专利名称：一种基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法
技术领域：
本发明主要涉及到捷联磁力仪的标定领域，特指一种基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法。
背景技术：
“捷联三轴磁力仪”能够连续地获取载体周围地磁场的幅值和方向，辅助载体确定自身的姿态和位置，并且具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高的优点。它与其它导航设备组成地磁辅助导航系统，被广泛地应用于航天航空、地面和水下自主导航平台。地磁辅助导航系统的关键技术是磁力仪能够实时获取高精度的地值。但是在实际应用中，捷联磁力仪的测量不可避免地受到传感器自身和载体等误差源的干扰。这些误差源抑制了磁力仪潜在的性能发挥，严重影响了地磁场测量精度。因此，捷联磁力仪的标定问题已经成为制约地磁导航技术发展的关键因素之一。
·
针对捷联三轴磁力仪的标定问题，有很多研究人员相继提出了许多有效的方法。目前一类常用而又易于实现的磁力仪标定方法是模标定方法，也称“姿态独立”方法。这类方法在求解测量误差模型参数的过程中不需要载体提供高精度的姿态信息以及额外的标定设备，实现过程简单，计算方便。但是，现有的模标定方法大多侧重于对测量信号降噪方面的研究，却很少关注磁测量数据的分布对标定方法的影响。事实上，测量数据的分布对传感器测量误差模型的参数估计有重要的影响。如果测量数据分布不合理，那么测量误差无法被充分激励，现有模标定方法求得的参数估计精度和稳定性将会降低，严重时会使参数的估计值严重偏离真实值，甚至算法发散。基于此，理论上模标定方法需要获取整个导航载体的姿态空间的磁测量数据。然而，绝大多部分的导航载体均无法实现全姿态空间转动。另夕卜，从程序复杂性和控制成本等方面考虑，导航载体的转动操作应该尽量地减少。因此，研究如何合理利用导航载体的转动编排，以有限的姿态优化激励磁场测量误差，使测量数据分布合理，是提高地磁测量精度的重要途径。

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，本发明提供一种优化了导航载体的转动编排、有效减小了导航载体的冗余转动操作、充分激励地磁测量误差、合理分布磁场测量数据、显著提高了误差模型参数估计的精度和稳定性、进而提高了捷联磁力仪测量精度的基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法，其步骤为( I)选择一个地磁场稳定的标定环境，根据标定环境的地理位置由国际地磁参考场模型计算当地的地磁场参考矢量；(2)以地磁场参考矢量在载体坐标系下的投影为输入，建立捷联磁力仪的测量误差方程;
(3 )基于步骤(2 )得到的测量误差方程，根据D-优化实验设计准则，建立优化目标函数与导航载体姿态的关系；(4)采用粒子群优化算法，在导航载体的姿态空间内搜索最优的N个姿态，使得优化目标函数取得极值；(5)导航载体按照步骤(4)中得到的优化的姿态进行转动，同时捷联磁力仪测量这些姿态点的磁场数据；(6)根据磁场测量数据，采用最小二乘方法计算误差模型参数的估计，根据误差模型参数对捷联三轴磁力仪进行标定。作为本发明的进一步改进所述步骤(2)中的捷联磁力仪的测量误差方程为
权利要求
1.一种基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法，其特征在于，步骤为 (1)选择一个地磁场稳定的标定环境，根据标定环境的地理位置由国际地磁参考场模型计算当地的地磁场参考矢量； (2)以地磁场参考矢量在载体坐标系下的投影为输入，建立捷联磁力仪的测量误差方程; (3)基于步骤(2)得到的测量误差方程，根据D-优化实验设计 准则，建立优化目标函数与导航载体姿态的关系； (4)采用粒子群优化算法，在导航载体的姿态空间内搜索最优的N个姿态，使得优化目标函数取得极值； (5)导航载体按照步骤(4)中得到的优化的姿态进行转动，同时捷联磁力仪测量这些姿态点的磁场数据； (6)根据磁场测量数据，采用最小二乘方法计算误差模型参数的估计，根据误差模型参数对捷联三轴磁力仪进行标定。
2.根据权利要求I所述基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法，其特征在于，所述步骤(2)中的捷联磁力仪的测量误差方程为 Rq = ρ] β = 1,2,..., M 其中，Rtl是地磁场参考矢量的模值，i是磁测量序列，M是采样总数，Pi是由地磁场矢量在载体坐标系的投影< =( y, z f构成的行向量，β是待求的误差模型参数，B1 a10是待求参数；其中表达式如下「~ιΤ Pi=Ixf ” W V 口 zf τ yt Zi I _。
β — [3.13.2<^33,^3,53,6<3,7<3,8<3,9<3,10]
3.根据权利要求I所述基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中的D-优化实验设计准则包括Bayes ian_D优化实验设计准则。
4.根据权利要求I所述基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法，其特征在于，所述步骤(4)中的粒子群优化算法包括基于粒子群优化算法的一类优化方法。
5.根据权利要求I所述基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法，其特征在于，所述步骤￠)的最小二乘方法为线性最小二乘方法或者非线性最小二乘方法。
全文摘要
一种基于姿态优化激励的捷联三轴磁力仪标定方法，步骤为(1)选择一个地磁场稳定的标定环境计算当地的地磁场参考矢量；(2)建立捷联磁力仪的测量误差方程；(3)根据D-优化实验设计准则，建立优化目标函数与导航载体姿态的关系；(4)采用粒子群优化算法，优化目标函数；(5)导航载体按照步骤(4)中得到的优化的姿态进行转动，同时捷联磁力仪测量这些姿态点的磁场数据；(6)根据磁场测量数据，采用最小二乘方法计算误差模型参数的估计。本发明优化了导航载体的转动编排、有效减小了导航载体的冗余转动操作、充分激励地磁测量误差、合理分布磁场测量数据、显著提高了误差模型参数估计的精度和稳定性、进而提高了捷联磁力仪测量精度。
文档编号G01C25/00GK102735268SQ20121023678
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者吴志添, 吴美平, 武元新, 胡小平, 陈龙伟 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学