基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法，步骤包括：S01.构建地磁矢量测量系统干扰磁场补偿模型；S02.将地磁矢量测量系统放置在三维亥姆赫兹线圈的中心区域，并通过三维亥姆赫兹线圈产生不同方向、不同大小的磁场数据，获取多组测量数据，测量数据包括三轴磁场传感器的输出值和三维亥姆霍兹线圈产生的真值以及三维亥姆霍兹线圈产生的真值随时间的变化率；S03.根据步骤S02获取的数据以及地磁矢量测量系统干扰磁场补偿模型，得到误差模型方程组；S04.求解误差模型方程组中的参数，使用求解出的参数补偿地磁矢量测量系统的磁干扰场。本发明专利技术具有实现操作简单、成本低、补偿精度高、灵活性强等优点。灵活性强等优点。灵活性强等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法


[0001]本专利技术涉及地磁矢量测量
，尤其涉及一种基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法。

技术介绍

[0002]地磁矢量测量(北向、垂向和东向分量)在许多场合有非常重要的应用，例如地质调查、自主水下机器人(AUV)导航、未爆弹药探测(UXO)等。地磁矢量测量系统主要由三轴磁通门磁力计和姿态测量单元(如惯导)组成，三轴磁力计提供地磁场在磁力计坐标上的投影，姿态测量单元提供磁力计的姿态，利用姿态测量元件提供的姿态信息，将该矢量转换为地理坐标系。
[0003]在地磁矢量测量系统中误差来源主要有三类：磁力计误差、惯性坐标和磁力计坐标之间的非对准误差以及铁磁性材料引起的磁干扰误差，这些误差可能达到数千nT，因此必须校准和补偿地磁矢量测量系统，而这其中要数铁磁性材料引起的磁干扰误差最为严重。干扰磁场与磁力计周围的铁磁性部件和其他电气设备(如惯性元件、功率电路模块)以及应用平台的干扰密切相关。上述磁干扰场可分为永久场、感应场和涡流场，其中与永久磁场相比，感应和涡流场更为复杂，尤其是由地球磁场的方向、幅值及其随时间的变化决定的涡流场。因此，在移动地磁矢量测量中涡流场不容忽视。
[0004]磁场干扰补偿的实质是估计补偿模型的参数，并利用这些参数计算干扰场。地磁矢量测量系统的磁干扰场补偿主要包括三个关键部分：(1)补偿模型；(2)补偿策略(或方程的构造过程)；(3)补偿参数估计，补偿模型、补偿策略以及补偿参数估计的精度将直接影响最终的补偿效果。针对地磁矢量测量系统的校正补偿问题，现有技术中通常是采用以下几种方式实现：
[0005]1、基于姿态旋转策略对三轴磁力计进行补偿，包括三种不同的姿态旋转策略(对称旋转、正交旋转和随机旋转)构建方程以实现补偿，其中由于测量位置的选择具有代表性，并且覆盖了整个姿态空间，因而对称旋转策略的补偿效果最好。但是该类方式需要旋转地磁矢量测量系统，会存在对地磁场梯度、环境地磁干扰敏感问题。
[0006]2、基于平行六面体框架的地磁矢量测量系统分量补偿方法，但平行六面体框架提供的旋转姿态有限，不足以构建方程来准确估计参数，且由于磁传感器和惯性导航系统必须分开部署，使得适用场景受限。
[0007]3、采用拉格朗日乘数法估计地磁场矢量测量分量补偿中的误差参数以实现补偿，但是在分量补偿模型中未考虑涡流场。
[0008]综上，现有技术中针对地磁矢量测量系统的校正补偿效果仍然有待提高且应用场景受限，另外由于测量数据在姿态空间中的分布(当系统以不同姿态部署时)通常会存在不足或不合理的问题，还会导致可能出现多重共线性问题，致使影响最终的补偿结果，同时现有技术中补偿方式通常需要依赖于系统在地磁场中的旋转，而地磁场应保持恒定并且系统以不同的姿态部署，以获得不同的磁场分量输出，因而补偿过程不仅对地磁场梯度敏感，而
且对环境地磁干扰也很敏感，而实际应用中就难以满足上述要求。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种实现操作简单、成本低、补偿精度高且效果好、灵活性强的基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0011]一种基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法，步骤包括：
[0012]S01将干扰磁场划分为永磁场、感应磁场和涡流磁场，构建地磁矢量测量系统的干扰磁场补偿模型，所述地磁矢量测量系统中包括三轴磁场传感器；
[0013]S02.将地磁矢量测量系统放置在三维亥姆赫兹线圈的中心区域，并通过所述三维亥姆赫兹线圈产生不同方向、不同大小的磁场数据，获取多组测量数据，所述测量数据包括三轴磁场传感器的输出值、三维亥姆霍兹线圈产生的真值以及所述三维亥姆霍兹线圈产生的真值随时间的变化率；
[0014]S03.根据步骤S02获取的数据以及所述地磁矢量测量系统干扰磁场补偿模型，得到误差模型方程组；
[0015]S04.求解所述误差模型方程组中的参数，使用求解出的参数补偿地磁矢量测量系统的磁干扰场。
[0016]进一步的，所述步骤S01中，按照下式构建所述干扰磁场补偿模型：
[0017][0018]其中，H
m
是所需补偿的三轴磁场传感器的测量值，H
mx
,H
my
,H
mz
为H
m
在x、y、z轴上的三个分量H
mx
,H
my
,H
mz
，H
p
表示永磁磁场且H
px
,H
py
,H
pz
分别为H
p
在x、y、z轴上的三个分量；A
i
H0表示感应磁场，且根据感应磁场由外部背景磁场决定，将感应磁场表示为H
i
，即为：
[0019][0020]A
i
是感应系数矩阵，a
ij
为A
i
中的各感应系数，i,j＝x,y,z，A
i
与在主体i方向上的感应磁场有关，所述感应磁场是由在主体j方向上施加的磁场产生；
[0021]表示涡流磁场，且根据涡流磁场与外部背景磁场的变化率成正比，将涡流磁场表示为H
e
，即表示为：
[0022][0023]其中，H0是三轴磁场传感器坐标中背景地磁场分量的真实值，H
0x
,H
0y
,H
0z
为H0在x、y、z轴上的三个分量，A
e
是涡流系数矩阵，b
ij
为A
e
中的各涡流系数，i,j＝x,y,z，A
e
与在主体i
方向上的涡流磁场有关，所述涡流磁场是由在主体j方向上施加的场产生的。
[0024]进一步的，将所述干扰磁场补偿模型进行变换，得到最终的干扰磁场补偿模型为：
[0025][0026]其中，Δt为时间变化值，Δ表示变化值。
[0027]进一步的，所述步骤S03中构建的误差模型方程组为：
[0028][0029]其中，N表示测量点数，dH0/dt表示H0磁场关于时间的变化率。
[0030]进一步的，所述误差模型方程组中H0磁场关于时间的变化率dH0/dt通过控制所述三维亥姆赫兹线圈的电流得到。
[0031]进一步的，所述步骤S02中，将地磁矢量测量系统放置在三维亥姆赫兹线圈的中心区域时，所述地磁矢量测量系统的三轴磁场传感器的三个敏感轴方向与三维亥姆赫兹线圈的三个正交方向保持对准。
[0032]进一步的，所述步骤S02中，通过所述三维亥姆赫兹线圈产生不同方向、不同大小的磁场数据时，通过控制所述三维亥姆赫兹线圈的电流序列，以在三维球面渐开线中生成不同的方向和幅值，三个正交线圈电流序列具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法，其特征在于，步骤包括：S01将干扰磁场划分为永磁场、感应磁场和涡流磁场，构建地磁矢量测量系统的干扰磁场补偿模型，所述地磁矢量测量系统中包括三轴磁场传感器；S02.将地磁矢量测量系统放置在三维亥姆赫兹线圈的中心区域，并通过所述三维亥姆赫兹线圈产生不同方向、不同大小的磁场数据，获取多组测量数据，所述测量数据包括三轴磁场传感器的输出值、三维亥姆霍兹线圈产生的真值以及所述三维亥姆霍兹线圈产生的真值随时间的变化率；S03.根据步骤S02获取的数据以及所述地磁矢量测量系统干扰磁场补偿模型，得到误差模型方程组；S04.求解所述误差模型方程组中的参数，使用求解出的参数补偿地磁矢量测量系统的磁干扰场。2.根据权利要求1所述的基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法，其特征在于，所述步骤S01中，按照下式构建所述干扰磁场补偿模型：其中，H
m
是所需补偿的三轴磁场传感器的测量值，H
mx
,H
my
,H
mz
为H
m
在x、y、z轴上的三个分量H
mx
,H
my
,H
mz
，H
p
表示永磁磁场且H
p
＝[H
px H
py H
pz
]
T
，H
px
,H
py
,H
pz
分别为H
p
在x、y、z轴上的三个分量；A
i
H0表示感应磁场，且根据感应磁场由外部背景磁场决定，将感应磁场表示为H
i
，即为：A
i
是感应系数矩阵，a
ij
为A
i
中的各感应系数，i,j＝x,y,z，A
i
与在主体i方向上的感应磁场有关，所述感应磁场是由在主体j方向上施加的磁场产生；表示涡流磁场，且根据涡流磁场与外部背景磁场的变化率成正比，将涡流磁场表示为H
e
，即表示为：其中，H0是三轴磁场传感器坐标中背景地磁场分量的真实值，H
0x
,H
0y
,H
0z
为H0在x、y、z轴上的三个分量，A
e
是涡流系数矩阵，b
ij
为A
e
中的各涡流系数，i,j＝x,y,z，A
e
与在主体i方向上的涡流磁场有关，所述涡流磁场是由在主体j方向上施加的场产生的。3.根据权利要求2所述的基于三维亥姆赫兹线圈的地磁矢量测量系统补偿方法，其特征在于，将所述干扰磁场补偿模型进行变换，得到最终的干扰磁场补偿模型为：H
mz
＝H
0z
+H
pz
+a
zx
H
0x...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘中艳，张琦，徐昱静，潘孟春，胡佳飞，黄博，丁翘楚，陈卓，管峰，邱晓天，唐莺，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：