[发明专利]姿态测量方法及终端设备

说明书

本发明适用于导航测姿技术领域，提供了一种姿态测量方法及终端设备，所述方法包括：依据陀螺、加速度计以及磁强计或者外部航向信息初始化卡尔曼滤波的状态量；构建卡尔曼滤波的状态方程，对载体的姿态信息和传感器误差进行预测；构建量测方程，利用加速度计输出对水平姿态横滚角和俯仰角进行量测更新，并且根据载体的运动状态自适应调整量测方差矩阵；构建航向角的量测方程并且利用磁强计或者外部航向信息对AHRS系统的航向进行量测更新；根据加速度计的输出判断载体的运动状态，判断陀螺零偏误差的反馈策略，利用上述估计的陀螺零偏误差反馈修正陀螺的原始输出，可以解决现有AHRS系统无法为载体姿态解算提供准确可靠信息的问题。

技术领域

本发明属于导航测姿技术领域，尤其涉及一种姿态测量方法及终端设备。

背景技术

精确制导武器、无人机以及水下机器人发展日新月异，对姿态测量提出了越来越高的要求。惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)利用其陀螺和加速度计的输出利用一定的算法推算载体的位置、速度、姿态信息。然而由于陀螺和加速度计输出存在误差，惯性导航系统推算的位置、速度、姿态信息会随时间积累，长时间导航会导致导航信息的发散。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)、INS具有良好的互补特性，是常用的组合导航方式。根据组合方式，GNSS/INS组合导航可以分为松组合、紧组合以及深组合。松组合利用GNSS提供的位置和速度信息作为观测量进行组合，因此要求卫星的可见星数大于四颗。紧组合采用的观测量是卫星伪距和伪距率信息，在观测星数小于四颗的情况下仍然具有一定的导航定位能力。GNSS/INS组合导航系统在卫导信号良好时能够提供稳定可靠的位置、速度以及姿态信息，然而在城市峡谷、森林以及水下等信号遮挡严重的场景无法提供稳定可靠地位置、速度、姿态信息，除此之外GNSS信号容易受到电磁干扰等影响从而严重影响导航信息精度。因此，现有一般采用航姿参考系统(Attitude andHeading Reference System，AHRS)进行姿态测量。

AHRS系统由三轴陀螺仪、三轴加速度计以及三轴磁强计组成。AHRS系统包含了姿态和航向解算算法，融合陀螺、加速度计和磁强计的输出获取载体的横滚、俯仰以及航向信息。通常利用陀螺的数据不断地推算载体的姿态信息而加速度计和磁强计的输出用来修正利用陀螺计算的角度信息，从而实现数据的融合。陀螺零偏和加速度计零偏是影响测姿精度的重要因素，为了得到高精度的姿态信息，数据融合算法必须能够准确地估计出陀螺和加速度计的零偏误差。低精度MEMS器件具有重量轻、体积小功耗低等优势，然而受加工工艺的限制，其误差参数容易受到温度、湿度以及气压等外部因素的影响。如陀螺的零偏误差其随温度变化的幅度可达上百deg/h，比例因子随温度变化的幅度可达上千ppm，而加速度计的零偏误差随温度变化幅度可达数十mg，比例因子误差随温度变化幅度可达上千ppm。当载体处于静止状态时，忽略掉加速度计的噪声，加速度计三个轴向的输出为重力在三个轴向的投影，此时利用陀螺和加速度计的输出可以准确地获得载体的姿态信息，然而当载体处于运动状态并且具有加速度时，此时由于加速度的干扰，无法利用加速度计的输出来得到稳定的姿态信息也无法准确估计出陀螺零偏等误差，从而极大的影响姿态测量的精度。而且在AHRS系统中，由于重力的存在水平姿态角包括横滚角和俯仰角的可观测性较好，因此横滚角和俯仰角能够保持较高的精度，而航向角的可观测性最差，通常通过磁强计或者外部信息辅助修正从而保持航向精度，例如通常通过磁强计测量的地磁场信息对陀螺推算的航向信息进行修正，而在动中通领域，会利用天线跟踪卫星的电平信号对航向信息进行修正，然而在修正时，磁场很容易收到外部信息的干扰，从而产生较大的量测误差，如果在滤波中采用了误差较大的航向量测信息，容易导致滤波的不稳定甚至影响横滚角和俯仰角精度。另外，AHRS系统中利用陀螺来预测载体的姿态信息，利用加速度计的输出对水平姿态角进行修正，当载体处于静止或者匀速直线运动时，加速度计能够准确地测量出重力在各个轴向的分量，利用该信息可以对姿态信息进行准确地估计。然而当载体处于较大加速度的动态下时，加速度计受到载体加速度的影响无法为载体姿态解算提供准确可靠的信息。

发明内容