一种基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法，属于电子罗盘误差补偿技术领域。包括：步骤一、对三轴电子罗盘测量环境中的干扰源进行分析并分类，并给出在三维坐标系下三轴磁传感器的输出数学模型；步骤二、对所述数学模型进行变形得到包含未知参数矩阵的误差简化模型，并进行初始化，利用对称采样的方式获得2n+1个采样点后进入一步预测过程，计算量测量的一步预测值和估计偏差协方差，然后进行量测更新得到所求参数的最优估计值；步骤三、采用无迹卡尔曼算法进行误差补偿，将电子罗盘姿态角补偿在2

【技术实现步骤摘要】
一种基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法


[0001]本专利技术涉及一种基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法，属于电子罗盘误差补偿


技术介绍

[0002]地磁相关研究在20世纪60年代开始得到西方发达国家重视，地磁作为地球固有的一大属性，具有隐蔽性高、不受环境干扰、全天候、全地域、中高精度的特点，越来越受到各国的重视。尤其是应用于水下的集成了导航测姿，水声定位，GPS定位的导航定位技术。
[0003]但是，受限于水下GPS信号干扰甚至丢失，地磁测姿技术的重要性逐渐凸显了出来。针对地磁场的研究在海洋探测、地质勘探、导航定向等领域都有着广泛而重要的应用。
[0004]随着传感器制造技术、微电子技术和材料技术的发展，传感器的制备技术也在不断地提高。电子罗盘就是利用稳定的地磁场进行空间位置信息的确定，从而为用户提供运动目标的航向角和姿态角。可以在GPS信号较弱甚至丢失的情况下，实现恶劣环境下的精确定位导航已经成为了现代技术中不可或缺的地磁导航设备。随着科技发展，电子罗盘的种类及作用也日益丰富，但是，无论是哪一类型的产品，在实际的测量中都会受到除地磁场之外的其它因素的干扰，导致测量结果产生误差，因此，采取有效的措施对误差进行补偿，提高电子罗盘的航线精度与稳定性至关重要。
[0005]目前市面上大多数电子罗盘产品使用的都是基于最优椭圆(椭球)补偿算法，比如专利CN101241009B中所提出的就是此种校准方法。由于该算法的原理简单，不需要对误差进行建模，因此得到了广泛应用。但是，它本质上仍属于批处理算法，而且需要在初始时的24个位置进行采样，然后对参数进行求解。所以它不仅需要占用很大的计算存储空间，而且仿真结果受原始数据的影响较大，经常需要对采样数据进行预处理。此外，它的校准操作较为复杂，需要将电子罗盘旋转至特定的角度进行校准操作，考虑到海底地震计的实际使用背景，我们很难完成其校准操作。近年来国内外也提出了基于RBF神经网络的电子罗盘误差智能补偿研究算法，例如专利CN104931028B中所提到的校准方法，但是它需要建立复杂的模型，同时其估计结果的收敛性成为制约其应用的最大问题。
[0006]相比于市面上常见的椭圆补偿算法，无迹卡尔曼算法由于建立了观测方程与状态方程，大大提高了算法的实时性，更加适用于复杂的动态非平稳过程。同时，利用无迹变换进行最优解的估计，在噪声属于高斯分布的情况下，可以得到三阶近似精度，即使是不属于高斯分布的情况下，仍然可以获得二阶的近似精度。大大提高了近似结果的精度与稳定性，针对目前大多数非线性系统都具备很好的滤波效果。而且，海底地震计需要投放在海底进行长时间工作，因此投放前的校准工作至关重要。常见的椭圆补偿算法需要将载体在三维空间中旋转至某一特定角度进行校准，而基于无迹卡尔曼算法的电子罗盘校准只需用水平旋转，不需要进行复杂繁琐的校准操作。考虑到设备的体积，采用无迹卡尔曼算法具备更好的效果。经过多次仿真与实验，针对电子罗盘的误差补偿精度可以达到
±
0.5
°
以内。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提出一种基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0008]一种基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法，所述基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法包括以下步骤：
[0009]步骤一、对三轴电子罗盘测量环境中的干扰源进行分析并分类，并给出在三维坐标系下三轴磁传感器的输出数学模型；
[0010]步骤二、对所述数学模型进行变形得到包含未知参数矩阵的误差简化模型，并进行初始化，利用对称采样的方式获得2n+1个采样点后进入一步预测过程，计算量测量的一步预测值和估计偏差协方差，然后进行量测更新得到所求参数的最优估计值；
[0011]步骤三、采用无迹卡尔曼算法进行误差补偿，将电子罗盘姿态角补偿在2
°
以内。
[0012]进一步的，在步骤一中，具体的，
[0013]采用地磁传感器进行地磁测量进而进行航向角的姿态解算，计算公式如式(1)所示，
[0014][0015]以海底光纤地震计为基础进行电子罗盘的磁干扰分析，根据产生机理进行分类，并在三维坐标系下，给出磁传感器的输出数学模型，
[0016][0017]其中，上标b表示体坐标系；上标s表示传感器坐标系；B
s
表示传感器的测量输出矢量；表示真实的地磁场矢量；C
M
指的是安装误差矩阵；C
N
表示非正交误差矩阵；C
SF
表示刻度因子误差矩阵；B
H
I
b
表示以硬磁材料为主的误差矢量；B
S
I
b
表示软磁材料引起的误差矢量；表示磁传感器的零偏误差矢量。
[0018]进一步的，在步骤二中，具体的，
[0019]将式(2)进行化简得到式(3)，
[0020][0021]其中，B
s
为磁传感器对磁场测量的输出值，b表示以硬磁误差为主的偏置矩阵向量，ε为测量噪声向量，ε为均值为零，协方差为σ
k
的高斯白噪声，令W＝(I3×3+D)
‑1,I3×3为一个3行3列的单位矩阵，D为一个对称阵，将上式写为式(4)，
[0022][0023]得到：对地磁传感器误差的补偿问题实质上就是采用合适的方法估计未知参数矩阵b的值。
[0024]本专利技术的有以下有益效果：
[0025]1、采用无迹卡尔曼作为校准算法在海底地震计投入使用前的校准操作简单，只需将其水平旋转一周即可完成校准操作。传统的校准算法需要在三维空间中进行特定的角度操作进行校准，难以应用在海底地震计中。
[0026]2、考虑到海底地震计需要投放在海底进行长时间的工作，传统的校准算法对于校准时的初始采样值有很大的依赖性，一旦初始校准操作出现偏差，在后续工作过程中无法
自动修正。使用无迹卡尔曼作为核心的校准算法可以不断地修正估计过程，其估计结果具有更好的精度与稳定性。
[0027]3、基于海底地震计的地磁环境进行针对性的误差分析与模型建立，达到地磁模型与无迹卡尔曼系统模型的最优结合，从而可以进行针对性的补偿。
附图说明
[0028]图1为基于海底地震计中无迹卡尔曼算法的流程图；
[0029]图2为无迹卡尔曼算法中未知参数的补偿仿真估计结果示意图；
[0030]图3为具体实验的示意图；
[0031]图4为带有航向角、俯仰角和翻滚角的具体实验的示意图。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法，其特征在于，所述基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法包括以下步骤：步骤一、对三轴电子罗盘测量环境中的干扰源进行分析并分类，并给出在三维坐标系下三轴磁传感器的输出数学模型；步骤二、对所述数学模型进行变形得到包含未知参数矩阵的误差简化模型，并进行初始化，利用对称采样的方式获得2n+1个采样点后进入一步预测过程，计算量测量的一步预测值和估计偏差协方差，然后进行量测更新得到所求参数的最优估计值；步骤三、采用无迹卡尔曼算法进行误差补偿，将电子罗盘姿态角补偿在2
°
以内。2.根据权利要求1所述的一种基于无迹卡尔曼算法海底地震计中电子罗盘误差补偿方法，其特征在于，在步骤一中，具体的，采用地磁传感器进行地磁测量进而进行航向角的姿态解算，计算公式如式(1)所示，以海底光纤地震计为基础进行电子罗盘的磁干扰分析，根据产生机理进行分类，并在三维坐标系下，给出磁传感器的输出数学模型，其中，上标b表示体坐标系；上标s表示传感器坐标系；B
s
表示传...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓峻，茅泽坤，马雨濛，盖克，王锋，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：