一种地磁航向误差修正方法技术

本发明专利技术提供了一种地磁航向误差修正方法，在基于椭球假设地磁传感器标定算法的基础上，利用惯性导航姿态输出辅助进行地磁传感器和载体坐标系间的安装角标定补偿。本发明专利技术降低了传统标定算法中由地磁传感器与载体坐标系不重合导致的航向计算误差。重合导致的航向计算误差。重合导致的航向计算误差。

【技术实现步骤摘要】
一种地磁航向误差修正方法


[0001]本专利技术涉及地磁航向误差修正方法，属于地磁传感器领域。

技术介绍

[0002]通过在微机电惯性系统中集成地磁传感器，可以通过测量三轴磁场分量大小与加速度计输出结合得到载体的航向、姿态等信息。然而，考虑到IMU出厂前后地磁传感器周围磁场环境的变化，通常将地磁传感器用于航向计算前需要首先对其进行标定。目前对于三轴地磁传感器标定的方法包括十二位置不对北标定法、基于椭球曲面拟合的标定法、基于无磁转台的误差标定方法，其中又以基于椭球曲面拟合的标定法最为常用。然而，由于地磁传感器进行航向计算时通常会利用加速度计信息，而上述方法仅考虑了地磁传感器误差标定问题，而未考虑地磁传感器与载体坐标系不重合导致地磁传感器航向计算过程中所使用的加速度计输出与地磁传感器所定义的姿态角存在偏差的因素，影响了磁航向的计算精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术需解决的技术问题是提供一种地磁航向误差修正方法。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采取技术方案如下：
[0005]在基于椭球假设地磁传感器标定算法的基础上，利用惯性导航姿态输出辅助进行地磁传感器和载体坐标系间的安装角标定补偿。
[0006]进一步地，设IMU与载体坐标系重合，其坐标系三个敏感轴间存在正交关系，定义为b系；地磁传感器坐标系定义为m'系，由于坐标轴之间的非正交性，m'系下地磁传感器输出通过转换矩阵得到正交的地磁传感器坐标系m系，所述m系与b系间通过转换矩阵进行转换，
[0007]标定过程中，设M0为当地地磁场矢量，则有为当地地磁场在载体坐标系下的分量，通过多次测量求均值消除测量噪声情况下有：
[0008][0009]其中，C
k
为三维矩阵，与地磁传感器刻度系数和敏感轴之间的交叉耦合系数有关；为地磁传感器输出；为地磁传感器的零位残差；为地磁传感器的测量噪声，
[0010]基于椭球假设的地磁传感器标定算法对地磁传感器坐标系m'下的传感器刻度系数和敏感轴之间的交叉耦合系数C、地磁传感器零位残差B
m
′
进行标定；
[0011]基于惯性导航姿态输出辅助的地磁传感器误差标定算法对地磁传感器与载体坐标系的转换矩阵地磁传感器零位残差B
m
进行标定。
[0012]进一步地，采用最小二乘和迭代算法获得地磁传感器与载体坐标系的转换矩阵地磁传感器零位残差B
m
。
[0013]进一步地，基于惯性导航姿态输出辅助的地磁传感器和载体坐标系间的安装角标定补偿方法，具体如下：
[0014]通过标定地磁模型对变量B
m
进行标定，则有：
[0015][0016]其中，根据惯性导航得到，h
m
为地磁传感器输出经过标定后的结果，M0由当地地磁场模型或者根据标定地磁偏角D和磁倾角I计算得到：
[0017]M0＝[cos(I)cos(D)
ꢀ‑
cos(D)sin(I) sin(D)]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0018]因此，上式左端可以记为从而将上式展开，有：
[0019][0020]采用迭代算法对未知量进行估计：首先假设B
m
＝0、对进行最小二乘拟合，然后对拟合残差再次进行拟合得到B
m
，重复上述迭代过程，最终得到收敛的姿态转换矩阵和零位残差B
m
。
[0021]与现有技术对比，本专利技术有益效果如下：
[0022]本专利技术提出了一种改进的地磁传感器两步标定算法，不依赖于外界信息，在基于椭球假设地磁传感器标定算法的基础上利用惯性导航姿态输出辅助进行地磁传感器和载体坐标系间的安装角标定，用迭代算法解决了安装角参数与零位相互耦合问题，从而降低了传统标定算法中由地磁传感器与载体坐标系不重合导致的航向计算误差。试验结果表明，上述标定算法在无外界辅助情况下磁航向精度由基于椭球假设的1.54
°
提高到0.86
°
，提升了44％。同时，该标定过程相比基于椭球假设的标定算法无需额外工作，具有便于实施的优点，有较高的使用价值。
附图说明
[0023]所包括的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本专利技术的实施例，并与文字描述一起来阐释本专利技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1示出了当地地磁场模型示意图；
[0025]图2示出了载体坐标系、非正交地磁传感器坐标系、正交的地磁坐标系坐标系定义示意图；
[0026]图3试验中惯性导航系统姿态角示意图；
[0027]图4传统基于椭球假设的地磁传感器标定算法与本专利技术方法磁航向误差对比示意图；
[0028]图5为本专利技术与B
m
估计值收敛曲线示意图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0030]地磁场模型及磁航向计算
[0031]地磁场为一矢量场，它是时间和空间的函数，可以用观测点直角坐标系进行描述，即以观测点为坐标系原点，分别取地理北向、东向和垂直向下为x、y、z轴正向，定义地磁场矢量分量分别为北向分量、东向分量和垂直分量，并记做M0＝[M
x M
y M
z
]，同时定义地磁场的水平分量H、磁偏角D(地理北向与磁场水平分量H的夹角，北偏东为正)、磁倾角I(地磁场与水平面的夹角，地磁场向下为正)、总强度F。上述定义之间关系见图1。
[0032]以北京为例，根据地磁场参考模型IGRF，地磁场强度F约55000nT，水平分量约30000nT，磁倾角I约58.52
°
，磁偏角D约6.8
°
。上述参数可以作为地磁传感器误差标定的基准。
[0033]考虑载体倾斜情况(即滚动角γ和俯仰角θ非0)下的磁航向ψ
m
可以由下式得到：
[0034][0035]式中，γ、θ为惯性导航姿态输出，分别为载体坐标系下地磁传感器输出。然而，传统地磁传感器标定算法中均未考虑此处地磁传感器与载体坐标系的安装关系或者需要复杂的标定流程才能实现，导致磁航向计算误差变大。
[0036]坐标系定义
[0037]如图2所示，设IMU已经过严格标定与载体坐标系重合，其坐标系三个敏感轴间存在正交关系，定义为b系：X
b
‑
Y
b
‑
Z
b
(前上右)；地磁传感器坐标系定义为m'系：X
m
'
‑
Y
m
'
‑
Z
m
'(如下图)，考虑到坐标轴之间的非正交性，m'系下地磁传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地磁航向误差修正方法，其特征在于，在基于椭球假设地磁传感器标定算法的基础上，利用惯性导航姿态输出辅助进行地磁传感器和载体坐标系间的安装角标定补偿。2.根据权利要求1所述的一种地磁航向误差修正方法，其特征在于，设IMU与载体坐标系重合，其坐标系三个敏感轴间存在正交关系，定义为b系；地磁传感器坐标系定义为m'系，由于坐标轴之间的非正交性，m'系下地磁传感器输出通过转换矩阵得到正交的地磁传感器坐标系m系，所述m系与b系间通过转换矩阵进行转换，标定过程中，设M0为当地地磁场矢量，则有为当地地磁场在载体坐标系下的分量，通过多次测量求均值消除测量噪声情况下有：其中，C
k
为三维矩阵，与地磁传感器刻度系数和敏感轴之间的交叉耦合系数有关；为地磁传感器输出；为地磁传感器的零位残差；为地磁传感器的测量噪声，基于椭球假设的地磁传感器标定算法对地磁传感器坐标系m'下的传感器刻度系数和敏感轴之间的交叉耦合系数C、地磁传感器零位残差B
m
′
进行标定；基于惯性导航姿态输出辅助的地磁传感器误差标定算法对地磁传感器与载体坐标系的转换矩阵地磁传感器零位残差B
m

【专利技术属性】
技术研发人员：徐超，张东明，孟现春，张界林，于华男，吴衍记，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：