[发明专利]基于磁测滚转角速率信息的旋转弹飞行姿态高精度估计方法

说明书

本发明针对旋转弹发射高过载、高自旋转和高动态的“三高”限制了现有成熟的弹载姿态测量系统无法直接移植应用于旋转弹的问题。采用了基于三轴地磁传感器、两个单轴陀螺仪和卫星接收机组成旋转弹飞行姿态测量方案，针对该测量方案提出了一种适用于旋转弹飞行姿态高精度滤波估计方法，包括如下步骤：（1）、旋转弹飞行姿态组合测量，包括1.1、弹载传感器及安装方式，1.2、弹体飞行姿态高精度组合滤波结构；（2）、旋转弹高精度误差模型，包括2.1、旋转弹姿态误差模型，2.2、旋转弹速度误差模型，2.3、位置误差方程；（3）、弹体姿态高阶非线性滤波模型；（4）、弹体姿态高精度实时滤波算法，进行滤波更新过程。

技术领域

本发明涉及飞行器或者弹体空间三维姿态的测量方法，具体为一种适用于的旋转弹飞行姿态高精度测量方法。

背景技术

由于旋转弹发射高过载、高自旋转和高动态的“三高”特殊的弹载应用环境，现有成熟的弹载姿态测量系统无法直接移植应用于旋转弹药，存在可靠性差、飞行三维姿态参数测试不全或测量精度较低等问题。为解决上述问题，目前通常采用INS+GPS组合、地磁+GPS或地磁+INS+GPS等组合测量方案，并采用相应滤波算法完成弹体飞行姿态参数的估计，但所采用滤波器结构、滤波模型或滤波算法等存在一定的局限性，所设计滤波器的收敛性、实时性以及估计精度不理想。比如采用现有基于小失准误差角假设的姿态滤波模型，其忽略了高阶项的滤波模型并不能精确地描述旋转弹系统的强非线性特性，这些将直接影响到所设计弹体姿态滤波器的收敛速度与滤波精度，甚至滤波发散等问题，也会造成滤波器大误差参数估计结果。

因此，寻求一种适用于旋转弹飞行姿态高精度测量方法，对解决旋转弹制导化改造中飞行姿态测量难题具有重要的理论价值与现实意义。

发明内容

本发明针对旋转弹发射高过载、高自旋转和高动态的“三高”限制了现有成熟的弹载姿态测量系统无法直接移植应用于旋转弹的问题，采用了基于三轴地磁传感器、两个单轴陀螺仪和卫星接收机组成旋转弹飞行姿态测量方案，针对该测量方案提出了一种适用于旋转弹飞行姿态高精度滤波估计方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于磁测滚转角速率信息的旋转弹飞行姿态高精度估计方法，包括如下步骤：

(1)、旋转弹飞行姿态组合测量

1.1、弹载传感器及安装方式

弹载传感器采用三轴地磁传感器、两个单轴陀螺仪和卫星接收机，其中，三轴地磁传感器用于测量弹体内的地磁场矢量信息，其各敏感轴方向Mx、My和Mz与弹体坐标系OX_bY_bZ_b各轴方向完全一致；两个单轴陀螺仪Gy和Gz分别捷联安装于Y_b和Z_b轴上，陀螺仪用于测量弹体Y轴和Z轴角速率信息，X轴向角速率信息由地磁传感器测量信息滤波估算得到；卫星接收机用于测量弹体速度和位置信息，接收机天线环形安装于弹体表面。

1.2、弹体飞行姿态高精度组合滤波结构

组合滤波器由滚转角速率估计滤波器和弹体飞行姿态高精度滤波器两个滤波器组成，分别用于完成弹体滚转速率的估计和弹体飞行姿态参数的高精度估计。

(2)、旋转弹高精度误差模型

2.1、旋转弹姿态误差模型

根据捷联惯性导航理论，弹体坐标系到导航坐标系的姿态四元数的微分方程表示为：

上式中，为四元数矩阵，是反对阵矩阵形式：