[发明专利]基于分布式循环结构的飞行器自主姿态估计方法

说明书

本发明为了解决基于微机械陀螺/TAM姿态估计方法在线运行困难，精度较低的问题，提出了一种基于分布式循环结构的飞行器自主姿态估计方法。首先，建立自主姿态估计滤波器并将微机械陀螺和无校正误差的三轴磁强计数据代入，求得当前时刻飞行器的姿态；然后，利用已求解的当前时刻姿态矩阵建立TAM校正系统；最后，将TAM校正系统输出后无误差的数值重新输入姿态估计系统，对下一时刻的姿态进行估计。

技术领域

本发明属于飞行器姿态估计领域，涉及一种基于分布式循环结构的飞行器自主姿态估计方法。

背景技术

全球卫星定位系统自应用以来取得了巨大的成就。但是随着反制技术的发展，其隐蔽性差、易受敌方电子战干扰的突出缺点也在多场局部战争中显露无疑。因此为了能进一步适应当前战争的形式，发展一种不需要数据链通信、可靠的自主导航方式已成为亟待解决的问题。微机械陀螺仪工作过程中不需要发射和接收信号，隐蔽性好、短期精度高、可提供全天候连续实时导航信息，已成为导航系统的必选项。但同时具有积累误差，需要其他辅助信息及时修正。三轴磁强计(Three Axis Magnetometer，TAM)是目前常用的矢量磁测量传感器。与微机械陀螺仪组合后有更大的优势，惯保持了纯惯性导航设备全天候、连续导航的特点；被动测量，有很好的隐蔽性，避免通信时暴露和受到敌方诱骗、干扰；系统精度高，能够为载体提供姿态、航向和位置等多维度高精度导航信息，在军事、安保等领域有很大的应用潜力。

但是，由于这两种传感器精度相对较低，如何获得较高的姿态精度是需要考虑的问题。TAM实际工作环境和线下测试时有很大区别，极端的温度梯度、机械压力、复杂的电磁环境等均对传感器的状态有较大影响，对姿态精度起着重要的作用。一些实际案例也证实了对TAM进行在线校正以确保获得一定精度的姿态确定结果来说是非常必要的。但对于在线校正问题，以上方法是将参数化成额外增加的状态。这样一个全阶滤波器的实现会有以下几个方面的困难：(1)状态向量的维数较大，会给实时操作带来计算负担；(2)状态包含快速变化项和缓变项，滤波器参数很难调节；(3)由于TAM误差校正参数较好的可观测性，所以量测更新能够更好的调节它，这将导致尺度因素和偏差对量测噪声较敏感，而姿态则反应较慢。可见，如何在姿态估计的同时更好地在线校正TAM误差参数是当前需要解决的一个关键问题。

针对现有微机械陀螺/TAM姿态估计系统的不足，本发明提出一种基于分布式循环结构的飞行器自主姿态估计新方法。该方法将姿态估计和传感器校正分为两部分，通过这种分布式双循环的结构降低系统维数，提高姿态估计精度。

发明内容

本发明的目的在于突破微机械陀螺以及TAM精度较低，TAM易受电磁环境干扰，在线估计状态维数较多的问题，提出一种基于分布式循环结构的飞行器自主姿态估计新方法。其中要解决的问题包括：

(1)状态向量的维数较大，会给实时操作带来计算负担；

(2)状态包含快速变化项和缓变项，滤波器参数很难调节；

(3)由于TAM误差校正参数较好的可观测性，所以量测更新能够更好的调节它，这将导致尺度因素和偏差对量测噪声较敏感，而姿态则反应较慢。

本发明所述的基于分布式循环结构的飞行器自主姿态估计方法，其特征在于包括以下技术措施：

步骤一：利用离散四元数动力学方程建立飞行器姿态估计系统状态方程和三轴磁强计测量模型建立姿态估计系统观测方程，从而完整构建飞行器姿态估计系统，并求解该姿态估计系统，从而得到当前时刻的姿态四元数、姿态转换矩阵、三轴姿态，利用当前时刻姿态矩阵将当地地磁场矢量理论值转化到载体坐标系下，将转化到载体坐标系下的当地地磁场矢量值与校正后的三轴磁强计测量值做差，得到地磁场残差向量；

步骤二：利用加入测量噪声的残差向量构建三轴磁强计校正系统观测方程，以及由尺度因素误差和零偏两个误差参数作为系统状态构建的三轴磁强计校正系统状态方程，由此构建完整的三轴磁强计校正系统，并利用UKF滤波器估计该系统当前时刻的状态，也即误差参数；