基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法
阅读：1020发布：2020-05-17
专利汇可以提供基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供一种基于轨迹约束的地 磁场 矢量测量误差修正方法，首先建立磁 传感器 综合误差模型，为了描述 磁传感器 的误差，综合考虑磁传感器本身误差以及外部环境干扰产生的误差，磁传感器灵敏度误差、零点漂移引起的误差、 正交 误差以及磁传感器在载体上的安装误差；然后掌握 地磁场 矢量测量椭球理论，载体在地磁场变化较小的区域内运动时，地磁场矢量hb的模值是定值，椭球理论表明磁传感器测量值被限制在一个椭球轨迹上，利用这种特性，可以估计磁传感器的误差系数；采用参数估计方法，用最小均方估计作为判断准则，基于矩阵的极分解理论，获取误差系数；最后掌握地磁场矢量测量误差修正，根据磁传感器综合误差模型和估计的误差系数，准确的获取地磁场矢量值。，下面是基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法专利的具体信息内容。
1.基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法，其特征在于包含下述步骤：
1)建立磁传感器综合误差模型：为了描述磁传感器的误差，综合考虑磁传感器本身误差以及外部环境干扰产生的误差，磁传感器灵敏度误差、零点漂移引起的误差、正交误差以及磁传感器在载体上的安装误差；
b
2)地磁场矢量测量椭球理论：载体在地磁场变化较小的区域内运动时，地磁场矢量h的模值是定值，椭球理论表明磁传感器测量值被限制在一个椭球轨迹上，利用这种特性，可以估计磁传感器的误差系数；
3)参数估计方法：采用最小均方估计作为判断准则，基于矩阵的极分解理论，获取误差系数；
4)地磁场矢量测量误差修正：根据磁传感器综合误差模型和估计的误差系数，准确的获取地磁场矢量值。
基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法
技术领域
背景技术
[0002] 地磁场是一个矢量场，具有全天时、全天候和全地域存在的特点。在地球近地空间内任意一点的地磁矢量具有唯一性，且理论上与该点的经纬度一一对应。通过对地磁矢量的测量和数据处理，建立相应的磁场模型，分析磁场的时空分布特征，可以使地磁矢量信息广泛应用到众多科学领域当中。例如在地磁导航领域，只要准确确定各点的地磁矢量信息即可实现全球定位。地磁导航有着显著的优点：一是可与惯性导航系统组合使用，校正惯性导航系统的积累误差；二是属于自主式无源导航，具有良好的隐蔽性和抗干扰性；三是可弥补地形匹配等导航方式在跨平原、水域时存在的缺陷。在地震监测领域，通过检测地磁矢量信息变化情况，可以实现对地震的短期预报。同时地磁矢量信息的测量对于板块构造和地震活动性的分析过程有着极其重要的参考价值。在资源勘探领域，通过对地磁矢量信息的测量，根据磁场变化的情况寻找与对应矿物质相关的磁异常，进而确定矿物质的分布区域。以上种种应用表明，在与地磁场矢量信息有关的众多学科领域中，地磁矢量信息的准确获取至关重要。要准确获取地磁场的矢量信息，一方面要提高测量所用传感器的精度，另一方面是要克服来源于载体自身的磁场干扰。目前，磁场测量仪器精度较高，基本能满足地磁测量的要求。在地磁测量领域的研究中，普遍将正交三轴磁传感器作为基本磁测元件。这是因为理想情况下，三轴磁传感器可在载体处于任何姿态下方便的测得磁场的总强度。然而，实际应用中，由于传感器本身制造误差和安装误差以及环境等因素的影响，这些都将对磁场的精确测量产生一定的负面影响，甚至造成很大的误差。这就需要对磁传感器的测量误差进行分析，建立误差模型，通过误差修正的方法，尽可能克服由传感器本身制造和安装而产生的测量误差。另外由于载体主要由铁磁物质组成，安装在载体上的传感器所测量的磁场除了地磁场以外，还有载体硬磁材料产生的固有磁场、软磁材料被地磁场磁化后产生的感应磁场以及载体内机电设备产生的电流磁场，这些干扰磁场会对磁场测量造成直接且持久的负面影响，因此必须采取有效措施来降低磁传感器的测量误差。
发明内容
[0003] 本发明解决的技术问题：提供一种基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法，首先在磁传感器综合误差模型的基础上，由磁传感器的测量数据，根据椭球轨迹的约束，采用最小均方估计作为判断准则，估计12个误差参数，然后利用此误差参数获得准确的地磁矢量信息。
[0004] 本发明采用的技术方案：基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法，包含下述步骤：
[0005] 1)建立磁传感器综合误差模型：为了描述磁传感器的误差，综合考虑磁传感器本身误差以及外部环境干扰产生的误差，磁传感器灵敏度误差、零点漂移引起的误差、正交误差以及磁传感器在载体上的安装误差；
[0006] 2)地磁场矢量测量椭球理论：载体在地磁场变化较小的区域内运动时，地磁场矢b量h 的模值是定值，椭球理论表明磁传感器测量值被限制在一个椭球轨迹上，利用这种特性，可以估计磁传感器的误差系数；
[0007] 3)参数估计方法：采用最小均方估计作为判断准则，基于矩阵的极分解理论，获取误差系数；
[0008] 4)地磁场矢量测量误差修正：根据磁传感器综合误差模型和估计的误差系数，准确的获取地磁场矢量值。
[0009] 本发明与现有技术相比的优点：
[0010] 1、对地磁传感器自身原因引起的误差以及软硬磁干扰误差综合建模，减少了误差参数，提高了测量误差修正速度；
[0011] 2、传统修正方法受各种条件的限制，有的只能修正硬磁干扰，有的只能修正软磁干扰，很多方法只能在平面内对二维磁传感器进行修正。本方案利用少量的磁传感器测量数据即可得到误差参数，然后将各类误差统一进行修正，避免了复杂的非线性参数估计和相应的迭代运算，大大降低了地磁场矢量测量误差修正过程中的运算量；
[0012] 3、在误差参数求解上，依据地磁场矢量测量的椭球理论，采用最小均方估计准则，估计误差参数，取代传统的非线性方程组求解，提高了抗干扰性和数据利用率；
[0013] 4、实现对空间某一点的地磁矢量信息进行快速和准确测量，得到相对精确的测量结果；
[0015] 图1为本发明仿真中地磁场总强度的测量值轨迹图；
[0016] 图2为本发明在表1的安装参数条件下，磁传感器X轴的真实值、测量值和修正后值的比较图；
[0017] 图3为本发明在表1的安装参数条件下，磁传感器Y轴的真实值、测量值和修正后值的比较图；
[0018] 图4为本发明在表1的安装参数条件下，磁传感器Z轴的真实值、测量值和修正后值的比较图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图1、2、3、4描述本发明的实施例。
[0020] 第一步，建立磁传感器综合误差模型：地磁场矢量的真实值在载体坐标系中的投b影，记为h，其中上标b表示在载体坐标系，磁传感器相应的测量值，记为 由于磁传感器本身的误差和外界环境干扰产生的误差，使得
[0021] 为了描述磁传感器的误差，综合磁传感器本身误差以及外部环境干扰产生的误b差，地磁场的真实值h 与磁传感器的测量值 之间的映射 可用下列矩阵方程表示：
[0022]
[0023] 其中，矩阵C是三个独立矩阵的乘积，由下式给出：
[0024]
[0025] 常值补偿向量b表示磁传感器的零偏和硬磁偏差；矩阵Cs反映磁传感器标度因数不一致引起的误差；转换矩阵Ch反映磁传感器的敏感轴与载体坐标系不一致引起的安装误差，安装误差角ηx、ηy和ηz很小；矩阵Ca反映软磁材料引起的误差，其中符号αij为软磁干扰场的感应系数，它描述了载体i方向的感应磁场作用于磁传感器j方向，因此1+αii表示由于软磁干扰影响，使磁传感器i轴方向磁场强度增大或减小的系数；向量n表示磁传感器噪声，可以用测量值的平均值来估计。因而，在不考虑测量噪声时，根据(1)式，有[0026]
[0027] 式中:G＝C-1，且矩阵G一定存在，(3)式反映了磁传感器带误差的测量值与真实地磁场矢量的关系。
[0028] 第二步，地磁场矢量测量椭球理论(地磁场测量值的轨迹约束理论)：当载体在一b个给定的地磁场区域运动时，地磁场矢量h 的模值是定值，根据(3)式，可得：
[0029]
[0030] 其中：矩阵
[0031]
[0032] 方程(4)是关于磁传感器测量值 的椭球方程，这表明磁传感器的测量值被限制在一个椭球轨迹上。利用这种特性，可以估计磁传感器的误差矩阵G和向量b。展开方程(4)，可以得到矩阵G，向量b和磁传感器测量值 之间的关系。给定N个磁传感器的测量值 这种关系用以下N个线性方程组成的方程组来表示：
[0033] r＝Hξ (6)式中：r∈□N×1为残差向量，ξ＝[γ1 γ2 γ3 … γ9 γ10]T 10×1 N×10∈□ 为估计向量，测量矩阵H∈□ 由下式给出：
[0034]
[0035] 则方程(6)的第i为
[0036]
[0037] 其中γ1～γ6是矩阵Γ的元素，γ7～γ10由(8)式和(9)式给出：
[0038]
[0039]
[0040] 因此，地磁场矢量测量误差修正的过程转化为以下两个过程，第一个过程为参数估计的过程，即由磁传感器的测量数据，根据椭球轨迹的约束，首先由方程(6)估计向量ξ，然后利用γ1～γ10来确定磁传感器的误差矩阵G和常值补偿向量b的过程。第二个b过程为根据估计的误差矩阵G和常值补偿向量b获得准确的地磁矢量h 的过程。
[0041] 第三步，掌握参数估计方法：参数估计的过程按以下三步进行，第一步，运用最小均方估计法来确定向量ξ的归一化估计，记为 即 第二步，确定向量b，运用b来求解||ξ||，进而来确定向量ξ；第三步，由向量ξ来确定误差矩阵G。因为对于任何一个满足RGTRG＝I的旋转矩阵RG，都有(RGG)T(RGG)＝GTRGTRGG＝Γ，所以更准确的说，ξ用来确定矩阵KG，KG由矩阵G的极分解给出，即
[0042] KG＝(RG)TG (10)
[0043] 1)归一化向量 的确定
[0044] 如果三轴磁传感器没有噪声干扰，则方程(6)中的残差向量r＝0；由于磁传感器均存在噪声干扰，所以选择残差的平方和最小作为判断准则，求得ξ的最优估计值 数学上，这可以表示为
[0045]
[0046] 其中约束条件是ξ≠0。
[0047] 如果将HTH进行奇异值分解，即：
[0048]
[0049] 那么 其中v10是正交矩阵VH的第10列或者是矩阵H的最小奇异值所对应的特征向量。由于||v10||＝1，所以从矩阵H的奇异值分解得到的估计是归一化估计即
[0050] 2)向量b和向量ξ的确定
[0051] 方程(5)和(8)表明，如果知道了向量ξ，可以获得向量b。然而，现在知道的是而不是ξ，但是，ξ的范数||ξ||不影响对向量b的估计。从方程(8)可以得到：
[0052]
[0053] 重新改写方程(9)，||ξ||可由下式确定：
[0054]
[0055] 进而由下式确定ξ：
[0056]
[0057] 3)矩阵KG的确定
[0058] 从方程(5)可知，矩阵Γ和G有相同的左特征向量，矩阵G的奇异值等同于矩阵Γ的奇异值的均方根。所以，由矩阵Γ的奇异值分解，可以得到：
[0059]
[0060] 第四步，掌握地磁场矢量测量误差修正：由方程(3)、(10)、(13)和(16)，根据估计的误差矩阵G和向量b，可以按照下式获得准确的地磁矢量hb，即
[0061]
[0062] 为验证本发明方法的有效性，评估其修正性能，假定磁传感器的安装参数如表1所示，在MATLAB环境下仿真了磁传感器在如下的安装情况下的磁测数据，运用发明提出的方法对磁测数据进行修正和评估。
[0063] 表1安装参数仿真生成表
[0064]
[0065]
[0066] 在仿真中，假定用图1中的总磁场强度测量值来修正磁传感器的误差，图2-图4给出了在如表1所示安装情况下地磁场真实值、测量值和修正后值的比较结果。
[0067] 从图2-图4可知，真实值和修正后的测量值之间非常接近，其误差均在10nT之内。
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