独维持提供的导航信息也将随时间发散。例如在动中通领域，车辆装载的天线需要连续准确地指向卫星，当车辆通过较长的隧道时，由于山体对GNSS的遮挡，在GNSS/INS系统中由惯导单独维持的导航信息会随时间发散，当车辆驶离隧道时，天线定姿系统需要一定的收敛时间，无法满足天线快速定向的需求。

AHRS技术利用磁强计、加速度计以及陀螺仪通过测量地磁场、载体的线性加速度以及载体的角速度来提供载体的姿态信息。AHRS技术因为其不需要依赖于外部信息，具有较高的可靠性，因此已经广泛应用于航空航天领域、海洋探测领域、人体运动测量等应用领域。在航空航天领域中AHRS被广泛用于无人飞行器或者无人直升机的控制、稳定以及导航；在海洋探测领域中AHRS技术被广泛应用于远程操作车和水下自动设备的控制和稳定，稳定单元主要用于声波定位、回声等测量设备，也用于水下勘测和绘图；在人体测量领域，AHRS技术被广泛应用于真人全身运动姿态数据的采集，应用于体育、人体工程等。随着微机电加工技术的发展，MEMS(Micro-Electrical-Mechanical System)传感器得到了前所未有的发展，MEMS传感器以其价格低廉、重量轻、体积小以及功耗低等优势广泛地应用于AHRS系统中。

在AHRS技术中，通常通过卡尔曼滤波对磁强计、加速度计以及陀螺仪的数据进行融合。卡尔曼滤波的解算过程分为预测和更新两个过程，其中预测过程对状态量以及方差矩阵Q进行预测，在更新过程中，根据量测噪声R以及量测数据对观测量以及方差矩阵进行更新。在AHRS系统中，陀螺仪解算的姿态信息作为卡尔曼滤波的预测输入，而磁强计和加速度计的输出用来对陀螺仪计算的姿态信息进行更新。由陀螺仪测得的载体的角运动用来预测载体的横滚、俯仰以及航向信息，而加速度计和磁强计用来更新修正由陀螺预测得到的载体的姿态信息。