一种基于四元数夹角的惯导精度检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及姿态测量与处理的技术领域，具体涉及一种基于四元数夹角的惯导精 度检测方法。
【背景技术】
[0002] 由于不同的惯导采用的不同的陀螺，同时处理的算法也各不相同，因而使得输出 的姿态数据误差也有不同的变化。传统上对惯导进行精度评价的方法主要采用欧拉角比对 后的误差统计方法（如图1所示流程），主要有两种形式：
[0003] -、将惯导固定在高精度摇摆台上，标定惯导与摇摆台之间的旋转关系。然后开启 摇摆台，记录摇摆台和惯导输出的姿态数据。事后，通过之前的标定关系，将两种姿态数据 统一到同一坐标系内。最后，通过欧拉角对比，分别计算欧拉角航向、俯仰和横滚的误差状 况；
[0004] 二、将要比对的惯导和高精度惯导都固定于摇摆台上，标定两个惯导的数据关系； 然后转动摇摆台，记录两个惯导输出的姿态数据。事后，通过标定关系将两个姿态数据统一 到同一个坐标系内。最后，通过对欧拉角进行比对，分别计算三个欧拉角航向、俯仰和横滚 的误差状况。
[0005] 为了得到准确可信的误差比对数据，在以上两种形式中都需要惯导安装位置的标 定精度能达到要求，即标定精度要远小于欧拉角的误差值。否则标定误差将会耦合在三个 欧拉角当中一一使得误差增大，进而影响对惯导的精度检测。但在现实中，对惯导的标定相 对较为困难，尤其是受到摇摆台安装或者其它因素影响的情况下。同时采用三个欧拉角误 差评估惯导的精度，虽然相对比较直观，但却缺少整体性评估概念。即当某个欧拉角的误差 相对较大，其它两个误差角较小时，不能直观判断惯导设备的精度量级或者误差范围。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题为：针对惯导精确标定安装位置相对较为困难的情况， 采用直接计算的方法来进行精度检测。本发明可以充分利用传统的测试形式，但不需要对 惯导设备的安装位置进行精确标定，因而不会带来因为标定误差而产生的耦合误差。
[0007] 本发明采用的技术方案为：一种基于四元数夹角的惯导精度检测方法，具体实现 步骤为：
[0008] 步骤（1)、将被测的惯导固定在摇摆平台上；
[0009] 步骤（2)、转动摇摆台，记录同一时刻摇摆台的姿态数据和惯导输出的姿态数据；
[0010] 步骤（3)、将摇摆台（或者高精度惯导）的姿态数据和被测惯导的姿态数据转换为 两组四元数数据；
[0011] 步骤（4)、计算两组两个四元数之间的夹角，形成夹角序列；对四元数夹角序列求 均方误差，作为惯导的精度指标；
[0012] 步骤（5)、计算每组四元数数据和各自第一个四元数数据的夹角，形成两组夹角序 列；两组夹角序列相减求误差角，并求均方误差作为惯导的精度指标。
[0013] 其中，所述第（3)步中，将相同时刻的被测惯导和摇摆台的姿态数据转换为两组 四元数数值。
[0014] 其中，所述第（4)步中，需要计算相同时刻摇摆台和被测惯导两个姿态数据所代 表的四元数的夹角，形成序列，以夹角序列数据的均方误差作为惯导的精度指标。
[0015] 其中，所述第（5)步中，采用两组四元数数据都和其第一个四元数数据求夹角，形 成夹角序列，两组夹角序列相减求误差角，以误差角的均方误差作为惯导的精度指标。
[0016] 本发明的原理在于：
[0017] 本发明利用的原理为在摇摆台转动过程中，由于惯导和摇摆台或者高精度惯导之 间的关系是固定的一一它们之间的标定关系，即在不考虑摇摆台变形的情况下，它们之间 的关系不会随着摇摆台姿态的变化而变化。虽然传统上采用3个欧拉角误差作为精度指 标，但在使用时三个欧拉角却总是同时使用。因而如果能够采用一个角度数值来表示精度 指标，则可以更加直观反映这个惯导的精度。
[0018] 利用四元数夹角的方法，不仅可以减少复杂的惯导安装位置标定过程，容易操作， 而且误差的评价数据有整体性。能够充分反映惯导的误差状况和误差量级范围。其中步骤 (4)中，采用的方法的原理为被测惯导相对摇摆台是固联的，即不论摇摆台怎么转动，从四 元数物理意义上讲，它们的夹角始终是固定的。其中步骤（5)中，采用的方法的原理为，从 四元数物理意义上讲，摇摆台摇摆量和被测惯导摇摆量理论上是相同的，产生的不同都由 误差项带来。
[0019] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0020] (1)本发明依赖条件小：传统方法需要对被测惯导的安装要求较高，即要精确测 量被测惯导的安装和摇摆台三个姿态角间的关系，而本方法不需要进行精确测量；
[0021] (2)本发明结果直观：由于惯导使用的器件不同，计算的算法不同，使得三个姿态 角误差的量级不同，因而使得传统方法不直观，而本文所述方法只一个数值来表示检测精 度，数据直观。
【附图说明】
[0022] 图1是传统精度检测方法的流程图；
[0023] 图2是基于四元数夹角的精度检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024] 以下是本发明的具体实施办法。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保 护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现 本发明权利要求的全部内容。
[0025] 在以下具体实施例中，目的是测量得到的姿态数据，计算被测惯导的精度。假设在 摇摆台摇摆后，记录的摇摆台姿态的欧拉角数据为：航向角itpi，俯仰角0pJP横滚角Y pi。 其中下标P表示摇摆台，i表示数据个数。记录被测惯导的姿态的欧拉角数据为：航向角 U府仰角9 横滚角Y i。其中下标i相同时表示同一时刻采集到的数据。通过下面公 式将欧拉角姿态数据转换为四元数数据：
【主权项】
1. 一种基于四元数夹角的惯导精度检测方法，其特征在于实现步骤如下： 步骤（1)、将被测的惯导固定在摇摆平台上； 步骤（2)、转动摇摆台，记录同一时刻摇摆台的姿态数据和惯导输出的姿态数据； 步骤（3)、将摇摆台的姿态数据和被测惯导的姿态数据转换为两组四元数数据； 步骤（4)、计算两组两个四元数之间的夹角，形成夹角序列；对四元数夹角序列求均方 误差，作为惯导的精度指标； 步骤（5)、计算每组四元数数据和各自第一个四元数数据的夹角，形成两组夹角序列； 两组夹角序列相减求误差角，并求均方误差作为惯导的精度指标。
2. 根据权利要求1所述的一种基于四元数夹角的惯导精度检测方法，其特征在于：所 述第（3)步中，将相同时刻的被测惯导和摇摆台的姿态数据转换为两组四元数数值。
3. 根据权利要求1所述的一种基于四元数夹角的惯导精度检测方法，其特征在于：所 述第（4)步中，需要计算相同时刻摇摆台和被测惯导两个姿态数据所代表的四元数的夹 角，形成序列，以夹角序列数据的均方误差作为惯导的精度指标。
4. 根据权利要求1所述的一种基于四元数夹角的惯导精度检测方法，其特征在于：所 述第（5)步中，采用两组四元数数据都和其第一个四元数数据求夹角，形成夹角序列，两组 夹角序列相减求误差角，以误差角的均方误差作为惯导的精度指标。
【专利摘要】本发明公开了一种基于四元数夹角的惯导精度检测方法，涉及姿态测量与误差检测领域。针对传统上惯导采用欧拉角比对误差进行精度检测的方法，需要惯导安装后进行初始标定或者初始对准等操作。当标定不准确时，惯导所在的平台摇摆后，航向、俯仰和横滚数据会相互耦合，造成精度检测不准确。本发明介绍了两种采用四元数夹角的方法去检测惯导的精度。方法可以克服传统方法带来的耦合现象。只要惯导和平台进行固联，不需要对惯导进行安装标定，没有数据耦合带来的误差。采用四元数夹角的方法对惯导进行误差评估，其方法更加简单，且数据更加客观且更加符合实际的使用。
【IPC分类】G01C25-00
【公开号】CN104697551
【申请号】CN201510074098
【发明人】张涯辉, 江彧, 吴琼雁
【申请人】中国科学院光电技术研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月12日