姿态角测量初始化方法和装置、姿态角测量方法和装置与流程

本发明涉及载体的姿态测量技术领域，特别是涉及一种姿态角测量初始化方法和装置，还涉及一种姿态角测量方法和装置。

背景技术：

姿态测量一般应用于卫星、航天器、载人机以及无人机等处于动态或者静态的载体上。测姿过程中，主要针对载体的姿态角进行测量。姿态角包括航向角、俯仰角以及横滚角。设备在首次输出姿态角时，需要进行初始化。在采用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)进行姿态角测量时，由于GNSS信号功率低，并且很容易受到多径信号或者其他形式的干扰，导致GNSS解算姿态角时出现不稳定情况，从而导致初始化错误，降低初始化可靠性，进而降低解算得到的姿态角的准确度。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种可以提高初始化可靠性的姿态角测量初始化方法和装置，还提供一种姿态角测量方法和装置。

一种姿态角测量初始化方法，所述姿态角为航向角、俯仰角或者横滚角；所述方法包括：统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数；所述姿态角根据接收到的GNSS信号进行姿态解算得到；判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否超过第一门限；判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数和统计时长内总的姿态角次数之比是否超过第二门限；判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与姿态角出现概率第二大的角度区间内的姿态角次数之比是否超过第三门限；若上述三个判断步骤中判断结果均为是，则表示初始化成功，计算姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角的平均值作为初始化值输出。

在其中一个实施例中，所述统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数的步骤之前还包括：将姿态角的分布区域按预设间隔划分为多个角度区间。

在其中一个实施例中，所述预设间隔为5度。

在其中一个实施例中，若各判断步骤的判断结果不全为是，则重新执行所述统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数的步骤。

一种姿态角测量初始化装置，所述姿态角为航向角、俯仰角或者横滚角；包括：统计单元，用于统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数；所述姿态角根据接收到的GNSS信号进行姿态解算得到；判断单元，用于判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否超过第一门限；所述判断单元还用于判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数和统计时长内总的姿态角次数之比是否超过第二门限，并判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与姿态角出现概率第二大的角度区间内的姿态角次数之比是否超过第三门限；以及初始化单元，用于在所述判断单元执行的各判断过程的判断结果均为是时，计算姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角的平均值作为初始化值输出。

在其中一个实施例中，所述统计单元还用于将姿态角的分布区域按预设间隔划分为多个角度区间。

在其中一个实施例中，所述预设间隔为5度。

在其中一个实施例中，所述统计单元还用于在所述判断单元执行的各判断过程的判断结果不全为是时，重新统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数。

一种姿态角测量方法，用于对载体的姿态角进行测量；所述姿态角为航向角、俯仰角或者横滚角；所述方法包括：接收GNSS信号并进行姿态角解算；进行姿态角测量初始化，包括统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数；判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否超过第一门限；判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数和统计时长内总的姿态角次数之比是否超过第二门限；判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与姿态角出现概率第二大的角度区间内的姿态角次数之比是否超过第三门限；若上述三个判断步骤中判断结果均为是，则表示初始化成功，计算姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角的平均值作为初始化值输出；根据所述初始化值对解算得到的姿态角进行处理；以及输出处理后得到的姿态角。

一种姿态角测量装置，用于对载体的姿态角进行测量；所述姿态角为航向角、俯仰角或者横滚角；所述姿态角测量装置包括：解算单元，用于接收GNSS信号并进行姿态角解算；姿态角测量初始化装置，包括统计单元，用于统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数；判断单元，用于判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否超过第一门限；所述判断单元还用于判断判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数和统计时长内总的姿态角次数之比是否超过第二门限，并判断统计时长内姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与姿态角出现概率第二大的角度区间内的姿态角次数之比是否超过第三门限；以及初始化单元，用于在所述判断单元执行的各判断过程的判断结果均为是时，计算姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角的平均值作为初始化值输出；处理单元，用于根据所述初始化值对解算得到的姿态角进行处理；以及输出单元，用于输处理后得到的姿态角。

上述姿态角测量初始化方法和装置，通过统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数，并根据统计结果判断姿态角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否大于第一门限，以保证最大概率的角度区间内具有一定的固定解比例，避免最大概率的角度区间内全部是浮点解。同时还会判断姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与统计时长内总的姿态角次数之比是否大于第二门限，以保证统计时长内有足够的正确结果。初始化过程中，还需要判断姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与姿态角出现概率第二大的角度区间内的姿态角次数之比是否大于第三门限，以确保判断出来概率最大的角度区间为正确解区间。仅在上述判断步骤中的判断结果均为是，才表示初始化成功，并计算姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角的平均值作为初始化值输出，从而提高了初始化过程的可靠性。

上述姿态角测量方法和装置，在上述姿态角测量初始化方法和装置进行初始化得到较为可靠的初始化值后，利用该初始化值对后续输出的姿态角进行处理，从而确保姿态角测量装置测量得到的姿态角具有较高的准确度。

附图说明

图1为一实施例中的姿态角测量方法的流程图；

图2为图1中的S120的流程图；

图3为一实施例中的姿态角测量装置的结构框图；

图4为图3中的姿态角测量初始化装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为一实施例中的姿态角测量方法的流程图。该姿态角测量方法可以应用于载体中，以对载体的姿态角进行测量。载体可以为静态载体，也可以为动态载体。例如，载体可以为卫星、航天器、载人机以及无人机等。测量的姿态角可以为航向角、俯仰角或者横滚角。在本实施例中，以姿态角为航向角为例进行说明。该姿态角测量方法包括以下步骤：

S110，接收GNSS信号并进行航向角解算。

接收GNSS信号并对该GNSS信号进行相应处理后对其进行航向角解算，并输出解算得到的航向角以及与该航向角对应的解算状态。航向角的解算状态包括固定解和浮点解两种。航向角解算过程可以采用本领域现有的解算装置来实现。

S120，进行航向角测量初始化。

在载体中的姿态角测量装置开启后，且在第一次输出正确的航向角之前需要进行航向角测量初始化，以确保测量得到的航向角为正确的航向角。该步骤的具体流程如图2所示，包括以下子步骤。

S210，统计在统计时长内落入到每个角度区间内的航向角次数、航向角的固定解次数和航向角的浮点解次数。

在本实施例中，会预设一个统计时长，以统计在该时长内航向角的分布情况。具体地，在统计之前(也即S210之前)，会先将航向角的分布区域按照预设间隔划分为多个角度区间。例如，可以将360度航向角区域按预设角度间隔划分为多个角度区间。预设角度间隔可以根据实际需要的精度进行调整。在本实施例中，预设间隔为5度，也即将360度航向角区域划分为72个角度区间。统计在统计时长内落入到每个角度区间的航向角次数，并分别统计落入到每个角度区间内的航向角的固定解次数和浮点解次数。根据每个角度区间的航向角次数可统计出统计时长内总的航向角次数。并且，根据每个角度区间的航向角次数即可确定出航向角出现概率最大的角度区间和第二大的角度区间。统计时长可以根据需要设定，通常需要大于30秒。

S220，判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否超过第一门限。

通过判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否超过第一门限，可以确保概率最大的角度区间具有一定的固定解比例，防止全部是浮点解。浮点解的精度低于固定解的精度，通过确保概率最大的角度区间内的固定解比例，可以确保初始化值的准确性，提高初始化的可靠性。第一门限可以根据需要进行设定。在本实施例中，第一门限大于0.3。若判断结果为否，则返回重新执行S210，若判断结果为是，则继续执行后续步骤。

S230，判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的航向角次数和统计时长内总的航向角次数之比是否超过第二门限。

通过判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的航向角次数和统计时长内总的航向角次数制备是否超过第二门限，可以确保统计时长内概率最大的角度区间内有足够的航向角次数，进而确保统计时长内有足够的正确结果，防止仅有少数正确结果的情况发生，进而提高初始化的可靠性。第二门限同样可以根据需要进行设定。在本实施例中，第二门限大于0.67。若判断结果为否，则返回执行S210，若是，则执行后续步骤。

S240，判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的航向角次数与航向角出现概率第二大的角度区间内的航向角次数之比是否超过第三门限。

通过判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的航向角次数与航向角出现概率第二大的角度区间内的航向角次数之比是否超过第三门限，可以确保最大概率区间和第二大概率区间各自的总数相差足够大，以更加可靠的判断概率最大的角度区间为正确解区间。第三门限同样可以根据需要进行设定。在本实施例中，第三门限小于0.5。若判断结果为否，则返回执行S210，若是，则执行后续步骤。在本实施例中，S220、S230和S240之间的顺序可以相互调换，并没有严格的先后顺序，还可以通过多处理器同步处理。

S250，计算航向角出现概率最大的角度区间内的航向角的平均值作为初始化值输出。

仅在S220、S230和S240三个判断步骤中的判断结果均为是的前提下，才可以认为初始化成功。此时，计算航向角出现概率最大的角度区间内的航向角的平均值作为初始化值输出。通过上述航向角测量初始化方法后，初始化的可靠性较高。通过采用概率统计模型完成航向角初始化，该方法在环境恶劣或者GNSS信号受到一定干扰情况下，仍具有较高的可靠性。

S130，根据该初始化值对解算得到的航向角进行处理。

在输出初始化值后，会对后续输出的航向角进行处理。具体地，采用滤波算法并利用得到的初始化值对解算得到的原始航向角进行处理，从而处理得到更为准确的航向角。由于滤波算法中使用的初始化值的可靠性较高，能够确保处理得到的航向角具有较高的准确度。

S140，输出处理后得到的航向角。

姿态角为俯仰角或者横滚角时的测量方法跟航向角的测量方法相同。

上述姿态角测量方法，在输出姿态角前会进行初始化。初始化过程通过统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数，并根据统计结果判断姿态角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否大于第一门限，以保证概率最大的角度区间内具有一定的固定解比例，避免概率最大的角度区间内全部是浮点解。同时还会判断姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与统计时长内的姿态角次数之比是否大于第二门限，以保证统计时长内有足够的正确结果。初始化过程中，还需要判断姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与姿态角出现概率第二大的角度区间内的姿态角次数之比是否大于第三门限，以确保判断出来最大概率区间为正确解区间。仅在上述判断步骤中的判断结果均为是，才表示初始化成功，并计算姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角的平均值作为初始化值输出，从而提高了初始化过程的可靠性，进而提高了姿态角测量的准确性。上述姿态角测量方法，通过采用概率统计模型完成航向角初始化，可以在环境恶劣或者GNSS信号受到一定干扰情况下提高测量初始化可靠性，从而解决了在视野范围内GNSS卫星数量少或者受到干扰时的姿态角初始化时间长并且容易初始化出错的问题。

图3为一实施例中的姿态角测量装置的结构框图。该姿态角测量装置可以应用于载体中，以对载体的姿态角进行测量。测量的姿态角可以为航向角、俯仰角或者横滚角。在本实施例中，以航向角为例进行说明。该姿态角测量装置包括解算单元310、姿态角测量初始化装置320、处理单元330和输出单元340。

解算单元310用于接收GNSS信号并进行航向角解算。

姿态角测量初始化装置320包括统计单元410、判断单元420和初始化单元430，如图4所示。统计单元410用于统计在统计时长内落入到每个角度区间内的航向角次数、航向角的固定解次数和航向角的浮点解次数。在本实施例中，统计单元410在执行统计之前，还会先将航向角的分布区域按预设角度间隔划分为多个角度区间。预设角度间隔可以根据实际需要的精度进行调整。在本实施例中，预设间隔为5度。统计时长可以根据需要设定，通常需要大于30秒。判断单元420用于判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否超过第一门限。判断单元420还用于判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的航向角次数和统计时长内总的航向角次数之比是否超过第二门限，并判断统计时长内航向角出现概率最大的角度区间内的航向角次数与航向角出现概率第二大的角度区间内的航向角次数之比是否超过第三门限。初始化单元430用于在判断单元420执行的上述三个判断过程中的判断结果均为是时，计算航向角出现概率最大的角度区间内的航向角的平均值作为初始化值输出。统计单元430还用于在判断单元420执行的上述三个判断过程中的判断结果不全为是时，重新统计在统计时长内落入到每个角度区间内的航向角次数、航向角的固定解次数和航向角的浮点解次数，以再次进行初始化，直至初始化成功。

处理单元330用于根据初始化单元430得到的初始化值对后续解算得到的航向角进行处理。

输出单元340用于输出处理后得到的航向角。

上述姿态角测量装置，在输出航向角前会进行初始化。初始化过程通过统计在统计时长内落入到每个角度区间内的姿态角次数、姿态角的固定解次数和姿态角的浮点解次数，并根据统计结果判断姿态角出现概率最大的角度区间内的固定解次数和浮点解次数的比例是否大于第一门限，以保证概率最大的角度区间内具有一定的固定解比例，避免概率最大的角度区间内全部是浮点解。同时还会判断姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与统计时长内的姿态角次数之比是否大于第二门限，以保证统计时长内有足够的正确结果。初始化过程中，还需要判断姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角次数与姿态角出现概率第二大的角度区间内的姿态角次数之比是否大于第三门限，以确保判断出来最大概率区间为正确解区间。仅在上述判断步骤中的判断结果均为是，才表示初始化成功，并计算姿态角出现概率最大的角度区间内的姿态角的平均值作为初始化值输出，从而提高了初始化过程的可靠性，进而提高了姿态角测量的准确性。上述姿态角测量装置，通过采用概率统计模型完成航向角初始化，可以在环境恶劣或者GNSS信号受到一定干扰情况下提高测量初始化可靠性，从而解决了在视野范围内GNSS卫星数量少或者受到干扰时的姿态角初始化时间长并且容易初始化出错的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。