一种微小卫星三轴磁强计校正方法技术

本发明专利技术提供了一种微小卫星三轴磁强计校正方法，对磁强计的测量误差进行分析，对磁强计的测量原理进行数学建模并建立误差补偿模型，并基于该误差补偿模型在温度可变的磁线圈系统中对磁强计进行测试，利用磁环境模拟器的磁场以及磁强计的输出电压，利用基于最小二乘意义下的伪逆原理求得磁强计的标定系数；对磁强计进行温度建模，对标定系数和温度进行线性拟合，对磁强计的测量进行温度补偿。本发明专利技术的有益效果是：考虑温度的影响，对磁强计的测量进行温度补偿，可大大提高测量精度。

A correction method of micro satellite three axis magnetometer

The invention provides a correction method for a three-axis magnetometer of a micro satellite, which analyzes the measurement error of the magnetometer, establishes a mathematical model for the measurement principle of the magnetometer and an error compensation model, and tests the magnetometer in a magnetic coil system with variable temperature based on the error compensation model, and uses the magnetic field of the magnetic environment simulator and the output voltage of the magnetometer to test the magnetometer Based on the pseudo inverse principle of least square, the calibration coefficient of magnetometer is obtained; the temperature of magnetometer is modeled, the calibration coefficient and temperature are linearly fitted, and the temperature of magnetometer is compensated. The beneficial effect of the invention is: considering the influence of temperature, temperature compensation is carried out for the measurement of magnetometer, and the measurement accuracy can be greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种微小卫星三轴磁强计校正方法
本专利技术涉及微小卫星，尤其涉及一种微小卫星三轴磁强计校正方法。
技术介绍
磁强计是用来测量载体所处的周边环境磁场信息的传感器，是用来测定磁场的大小和方向的。在传统航天器中，采用宇航级的磁强计测量精度较高、稳定性较好，在各种恶劣环境和复杂条件下有良好的适应性，能够满足中低轨道航天器基本任务需求，目前已广泛应用于航天器姿态确定与控制。近年来，随着微小卫星的发展，传统的宇航级磁强计已不能满足微小卫星低成本、低重量等要求，越来越多的低成本磁强计逐步运用到微小卫星的姿态确定与控制系统中，微小卫星在轨进行磁阻尼和磁定姿时，需要利用磁强计进行磁场测量，其能够满足一般微小卫星低轨低精度姿态确定的要求，具有价格低廉、质量轻、体积小、可靠性高等优点，但是也具有稳定性较差、对环境适应性差的缺点。例如由于温漂系数的差异就导致在不同温度下商用/工业级磁强计的测量精度大大降低，最大可达几千nT，由于微小卫星一般采用磁强计进行姿态确定，其导致的姿态确定误差可达几度，大大降低了姿态确定精度。因而如何对磁强计的测量误差进行校正，使其能完好的应用于微小卫星已成为当前研究的热点。磁强计在实际工作中，地磁信号和各类误差信号耦合在一起，组成传感器输出，这将严重影响磁强计的精度。根据三轴磁强计的输出模型，可将外界干扰等效成三轴磁场数据的零偏误差和标度因数。目前对于三轴磁强计的标定，主要有椭球曲面拟合三轴磁场数据，利用递推法计算标定参数、采用基于TLS算法对模型的参数进行估计、基于遗传算法融合的最小二乘算法对磁强计进行标定校准、与姿态无关的磁强计在轨标定、基于扩展卡尔曼滤波方法对磁强计进行在轨实时校准、基于改进的最小二乘估计器的磁强计校正方法。以上各种标定方法均可达到良好的标定效果，但是均没有考虑温度的影响。由于微小卫星采用的磁强计存在温度漂移，因而会导致磁强计测量的零点偏移误差、线性度误差、正交度误差等可能不是固定值，可能均随着温度在变化，常温下对于磁强计的标定算法在温度变化几十度范围内会存在很大的测量误差，会导致上千nT的测量误差。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种微小卫星三轴磁强计校正方法。本专利技术提供了一种微小卫星三轴磁强计校正方法，对磁强计的测量误差进行分析，对磁强计的测量原理进行数学建模并建立误差补偿模型，并基于该误差补偿模型在温度可变的磁线圈系统中对磁强计进行测试，利用磁环境模拟器的磁场以及磁强计的输出电压，利用基于最小二乘意义下的伪逆原理求得磁强计的标定系数；对磁强计进行温度建模，对标定系数和温度进行线性拟合，对磁强计的测量进行温度补偿。作为本专利技术的进一步改进，根据磁强计的测量误差建立磁强计的误差校正模型，通过磁场的梯度变化得到线性方程组，基于最小二乘意义下的伪逆法计算磁强计的标定系数。作为本专利技术的进一步改进，为了在全温度范围内对磁强计进行标定，在不同温度下分别利用伪逆法计算磁强计的标定系数。作为本专利技术的进一步改进，在全温度范围内进行温度建模，并对零偏和不同温度下得到的磁强计标定系数进行温度的线性拟合，得到满足全温范围内的零偏和标定系数矩阵。作为本专利技术的进一步改进，数学建模过程如下：微小卫星上安装的三轴磁强计的测量坐标系为O-XmYmZm，卫星本体坐标系为O-XbYbZb；三轴磁强计的已经过安装矩阵变换到星体坐标系中的输出Bb与基于测量坐标系的磁强计输出Bm之间的关系表示为：Bb＝ABm+b(1)式中：A为3×3矩阵，b为3×1列阵；对于输出为电压模拟量的磁强计，参考泊松模型中磁强计测量建模，磁强计输出电压、标定系数、磁场分量之间的关系为：U＝USetoff+F·B(2)式中：U为磁强计的输出电压，USetoff为磁强计的零位电压，B为输入磁场，F为系数矩阵，并且满足：联立式(2)和式(3)可得：令：则磁强计的测量模型表示为：零位电压V0的计算中，为了不引入偶然误差，以线圈磁场为零时磁强计的三轴输出作为零位电压，不同温度下计算出来的零位电压对温度进行线性拟合，得出最终的零位电压表达式；系数矩阵F的计算中，在不同温度下，根据线圈磁场的梯度变化和磁强计输出电压和已拟合得到的零位电压可构成线性方程组，对于超定线性方程组，采用正交约化可求出其最小二乘解，根据不同温度下得出的系数对温度进行线性拟合，得出最终的系数矩阵。作为本专利技术的进一步改进，磁场计算过程如下：5)温度计算根据不同温度下磁强计的温度电压输出，利用线性拟合出温度计算公式，如下所示：T＝(Tu-TSetoff)/TScale(6)式中：T为环境温度，单位为：℃；Tu为磁强计的温度输出电压，单位为：V；TSetoff和TScale为拟合得出的系数；6)零位电压计算根据不同温度下磁场为零时磁强计的XYZ三轴磁场电压输出，利用三阶线性拟合得出零位电压的计算公式，如下所示：式中：UXSetoff(0)…UZSetoff(3)分别为XYZ轴三阶线性拟合得出的零阶系数、一阶系数、二阶系数和三阶系数；7)系数矩阵F的计算不同温度下，求解超定线性方程组得出不同的系数矩阵，利用三阶拟合得出系数矩阵和温度的关系式，如下所示：式中：F11(0)…F33(3)分别为系数矩阵F9个矩阵元三阶线性拟合得出的零阶系数、一阶系数、二阶系数和三阶系数；8)磁场计算根据磁强计的四路遥测电压，根据式(6)、(7)、(8)计算磁强计的零位电压和系数矩阵，根据式(5)可得出磁强计的测量磁场。其中磁强计的电压单位为：V，计算得出的测量磁场单位为：nT。本专利技术的有益效果是：通过上述方案，考虑温度的影响，对磁强计的测量进行温度补偿，可大大提高测量精度。附图说明图1是本专利技术一种微小卫星三轴磁强计校正方法的磁强计测量坐标系和卫星本体坐标系的关系图。图2是磁场为80000nT的测量误差图。图3是磁场为80000nT的校正后测量误差图。图4是磁场为40000nT的测量误差图。图5是磁场为40000nT的校正后测量误差图。图6是磁场为0nT的测量误差图。图7是磁场为0nT的校正后测量误差图。图8是磁场为-40000nT的测量误差图。图9是磁场为-40000nT的校正后测量误差图。图10是磁场为-80000nT的测量误差图。图11是磁场为-80000nT的校正后测量误差图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本专利技术作进一步说明。一种微小卫星三轴磁强计校正方法，主要针对微小卫星采用的低成本磁强计误差问题进行校正。首先，对磁强计的测量误差进行分析，对磁强计的测量原理进行数学建模并建立补偿模型，并基于该模型在温度可变的磁线圈系统中对磁强计进行测试，利用磁环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微小卫星三轴磁强计校正方法，其特征在于，对磁强计的测量误差进行分析，对磁强计的测量原理进行数学建模并建立误差补偿模型，并基于该误差补偿模型在温度可变的磁线圈系统中对磁强计进行测试，利用磁环境模拟器的磁场以及磁强计的输出电压，利用基于最小二乘意义下的伪逆原理求得磁强计的标定系数；对磁强计进行温度建模，对标定系数和温度进行线性拟合，对磁强计的测量进行温度补偿。/n

【技术特征摘要】
1.一种微小卫星三轴磁强计校正方法，其特征在于，对磁强计的测量误差进行分析，对磁强计的测量原理进行数学建模并建立误差补偿模型，并基于该误差补偿模型在温度可变的磁线圈系统中对磁强计进行测试，利用磁环境模拟器的磁场以及磁强计的输出电压，利用基于最小二乘意义下的伪逆原理求得磁强计的标定系数；对磁强计进行温度建模，对标定系数和温度进行线性拟合，对磁强计的测量进行温度补偿。


2.根据权利要求1所述的微小卫星三轴磁强计校正方法，其特征在于：根据磁强计的测量误差建立磁强计的误差校正模型，通过磁场的梯度变化得到线性方程组，基于最小二乘意义下的伪逆法计算磁强计的标定系数。


3.根据权利要求2所述的微小卫星三轴磁强计校正方法，其特征在于：为了在全温度范围内对磁强计进行标定，在不同温度下分别利用伪逆法计算磁强计的标定系数。


4.根据权利要求3所述的微小卫星三轴磁强计校正方法，其特征在于：在全温度范围内进行温度建模，并对零偏和不同温度下得到的磁强计标定系数进行温度的线性拟合，得到满足全温范围内的零偏和标定系数矩阵。


5.根据权利要求1所述的微小卫星三轴磁强计校正方法，其特征在于：数学建模过程如下：
微小卫星上安装的三轴磁强计的测量坐标系为O-XmYmZm，卫星本体坐标系为O-XbYbZb；
三轴磁强计的已经过安装矩阵变换到星体坐标系中的输出Bb与基于测量坐标系的磁强计输出Bm之间的关系表示为：
Bb＝ABm+b(1)
式中：A为3×3矩阵，b为3×1列阵；
对于输出为电压模拟量的磁强计，参考泊松模型中磁强计测量建模，磁强计输出电压、标定系数、磁场分量之间的关系为：
U＝USetoff+F·B(2)
式中：U为磁强计的输出电压，USetoff为磁强计的零位电压，B为输入磁场，F为系数矩阵，并且满足：



联立式(2)和式(3)可得：


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【专利技术属性】
技术研发人员：刘燎，孙华苗，陶钊榕，魏巍，张汉城，贾臻，薛力军，
申请(专利权)人：深圳航天东方红海特卫星有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44