一种基于偏振光传感器的航姿测定方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于偏振光传感器的航姿测定方法，采用设备包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、偏振光传感器、GPS和飞控计算机。采用互补滤波器算法对各传感器数据进行融合，通过加速度计测量数据修正陀螺仪角速率的俯仰角和滚转角误差，偏振光传感器测量数据修正陀螺仪角速率的航向角误差，提高飞行器的姿态测量精度。本发明相比于传统航姿参考系统，具有不受电磁干扰、静动态环境测量精度高等优点。
【专利说明】一种基于偏振光传感器的航姿测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于飞行器姿态测量与估计【技术领域】，涉及一种基于偏振光传感器的航姿 测定方法。
【背景技术】
[0002] 航姿参考系统（AHRS)能够为飞行器提供航向角、滚转角和俯仰角信息。它一般由 多个轴向传感器组成，目前主要有两种组合：一种由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强 计组成，另一种由三轴陀螺仪、三轴加速度计和GPS组成。但是以上两种方法的测量均存在 各自的缺点：第一种组合的磁强计容易受到周围磁场和其他机载电子设备的影响，从而导 致航向误差增大；第二种方法的GPS在静态时不能提供航向角，高机动时易丢星，同样将导 致航向误差的增大。为了弥补以上缺点，本发明加入了偏振光传感器，提出基于偏振光传感 器的航姿测定方法。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在采用偏振光传感器测量的偏振光方位角去修正陀螺仪的测量数据，提 高姿态捷联矩阵的精确性，已达到提高姿态测量精度的目的。
[0004] 本发明采用如下技术方案：
[0005] -种基于偏振光传感器的航姿测定方法，采用的设备包括三轴陀螺仪、三轴加速 度计、偏振光传感器、GPS和飞控计算机。三轴陀螺仪测量飞行器三轴角速率，三轴加速度 计测量飞行器的三轴加速度。偏振光传感器测量偏振光方位角。GPS提供当地时间、飞行 器所在位置、速度信息。飞控计算机需要实时处理各种传感器传回的数据，还要将处理的结 果发送给飞行器的控制单元，以实现对飞行器的机构控制，同时也承担将数据发送到地面 站和接受地面控制指令的任务，因此必须考虑信息处理的实时性和数据融合算法的精简程 度。通过加速度计测量的数据校正陀螺仪角速率的俯仰角、滚转角误差，偏振光传感器测量 数据修正陀螺仪角速率的航向角误差，提高飞行器的姿态测量精度。
[0006] 该方法具体步骤如下：
[0007] (1)采集三轴加速度计、偏振光传感器和GPS的输出数据，确定飞行器的初始滚转 角小、俯仰角9和航向角V，建立导航坐标系到机体坐标系的初始姿态矩阵Cg和机体坐 标系到偏振光传感器坐标系的姿态矩阵(?"。
[0008] (2)根据飞行器所属时区，通过天文历计算方法估算当地太阳高度角hs、方位角 A s，然后计算得到太阳方向矢量在导航坐标系下的投影
[0009] a^un = [cos(hs)sin(As) cos(hs)cos(As) ,sin(hs)] (I)
[00i0] (3)根据偏振光传感器坐标系、机体坐标系、导航坐标系之间关系和瑞利散射原理 得到偏振光传感器坐标系下的入射光最大偏振方向矢量的观测值：
[0011]
【权利要求】
1. 一种基于偏振光传感器的航姿测定方法，其特征在于以下步骤， (1) 采集三轴加速度计、偏振光传感器和GPS的输出数据，确定飞行器的初始滚转角 Φ、俯仰角Θ和航向角Ψ，建立导航坐标系到机体坐标系的初始姿态矩阵和机体坐标 系到偏振光传感器坐标系的姿态矩阵（Γ ; (2) 根据飞行器所属时区，通过天文历计算方法估算当地太阳高度角hs、方位角As，然 后依据下式（1)计算得到太阳方向矢量在导航坐标系下的投影
(3) 根据下式（2)中偏振光传感器坐标系、机体坐标系、导航坐标系之间关系和瑞利散 射原理得到偏振光传感器坐标系下的入射光最大偏振方向矢量的观测值：
(4) 米集偏振光传感器输出的偏振方位角Ψρ1，在偏振光传感器坐标系下，计算入射光 的最大偏振方向矢量的测量值
(5) 计算航向误差校正矢量，入射光最大偏振方向矢量的观测值与测量值的偏差即为 航向角误差，其值为两个矢量的叉乘：
(6) 采集三轴加速度数据gb和三轴陀螺仪数据《b，去掉加速度计测量值中的向心加速 度，得到重力加速度矢量参考值； gy=g,+〇Z"^V ⑷ 其中速度V由GPS得到，由V经过公式计算得到。 (7) 计算俯仰、滚转误差校正矢量，即重力加速度的观测值与实际测量参考值&单位矢 量的差值，其值为两矢量的叉乘：
(8) 进行互补滤波，通过反馈控制校正陀螺仪测量角速率，从而提高航向角、俯仰角、滚 转角的精度； ω = ω b+kvPe v+kvldt Σ e v+k$ 9 Peφ 9+k$ 9 jdt Σ eφ 9 (6) (9) 通过四元数法更新，得到新的姿态矩阵和姿态角； (10) 重复（1)至（9)过程，实现系统实时输出飞行器的航姿信息。
【文档编号】G01C25/00GK104374388SQ201410628075
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】金仁成, 华宗治, 芮杨, 陈文 , 褚金奎, 孙会生 申请人:大连理工大学