基于低成本陀螺和倾角仪的姿态估计

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1、第32卷第8期宇航学报Vol．32No．82011年8月JournalofAstronauticsAugust2011基于低成本陀螺和倾角仪的姿态估计朱丰超，姚敏立，贾维敏(第二炮兵工程学院，西安710025)摘要:针对动中通测控系统中低成本陀螺和倾角仪的姿态估计和陀螺误差校正问题，提出一种利用UKF(UncentedKalmanFilter)滤波器对载体姿态角进行估计，然后利用互补滤波器对陀螺漂移进行估计的算法。该算法通过设计三维完全可观测UKF滤波方程和陀螺误差校正模型对姿态角和陀螺漂移分别进行估计，有效避免了利用卡尔曼滤波进行姿态估计和陀螺漂移误差估计时由于误差模

2、型不准确而产生的发散问题，同时降低了滤波器维数。试验中姿态角估计误差在1°以内，x轴陀螺漂移估计误差为0．0148°/s，y轴陀螺漂移估计误差为0．0017°/s，试验结果表明该算法能有效提高姿态角估计和陀螺漂移估计的精度。关键词:动中通;姿态估计;陀螺漂移估计;卡尔曼滤波;互补滤波中图分类号:TP391．9文献标识码:A文章编号:1000-1328(2011)08-1728-06DOI:10．3873/j．issn．1000-1328．2011．08．012AttitudeEstimationBasedonLowCostGyroandInclinometerZHUFe

3、ng-chao，YAOMin-li，JIAWei-min(TheSecondArtilleryEngineeringUniversity，Xi’an710025，China)Abstract:InthecontrolsystemofSOTM(SatComsOn-The-Move)，lowcostgyrosandinclinometersareusedtoestimateattitudeandthegyros’driftmustberevised．Amethodisproposedinthispaper．AfullyobservablethreedimensionalUK

4、F(UncentedKalmanFilter)filterisusedtoestimatebodyattitude，andtheacomplementaryfilterisusedtoestimategyros’drift．Thedivergentproblemisavoidedandthedimensionisreducedwhenakalmanfilterisusedtoestimateattitudeandgyros’drift．Intheexperiment，estimatedattitudeerroriswithin1°andthex-gyro’estimat

5、eddrifterroris0．0148°/s，they-gyro’estimateddrifterroris0．0017°/s．Thesimulationshavedemonstratedtheeffectivenessoftheapproachproposed．Keywords:SOTM;Attitudeestimation;Gyrodriftestimation;Kalmanfilter;Complementaryfilter对陀螺输出姿态角进行估计，并校正陀螺漂移误差。0引言卡尔曼滤波常用作融合不同传感器数据而得到动中通(SatComs‘on-the-Move’

6、)是基于FSS目标的最优估计，在惯性导航系统中得到了广泛应［2］(FixedSateliteService)频段的运动中的卫星通用，但是卡尔曼滤波估计效果的好坏取决于对噪［1］信，近年来，动中通在恶劣通信环境(联合作战，声的精确建模程度，即噪声方差的估计值，而且陀螺［2－4］抢险救灾等)中作用突出，成为国内外研究的热点。噪声误差估计包含在滤波器状态变量中，增加为了保证运动中天线波束时刻对准卫星，需对载体了滤波器维数。本文首先建立三维完全可观测姿态进行精确测量，高精度姿态测量系统是制约动UKF滤波器，得到估计姿态角，在此基础上设计陀中通广泛推广的决定因素，而采用低成本的陀

7、螺噪螺误差校正系统模型，进行陀螺误差校正，该方法不声一般比较大，为保证对载体姿态的测量精度，必须需已知陀螺误差模型，降低了滤波器维数，提高了对收稿日期:2010-07-08;修回日期:2010-10-15第8期朱丰超等:基于低成本陀螺和倾角仪的姿态估计1729动中通的实时控制能力。1运动载体的姿态估计陀螺输出具有短时的精确性，而倾角仪则具有长时稳定性，即短时间内的测量误差大，但长时间的测量误差相对于陀螺累积误差来说比较小。利用UKF滤波融合陀螺和倾角仪数据可以得到精确的运动载体的姿态角。1．1坐标系的建立以及数据预处理载体坐标系如图1所示