三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法
【专利摘要】本发明公开了一种三轴姿态测量传感器非正交性误差的正交补偿方法，通过对每一个测量实轴建立各自独立的虚拟正交仪器坐标系，得到各自的旋转矩阵，再融合得到三轴非正交性的旋转矩阵，目的是通过虚拟正交建模，得到准确的非正交性误差模型，之后通过特殊位置的测量值和理论值求得一个补偿矩阵，将三轴传感器测量结果正交解耦，以减小非正交性及其所造成的测量误差，提高姿态测量精确度。
【专利说明】三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明应用于导航、制导与控制工程，属于精密测量仪器【技术领域】，特别涉及一种三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法。
【背景技术】
[0002]姿态测量和控制广泛应用于国防、军事、工业、农业和商业领域，减小测量误差是提高姿态测量精度的重要技术手段。从误差性质来分，有系统误差、随机误差和坏差。坏差明显歪曲了测量结果，这里不讨论。随机误差服从统计规律，一般由不确定性因素造成，如电磁场的变化、零件的摩擦与间隙、热起伏、空气扰动、气压、温湿度和测量人员的感官生理变化等，最重要的表现为抵偿性，即随机误差是可以通过数据处理来减小或消除的。系统误差是固定的，或服从一定的函数规律，产生原因众多，通常涉及测量仪器设备、测量装置对象、测量技术方法、测量者操作水平等，一般可以通过校正或补偿来减小。
[0003]姿态测量系统中存在各类来源误差，如零位误差、非正交误差(包括位置/位移误差、指向/方位误差、安装误差等)、标度因子误差、温度漂移误差、传感器测量误差和数据处理误差等，其中结构产生的非正交误差占到整体误差的70%，本发明主要研究其中的非正交误差。所谓非正交误差是指由于机械制造、加工所形成的各轴之间不正交，地理坐标系和仪器坐标系初始不重合，以及传感器安转或测量装置二次安装等形成的各轴空间偏差，是各测量轴与理想地理坐标系之间不正交度的表现。
[0004]经典误差理论证明:对于系统误差要采用合适的校正补偿方法，对随机误差可以采用各种基于数据统计的拟合方法。
[0005]部分文献综合零位误差、标度因子误差、非正交误差、温度漂移误差、测量误差、数据处理误差等，形成一个统一的校正模型。以上各类误差包括系统误差和随机误差，而它们的处理方法是不同的，一个统一的模型显然难以同时满足两类性质完全不同误差的校正。
[0006]部分文献采用最小二乘法、共轭梯度法、最大似然法、卡尔曼滤波、神经网络、参数估计、微分进化等算法，以及它们的改进算法，对姿态测量结果进行处理，而这些算法主要适合随机误差的处理，对系统误差的处理难以奏效。
[0007]部分文献对姿态传感器的位置/位移、指向/方位、安装误差进行了独立建模，给出了各轴的相对误差角，但同时也存在缺陷，如假定地理坐标系S轴和仪器坐标系初始Z轴重合，这本身就是忽略了这2个轴的轴不重合误差，显然不全面。
[0008]还有文献利用各类方法对三轴的非正交性进行解耦校正，即将测量结果正交化，但在处理时采用了简化方案，或前提条件不严谨，或采用公式简化，人为引入了方法误差，降低了校正补偿精度。
【发明内容】
[0009]为克服上述现有姿态测量系统中非正交性误差补偿方法的不足，本发明的目的在于提供一种三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法，综合非正交性误差的形成，将传感器三轴看成3个独立的空间轴，通过包含这3个实轴的虚拟正交坐标系的多次坐标变换，获得传感器非正交性误差的补偿矩阵，最终将三轴传感器测量结果正交化，减小非正交性及其误差，提高测量精度。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0011]一种三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法，包括如下步骤:
[0012]步骤1，在姿态测量系统中建立理想正交的地理坐标系，并将该坐标系通过欧拉旋转得到一个初始虚拟、正交的理想仪器坐标系，此时的仪器姿态角即方位角、倾斜角和工具面角；
[0013]步骤2，该理想仪器坐标系分别以3组不同的姿态误差角做3组坐标变换，每组坐标变换均为3个不同姿态误差角的欧拉旋转，从得到的3个虚拟正交仪器坐标系中分别抽取X轴、Y轴和Z轴，构成实际的测量仪器坐标系；
[0014]步骤3，根据3组坐标变换所得到的相应实轴输出与正交虚拟的理想仪器坐标系理论输出的关系矩阵，得到非正交仪器坐标系各测量轴的实际输出与理想正交仪器坐标系理论输出的关系矩阵；
[0015]步骤4，通过特殊位置的实际仪器坐标系测量输出和正交仪器坐标系理论输出，逆向求解关系矩阵，得到一个校正矩阵，该矩阵表示三轴正交理论输出与实际非正交测量结果之间的关系，即将非正交测量结果进行正交解耦，得到补偿的三轴正交化测量结果。
[0016]所述三轴姿态测量传感器包括加速度计、陀螺仪、磁强计及MEMS惯性器件。
[0017]所述地理坐标系包括北西天、北东地坐标系，其旋转正方向由右手定则或左手定则决定。
[0018]所述步骤2中，每组坐标变换是指将所述虚拟正交仪器坐标系绕第一个轴旋转第一姿态误差角，再绕第二个轴旋转第二姿态误差角，再绕第三个轴旋转第三姿态误差角，最后得到一个新的虚拟正交仪器坐标系，3组坐标变换的旋转顺序相同，共得到三个新的虚拟正交仪器坐标系。
[0019]所述步骤2中，从3个新的虚拟正交仪器坐标系中分别抽取X轴、Y轴和Z轴，构成实际并不完全正交的测量仪器坐标系，3组变换所形成的9个姿态误差角构成实际仪器坐标系的姿态误差角。
[0020]所述步骤4中，特殊位置是指使得三轴理论正交输出中有两个为O、另一个绝对值为最大的姿态位置，即保证三轴理论正交[gx, gy, gj输出为[0，0，±g]、[O, 土 g，0]和[土 g，0，0]的各姿态角。
[0021]本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0022]正交补偿充分考虑了非正交性误差的形成机理，首次定义了三轴独立的3个姿态误差参数，综合构成9个姿态误差参数；通过多次虚拟正交坐标系的欧拉旋转，理清了非正交性误差形成过程；通过求解逆矩阵将测量结果正交解耦，减小非正交性及其误差，可获得高精度的姿态参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是初始仪器坐标系到理想仪器坐标系的坐标旋转变换示意图。
[0024]图2是本发明中三个姿态传感器的虚拟正交坐标变换示意图，i=X、Y、Z0【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0026]首先以北西天坐标系中加速度计传感器为例介绍姿态测量的基本知识。
[0027]在理想地理坐标系(北西天ONWS坐标系)中建立初始仪器坐标系(OXYZ坐标系)。两个坐标系初始重合，N轴沿当地子午线指北，W轴沿当地纬线指西，S轴沿当地地垂线指天，NW面为当地水平面，NS面为当地子午面。定义方位角A为仪器在水平面内从地理北向旋转到仪器轴线在水平面投影的角，倾斜角I为仪器轴线与重力矢量之间的夹角(锐角)，工具面角T为从重力高边旋转到仪器高边的夹角。ONWS坐标系绕OS (OZ0)轴旋转角A到OX1Y1Z1，绕OY1轴旋转角I到OX2Y2Z2,再绕OZ2轴旋转角T到OX3Y3Z3,就得到当前理想的OXYZ仪器坐标系，如图1所示。
[0028]每一次的旋转相当于一次坐标变换，可用相应的变换矩阵来表示，则相应的绕0?轴、OY1轴和OZ2轴旋转矩阵为
[0029]
【权利要求】
1.一种三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法，包括如下步骤: 步骤1，在姿态测量系统中建立理想正交的地理坐标系，并将该坐标系通过欧拉旋转得到一个初始虚拟、正交的理想仪器坐标系，此时的仪器姿态角即方位角、倾斜角和工具面角； 步骤2，该理想仪器坐标系分别以3组不同的姿态误差角做3组坐标变换，每组坐标变换均为3个不同姿态误差角的欧拉旋转，从得到的3个虚拟正交仪器坐标系中分别抽取X轴、Y轴和Z轴，构成实际的测量仪器坐标系； 步骤3，根据3组坐标变换所得到的相应实轴输出与正交虚拟的理想仪器坐标系理论输出的关系矩阵，得到非正交仪器坐标系各测量轴的实际输出与理想正交仪器坐标系理论输出的关系矩阵； 步骤4，通过特殊位置的实际仪器坐标系测量输出和正交仪器坐标系理论输出，逆向求解关系矩阵，得到一个校正矩阵，该矩阵表示三轴正交理论输出与实际非正交测量结果之间的关系，即将非正交测量结果进行正交解耦，得到补偿的三轴正交化测量结果。
2.根据权利要求1所述的三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法，其特征在于，所述三轴姿态测量传感器包括加速度计、陀螺仪、磁强计及MEMS惯性器件。
3.根据权利要求1所述的三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法，其特征在于，所述地理坐标系包括北西天、北东地坐标系，其旋转正方向由右手定则或左手定则决定。
4.根据权利要求1所述的三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法，其特征在于，所述步骤2中，每组坐标变换是指将所述虚拟正交仪器坐标系绕第一个轴旋转第一姿态误差角，再绕第二个轴旋转第二姿态误差角，再绕第三个轴旋转第三姿态误差角，最后得到一个新的虚拟正交仪器坐标系，3组坐标变换的旋转顺序相同，共得到三个新的虚拟正交仪器坐标系。
5.根据权利要求1所述的三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法，其特征在于，所述步骤2中，从3个新的虚拟正交仪器坐标系中分别抽取X轴、Y轴和Z轴，构成实际并不完全正交的测量仪器坐标系，3组变换所形成的9个姿态误差角构成实际仪器坐标系的姿态误差角。
6.根据权利要求1所述的三轴姿态测量系统非正交性误差的正交补偿方法，其特征在于，所述步骤4中，特殊位置是指使得三轴理论正交输出中有两个为O、另一个绝对值为最大的姿态位置，即保证三轴理论正交[gx, gy, gj输出为[O, O, 土g]、[0, 土g, O]和[土g, O, O]的各姿态角。
【文档编号】G01C21/00GK103591949SQ201310517875
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】程为彬, 潘萌, 汤楠, 汪跃龙, 霍爱清 申请人:西安石油大学