基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法
【專利摘要】發(fā)明屬于磁測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體提供了一種基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法，包括以下步驟：(S1)設(shè)置無磁轉(zhuǎn)臺(tái)；(S2)將地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)中的磁傳感器和加速度計(jì)封裝于無磁正六面體內(nèi)；(S3)將無磁正六面體放置于無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面上，保持無磁正六面體的X軸方向與旋轉(zhuǎn)軸方向一致，繞X軸旋轉(zhuǎn)N1次，得到N1組磁傳感器與加速度計(jì)的測(cè)量值；(S4)保持無磁正六面體的Z軸方向與旋轉(zhuǎn)軸方向一致，繞Z軸旋轉(zhuǎn)N2次，得到N2組磁傳感器與加速度計(jì)的測(cè)量值；(S5)分別計(jì)算出磁傳感器到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角和加速度計(jì)到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角；(S6)確定磁傳感器與加速度計(jì)之間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，即完成校正。
【專利說明】基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于磁測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)的非對(duì)準(zhǔn)誤差 校正方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 三軸磁傳感器由于能提供分量信息而被廣泛應(yīng)用，其測(cè)量值為地磁場(chǎng)在磁傳感器 三個(gè)敏感軸上投影的大小。如果已知磁傳感器三個(gè)敏感軸構(gòu)成的直角坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系 之間的歐拉角關(guān)系，則可計(jì)算出地理坐標(biāo)系下的地磁分量：地磁場(chǎng)北向分量、東向分量、垂 直分量。如何有效獲取地理坐標(biāo)系下地磁分量就是地磁矢量測(cè)量問題，地磁矢量測(cè)量則是 通過地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)來完成的。地磁矢量測(cè)量需使用三軸磁傳感器，同時(shí)需要確定磁傳 感器方位，解決三軸磁傳感器定姿問題。定姿精度是矢量測(cè)量的關(guān)鍵因素，要使矢量測(cè)量達(dá) 到一定精度，對(duì)于定姿的要求是很嚴(yán)格的。
[0003] 地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)主要由磁傳感器和慣導(dǎo)直接捷聯(lián)構(gòu)成，磁傳感器用來測(cè)量磁傳 感器坐標(biāo)系的磁場(chǎng)分量，慣導(dǎo)則為磁傳感器提供各種姿態(tài)信息：航向、俯仰、橫滾的角度。通 過換算可得到地理坐標(biāo)系中的磁場(chǎng)矢量的三個(gè)分量，其中慣導(dǎo)包含三軸陀螺和三軸加速度 計(jì)，地磁矢量系統(tǒng)中加速度計(jì)坐標(biāo)系與陀螺坐標(biāo)系可認(rèn)為一致。地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)在安裝 過程中不可避免的會(huì)存在一些誤差，其中，磁傳感器測(cè)量軸與慣導(dǎo)測(cè)量軸之間的坐標(biāo)系誤 差稱為"非對(duì)準(zhǔn)誤差"。"非對(duì)準(zhǔn)誤差"成為影響地磁要素測(cè)量精度的重要因素，通過機(jī)械對(duì) 準(zhǔn)方法難以解決非對(duì)準(zhǔn)問題。在地磁環(huán)境下，Γ的非對(duì)準(zhǔn)誤差可引起幾百nT的矢量測(cè)量 誤差（ηΤ為磁場(chǎng)強(qiáng)度單位）。因此研究非對(duì)準(zhǔn)誤差校正技術(shù)對(duì)提高地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)精度 具有重要意義。由于慣導(dǎo)坐標(biāo)系與磁傳感器坐標(biāo)系均不可視，而且與陣列中傳感器坐標(biāo)系 校正不同，慣導(dǎo)與磁傳感器測(cè)量不同的物理量，加大了校正難度。
[0004] 針對(duì)不同系統(tǒng)的非對(duì)準(zhǔn)誤差，一些學(xué)者提出了相關(guān)的校正方法。Rong Zhu等人 (Rong Zhu, Zhaoying Zhou, Calibration of three-dimensional integrated sensors for improved system accuracy, Sensors and Actuators A I27 (2〇〇6)340 _ 344)米用正六面 體光學(xué)棱鏡和正交的光學(xué)坐標(biāo)系系統(tǒng)，對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System) -體化傳感器系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)誤差進(jìn)行校正，利用光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系的磁場(chǎng)和重力投 影值，分別計(jì)算磁傳感器與加速度計(jì)到光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系的非對(duì)準(zhǔn)誤差。但是，該方法需 要精確調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)三維坐標(biāo)系，需要借助當(dāng)?shù)卮艃A角信息，并保證正六面體光學(xué)棱鏡 初始坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)乇?、東、地坐標(biāo)系一致。故該方法對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)棱鏡初始坐標(biāo)系 調(diào)整精確要求高。Erin L. Renk 等人（Erin L. Renk, W.C·，Matthew Rizzo, Fuju Lee, and Dennis S. Bernstein. Calibrating a Triaxial Accelerometer-Magnetometer.IEEE Control Systems Magazine(2005)86 - 95)采用六維自由度機(jī)器人校正非對(duì)準(zhǔn)誤差；同 樣，該方法需要精確控制姿態(tài)，需要提供航向角、俯仰角、橫滾角，操作復(fù)雜。J. Vcelak等 A (J· Vcelak, P. Ripka, J. Kubik, A. Platil and P. Kaspar, AMR navigation systems and methods of their calibration, Sensors and Actuators A 123 - 124(2005) 122 - 128) 利用無磁轉(zhuǎn)臺(tái)校正電子磁羅盤非對(duì)準(zhǔn)誤差，通過繞轉(zhuǎn)臺(tái)其中兩個(gè)軸的方法估計(jì)非對(duì)準(zhǔn) 角。它的核心思想在于利用轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向的磁場(chǎng)和重力不變，從而分別計(jì)算出磁傳感器和 加速度計(jì)的非對(duì)準(zhǔn)誤差。該方法在計(jì)算磁傳感器橫滾角非對(duì)準(zhǔn)誤差時(shí)需要借助加速度計(jì) 提供的姿態(tài)信息。另外，上述方法在建立模型時(shí)忽略了加速度計(jì)的橫滾角非對(duì)準(zhǔn)誤差。 David Jurman(David Jurman, Marko Jankovec, Roman Kamnik, Marko Topic, Calibration and data fusion solution for the miniature attitude and heading reference system, Sensors and Actuators A 138(2007)411 - 420)等人針對(duì) MEMS 磁羅盤，把磁傳感 器和加速度計(jì)封裝到一個(gè)開口的塑脂材料正六面體內(nèi)，其校正方法原理與J. Vcelak等人 方法一樣，不同之處在于采用了無磁平板，同樣需要提供姿態(tài)信息。
[0005] 關(guān)于地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正，龐鴻鋒等人申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?201210355541. 7,用于地磁要素測(cè)量系統(tǒng)的非對(duì)準(zhǔn)誤差校正方法，公告日：2013年1月16 日）采用直角型臺(tái)面和正六面箱體，通過多次翻轉(zhuǎn)無磁正六面體，令翻轉(zhuǎn)后的無磁正六面 體仍然緊靠直角型臺(tái)面。利用重力矢量在直角型臺(tái)面投影分量不變?cè)?，?jì)算磁場(chǎng)傳感器 與慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的非對(duì)準(zhǔn)角。此方法要求直角型臺(tái)面的平面度和垂直度非常高，且每次翻 轉(zhuǎn)都要求臺(tái)面和箱體緊密契合。此方法對(duì)設(shè)備的加工精度和操作精度均要求較高。另外， 由于直角型臺(tái)面的地磁投影分量值和非對(duì)準(zhǔn)角均為待估參數(shù)，故待估參數(shù)多，且地磁投影 分量值與非對(duì)準(zhǔn)角參數(shù)相互耦合程度高。
[0006] 總而言之，上述地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)角誤差的校正方法均存在設(shè)備和操作復(fù)雜等 不足，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和研究者操作經(jīng)驗(yàn)要求較高，或者需要精確提供姿態(tài)信息，影響了校正精 度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種原件簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、易操作、校正 精度較高的用于地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)的非對(duì)準(zhǔn)誤差校正方法。
[0008] 具體技術(shù)方案如下：
[0009] 一種基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法，包括以下步驟：
[0010] (SI)設(shè)置無磁轉(zhuǎn)臺(tái)，包括一個(gè)基座、一個(gè)臺(tái)面和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直連接 基座與臺(tái)面；
[0011] (S2)將地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)中的磁傳感器和加速度計(jì)封裝于無磁正六面體內(nèi)，設(shè)無 磁正六面體的坐標(biāo)系為XYZ ;
[0012] (S3)將無磁正六面體放置于無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面上，保持無磁正六面體的X軸方向與 旋轉(zhuǎn)軸方向一致，旋轉(zhuǎn)無磁轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面使得無磁正六面體繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)任一角度，記錄磁傳感 器與加速度計(jì)的測(cè)量值，共繞X軸旋轉(zhuǎn)N 1次，得到N1組磁傳感器與加速度計(jì)的測(cè)量值；
[0013] (S4)翻轉(zhuǎn)無磁正六面體，保持無磁正六面體的Z軸方向與旋轉(zhuǎn)軸方向一致，旋轉(zhuǎn) 無磁轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面使得無磁正六面體繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)任一角度，記錄磁傳感器與加速度計(jì)的測(cè)量 值，共繞Z軸旋轉(zhuǎn)N 2次，得到N2組磁傳感器與加速度計(jì)的測(cè)量值；
[0014] (S5)依據(jù)獲得磁傳感器與加速度計(jì)的N1組和N2組測(cè)量值，根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸方向上的 磁場(chǎng)和重力分量不變?cè)?，分別計(jì)算出磁傳感器到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角和加速度計(jì)到 無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角；
[0015] (S6)根據(jù)磁傳感器到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角和加速度計(jì)到無磁正六面體的非 對(duì)準(zhǔn)角，確定磁傳感器與加速度計(jì)之間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，即完成校正。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟（S5)中根據(jù)磁傳感器與加速度計(jì)的N1組和N2組測(cè)量值，計(jì)算 磁傳感器到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角具體過程為 ：
[0017] (S501)依據(jù)下列公式，建立磁傳感器測(cè)量值、磁場(chǎng)投影值和非對(duì)準(zhǔn)角關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法，其特征在于，包括以下步驟： (51) 設(shè)置無磁轉(zhuǎn)臺(tái)，包括一個(gè)基座、一個(gè)臺(tái)面和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直連接基座 與臺(tái)面； (52) 將地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)中的磁傳感器和加速度計(jì)封裝于無磁正六面體內(nèi)，設(shè)無磁正 六面體的坐標(biāo)系為XYZ; (53) 將無磁正六面體放置于無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面上，保持無磁正六面體的X軸方向與旋轉(zhuǎn) 軸方向一致，旋轉(zhuǎn)無磁轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面使得無磁正六面體繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)任一角度，記錄磁傳感器與 加速度計(jì)的測(cè)量值，共繞X軸旋轉(zhuǎn)N1次，得到N1組磁傳感器與加速度計(jì)的測(cè)量值； (54) 翻轉(zhuǎn)無磁正六面體，保持無磁正六面體的Z軸方向與旋轉(zhuǎn)軸方向一致，旋轉(zhuǎn)無磁 轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面使得無磁正六面體繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)任一角度，記錄磁傳感器與加速度計(jì)的測(cè)量值，共 繞Z軸旋轉(zhuǎn)N2次，得到N2組磁傳感器與加速度計(jì)的測(cè)量值； (55) 依據(jù)獲得磁傳感器與加速度計(jì)的N1組和N2組測(cè)量值，根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸方向上的磁場(chǎng) 和重力分量不變?cè)恚謩e計(jì)算出磁傳感器到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角和加速度計(jì)到無磁 正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角； (56) 根據(jù)磁傳感器到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角和加速度計(jì)到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn) 角，確定磁傳感器與加速度計(jì)之間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，即完成校正。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法，其特征在 于，所述步驟（S5)中根據(jù)磁傳感器與加速度計(jì)的N1組和N2組測(cè)量值，計(jì)算磁傳感器到正六 面體的非對(duì)準(zhǔn)角具體過程為： (5501) 依據(jù)下列公式，建立磁傳感器測(cè)量值、磁場(chǎng)投影值和非對(duì)準(zhǔn)角關(guān)系：
其中，為無磁正六面體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)磁傳感器測(cè)量值，冗 為無磁正六面體繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)磁傳感器測(cè)量值；Hx為無磁正六面體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，地磁 場(chǎng)在無磁正六面體X軸投影值；Hz為無磁正六面體繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，地磁場(chǎng)在無磁正六面 體Z軸投影值
amag，Ymag表示磁傳感器與無磁正六面體之間的非對(duì)準(zhǔn)角； (5502) 依據(jù)下列公式，利用N1組和N2組測(cè)量值計(jì)算磁傳感器與無磁正六面體之間的 非對(duì)準(zhǔn)角aMg，Yniag :
其中，（ii)，…，（)表示無磁正六面體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)磁傳感 器輸出的N1組測(cè)量值；（)，…，（巧?)表示無磁正六面體繞z軸旋 轉(zhuǎn)時(shí)磁傳感器輸出的N2組測(cè)量值； 所述步驟（S5)中計(jì)算加速度計(jì)到無磁正六面體的非對(duì)準(zhǔn)角的具體過程為： (5511) 依據(jù)下列公式，建立加速度計(jì)測(cè)量值、重力投影值和非對(duì)準(zhǔn)角關(guān)系，
其中，為無磁正六面體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)加速度計(jì)測(cè)量值，為無磁 正六面體繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)磁傳感器測(cè)量值；gx為無磁正六面體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，重力在無磁正 六面體X軸投影值；gz為無磁正六面體繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，重力在無磁正六面體Z軸投影值；
加速度計(jì)與無磁正六面體之間的非對(duì)準(zhǔn)角； (5512) 依據(jù)下列公式，利用N1組和N2組測(cè)量值計(jì)算加速度計(jì)與無磁正六面體之間的 非對(duì)準(zhǔn)角αβ:
其中，（Κ1，#，# )，…，（)表示無磁正六面體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)加速度計(jì) 輸出的隊(duì)組測(cè)量值；（gf，gf)，…，（)表示無磁正六面體繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí) 加速度計(jì)輸出的N2組測(cè)量值。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法，其特征在 于，所述步驟（S6)的具體過程為： (561) 根據(jù)amag，β_，Ymag，實(shí)現(xiàn)磁傳感器測(cè)量換為磁場(chǎng)在無磁正六 面體的投影值疋，巧'，祀，計(jì)算公式如下：
(562) 根據(jù)aa。。，β_，Ya。。，實(shí)現(xiàn)AAA轉(zhuǎn)換到加速度計(jì)坐標(biāo)系的磁場(chǎng)投影值 ，計(jì)算公式如下：
因此，得到磁傳感器與加速度計(jì)之間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，即完成校正。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法，其特征在 于，所述磁傳感器采用三軸磁傳感器，所述加速度計(jì)采用三軸加速度計(jì)。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于繞軸法的地磁矢量系統(tǒng)非對(duì)準(zhǔn)校正方法，其特征在 于，所述無磁正六面體為采用塑脂材料制作的正六面體。
【文檔編號(hào)】G01V13/00GK104459828SQ201410740758
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】龐鴻鋒, 張琦, 萬成彪, 朱學(xué)軍, 潘孟春, 陳棣湘, 羅詩途, 田武剛, 何赟澤 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)