基于绕轴法的地磁矢量系统非对准校正方法技术方案

发明专利技术属于磁测量技术领域，具体提供了一种基于绕轴法的地磁矢量系统非对准校正方法，包括以下步骤：(S1)设置无磁转台；(S2)将地磁矢量测量系统中的磁传感器和加速度计封装于无磁正六面体内；(S3)将无磁正六面体放置于无磁转台的台面上，保持无磁正六面体的X轴方向与旋转轴方向一致，绕X轴旋转N1次，得到N1组磁传感器与加速度计的测量值；(S4)保持无磁正六面体的Z轴方向与旋转轴方向一致，绕Z轴旋转N2次，得到N2组磁传感器与加速度计的测量值；(S5)分别计算出磁传感器到无磁正六面体的非对准角和加速度计到无磁正六面体的非对准角；(S6)确定磁传感器与加速度计之间的坐标系转换关系，即完成校正。

【技术实现步骤摘要】
基于绕轴法的地磁矢量系统非对准校正方法
本专利技术属于磁测量
，具体涉及一种用于地磁矢量测量系统的非对准误差校正方法。
技术介绍
三轴磁传感器由于能提供分量信息而被广泛应用，其测量值为地磁场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，则可计算出地理坐标系下的地磁分量：地磁场北向分量、东向分量、垂直分量。如何有效获取地理坐标系下地磁分量就是地磁矢量测量问题，地磁矢量测量则是通过地磁矢量测量系统来完成的。地磁矢量测量需使用三轴磁传感器，同时需要确定磁传感器方位，解决三轴磁传感器定姿问题。定姿精度是矢量测量的关键因素，要使矢量测量达到一定精度，对于定姿的要求是很严格的。地磁矢量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，其中惯导包含三轴陀螺和三轴加速度计，地磁矢量系统中加速度计坐标系与陀螺坐标系可认为一致。地磁矢量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。在地磁环境下，1°的非对准误差可引起几百nT的矢量测量误差(nT为磁场强度单位)。因此研究非对准误差校正技术对提高地磁矢量测量系统精度具有重要意义。由于惯导坐标系与磁传感器坐标系均不可视，而且与阵列中传感器坐标系校正不同，惯导与磁传感器测量不同的物理量，加大了校正难度。针对不同系统的非对准误差，一些学者提出了相关的校正方法。RongZhu等人(RongZhu,ZhaoyingZhou,Calibrationofthree-dimensionalintegratedsensorsforimprovedsystemaccuracy,SensorsandActuatorsA127(2006)340–344)采用正六面体光学棱镜和正交的光学坐标系系统，对微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)一体化传感器系统非对准误差进行校正，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。ErinL.Renk等人(ErinL.Renk,W.C.,MatthewRizzo,FujuLee,andDennisS.Bernstein.CalibratingaTriaxialAccelerometer-Magnetometer.IEEEControlSystemsMagazine(2005)86–95)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，需要提供航向角、俯仰角、横滚角，操作复杂。J.Vcelak等人(J.Vcelak,P.Ripka,J.Kubik,A.PlatilandP.Kaspar,AMRnavigationsystemsandmethodsoftheircalibration,SensorsandActuatorsA123–124(2005)122–128)利用无磁转台校正电子磁罗盘非对准误差，通过绕转台其中两个轴的方法估计非对准角。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。DavidJurman(DavidJurman,MarkoJankovec,RomanKamnik,MarkoTopic,Calibrationanddatafusionsolutionfortheminiatureattitudeandheadingreferencesystem,SensorsandActuatorsA138(2007)411–420)等人针对MEMS磁罗盘，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，其校正方法原理与J.Vcelak等人方法一样，不同之处在于采用了无磁平板，同样需要提供姿态信息。关于地磁矢量测量系统非对准校正，庞鸿锋等人申请了国家专利技术专利(申请号：201210355541.7，用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法，公告日：2013年1月16日)采用直角型台面和正六面箱体，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。利用重力矢量在直角型台面投影分量不变原理，计算磁场传感器与惯导系统之间的非对准角。此方法要求直角型台面的平面度和垂直度非常高，且每次翻转都要求台面和箱体紧密契合。此方法对设备的加工精度和操作精度均要求较高。另外，由于直角型台面的地磁投影分量值和非对准角均为待估参数，故待估参数多，且地磁投影分量值与非对准角参数相互耦合程度高。总而言之，上述地磁矢量系统非对准角误差的校正方法均存在设备和操作复杂等不足，对实验设备和研究者操作经验要求较高，或者需要精确提供姿态信息，影响了校正精度。
技术实现思路
针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种原件简单、易实现、易操作、校正精度较高的用于地磁矢量测量系统的非对准误差校正方法。具体技术方案如下：一种基于绕轴法的地磁矢量系统非对准校正方法，包括以下步骤：(S1)设置无磁转台，包括一个基座、一个台面和一个转动轴，所述转动轴垂直连接基座与台面；(S2)将地磁矢量测量系统中的磁传感器和加速度计封装于无磁正六面体内，设无磁正六面体的坐标系为XYZ；(S3)将无磁正六面体放置于无磁转台的台面上，保持无磁正六面体的X轴方向与转动轴方向一致，旋转无磁转台台面使得无磁正六面体绕X轴转动任一角度，记录磁传感器与加速度计的测量值，共绕X轴旋转N1次，得到N1组磁传感器与加速度计的测量值；(S4)翻转无磁正六面体，保持无磁正六面体的Z轴方向与转动轴方向一致，旋转无磁转台台面使得无磁正六面体绕Z轴转动任一角度，记录磁传感器与加速度计的测量值，共绕Z轴旋转N2次，得到N2组磁传感器与加速度计的测量值；(S5)依据获得磁传感器与加速度计的N1组和N2组测量值，根据转动轴方向上的磁场和重力分量不变原理，分别计算出磁传感器到无磁正六面体的非对准角和加速度计到无磁正六面体的非对准角；(S6)根据磁传感器到无磁正六面体的非对准角和加速度计到无磁正六面体的非对准角，确定磁传感器与加速度计之间的坐标系转换关系，即完成校正。进一步地，所述步骤(S5)中根据磁传感器与加速度计的N1组和N2组测量值，计算磁传感器到无磁正六面体的非对准角具体过程为：(S501)依据下列公式，建立磁传感器测量值、磁场投影值和非对准角关系：其中，为无磁正六面体绕X轴旋转时磁传感器测量值，为无磁正六面体绕Z轴旋转时磁传感器测量值；Hx为无磁正六面体绕X轴旋转时，地磁场在无磁正六面体X轴投影值；Hz为无磁正六面体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于绕轴法的地磁矢量系统非对准校正方法，其特征在于，包括以下步骤：(S1)设置无磁转台，包括一个基座、一个台面和一个旋转轴，所述转动轴垂直连接基座与台面；(S2)将地磁矢量测量系统中的磁传感器和加速度计封装于无磁正六面体内，设无磁正六面体的坐标系为XYZ；(S3)将无磁正六面体放置于无磁转台的台面上，保持无磁正六面体的X轴方向与旋转轴方向一致，旋转无磁转台台面使得无磁正六面体绕X轴转动任一角度，记录磁传感器与加速度计的测量值，共绕X轴旋转N1次，得到N1组磁传感器与加速度计的测量值；(S4)翻转无磁正六面体，保持无磁正六面体的Z轴方向与旋转轴方向一致，旋转无磁转台台面使得无磁正六面体绕Z轴转动任一角度，记录磁传感器与加速度计的测量值，共绕Z轴旋转N2次，得到N2组磁传感器与加速度计的测量值；(S5)依据获得磁传感器与加速度计的N1组和N2组测量值，根据旋转轴方向上的磁场和重力分量不变原理，分别计算出磁传感器到无磁正六面体的非对准角和加速度计到无磁正六面体的非对准角；(S6)根据磁传感器到无磁正六面体的非对准角和加速度计到无磁正六面体的非对准角，确定磁传感器与加速度计之间的坐标系转换关系，即完成校正。...

【技术特征摘要】
1.一种基于绕轴法的地磁矢量系统非对准校正方法，其特征在于，包括以下步骤：(S1)设置无磁转台，包括一个基座、一个台面和一个转动轴，所述转动轴垂直连接基座与台面；(S2)将地磁矢量测量系统中的磁传感器和加速度计封装于无磁正六面体内，设无磁正六面体的坐标系为XYZ；(S3)将无磁正六面体放置于无磁转台的台面上，保持无磁正六面体的X轴方向与转动轴方向一致，旋转无磁转台台面使得无磁正六面体绕X轴转动任一角度，记录磁传感器与加速度计的测量值，共绕X轴旋转N1次，得到N1组磁传感器与加速度计的测量值；(S4)翻转无磁正六面体，保持无磁正六面体的Z轴方向与转动轴方向一致，旋转无磁转台台面使得无磁正六面体绕Z轴转动任一角度，记录磁传感器与加速度计的测量值，共绕Z轴旋转N2次，得到N2组磁传感器与加速度计的测量值；(S5)依据获得磁传感器与加速度计的N1组和N2组测量值，根据转动轴方向上的磁场和重力分量不变原理，分别计算出磁传感器到无磁正六面体的非对准角和加速度计到无磁正六面体的非对准角；(S6)根据磁传感器到无磁正六面体的非对准角和加速度计到无磁正六面体的非对准角，确定磁传感器与加速度计之间的坐标系转换关系，即完成校正；所述步骤(S5)中根据磁传感器与加速度计的N1组和N2组测量值，计算磁传感器到正六面体的非对准角具体过程为：(S501)依据下列公式，建立磁传感器测量值、磁场投影值和非对准角关系：其中，为无磁正六面体绕X轴旋转时磁传感器测量值，为无磁正六面体绕Z轴旋转时磁传感器测量值；Hx为无磁正六面体绕X轴旋转时，地磁场在无磁正六面体X轴投影值；Hz为无磁正六面体绕Z轴旋转时，地磁场在无...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞鸿锋，张琦，万成彪，朱学军，潘孟春，陈棣湘，罗诗途，田武刚，何赟泽，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43