一種自動電子羅盤校準輔助式的航姿參考系統及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自動電子羅盤校準輔助式的航姿參考系統及方法，屬于慣性導航技術領域。
【背景技術】
[0002]基于加速度計、電子陀螺儀和電子羅盤的三軸捷聯芯片越來越多地被應用在姿態(tài)測量和導航參考中。在航姿參考系統(Altitude and Heading Reference System，AHRS)的設計中，主要考慮三軸角度的測量和輸出，其中加速度計通過測量三軸地球重力分量來提供水平兩軸傾角參考值，電子羅盤通過測量三軸地磁強度來提供航向角參考值，陀螺儀輸出三軸角速度以提供三軸角度修正值。通過利用相關算法融合角速度和三軸角度，從而得到較為準確和魯棒性較高的三軸航姿角度。
[0003]加速度計(Accelerometer)是一個低頻特性的傳感器，當傳感器芯片所處零外界加速度環(huán)境時(比如靜止或勻速運動)，地球重力場將成為唯一作用的加速度，測量輸出的三軸地球重力加速度分量將成為計算水平兩軸傾角的唯一輸入數據。但當芯片受到載體加減速、高頻震動或者沖擊的影響時，三軸加速度分量將會有干擾項的加入，最終導致傾角計算出現較大誤差。
[0004]電子羅盤(Magnetometer)測量三軸地磁強度，輸出數據則易受磁場變化的干擾。考慮到地球磁場是一個矢量，電子羅盤芯片的姿態(tài)位置線性地影響并決定了三軸地磁強度的測量，故需要在測量地磁強度之前對電子羅盤芯片的水平姿態(tài)做線性補償。又由于地磁強度非常微弱，傳感器周圍的外界磁場(如礦場、電流產生的磁場等)極易干擾地磁強度的測量，以至于須在測量前需要排除這些外界磁場的干擾。
[0005]陀螺儀(Gyrometer)是一種高頻特性的傳感器，其對角度的變化量敏感。通過陀螺儀輸出的角速度積分得到的角度相對來說不易受到干擾，但是由于角度通過積分得到，且陀螺儀本身的零角速度中立點也不固定，導致誤差也得到積分并累積，隨著時間增長而放大輸出誤差(這種誤差稱為漂移誤差)。
[0006]目前在AHRS設計中，多考慮加速度計和電子羅盤得到的三軸角度與陀螺儀輸出的角速度積分得到的三軸角度進行兩兩融合，以期獲得穩(wěn)定性和實時性，并消除了積分帶來的漂移誤差。同時考慮對航向角解算加入姿態(tài)補償，以期電子羅盤傳感器芯片在非水平狀態(tài)時仍能較為準確地測算航向角。
[0007]在便攜式航姿參考儀的磁場糾正方面，多數現有技術著眼于在測量之前對設備或系統做校正，這樣雖然簡化了結構，但同時帶來了動態(tài)測算不準、適應性不高等缺點。短時間內應用不會對航向角解算造成影響，但一旦載體脫離校正時的磁場環(huán)境，未知的磁場干擾將會給測量帶來較大誤差，甚至導致測量裝置失效。而這些校正技術大多需要手動操作載體，一定程度上犧牲了使用的便攜度。
[0008]另外，部分技術仍停留在方法算法層面，并未向實物裝置和儀器設計上邁出一步，因此并不十分具有工程實踐意義。
[0009]現有的專利:(1)無磁場計航姿解算系統(CN201293647Y)公開了一種無磁場計航姿解算系統，包括分別用于測量空間Χ、γ和Z軸方向角速率的三個角速率陀螺儀、分別用于測量空間Χ、γ和Z軸線加速度的線加速度傳感器和對三個角速率陀螺儀和三個線加速度傳感器所測得信號進行解調濾波的信號處理器。與本發(fā)明不同之處無電子羅盤校準模塊以及由電子羅盤校準的引入而帶來的動態(tài)姿態(tài)補償。(2)—種三軸目標跟蹤系統姿態(tài)解算裝置(CN201310711893.6)，涉及一種三軸目標跟蹤系統姿態(tài)解算裝置。包括電機驅動的三軸框架結構、陀螺、加表和電路板，采用內回路速度環(huán)和外回路位置環(huán)構成的二環(huán)伺服系統對三軸框架進行穩(wěn)定，采用可見光視頻跟蹤的方法對目標進行跟蹤，在視軸跟蹤目標的同時，采集當前陀螺和加表的信息進行姿態(tài)和航向的解算，為運載體提供實時的姿態(tài)和航向信息。與本發(fā)明不同之處無電子羅盤校準模塊以及由電子羅盤校準的引入而帶來的動態(tài)姿態(tài)補償。(3) —種載體姿態(tài)測量方法及其系統(CN200410004660.3)，公開了一種載體姿態(tài)測量方法和系統。該系統包括傳感器和數據處理裝置，傳感器包括三軸加速度計、三軸磁強計和三軸速率陀螺，分別測量重力加速度、地磁感應強度和載體運動角速度在載體坐標系三軸上的分量。與本發(fā)明的不同之處為:本發(fā)明可實時地、精確地排除干擾磁場，能測算出較為準確的航向角。(4)導航姿態(tài)信息輸出方法、裝置及捷聯航姿參考系統，開了一種導航姿態(tài)信息輸出方法、裝置及捷聯航姿參考系統，該方法應用于捷聯航姿參考系統中，包括:獲取校正后的陀螺儀數據，遞推出下一時刻的過程姿態(tài);獲取校正后的加速度計數據和磁強計數據，解算出當前的觀測姿態(tài)和觀測航向；對觀測姿態(tài)和觀測航向進行濾波處理，并輸出濾波后的觀測姿態(tài)和觀測航向；對過程姿態(tài)和濾波后的觀測姿態(tài)進行有機融合、互補濾波，得到導航姿態(tài)信息并輸出。采用本發(fā)明能夠提高目前已有的捷聯航姿參考系統導航系統的精度。與本發(fā)明不同之處無電子羅盤校準模塊以及由電子羅盤校準的引入而帶來的動態(tài)姿態(tài)補償。
[0010]非專利文獻:(I)萬曉鳳，康力平，余運俊，林偉財.基于多傳感器數據融合的四旋翼飛行器的姿態(tài)解算.科技導報，2014,32(19):31-35.選擇基于加速度計、電子羅盤與陀螺儀的捷聯式慣性測量系統，采用卡爾曼濾波算法，通過融合多個傳感器的測量數據，解算出高精度的姿態(tài)角。該文獻只給出基本解算邏輯，未給出具體結算流程以及針對結算流程的系統，同時與本發(fā)明不同之處為無電子羅盤校準模塊以及由電子羅盤校準的引入而帶來的動態(tài)姿態(tài)補償。(2)鄭健.基于9軸傳感器的姿態(tài)參考系統研究與實現.電子科技大學,2013.系統由加速度計、陀螺儀和電子羅盤組成，通過提取傳感器的信息并進一步濾波處理，剝離干擾信號提高系統精度。針對不同傳感器及使用環(huán)境，采用不同的姿態(tài)解算及信號融合算法，實現了一個可靠穩(wěn)定的姿態(tài)參考系統。與本發(fā)明的不同之處為:無電子羅盤校準模塊以及由電子羅盤校準的引入而帶來的動態(tài)姿態(tài)補償；同時，本發(fā)明可實時地、精確地排除干擾磁場，能測算出較為準確的航向角。(3)胡超，艾國祥，龐峰，李圣明，馬利華.一種提高電子羅盤航向和姿態(tài)測量精度的新方法.上海交通大學學報，2015,49(2):158-168.討論了電子羅盤航向和姿態(tài)測量的基本原理，推導了姿態(tài)測量誤差和航向測量誤差的數學模型，分析了滾轉角和航向角測量誤差隨俯仰角增大而增大的原因，提出了一種提高航向和姿態(tài)測量精度的新方法。該文獻只給出基本解算邏輯，未給出具體結算流程以及針對結算流程的系統，同時與本發(fā)明不同之處為無電子羅盤校準模塊以及由電子羅盤校準的引入而帶來的動態(tài)姿態(tài)補償。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明技術解決問題:克服現有技術的不足，提供一種自動電子羅盤校準輔助式的航姿參考系統及方法，在無需提前手動校正的情況下，提高了便攜式航姿參考系統的姿態(tài)解算精度和適用性，克服了現有技術對磁場干擾的適應性不強，姿態(tài)解算的魯棒性不高等不足，對慣性導航、航姿測算等領域的工程實踐具有一定的參考指導意義。
[0012]本發(fā)明技術解決方案:一種自動電子羅盤校準輔助式的航姿參考系統，包括:含多種算法的航姿參考系統AHRS(Altitude and Heading Reference System)和承擔在線磁場糾正功能的羅盤糾正系統MCS(Magnetometer Correct1n System);其中AHRS作為主機包括:主控制器，慣性傳感器組，運行在主控制器中的傳感器校準算法、在線磁場糾正算法、姿態(tài)補償算法和級聯濾波器;慣性傳感器組包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸電子羅盤，提供慣性姿態(tài)數據;MCS作為從機，包括:協處理器，兩軸轉臺，轉臺控制系統，運行在協處理器的磁場建模模塊；
[0013]主機AHRS開始工作時，慣性傳感器組中的陀螺儀首先通過陀螺儀校準算法進行校準，對采集的數據進行初步處理得到水平傾角初值；
[0014]從機MCS通過轉臺控制系統控制兩軸轉臺旋轉，三軸電子羅盤實時通動態(tài)采集周圍三軸磁場強度數據，在一定時間內得到三軸磁場強度若干樣本點并截留三軸磁場強度的