[发明专利]一种低成本高精度BD/MEMS融合姿态测量方法

摘要

本发明涉及一种低成本高精度BD/MEMS融合姿态测量方法，属于导航技术领域。MEMS惯性传感器模块包括一个三轴加速度计，一个三轴陀螺仪和一个三轴磁力计。BD接收机模块包括2个天线，一个集成BD导航芯片。在该方法中，根据MEMS惯性传感器信息求解出载体姿态角，然后辅助AFM(模糊度函数法)算法求解整周模糊度，最后通过扩展卡尔曼滤波器实现BD/MEMS融合姿态测量。本方法解决了在BD信号被障碍物遮情况下，观测到的卫星颗数不足导致卫星测姿系统无法正常工作的问题，解决了信号失锁带来的整周模糊度求解困难，也解决了陀螺仪、加速度计累计误差的问题，该方法相比于传统方法实时性、可靠性等性能更强，精度更高。

主权项

1.一种低成本高精度BD/MEMS融合姿态测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、采集MEMS惯性传感器记录的数据，其中，MEMS惯性传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计；步骤2、对步骤1中采集的原始数据进行预处理；步骤3、利用处理过的加速度计与磁力计原始数据计算载体的姿态信息；步骤4、根据BD接收机接收到的星历数据，建立双差载波相位观测方程；步骤5、利用步骤3中计算出来的载体姿态信息辅助AFM算法求解双差整周模糊度；步骤6、将步骤5中双差整周模糊度带入双差载波相位观测方程求解出姿态角；步骤7、通过扩展卡尔曼滤波器将步骤6中利用BD信息解算出来的姿态角信息和处理过的MEMS惯性传感器数据进行融合求出最佳的姿态角信息；在步骤1中，由STM32对MEMS惯性传感器进行驱动并通过定时器精确控制传感器输出频率；每次采集到的2个传感器数据封装为一帧数据；数据封装完成后通过蓝牙接口向外界输出；在步骤2中，将MEMS传感器传回的数据做预处理包括根据数据手册对原始数据进行单位转换和中值滤波；在步骤3中，加速度计、磁力计和陀螺仪的三轴分别沿着载体坐标系的三轴安装，分别测得加速度计输出在载体坐标系三轴上的投影分量记为：分别测得磁力计输出在载体坐标系三轴上的投影分量记为：分别测得陀螺仪输出在载体坐标系三轴上的投影分量记为：根据加速度计/磁力计组合姿态解算原理求解出载体初始姿态角[y p r]；在步骤4中，根据卫星星历数据中的载波相位，建立双差载波相位观测方程为：λ(▽Δφij+N)＝Abk+ε其中λ表示载波波长，▽Δφij为卫星i,j的载波相位双差，N表示双差整周模糊度，A为接收机到卫星的单位矢量构成的设计矩阵,bk为基线向量，ε表示测量误差；在步骤5中，根据解算出来的航向角y和俯仰角p，MEMS传感器解算出来的姿态角存在一定的误差Δymems和Δpmems，均大于0，因此可以确定载体航向角和俯仰角搜索范围为(y‑Δymems,y+Δymems)，(p‑Δpmems,p+Δpmems)根据姿态角范围求出基线向量范围，进而通过最小二乘算法求出对应的双差整周模糊度浮点解，然后将浮点解带入AFM算法的适应度函数筛选出双差整周模糊度的最优解；在此范围进行角度搜索可以剔除很多错误解大大减小AFM算法的计算量，提高了运算效率。