基于噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法技术

本发明专利技术属于三轴磁强计校正领域，针对大噪声未知环境下三轴磁强计校正，提出一种基于无偏估计噪声幅值的测量噪声补偿方法。首先，在对固有误差和干扰磁场充分分析的基础上，合理构建载体坐标系下三轴磁强计误差校正模型，以使磁强计能够适应载体周围复杂的电磁环境；其次，针对经典代数法求解模型参数时忽略噪声项所带来的缺陷，建立无偏代价函数求解测量数据矩阵的噪声补偿矩阵，并通过未知环境下噪声方差幅值的合理求解，来减小测量噪声对参数估计的影响；最后，利用最小二乘法对校正模型的各个参数做最优估计，并加入椭球约束，使得到的结果更符合实际物理意义。

Off-line correction method of three-axis magnetometer based on noise compensation

The invention belongs to the field of correction of triaxial magnetometer. Aiming at the correction of triaxial magnetometer in unknown environment with large noise, a measurement noise compensation method based on unbiased estimation of noise amplitude is proposed. Firstly, on the basis of full analysis of inherent error and disturbing magnetic field, the error correction model of three-axis magnetometer in carrier coordinate system is reasonably constructed so that the magnetometer can adapt to the complex electromagnetic environment around the carrier. Secondly, aiming at the defect of neglecting the noise item when solving model parameters by classical algebraic method, the unbiased model is established. The cost function solves the noise compensation matrix of measurement data matrix, and reduces the influence of measurement noise on parameter estimation by reasonably solving the amplitude of noise variance in unknown environment. Finally, the least square method is used to estimate the parameters of correction model, and ellipsoid constraint is added to make the results more consistent. Practical physical significance.

【技术实现步骤摘要】
基于噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法
本专利技术涉及三轴磁强计校正领域，用于解决大噪声未知环境下机载磁强计的线下校正问题。
技术介绍
三轴磁强计是测量磁场强度的传感器，可以提供精确和可靠的近地磁场向量信息，并且不会随时间漂移，可和陀螺仪等其他传感器一起提供位置信息，因此广泛应用于导航系统等领域。然而，由于受制造工艺的限制，三轴磁强计的输出有着固有误差(如非正交误差、尺度因素误差、零偏)，并且经常被各种干扰磁场(如软磁、硬磁、测量噪声)影响。因此，在应用之前进行校正具有重要意义。磁强计校正经典方法称为摇摆算法。在已知航向角的情况下，水平仪绕着唯一垂直方向的轴旋转。这种方法虽然简单易操作，但是有需要外部独立航向测量信息的缺点。与此同时，该方法是航向校正方法，不适合除航向确定以外的其他校正。而椭球校正方法不需要外部独立航向信息，并且能提供多种误差源的校正。椭球校正都是基于一个事实，即在补偿地点，无论传感器是什么方向，地磁场幅值应相同。在这种情况下，通过旋转设备的三个轴得到的测量值应该在一个球面上，球面半径为地磁场强度。然而由于固有误差和干扰磁场的存在，测量值生成的是椭球而不是标准的球。因此，在建立误差校正模型之后，三轴磁强计的校正问题可转化为三维椭球参数辨识问题，待得到椭球参数之后再进行误差补偿。经典的普通最小二乘法以代数拟合的方式极小化测量值与椭球体之间的误差，计算简便，不需要迭代，是应用最广泛的方法，目前大多数椭球参数辨识方法都是该方法的延伸。但该方法是一种有偏估计，鉴于噪声的存在将无法收敛到真值。目前大多数研究在椭球参数辨识的过程中均直接或者间接地忽略掉了测量噪声的影响。而事实上，这样做在某种程度上是不合理的。由于安装磁强计的载体不同，噪声水平有很大差别，如果精度要求低或噪声水平低，误差可忽略不计，但在某些高精度或者大噪声应用背景下忽略噪声引起的误差将导致结果不可用。有研究单独针对椭球拟合问题设计了一种自适应最小二乘算法，得到了无偏估计，但是需要已知噪声方差。实际情况中，由于载体的结构及环境不同，噪声方差难以准确预知。可见，如何构建大噪声未知环境下的机载磁强计线下校正方法是当前需要解决的关键问题。针对现有线下校正方法在处理噪声方面的不足，本专利技术提出了带有噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法。该方法在建立了较完整的误差校正模型基础上，提出三轴磁强计校正过程中的噪声补偿问题，在噪声方差幅值未知的情况下设计了测量数据噪声补偿方法；然后，采用最小二乘方法对校正模型参数进行最优估计，并加入了更符合实际物理意义的椭球约束，使得结果不是任意二次曲面。通过这种方法实现大噪声未知环境下机载三轴磁强计的线下高精度校正。
技术实现思路
本专利技术的目的在于突破传统最小二乘法的限制，提升三轴磁强计校正方法的精度，扩大应用范围，解决大噪声未知环境下机载机载磁强计的线下校正难题，提出一种带有噪声补偿的磁强计线下校正新方法。其中主要解决的问题包括：1)现有的基于代数意义距离的最小二乘椭球校正方法是一种有偏算法，计算时忽略了噪声项。在噪声较大，或者噪声水平难以准确预估的情况下，校正精度明显下降，甚至有可能难以满足要求；2)现有的最小二乘椭球校正方法是一种代数距离意义下的校正方法，如果没有额外添加椭球约束，求解得任意二次曲面，而不是椭球，不符合物理意义，将导致校正误差的发散。本专利技术所述的基于噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法，其特征在于包括以下技术措施：步骤一：利用无偏代价函数建立卷积等式，通过卷积等式求解噪声矩阵，从而将测量数据矩阵中的噪声项分离出来；步骤二：利用行列式为零的特性解得噪声矩阵中的噪声方差幅值，从而完整得到去掉噪声项后的地磁场测量数据；步骤三：将完整去掉噪声项后的地磁场测量数据矩阵带入无偏代价函数，联合椭球约束建立约束最小二乘问题，利用广义特征值问题求解方法求解该约束最小二乘问题，得到椭球具体参数；步骤四：利用奇异值分解的方法分解椭球参数矩阵以得到三轴磁强计测量误差参数，将该参数带入磁强计测量模型，补偿测量误差，从而校正磁强计的测量值。对比现有技术，本技术方案所述的基于噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法，有益效果在于：(1)本专利技术提出的噪声补偿方法不需要已知噪声方差幅值，可以滤除测量噪声对磁强计校正精度的影响，使得校正方法能够适应大噪声未知环境；(2)本专利技术在数据拟合的过程中考虑了椭球约束，使得拟合的结果不仅仅是代价距离的极小化，不会获得任意曲面，而是严格符合椭球方程，与实际物理意义更吻合，并且精度更高。附图说明附图1是基于噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法实施流程图。附图2是三轴磁强计测量误差对测量数据的影响原理图。附图3是测量地磁场数据噪声补偿基本原理图。具体实施方式针对大噪声未知环境下三轴磁强计校正问题，提出一种基于无偏估计的测量噪声补偿方法。首先，在对固有误差和干扰磁场充分分析的基础上，合理构建载体坐标系下三轴磁强计误差校正模型，以使磁强计能够适应载体周围复杂的电磁环境；其次，针对经典代数法求解模型参数时忽略噪声项所带来的缺陷，建立无偏代价函数求解测量数据矩阵的噪声矩阵，并通过未知环境下噪声方差幅值的合理求解，来减小测量噪声对参数估计的影响；最后，利用最小二乘法对校正模型的各个参数做最优估计，并加入椭球约束，使得到的结果更符合实际物理意义。以下结合说明书附图1对本专利技术做进一步的详细描述。参照说明书附图1，本专利技术的处理流程分以下步骤：1)噪声矩阵求解磁强计的测量误差包括：传感器零位偏差、尺度因素误差、非正交误差、测量噪声、硬磁干扰误差和软磁干扰误差，下面分别加以分析。受制造工艺限制，各个传感器特性不一致，不同的TAM具有不同的零位偏差chi和不同的尺度因子。尺度因素误差矩阵Dsf可以表示为其中，sx、sy、sz为三个轴的尺度因子。TAM的敏感轴不能完全正交，从而导致非正交误差，误差矩阵Dno为其中，ρ为实际ys轴与理想y's轴的夹角；φ为实际zs轴与理想z's轴的夹角在xsOszs平面的投影；λ为实际zs轴和理想z's轴的夹角在ysOszs平面的投影。受热特性和电路测量因素的影响，磁强计输出不可避免地具有测量噪声，可建模为高斯白噪声ε，服从均值为0，方差为σ2的正态分布。由于飞行器的结构件或电子设备中包含铁磁性材料，所以TAM的测量值会受到除地球磁场外的其他磁场干扰。如果干扰磁场为永久时不变磁场，则称为硬磁干扰。硬磁干扰在磁强计的输出中表现为固定零位偏移c0。如果干扰磁场是随载体姿态变化的，则为软磁干扰。软磁干扰在TAM的输出中表现为变化的零位偏差，软磁干扰误差矩阵Dsi为式中，αij(i,j＝x,y,z)为由j轴外部磁场诱导产生的磁场在i轴上的投影。软磁干扰误差可等效为尺度因素误差、非正交误差和非对准误差的综合效应。综合这几种误差，TAM校正数学模型可以表示为Bm＝DsfDnoDsi(Bb+chi)+c0+ε其中，Bm和Bb为载体坐标系下TAM的实际输出值与无误差源干扰的理论真实值，令DE＝DsfDnoDsi，c＝DEchi+c0，则TAM误差校正数学模型可表示为Bm＝DEBb+c+ε忽略ε，设B'm＝DEBb+c令x表示实际测量值Bm，为理想测量值B'm，则其中，x＝[xyz]。磁强计静止并且只改变方向时，磁场向量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用无偏代价函数建立卷积等式，通过卷积等式求解噪声矩阵，从而将测量数据矩阵中的噪声项分离出来；步骤二：利用行列式为零的特性解得噪声矩阵中的噪声方差幅值，从而完整得到去掉噪声项后的地磁场测量数据；步骤三：将完整去掉噪声项后的地磁场测量数据矩阵带入无偏代价函数，联合椭球约束建立约束最小二乘问题，利用广义特征值问题求解方法求解该约束最小二乘问题，得到椭球具体参数；步骤四：利用奇异值分解的方法分解椭球参数矩阵以得到三轴磁强计测量误差参数，将该参数带入磁强计测量模型，补偿测量误差，从而校正磁强计的测量值。

【技术特征摘要】
1.基于噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用无偏代价函数建立卷积等式，通过卷积等式求解噪声矩阵，从而将测量数据矩阵中的噪声项分离出来；步骤二：利用行列式为零的特性解得噪声矩阵中的噪声方差幅值，从而完整得到去掉噪声项后的地磁场测量数据；步骤三：将完整去掉噪声项后的地磁场测量数据矩阵带入无偏代价函数，联合椭球约束建立约束最小二乘问题，利用广义特征值问题求解方法求解该约束最小二乘问题，得到椭球具体参数；步骤四：利用奇异值分解的方法分解椭球参数矩阵以得到三轴磁强计测量误差参数，将该参数带入磁强计测量模型，补偿测量误差，从而校正磁强计的测量值。2.根据权利要求1所述的基于噪声补偿的三轴磁强计线下校正方法，其特征在于，步骤一中测量数据矩阵中的噪声项分离方法为：利用无偏代价函数，设计噪声矩阵求解方法，从而分离测量矩阵中的白噪声，测量噪声模为高斯白噪声ε，服从均值为0，方差为σ2的正态分布，εl表示第l个测量值的噪声，l＝1，...,n，由于εl独立同分布，根据卷积公式得到测量数据矩阵多项式ψ0，那么，消除白噪声影响后的数据矩阵Y0即为其中，矩阵C即为噪声矩阵，Y表示分离出噪声矩阵后的测量数据矩阵，xl表示磁强计测量点，μ表示噪声方差幅值，表示单位方差，σ＝diag(σx,σy,σz)，σx、σy、σz分别为x、y、z轴的噪声方差，其中，已知，噪声方差幅值μ未知。3.根据权利要求2所述的测量数据矩阵中的噪声项分离方法方法，其特征在于，步骤二中噪声方差幅值求解方法为：在分离出测量数据矩阵中的噪声项的基础上，再将测量数据矩阵中关于噪声幅值的一次项和二次项分开，利用行列式为零的特性，解得噪声幅值，从而确定噪声矩阵的具体值，将C中的一次、二次项分开表示，Y0写为Y0(μ)＝Y-C(μ)＝Y-μC1-μ2C2其中，C1是由σx、σy、σz以及测值的期望确定的，C2是由σx、σy、σ...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄婧丽，张翔宇，戴洪德，王希彬，李飞，祁亚辉，孟蕾，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空大学，
类型：发明
国别省市：山东,37