基于测姿GPS及电子罗盘组合的姿态估计算法.pdf

2007年第4期中国航海No.4Dec.2007
总第73期NAVIGATIONOFCHINASerialNo.73

文章编号:1000-4653(2007)04-0033-04

基于测姿GPS及电子罗盘组合的姿态估计算法

章大勇,吴文启,吴美平,逯亮清
(国防科技大学,湖南长沙410073)

摘要:针对低成本姿态测量应用需求,研究了由测姿GPS与电子罗盘组合的姿态估计算法。以捷联姿态误差模
型为基础,利用等效倾角误差表示姿态误差,引入角速率误差作为状态参量,通过四元数微分方程推导等效倾角误
差传递模型。从GPS双差载波相位测量方程和电子罗盘地磁矢量方程出发,从观测量的物理意义出发推导了等效
倾角误差为状态参量的非线性观测方程。采用扩展卡尔曼滤波对姿态参数进行状态估计。车载实验表明该算法
能够有效地提高姿态测量精度和系统的鲁棒性,具有较好的实用性。
关键词:船舶、舰船工程;测姿GPS;电子罗盘;姿态估计;等效倾角误差;四元数
中图分类号:U666.1文献标识码:A

AttitudeDeterminationAlgorithmBasedonCombination
ofAttitude2GPSandElectronicCompass

ZHANGDa2yong,WUWen2qi,WUMei2ping,LULiang2qing
(NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract:TheattitudedeterminationalgorithmbasedonthecombinationofMulti2AntennaGPSandElectronicCompassisstudied
foraneedoflow2costattitudemeasurementapplication.Inthealgorithmequivalenttiltangleerrordenotesattitudeerrorandits
propagationequationsarededucedwithaquaterniondifferentialequation.Also,startingfromthephysicalsignificancesofobserved
quantities,anon2linearobservationequation,inwhichtheequivalenttiltangleerrorasastateparameterisestimatedwithextend
KalmanFilter,isdeduced,basedondoubledifferentialcarrierphasemeasurementequationandelectroniccompassgeomagnetism
vectorequation.Vehicleexperimentsindicatethatthealgorithmcaneffectivelyimproveattitudedeterminationprecisionand
robustnessofsystem.
Keywords:Ship,Navalengineering;Attitude2GPS;Electroniccompass;Attitudedetermination;Equivalenttiltangleerror;
Quaternion

姿态参数是舰艇导航的重要组成部分。利用陀种选择。捷联式电子罗盘通常利用三轴磁强计与倾
螺作为姿态传感器测量载体姿态参数是最为常用的斜仪配合,测量地磁场矢量求取姿态参数,具有完全
手段,但由于其成本较高,导致其在应用上受到限自主、稳定、固态、小型化的优点,但往往受到传感器
制,尤其是许多小型舰艇依然以磁罗经为主进行导的限制而精度较低。在相关的姿态算法研究中,
航。近年来,利用多天线GPS及其载波相位观测进Challa[3]提出了基于观测矢量求导的磁传感器姿态
行姿态测量的方法受到了广泛的关注。Cohen[1]采估计方法,傅建国[4]等提出了采用非线性滤波直接
用正交基线测量姿态,精度达到0.1°(1σ)。段智估计姿态参数的方法。
勇[2]等将测姿GPS与惯导系统组合,成功应用于惯可见,将测姿GPS与电子罗盘组合,在不降低
导初始对准中。由于测姿GPS成本较低和可观的系统稳定性的前提下能充分利用测姿GPS提高精
精度水平,在许多领域得到了推广,并日趋成熟,但度。采用组合方式进行姿态估计,需要建立姿态误
载波相位测量固有的周跳、易受干扰等特性对姿态差模型,因此,本文针对低成本应用环境,研究适用
测量稳定性的影响不可忽视。与此同时,新一代捷于测姿GPS与电子罗盘组合的姿