一種磁力計實時校正裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁力計實時校正裝置及方法，該方法首先分析磁力計誤差干擾源特征，然后再分析地磁場分布特征及磁力計測量原理，其次設計一種實時校正裝置同時給出相應的校正方法及流程，最終可以實現(xiàn)在系統(tǒng)級對導航系統(tǒng)航向角進行實時校正及補償。本發(fā)明可以在導航系統(tǒng)連續(xù)工作的情況下實現(xiàn)實時自動校正，同時避免了現(xiàn)有一些校正及補償方法(如橢球擬合方法等)的缺點，能夠自主地，獨立地，全面地實現(xiàn)磁力計誤差校正。本發(fā)明的優(yōu)點在于實時對導航系統(tǒng)航向角進行校正、考慮誤差更全面，校正裝置簡單，抗干擾性強，成本低、精度高、計算過程處理簡潔。
【專利說明】一種磁力計實時校正裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于導航定位領域，涉及一種用于磁力計實時校正的裝置及方法。

【背景技術】
[0002] 隨著導航技術的發(fā)展，大多數(shù)的導航系統(tǒng)逐步向小型化、低成本、低功耗和高精度 的方向發(fā)展。磁力計被廣泛應用于捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)通過測量地球磁場來提供可靠的、低 成本和高精度的導航。同時，由于磁力計的估計誤差不積累，因此它可以用來補償陀螺儀的 漂移從而提高姿態(tài)角的測量精度。但是，磁力計的輸出會受到自身以及周圍磁場環(huán)境干擾 而失真產(chǎn)生誤差，如偏置誤差、比例因子誤差、非正交誤差、安裝誤差、硬磁和軟磁誤差。因 此，在磁力計使用之前必須進行校正和補償。在導航系統(tǒng)的發(fā)展過程中，導航系統(tǒng)一個最重 要的功能就是提供載體的準確姿態(tài)及航向角信息。對于僅僅使用加速度計和陀螺儀組成慣 性測量單元（MU)，由于加速度計和陀螺儀自身的誤差及漂移使得MU輸出的姿態(tài)和航向 參數(shù)精度不能滿足一些導航系統(tǒng)的要求。由慣性測量單元（MU)和磁力計組成的導航系 統(tǒng)，可以提高姿態(tài)角及航向角的精度。磁力計在國外應用比較廣泛，但在磁場補償方面仍然 存在一定問題，致力于尋找一種高精度磁力計實時的校正和補償方法是磁力計校正及補償 的難點所在。
[0003] 利用地磁場進行導航定位，在技術上具有無源、無輻射、抗干擾、全天時、全天候、 體積小、能耗低的優(yōu)點，因此在飛機、艦船和潛艇等領域得到廣泛應用。導航載體通過磁傳 感器測量空間的磁場信息，這些磁場信息不僅包括導航定位所用的地磁場信息，也包括載 體自身的干擾磁場信息。高精度的地磁導航過程中需要對磁傳感器的觀測磁場信息進行處 理，實時對載體磁場干擾進行補償，提高地磁導航精度。
[0004] 目前，有關對導航系統(tǒng)中的磁力計進行校正及已經(jīng)很普遍，部分方法也很成熟，可 以達到的一定的精度要求。但是，對于高精度的要求以及實連續(xù)工作時導航，現(xiàn)有一些方法 的缺點主要集中在一部分是沒有全面考慮誤差源種類，另一部分是考慮了誤差源種類，但 是簡化了誤差干擾源特征（簡化誤差源特征矩陣），即誤差干擾源考慮不全面。同時現(xiàn)有的 方法需要將磁力計的誤差模型轉(zhuǎn)化為橢球模型，估計橢球模型的參數(shù)再轉(zhuǎn)化為誤差模型， 這樣處理方法不夠簡潔。
[0005] 基于磁力計校正及補償技術的發(fā)展背景，尋求一種計算復雜度低、精度高、實時的 校正及補償技術是一種趨勢。本發(fā)明設計的校正裝置簡單，可以在導航系統(tǒng)連續(xù)工作的情 況下實現(xiàn)實時自動校正，該校正方法可以克服現(xiàn)有一些校正及補償方法（如橢球擬合方法 等）的缺點，能夠自主地，獨立地，全面地實現(xiàn)磁力計誤差校正。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術問題：本發(fā)明提供一種可以在導航系統(tǒng)連續(xù)工作的情況下實現(xiàn)實時自動校 正，同時避免了現(xiàn)有一些校正及補償方法（如橢球擬合方法等）的缺點，能夠自主地，獨立 地，全面地實現(xiàn)誤差校正的用于磁力計實時校正的方法。
[0007] 技術方案：本發(fā)明的用于磁力計實時校正的方法，包括以下步驟：
[0008] 1)搭建磁力計實時校正裝置：將P個磁力計設置在第一同心圓的圓周上、并以所 述第一同心圓的圓心中心對稱，將q個磁力計設置在第二同心圓的圓周上、并以所述第二 同心圓的圓心中心對稱，p、q均為大于或等于3的整數(shù)，所述的第一同心圓與第二同心圓等 直徑、同圓心并且相交，所述的兩個同心圓中，至少有一個同心圓中的磁力計按照以下條件 設置：
[0009] 存在至少一對磁力計滿足：所述的一對磁力計相對應的X、Y、Z軸方向相反，同時 其余任一磁力計的坐標軸均要滿足：三個坐標軸都不與這兩個磁力計的對應坐標軸同向；
[0010] 2)利用控制器采集校正裝置中磁力計三個坐標軸輸出數(shù)據(jù)B!:,y, Z,f，其 中i為磁力計編號；
[0011] 3)根據(jù)下式計算估計總偏置矢量bQ :

【權利要求】
1. 一種磁力計實時校正方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 1) 搭建磁力計實時校正裝置：將P個磁力計設置在第一同心圓（C1)的圓周上、并以所 述第一同心圓（C1)的圓心中心對稱，將q個磁力計設置在第二同心圓（C2)的圓周上、并以 所述第二同心圓（C2)的圓心中心對稱，p、q均為大于或等于3的整數(shù)，所述的第一同心圓 (C1)與第二同心圓（C2)等直徑、同圓心并且相交，所述的兩個同心圓中，至少有一個同心 圓中的磁力計按照以下條件設置： 存在至少一對磁力計滿足：所述的一對磁力計相對應的X、Y、Z軸方向相反，同時其余 任一磁力計的坐標軸均要滿足：三個坐標軸都不與這兩個磁力計的對應坐標軸同向； 2) 利用控制器采集校正裝置中磁力計三個坐標軸輸出數(shù)據(jù)
，其中i為磁力計編號； 3) 根據(jù)下式計算估計總偏置矢量k:
其中，k為一個向量矩陣,1^=IXb2 133]1,131，132，133分別為13 (|的三個坐標分量,11表示 第一同心圓（C1)中相對應的X、Y、Z軸方向相反的個數(shù)，即存在i對磁力計相對應的X、Y、 Z軸方向相反，m表不第二同心圓（C2)中相對應的X、Y、Z軸方向相反的磁力計個數(shù)，即存 在
對磁力計相對應的X、Y、Z軸方向相反； 4) 當矩陣A含有的高斯白噪聲誤差小于0.001高斯時，根據(jù)下列方式a)計算估計總變 換矩陣M，當矩陣A含有的高斯白噪聲誤差大于0.001高斯時，根據(jù)下列方式b)計算估計總 變換矩陣M，其中，矩陣A是一個3X3的矩陣，其形式如下：
a)根據(jù)估計公式
計算，其中，上標T、-1分別表示矩陣的轉(zhuǎn)置和矩陣 的逆，R，S，T均為1X3的矩陣，矩陣R，S，T的表示形式如下：
b)根據(jù)估計公式
計算，其中，

其中（Vh)u表示矩陣Vh的第k個列向量（Vh)k的第j個分量，k為矩陣vh的列向量序 號，上標h取值為1，2, 3,分別對應表示V1，V2,V3的上標，所述矩陣Vh按照以下方法得到： 分別對矩陣D=[AR]，E=[AS]，F(xiàn)=[AT]進行奇異值分解，得到：(U1)TV1 =I：S(U2)TEV2= 22,（U3)TFV3= 23,其中，^、^^^、^均為單位正交矩陣，?。?、?。?2、?。?* 對角陣； 記矩陣Vh= [(V1% (Vh)2 (Vh)3 (Vh)J，其中（(V1% (Vh)2,（Vh)3,（Vh)4)分別為矩陣Vh 的列向量； 5)利用校正公式
；校正磁力計，其中，是校正之前磁力計的輸出， M是所述步驟4)中得到的總變換矩陣，&是所述步驟3)中得到的總偏置矢量，妒是校正后 的磁力計的三個軸輸出矢量。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種磁力計實時校正方法，其特征在于，所述磁力計總數(shù)量 為6個，第一同心圓（C1)的圓周上和第二同心圓（C2)的圓周上分別設置3個磁力計，且每 個同心圓上均存在兩個磁力計相對應的X、Y、Z軸方向相反。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種磁力計實時校正方法，其特征在于，所述的6個磁 力計數(shù)量分別標號為1，2,3,4,5,6，其中1，2,3號設置在第一同心圓（(：1)的圓周上， 且1,2號磁力計相對應的X、Y、Z軸方向相反，4, 5,6號設置在第一同心圓（C2)的圓周 上，且4, 5號磁力計相對應的X、Y、Z軸方向相反，則步驟4)中估計參數(shù)k計算公式為：
4. 一種磁力計實時校正裝置，其特征在于，該裝置包括p個設置在第一同心圓（C1)圓 周上、并以所述第一同心圓（C1)的圓心中心對稱的磁力計，q個磁力計設置在第二同心圓 (C2)的圓周上、并以所述第二同心圓（C2)的圓心中心對稱，p、q均為大于或等于3的整數(shù)， 所述的第一同心圓（C1)與第二同心圓（C2)等直徑、同圓心并且相交，所述的兩個同心圓 中，至少有一個同心圓中的磁力計按照以下條件設置： 存在至少一對磁力計滿足：所述的一對磁力計相對應的X、Y、Z軸方向相反，同時其余 任一磁力計的坐標軸均要滿足：三個坐標軸都不與這兩個磁力計的對應坐標軸同向。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種磁力計實時校正裝置，其特征在于，所述的第一同心圓 (C1)與第二同心圓（C2)垂直。
6. 根據(jù)權利要求4所述的一種磁力計實時校正裝置，其特征在于，所述p、q相等。
7. 根據(jù)權利要求4所述的一種磁力計實時校正裝置，其特征在于，所述p、q取值范圍 為6至12個。
8. 根據(jù)權利要求4、5、6或7所述的一種磁力計實時校正裝置，其特征在于，該裝置還包 括控制器。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種磁力計實時校正裝置，其特征在于，所述控制器為數(shù)字 信號處理器、電子半導體微處理器或意法半導體微處理器單片機。
【文檔編號】G01C25/00GK104406610SQ201410737153
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權日:2014年12月5日
【發(fā)明者】陳熙源, 呂才平, 趙正揚, 黃浩乾, 臧云歌, 方琳 申請人:東南大學