[发明专利]机动加速度辅助的扩展卡尔曼滤波航姿系统姿态估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种捷联惯性航姿系统航姿估计技术，尤其涉及一种利用载体机动加速度辅助的九态扩展卡尔曼滤波航姿系统姿态估计方法。

背景技术

由于开环式IFOG航姿系统的陀螺精度有限，初始化后仅依靠传统的捷联算法，姿态将很快发散，需要利用加速度计和磁罗盘的信息来进行修正。现有方法在载体机动小时比较有效，而当应用于无人机、直升机等载体时，由于其机动时间较长，且要求姿态仍能保持较高的精度，那么载体本身的机动加速度的影响无法消除，这样根据加速度计信息不能得到较准确的俯仰角和横滚角估计，同时也不能根据磁罗盘信息对航向角信息进行准确的估计。所以当载体长时间处于大机动状态时(如飞机长时间协调转弯)，由于向心加速度的存在，导致一段时间后加速度计和磁罗盘不能有效的对姿态误差进行修正，相应陀螺的零偏也越来越大，这是开环式IFOG航姿系统在机动载体应用时存在的关键性障碍。

发明内容

现有的开环式IFOG航姿系统三轴加速度计和三轴磁传感器信息不仅包含了对横滚角、俯仰角和航向角的观测，同时也能对载体自身机动加速度进行观测。为解决载体长时机动情形下的姿态估计问题，本发明利用加速度和磁场观测冗余信息，将载体机动加速度描述为一种非零均值时间相关模型，提出了一种九状态扩展卡尔曼滤波方法，即取三个姿态角误差、三轴陀螺的零偏误差和载体系的三轴载体机动加速度误差为状态量，观测量为三轴加速度误差和三轴地磁场误差的九状态扩展卡尔曼滤波，并与捷联姿态算法进行数据融合，能够将不同机动情形下姿态角均方差控制在2°以内。

本发明提供一种能够有效解决载体长时机动情形下的姿态精度保持的捷联惯性航姿系统航姿估计方法，主要包括下列步骤：

步骤一、惯性传感器标定，包括光纤陀螺仪、加速度计和磁传感器的标定，分别取标定后载体坐标系下的三轴角速度、三轴加速度及三轴地磁场。

步骤二、罗差校正，利用陀螺和地磁场的转动信息对三轴软铁和硬铁效应进行校正。

步骤三、捷联姿态解算：采用四元数表示方法，进行捷联姿态解算。

步骤四、载体机动加速度模型

当载体进行直线加减速或长时间转弯机动时，将机动加速度描述为一种非零均值时间相关模型，即当载体以某一加速度机动时，下一瞬时的加速度只能在当前加速度的邻域内，如下式：

a·=a‾+δa---(1)]]>

δa·=-αδa+wa---(2)]]>