起的加速度和地球自轉(zhuǎn)引起的離心加 速度組成，取地球平均半徑為6371. 004km，載體運(yùn)動(dòng)速度不超過40m ? f時(shí)，載體運(yùn)動(dòng)引起 的離心加速度a不超過2. 51X10_4m ? s_2 ;取地球自轉(zhuǎn)速度恒為7. 29X10_5rad ? s_i，則科 式加速度〇。不超過5.8\8111?\10^114_2，《為地球自轉(zhuǎn)角矢量方向載體運(yùn)動(dòng)速度矢量 的夾角；
[0025]取《為90°，則投射到載體坐標(biāo)系Z軸方向上的加速度分量最大不超過 5. 8Xcos?。 l(T4m ? s' 為載體所在的緯度信息；
[0026] 載體在時(shí)速不超過150km時(shí)，載體運(yùn)動(dòng)引起的離心加速度a與的比例約為 2. 6X1CT5,科式加速度與^的比例約為5. 9X1CT5,則，在實(shí)際的姿態(tài)測(cè)量過程中，以上兩個(gè) 加速度分量忽略；即對(duì)于運(yùn)動(dòng)時(shí)速不高于150km的載體而言，在實(shí)際的姿態(tài)測(cè)量過程中，可 以對(duì)以上兩個(gè)加速度分量不予考慮。
[0027] 根據(jù)矢量的空間不變性，重力加速度矢量經(jīng)過姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換后，下式成立：
[0028]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于單軸加速度傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：加速度傳感器、三軸磁 場(chǎng)傳感器、GNSS模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；其特征在于， 所述的加速度傳感器為與前進(jìn)軸正交布置的Z軸向單軸加速度傳感器；用于測(cè)量重力 加速度分量，得到地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系； 所述的三軸磁場(chǎng)傳感器，用于測(cè)量載體坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的三個(gè)分量陣列； 所述的GNSS模塊，用于測(cè)量地理位置和海拔高度； 所述的數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)位置信息查表獲取地磁場(chǎng)模、地磁傾角信息和地磁偏 角信息，結(jié)合地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系以及載體坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的三個(gè)分量 陣列最終解算出航向角、俯仰角和橫滾角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸磁場(chǎng)傳感器為磁通門 傳感器或磁阻傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述加速度傳感器和三軸磁場(chǎng) 傳感器的位置滿足以下方式：三軸磁場(chǎng)傳感器的x軸和載體縱軸重合，且正方向和載體前 進(jìn)方向重合，y軸和載體橫軸重合，且正方向指向載體前進(jìn)方向的右側(cè)；z軸和x、y構(gòu)成右 手坐標(biāo)系；加速度傳感器的z軸正方向和三軸磁場(chǎng)傳感器的z軸正向平行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊為單片機(jī)、 MCU或CPU。
5. -種基于單軸加速度傳感器的姿態(tài)測(cè)量方法，該方法中所述的加速度傳感器為與前 進(jìn)軸正交布置的Z軸向單軸加速度傳感器；所述的方法具體包括以下步驟： 步驟1)單軸加速度傳感器測(cè)量重力加速度在載體坐標(biāo)系Z軸向上的分量，得到地面載 體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系； 步驟2)磁場(chǎng)傳感器的三軸正交工作，測(cè)試載體坐標(biāo)系上的地磁場(chǎng)三分量陣列； 步驟3)GNSS模塊用來提供載體的地理位置信息和高程信息； 步驟4)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)位置信息查表獲取地磁場(chǎng)模、地磁傾角信息和地磁偏角信 息，結(jié)合地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系以及載體坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的三個(gè)分量陣列 最終解算出航向角、俯仰角和橫滾角。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟1)的加速度傳感器輸 出的測(cè)量信號(hào)為數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟1)的Z向加速度 傳感器的輸出值是由重力加速度載體運(yùn)動(dòng)引起的離心加速度a科式加速度a。的投影 分量組成； 根據(jù)矢量的空間不變性，重力加速度矢量經(jīng)過姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換后，下式成立：
(1)式中，V是載體磁航向角，取值范圍是[0°，360° ]，0是載體俯仰角，取值范圍 是（-90° ,90° )，Y是載體橫滾角，取值范圍是（-90° ,90° ); 定義載體姿態(tài)[V，0，Y]等于[0,0,0]姿態(tài)時(shí)為初始狀態(tài)，匕^"^^^^是加速度傳 感器在載體初始狀態(tài)下的重力加速度分量陣列；[Xg3，yg3，zg3]T為載體處在[Ie，y]姿態(tài) 時(shí)加速度傳感器測(cè)量的重力加速度分量陣列； [Xg(1，yg〇,zgJT近似用[〇,〇,gJT代替，g(l和載體海拔高度、所處地理緯度相關(guān)，其取值 參考高精度的球諧函數(shù)模型； 則進(jìn)一步化簡(jiǎn)（1)式得到載體橫滾角和俯仰角的余弦關(guān)系：
(2h
8. 根據(jù)權(quán)利要?dú)晁€的安念測(cè)M方法，其特征在于，令磁場(chǎng)傳感器三軸構(gòu)成右手正 交系，所述步驟2)的地磁場(chǎng)三分量陣列應(yīng)為地磁場(chǎng)在右手正交系下的分量陣列； 根據(jù)矢量的空間不變性，地磁場(chǎng)矢量經(jīng)過姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換換后，下式成立：
式（3)中，11/是載體磁航向角，取值范圍是[0°，360° ]，0是載體俯仰角，取值范圍 是（-90°，90° )，y是載體橫滾角，取值范圍是（-90°，90° );定義載體姿態(tài)[u/，0，Y] 等于[〇, 〇, 〇]姿態(tài)時(shí)為初始狀態(tài)，[Xm(l，z_JT是磁場(chǎng)計(jì)在載體初始狀態(tài)下的地磁場(chǎng)分量 陣列，[Xm3，ym3，zm3]T為磁場(chǎng)計(jì)在載體處在[V，e，Y]姿態(tài)時(shí)的地磁場(chǎng)分量陣列。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)位置 信息對(duì)地磁場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)庫插值表獲取地磁傾角I和地磁偏角信息a:
式（4)中，M是地磁場(chǎng)的模，I為地磁場(chǎng)的磁傾角；M和I的數(shù)值可以來自高精度地磁場(chǎng) 模型。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟4)由式（2)、（3)和 (4)解算得到載體的磁航向角、俯仰角、橫滾角，再對(duì)磁航向角進(jìn)行磁偏角補(bǔ)償，得到偏航角 VN ： ￥N=￥-a (5)〇
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于單軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及其姿態(tài)測(cè)量方法，該系統(tǒng)包括：加速度傳感器、三軸磁場(chǎng)傳感器、GNSS模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；所述的加速度傳感器為與前進(jìn)軸正交布置的Z軸向單軸加速度傳感器，用于測(cè)量重力加速度分量，得到地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系；所述的數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)位置信息查表獲取地磁場(chǎng)模、地磁傾角信息和地磁偏角信息，結(jié)合地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系以及載體坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的三個(gè)分量陣列最終解算出航向角、俯仰角和橫滾角。本發(fā)明的姿態(tài)測(cè)量新方法能夠在載體靜止或低速移動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)載體姿態(tài)角的準(zhǔn)確解算，可以減少一個(gè)測(cè)量量，避免更多測(cè)量噪聲的引入。
【IPC分類】G01C1-00
【公開號(hào)】CN104697485
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310657215
【發(fā)明人】胡超, 艾國祥, 馬利華, 裴軍, 龐峰, 李圣明, 王鵬, 張 杰, 胡正群, 王曉嵐, 黃康
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院國家天文臺(tái)
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2013年12月6日