专利名称：用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法
技术领域：
本发明主要涉及到磁测量技术领域，特指一种用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法。
背景技术：
地磁测量传感器根据被测量的不同可以分为总量式、三分量式两大类。“总量式”测量得到的是地磁场的总强度，习惯上称为标量测量；“三分量式”测量得到的是地磁场总量在磁传感器三个敏感轴上投影的大小。如果已知磁传感器三个敏感轴构成的直角坐标系与地理坐标系之间的欧拉角关系，则可以通过数学变换得到地磁场矢量的全部七个要素地磁场北向分量、东向分量、垂直分量、水平强度、总强度、磁偏角和磁倾角。那么如何有效获取该七个要素就是地磁要素测量问题，地磁要素测量则是通过地磁要素测量系统来完成 的。地磁要素测量系统主要由磁传感器和惯导直接捷联构成，磁传感器用来测量磁传感器坐标系的磁场分量，惯导则为磁传感器提供各种姿态信息航向、俯仰、横滚的角度。通过换算可得到地理坐标系中的磁场矢量的三个分量，并进一步计算出其他地磁要素，其中惯导包含组装好的三轴陀螺和三轴加速度计。地磁要素测量系统在安装过程中不可避免的会存在一些误差，其中，磁传感器测量轴与惯导测量轴之间的坐标系误差称为“非对准误差”。“非对准误差”成为影响地磁要素测量精度的重要因素，通过机械对准方法难以解决非对准问题。因此研究非对准误差校正技术对提高地磁要素测量系统精度具有重要意义。由于三轴陀螺和三轴加速度计坐标系均是惯导坐标系，故校正地磁要素测量系统非对准误差，可通过校正磁传感器与加速度计之间的非对准误差。关于磁传感器与加速度计之间的非对准误差校正，主要途径是通过数学建模进行参数估计，计算出航向、横滚、俯仰三个方向的非对准误差角度。现有技术中，有从业者提出了以下几种方式I. “基于圆约束非对准误差估计算法”，但该方法需要借助全球定位系统(GPS)航向角信息和当地磁偏角信息。2.米用正六面体光学棱镜和正交的光学坐标系系统校正非对准误差,利用光学系统坐标系的磁场和重力投影值，分别计算磁传感器与加速度计到光学系统坐标系的非对准误差。但是，该方法需要精确调整光学系统三维坐标系，需要借助当地磁倾角信息，并保证正六面体光学棱镜初始坐标系与当地北、东、地坐标系一致。故该方法对光学系统和光学棱镜初始坐标系调整精确要求高。3.采用六维自由度机器人校正非对准误差；同样，该方法需要精确控制姿态，操作复杂。4.利用无磁转台，通过绕转台其中两个轴的方法估计非对准误差。它的核心思想在于利用转动轴方向的磁场和重力不变，从而分别计算出磁传感器和加速度计的非对准误差。该方法需要知道转动轴方向的磁场大小，而且在计算磁传感器横滚角非对准误差时需要借助加速度计提供的姿态信息。另外，上述方法在建立模型时忽略了加速度计的横滚角非对准误差，而是通过调整磁罗盘基座到横滚角为零的姿态进行计算。5.有从业者把磁传感器和加速度计封装到一个开口的塑脂材料正六面体内，把正六面体置于一个无磁平板上，然后绕正六面体与平板垂直的轴转动，利用转动轴的磁场和重力投影不变原理，分别计算出磁传感器和加速度计到正六面体坐标系的非对准误差，但是该方法同样需要知道转动轴方向的磁场值大小。总而言之，上述现有所有对于非对准角误差的校正方法均存在操作复杂等不足，均需要借助地磁矢量信息、磁场角度信息、GPS或者加速度计提供的姿态信息，对实验设备和研究者操作经验要求较高，影响了校正精度。

发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原件简单、易实现、易操作、校正精度较高的用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方 法。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法，其具体步骤为①设置一直角型台面，并建立直角型台面的基准坐标系；②将地磁要素测量系统的磁传感器和加速度计一体封装于一个无磁正六面体内，将该无磁正六面体的两个面贴紧直角型台面的两个垂直面；建立无磁正六面体的正六面体坐标系；在初始位置时，无磁正六面体的正六面体坐标系与直角型台面的基准坐标系一致；③通过多次翻转无磁正六面体，令翻转后的无磁正六面体仍然紧靠直角型台面；利用空间磁场矢量和重力矢量在基准坐标系中投影不变的原理，得到翻转过程中正六面体坐标系的磁场投影与基准坐标系的磁场投影之间的解析表达式；④利用多次翻转过程中磁传感器与加速度计的多组测量值，通过多个非线性方程联立求解，分别计算出磁传感器的非对准误差和加速度计的非对准误差；同时，得到磁场和重力在基准坐标系的投影值；⑤间接计算出磁传感器与惯导之间的非对准误差，并进一步对磁传感器的测量值进行非对准误差的校正。作为本发明的进一步改进所述磁传感器采用三轴磁传感器，所述加速度计采用三轴加速度计；初始位置时，直角型台面基准坐标系与正六面体坐标系重合，磁传感器与无磁正六面体的坐标关系如下式(I)
mx cos i cos1 -Cos^sin1F + sin ^sin ^sin Ψ sin ^sinxP + cos ^ sin ^cos Ψ Vj,
my = cos沒sinlP cos^cos1P + sin^sini sinΨ -sin^cos^J + cos^sin6> ηΨ · Kv ^ j)
mz _ -sin ^sin ^cos ^cos (々cos 沒Vn _其中，mx，my, mz分别是磁传感器正交坐标系三个轴的测量值；VE，VN，Vd分别是磁场矢量在直角型台面的基准坐标系的投影，θ，Φ，Ψ分别是磁传感器到正六面体坐标系的非对准误差角；
加速度计与无磁正六面体的坐标关系如下式(2)
权利要求
1.一种用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法，其特征在于，具体步骤为 ①设置一直角型台面，并建立直角型台面的基准坐标系； ②将地磁要素测量系统的磁传感器和加速度计一体封装于一个无磁正六面体内，将该无磁正六面体的两个面贴紧直角型台面的两个垂直面；建立无磁正六面体的正六面体坐标系；在初始位置时，无磁正六面体的正六面体坐标系与直角型台面的基准坐标系一致； ③通过多次翻转无磁正六面体，令翻转后的无磁正六面体仍然紧靠直角型台面；利用空间磁场矢量和重力矢量在基准坐标系中投影不变的原理，得到翻转过程中正六面体坐标系的磁场投影与基准坐标系的磁场投影之间的解析表达式； ④利用多次翻转过程中磁传感器与加速度计的多组测量值，通过多个非线性方程联立求解，分别计算出磁传感器的非对准误差和加速度计的非对准误差；同时，得到磁场和重力在基准坐标系的投影值； ⑤间接计算出磁传感器与惯导之间的非对准误差，并进一步对磁传感器的测量值进行非对准误差的校正。
2.根据权利要求I所述的用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法，其特征在于所述磁传感器采用三轴磁传感器，所述加速度计采用三轴加速度计； 初始位置时，直角型台面基准坐标系与正六面体坐标系重合，磁传感器与无磁正六面体的坐标关系如下式(I)mx cos <9 cos Ψ -cos 0 sin Ψ + sin ^sin ^sin Ψ sin ^sin Ψ + Cos^sin cos Ψ Vrmy = Cos^sinvP cos φ cos Ψ -l· sin ￠) sin ^sin Ψ - sin φ cos Ψ f cos (^sin i sin Ψ · Vn ( qmz—sin 沒sin ￠) cos 沒cos ^ cos ^Vd 其中，mx，my, mz分别是磁传感器正交坐标系三个轴的测量值；VE，VN，Vd分别是磁场矢量在直角型台面的基准坐标系的投影，θ，Φ，Ψ分别是磁传感器到正六面体坐标系的非对准误差角； 加速度计与无磁正六面体的坐标关系如下式(2):gx cos ^' cos Ψ' - cos ^' Si η Ψ'+ sin β>' sin sin Ψ' sin ￠)' sin Ψ'+ cos <Z>' sin cos Ψ' gEgy = cos^'sin Ψ' cos φ' cos Ψ'+ sm ^1 sin 611 sin Ψ' - sin ^1 cos Mj'+ cos ' si n ' si n vF' · gN q)gz -sinsincoscosc> cosgD 其中，gx，gy，gz分别是加速度计正交坐标系三个轴的测量值，gE，gN，gD分别是重力矢量在直角型台面的基准坐标系的投影，θ'，φ'，Ψ'分别为加速度计到正六面体坐标系的非对准误差角。
3.根据权利要求2所述的用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法，其特征在于，所述间接计算出的磁传感器与惯导之间的非对准误差为wx= Θ ' -Θ ,Wy = -Φ,Wz= ψ/ -Ψ ;对磁传感器的测量值进行非对准误差的校正为下式(3)mxX cos wx cos - cos Wj, sin w2 + sin wv sin wx sin wz sin wy sin wr + cos wy sin wx cos w: mxmvl = Coswx sin w2 cos wy cos w: + sin wv sin wx sin w_ -sin wy cos wz + cos wy sin wx sin wr · my C 3 )_m:l -sin wxsin wv cos wxcosw^cosw;mz_ 其中，mxl，myl, mzl为非对准误差校正后的磁传感器的测量值。
全文摘要
一种用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法，流程为①设置直角型台面，建立直角型台面的基准坐标系；②将地磁要素测量系统的磁传感器和加速度计一体封装于一个无磁正六面体内，将该无磁正六面体的两个面贴紧直角型台面的两个垂直面；建立无磁正六面体的正六面体坐标系；③通过多次翻转无磁正六面体，令翻转后的无磁正六面体仍然紧靠直角型台面；④利用多次翻转过程中磁传感器与加速度计的多组测量值，通过多个非线性方程联立求解，分别计算出磁传感器的非对准误差和加速度计的非对准误差；⑤间接计算出磁传感器与惯导之间的非对准误差，对磁传感器的测量值进行非对准误差的校正。本发明具有原理简单、易实现、易操作、校正精度较高等优点。
文档编号G01V13/00GK102879832SQ20121035554
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者庞鸿锋, 罗诗途, 潘孟春, 张琦, 陈棣湘, 田武刚, 罗飞路 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学