基于磁强计/陀螺的卡尔曼滤波定姿算法

张晓霞,曹咏弘

(中北大学理学院,山西太原 030051)

0 引言

在组合导航系统中,姿态解算是一个重要的研究课题。陀螺是最常用的姿态传感器,但是高性能陀螺的体积大、价格高,限制了陀螺在某些领域的应用。近年来,MEMS陀螺由于其体积小、成本低、易于批量生产,因而在各大领域受到青睐。

对陀螺测得的三轴姿态角速率积分可以确定姿态,但其测量精度易受陀螺角速率误差的影响,会在短时间内引起较大的误差,解决该问题常用的方法是采用卡尔曼滤波器[1-3]。卡尔曼滤波器利用来自加速度计、磁强计、倾斜计等传感器的数据来补偿陀螺引起的误差。随着低成本固态惯性器件和磁传感器件的发展,利用MEMS陀螺和磁强计进行姿态探测是近年来测量系统研究的热点之一。文献[1]设计了一个利用加速度计和磁强计来补偿误差的扩展卡尔曼滤波器。结合对重力场和地磁场的测量,使用高斯-牛顿迭代法求解非线性方程组,从而获得四元数。该算法不仅使用了对重力场的测量,而且要求载体处于静止或不存在线加速度。因此,该算法具有局限性。文献[2]采用磁强计和陀螺来测量姿态角。该算法是先通过磁阻传感器来确定滚转角,再利用公式计算另外两个姿态角,从而获得姿态四元数。但在磁阻传感器测姿态角一节中,计算滚转角的公式只描述了一种特殊情形,因而具有片面性。文献[3]提出了一种采用磁强计和MEMS陀螺构建低成本姿态探测系统的方案。……