专利名称：基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法
技术领域：
本发明涉及一种飞行器姿态测量方法，具体涉及一种基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法。
背景技术：
姿态测量是飞行器控制中不或缺的一部分。目前的姿态测量方法较多，大致可以分为使用惯性器件、无线电信号和自然环境信息三类方法。第一类方法包括捷联惯导和平台惯导，其特点是独立性强，无需测量外界信息，具有较强的抗干扰能力，但是具有误差累积的缺点；第二类方法包括用GPS和地面无线电基站信号测姿，其特点是飞行器需要不断的接收外界信号，误差不积累，但是容易受干扰，复杂环境条件下生存能力弱；第三类方法采用星敏感器、红外地平仪、磁强计等传感器测量自然环境信息来导航，具有不易受干扰，误差不累积等特点。本专利研究的是地磁辅助惯性测姿技术，即以第三类方法辅助第一类方法为应用背景。惯导系统都具有抗干扰性强，短时精度高，但是长时间工作误差累积精度较低的特点。而地磁测姿具有抗干扰性强、体积小、质量轻、误差不随时间积累等优点。所以地磁辅助惯性测姿，一方面可以根据地磁测姿信息及时对惯性器件进行修正，消除惯导系统运行过程中的累积误差，另一方面可以根据惯导系统提供的姿态信息将地磁匹配区域限定在一定的范围内，提高地磁匹配的可靠性和精度，从而实现两种测姿方式的优势互补，提高运动载体的组合测姿精度。目前地磁测姿的方案较多，但是由于三维磁传感器不能提供三个独立的测量方程，因此需要其他输入信号作为补充确定载体三维姿态。常用的思路是通过其他传感器或者估计来给出至少一个姿态角，然后再用地磁信息进行解算。解算算法主要有:欧拉角算法，方向余弦法，四元数法，等效转动矢量法。经检索文献发现，中国发明专利申请号:201010231211.8，专利名称为:一种基于微惯性和地磁技术的自适应三维姿态定位方法，该专利利用三轴微陀螺传感器来预测并用三轴微加速度传感器和三轴磁场传感器的数据更正获取姿态信息。该方法是用三轴磁传感器，使用的是迭代算法。中国发明专利申请号:201010176997.8，专利名称为:一种基于陀螺、地磁传感器的惯性测量装置，该专利用三轴MEMS陀螺给出角速度信号，再用两个薄膜式地磁传感器给出的旋转角速度作为姿态测量基准，对MEMS的信号进行修正，但磁传感器只能在载体绕纵轴高速旋转时才能给出角速度，因而该装置提供的方法只能应用于载体高速旋转场合。文献“基于磁传感器组合的旋转弹体姿态测试方法研究”(南京理工大学博士论文，2009.3.1)中，文中给出了全磁传感器的特殊配置方法与磁传感器和陀螺/加速度计组合旋转弹测姿方法，还给出了零交叉和极值比较法等计算方法，但是都需要以弹体偏航角恒定，滚转角速度变化缓慢为前提，因而该文献提供的方法不适用与载体机动场合，应用条件受到严格限制。

发明内容
基于以上不足之处，本发明提供一种基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法，该方法同时利用多个点的地磁测量数据和这些点之间的姿态变化信息，通过匹配算法来测姿。本方法能够有效的矫正惯性器件的累积误差，具体方法包括如下步骤:步骤1:从地磁数据库中读出载体所在位置的地磁矢量信息，以载体的滚转角、偏航角和俯仰角为坐标轴建立空间直角坐标系，并计算出每个姿态下磁传感器的理论值； 按照如下步骤建立以载体的滚转角、偏航角和俯仰角为坐标轴的空间直角坐标系，首先从地磁数据库中读出载体所在地理位置的地磁矢量信息M，由(I)式所示，下标xyz分别指向北东地方向:
权利要求
1.一种基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤1:从地磁数据库中读出载体所在位置的地磁矢量信息，以载体的滚转角、偏航角和俯仰角为坐标轴建立空间直角坐标系，并计算出每个姿态下磁传感器的理论值； 按照如下步骤建立以载体的滚转角、偏航角和俯仰角为坐标轴的空间直角坐标系，首先从地磁数据库中读出载体所在地理位置的地磁矢量信息M，由(1)式所示，下标xyz分别指向北东地方向:
2.根据权利要求1所述的一种基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法，其特征在于:所述的步骤(3)采用固定点数的滑动窗口方式进行匹配，每次匹配点数为N点，在新的磁场测量值％到来后，将11^加到匹配序列中，并将mi_N从该序列中剔除，留下mi_N+1到Hii共N个测量值作为新的匹配序列，从而实现连续的姿态测量。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法，其特征在于:所述的匹配准则采用MAD、MSD、NPROD或Hausdorff距离准则；匹配方法采用ICP算法、遗传算法或模拟退火算法。
4.根据权利要求1所述的一种基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法，其特征在于:所述的步骤(3)，采用ICP匹配算法和MSD相似性准则匹配过程如下: (a)对每个测量点，从B中找出磁传感器实测值Hii(i = 1,2,…，N)所在的等值面Si，并在Si上找到一点c, =[cr, οθ, cj，使其距离屮最近，由此得到最近点点集坐标C如式(7)所示:
全文摘要
一种基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法，包括1)从地磁数据库中读出载体所在位置的地磁矢量信息，建立空间直角坐标系，计算出每个姿态下磁传感器的理论值；2)在一定时间内，从惯性器件得到运动载体的N个测量姿态，从磁强计得到N个磁场测量值；3)根据步骤2得到的载体N个测量姿态，在步骤1所建立的姿态角坐标系中，找到对应的N个点，结合磁传感器N个磁场测量值，采用匹配算法进行匹配，得到载体姿态的匹配结果；4)把匹配结果作为载体的真实姿态来修正惯性器件的输出结果；5)在下一测量时刻，重复执行步骤2-4，实现连续测姿。本发明能够有效的矫正惯性器件的积累误差，实现长时间、高精度的载体姿态测量。
文档编号G01C21/16GK103196445SQ20131006325
公开日2013年7月10日 申请日期2013年2月7日 优先权日2013年2月7日
发明者解伟男, 屈桢深, 夏红伟, 白俊林 申请人:哈尔滨工业大学