基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法

2023-12-11 23:21:12

基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法
【專利摘要】發明屬於磁測量【技術領域】，具體提供了一種基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法，包括以下步驟：(S1)設置無磁轉臺；(S2)將地磁矢量測量系統中的磁傳感器和加速度計封裝於無磁正六面體內；(S3)將無磁正六面體放置於無磁轉臺的檯面上，保持無磁正六面體的X軸方向與旋轉軸方向一致，繞X軸旋轉N1次，得到N1組磁傳感器與加速度計的測量值；(S4)保持無磁正六面體的Z軸方向與旋轉軸方向一致，繞Z軸旋轉N2次，得到N2組磁傳感器與加速度計的測量值；(S5)分別計算出磁傳感器到無磁正六面體的非對準角和加速度計到無磁正六面體的非對準角；(S6)確定磁傳感器與加速度計之間的坐標系轉換關係，即完成校正。
【專利說明】基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於磁測量【技術領域】，具體涉及一種用於地磁矢量測量系統的非對準誤差 校正方法。

【背景技術】
[0002] 三軸磁傳感器由於能提供分量信息而被廣泛應用，其測量值為地磁場在磁傳感器 三個敏感軸上投影的大小。如果已知磁傳感器三個敏感軸構成的直角坐標系與地理坐標系 之間的歐拉角關係，則可計算出地理坐標系下的地磁分量：地磁場北向分量、東向分量、垂 直分量。如何有效獲取地理坐標系下地磁分量就是地磁矢量測量問題，地磁矢量測量則是 通過地磁矢量測量系統來完成的。地磁矢量測量需使用三軸磁傳感器，同時需要確定磁傳 感器方位，解決三軸磁傳感器定姿問題。定姿精度是矢量測量的關鍵因素，要使矢量測量達 到一定精度，對於定姿的要求是很嚴格的。
[0003] 地磁矢量測量系統主要由磁傳感器和慣導直接捷聯構成，磁傳感器用來測量磁傳 感器坐標系的磁場分量，慣導則為磁傳感器提供各種姿態信息：航向、俯仰、橫滾的角度。通 過換算可得到地理坐標系中的磁場矢量的三個分量，其中慣導包含三軸陀螺和三軸加速度 計，地磁矢量系統中加速度計坐標系與陀螺坐標系可認為一致。地磁矢量測量系統在安裝 過程中不可避免的會存在一些誤差，其中，磁傳感器測量軸與慣導測量軸之間的坐標系誤 差稱為"非對準誤差"。"非對準誤差"成為影響地磁要素測量精度的重要因素，通過機械對 準方法難以解決非對準問題。在地磁環境下，Γ的非對準誤差可引起幾百nT的矢量測量 誤差（ηΤ為磁場強度單位）。因此研究非對準誤差校正技術對提高地磁矢量測量系統精度 具有重要意義。由於慣導坐標系與磁傳感器坐標系均不可視，而且與陣列中傳感器坐標系 校正不同，慣導與磁傳感器測量不同的物理量，加大了校正難度。
[0004] 針對不同系統的非對準誤差，一些學者提出了相關的校正方法。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 體光學稜鏡和正交的光學坐標系系統，對微機電系統（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System) -體化傳感器系統非對準誤差進行校正，利用光學系統坐標系的磁場和重力投 影值，分別計算磁傳感器與加速度計到光學系統坐標系的非對準誤差。但是，該方法需 要精確調整光學系統三維坐標系，需要藉助當地磁傾角信息，並保證正六面體光學稜鏡 初始坐標系與當地北、東、地坐標系一致。故該方法對光學系統和光學稜鏡初始坐標系 調整精確要求高。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)採用六維自由度機器人校正非對準誤差；同 樣，該方法需要精確控制姿態，需要提供航向角、俯仰角、橫滾角，操作複雜。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) 利用無磁轉臺校正電子磁羅盤非對準誤差，通過繞轉臺其中兩個軸的方法估計非對準 角。它的核心思想在於利用轉動軸方向的磁場和重力不變，從而分別計算出磁傳感器和 加速度計的非對準誤差。該方法在計算磁傳感器橫滾角非對準誤差時需要藉助加速度計 提供的姿態信息。另外，上述方法在建立模型時忽略了加速度計的橫滾角非對準誤差。 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 MEMS 磁羅盤，把磁傳感 器和加速度計封裝到一個開口的塑脂材料正六面體內，其校正方法原理與J. Vcelak等人 方法一樣，不同之處在於採用了無磁平板，同樣需要提供姿態信息。
[0005] 關於地磁矢量測量系統非對準校正，龐鴻鋒等人申請了國家發明專利（申請號： 201210355541. 7,用於地磁要素測量系統的非對準誤差校正方法，公告日：2013年1月16 日）採用直角型臺面和正六面箱體，通過多次翻轉無磁正六面體，令翻轉後的無磁正六面 體仍然緊靠直角型臺面。利用重力矢量在直角型臺面投影分量不變原理，計算磁場傳感器 與慣導系統之間的非對準角。此方法要求直角型臺面的平面度和垂直度非常高，且每次翻 轉都要求臺面和箱體緊密契合。此方法對設備的加工精度和操作精度均要求較高。另外， 由於直角型臺面的地磁投影分量值和非對準角均為待估參數，故待估參數多，且地磁投影 分量值與非對準角參數相互耦合程度高。
[0006] 總而言之，上述地磁矢量系統非對準角誤差的校正方法均存在設備和操作複雜等 不足，對實驗設備和研究者操作經驗要求較高，或者需要精確提供姿態信息，影響了校正精 度。


【發明內容】

[0007] 針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種原件簡單、易實現、易操作、校正 精度較高的用於地磁矢量測量系統的非對準誤差校正方法。
[0008] 具體技術方案如下：
[0009] 一種基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法，包括以下步驟：
[0010] (SI)設置無磁轉臺，包括一個基座、一個臺面和一個旋轉軸，所述轉動軸垂直連接 基座與臺面；
[0011] (S2)將地磁矢量測量系統中的磁傳感器和加速度計封裝於無磁正六面體內，設無 磁正六面體的坐標係為XYZ ;
[0012] (S3)將無磁正六面體放置於無磁轉臺的檯面上，保持無磁正六面體的X軸方向與 旋轉軸方向一致，旋轉無磁轉臺臺面使得無磁正六面體繞X軸轉動任一角度，記錄磁傳感 器與加速度計的測量值，共繞X軸旋轉N 1次，得到N1組磁傳感器與加速度計的測量值；
[0013] (S4)翻轉無磁正六面體，保持無磁正六面體的Z軸方向與旋轉軸方向一致，旋轉 無磁轉臺臺面使得無磁正六面體繞Z軸轉動任一角度，記錄磁傳感器與加速度計的測量 值，共繞Z軸旋轉N 2次，得到N2組磁傳感器與加速度計的測量值；
[0014] (S5)依據獲得磁傳感器與加速度計的N1組和N2組測量值，根據旋轉軸方向上的 磁場和重力分量不變原理，分別計算出磁傳感器到無磁正六面體的非對準角和加速度計到 無磁正六面體的非對準角；
[0015] (S6)根據磁傳感器到無磁正六面體的非對準角和加速度計到無磁正六面體的非 對準角，確定磁傳感器與加速度計之間的坐標系轉換關係，即完成校正。
[0016] 進一步地，所述步驟（S5)中根據磁傳感器與加速度計的N1組和N2組測量值，計算 磁傳感器到無磁正六面體的非對準角具體過程為 ：
[0017] (S501)依據下列公式，建立磁傳感器測量值、磁場投影值和非對準角關係：

【權利要求】
1. 一種基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法，其特徵在於，包括以下步驟： (51) 設置無磁轉臺，包括一個基座、一個臺面和一個旋轉軸，所述轉動軸垂直連接基座 與臺面； (52) 將地磁矢量測量系統中的磁傳感器和加速度計封裝於無磁正六面體內，設無磁正 六面體的坐標係為XYZ; (53) 將無磁正六面體放置於無磁轉臺的檯面上，保持無磁正六面體的X軸方向與旋轉 軸方向一致，旋轉無磁轉臺臺面使得無磁正六面體繞X軸轉動任一角度，記錄磁傳感器與 加速度計的測量值，共繞X軸旋轉N1次，得到N1組磁傳感器與加速度計的測量值； (54) 翻轉無磁正六面體，保持無磁正六面體的Z軸方向與旋轉軸方向一致，旋轉無磁 轉臺臺面使得無磁正六面體繞Z軸轉動任一角度，記錄磁傳感器與加速度計的測量值，共 繞Z軸旋轉N2次，得到N2組磁傳感器與加速度計的測量值； (55) 依據獲得磁傳感器與加速度計的N1組和N2組測量值，根據旋轉軸方向上的磁場 和重力分量不變原理，分別計算出磁傳感器到無磁正六面體的非對準角和加速度計到無磁 正六面體的非對準角； (56) 根據磁傳感器到無磁正六面體的非對準角和加速度計到無磁正六面體的非對準 角，確定磁傳感器與加速度計之間的坐標系轉換關係，即完成校正。
2. 如權利要求1所述的一種基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法，其特徵在 於，所述步驟（S5)中根據磁傳感器與加速度計的N1組和N2組測量值，計算磁傳感器到正六 面體的非對準角具體過程為： (5501) 依據下列公式，建立磁傳感器測量值、磁場投影值和非對準角關係：
其中，為無磁正六面體繞X軸旋轉時磁傳感器測量值，冗 為無磁正六面體繞Z軸旋轉時磁傳感器測量值；Hx為無磁正六面體繞X軸旋轉時，地磁 場在無磁正六面體X軸投影值；Hz為無磁正六面體繞Z軸旋轉時，地磁場在無磁正六面 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準角； (5502) 依據下列公式，利用N1組和N2組測量值計算磁傳感器與無磁正六面體之間的 非對準角aMg，Yniag :
其中，（ii)，…，（)表示無磁正六面體繞X軸旋轉時磁傳感 器輸出的N1組測量值；（)，…，（巧?)表示無磁正六面體繞z軸旋 轉時磁傳感器輸出的N2組測量值； 所述步驟（S5)中計算加速度計到無磁正六面體的非對準角的具體過程為： (5511) 依據下列公式，建立加速度計測量值、重力投影值和非對準角關係，
其中，為無磁正六面體繞X軸旋轉時加速度計測量值，為無磁 正六面體繞Z軸旋轉時磁傳感器測量值；gx為無磁正六面體繞X軸旋轉時，重力在無磁正 六面體X軸投影值；gz為無磁正六面體繞Z軸旋轉時，重力在無磁正六面體Z軸投影值；
加速度計與無磁正六面體之間的非對準角； (5512) 依據下列公式，利用N1組和N2組測量值計算加速度計與無磁正六面體之間的 非對準角αβ:
其中，（Κ1，#，# )，…，（)表示無磁正六面體繞X軸旋轉時加速度計 輸出的隊組測量值；（gf，gf)，…，（)表示無磁正六面體繞Z軸旋轉時 加速度計輸出的N2組測量值。
3.如權利要求2所述的一種基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法，其特徵在 於，所述步驟（S6)的具體過程為： (561) 根據amag，β_，Ymag，實現磁傳感器測量換為磁場在無磁正六 面體的投影值疋，巧'，祀，計算公式如下：
(562) 根據aa。。，β_，Ya。。，實現AAA轉換到加速度計坐標系的磁場投影值 ，計算公式如下：
因此，得到磁傳感器與加速度計之間的坐標系轉換關係，即完成校正。
4. 如權利要求1所述的一種基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法，其特徵在 於，所述磁傳感器採用三軸磁傳感器，所述加速度計採用三軸加速度計。
5. 如權利要求1所述的一種基於繞軸法的地磁矢量系統非對準校正方法，其特徵在 於，所述無磁正六面體為採用塑脂材料製作的正六面體。
【文檔編號】G01V13/00GK104459828SQ201410740758
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月8日 優先權日:2014年12月8日
【發明者】龐鴻鋒, 張琦, 萬成彪, 朱學軍, 潘孟春, 陳棣湘, 羅詩途, 田武剛, 何贇澤 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學