基于軌跡約束的地磁場矢量測量誤差修正方法
【專利摘要】提供一種基于軌跡約束的地磁場矢量測量誤差修正方法，首先建立磁傳感器綜合誤差模型，為了描述磁傳感器的誤差，綜合考慮磁傳感器本身誤差以及外部環(huán)境干擾產(chǎn)生的誤差，磁傳感器靈敏度誤差、零點(diǎn)漂移引起的誤差、正交誤差以及磁傳感器在載體上的安裝誤差；然后掌握地磁場矢量測量橢球理論，載體在地磁場變化較小的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動時，地磁場矢量hb的模值是定值，橢球理論表明磁傳感器測量值被限制在一個橢球軌跡上，利用這種特性，可以估計(jì)磁傳感器的誤差系數(shù)；采用參數(shù)估計(jì)方法，用最小均方估計(jì)作為判斷準(zhǔn)則，基于矩陣的極分解理論，獲取誤差系數(shù)；最后掌握地磁場矢量測量誤差修正，根據(jù)磁傳感器綜合誤差模型和估計(jì)的誤差系數(shù)，準(zhǔn)確的獲取地磁場矢量值。
【專利說明】基于軌跡約束的地磁場矢量測量誤差修正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬地磁矢量測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于軌跡約束的地磁場矢量測量 誤差修正方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 地磁場是一個矢量場，具有全天時、全天候和全地域存在的特點(diǎn)。在地球近地空間 內(nèi)任意一點(diǎn)的地磁矢量具有唯一性，且理論上與該點(diǎn)的經(jīng)緯度一一對應(yīng)。通過對地磁矢量 的測量和數(shù)據(jù)處理，建立相應(yīng)的磁場模型，分析磁場的時空分布特征，可以使地磁矢量信息 廣泛應(yīng)用到眾多科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中。例如在地磁導(dǎo)航領(lǐng)域，只要準(zhǔn)確確定各點(diǎn)的地磁矢量信息 即可實(shí)現(xiàn)全球定位。地磁導(dǎo)航有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：一是可與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合使用，校正慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)的積累誤差；二是屬于自主式無源導(dǎo)航，具有良好的隱蔽性和抗干擾性；三是可 彌補(bǔ)地形匹配等導(dǎo)航方式在跨平原、水域時存在的缺陷。在地震監(jiān)測領(lǐng)域，通過檢測地磁矢 量信息變化情況，可以實(shí)現(xiàn)對地震的短期預(yù)報(bào)。同時地磁矢量信息的測量對于板塊構(gòu)造和 地震活動性的分析過程有著極其重要的參考價值。在資源勘探領(lǐng)域，通過對地磁矢量信息 的測量，根據(jù)磁場變化的情況尋找與對應(yīng)礦物質(zhì)相關(guān)的磁異常，進(jìn)而確定礦物質(zhì)的分布區(qū) 域。以上種種應(yīng)用表明，在與地磁場矢量信息有關(guān)的眾多學(xué)科領(lǐng)域中，地磁矢量信息的準(zhǔn)確 獲取至關(guān)重要。要準(zhǔn)確獲取地磁場的矢量信息，一方面要提高測量所用傳感器的精度，另一 方面是要克服來源于載體自身的磁場干擾。目前，磁場測量儀器精度較高，基本能滿足地磁 測量的要求。在地磁測量領(lǐng)域的研究中，普遍將正交三軸磁傳感器作為基本磁測元件。這 是因?yàn)槔硐肭闆r下，三軸磁傳感器可在載體處于任何姿態(tài)下方便的測得磁場的總強(qiáng)度。然 而，實(shí)際應(yīng)用中，由于傳感器本身制造誤差和安裝誤差以及環(huán)境等因素的影響，這些都將對 磁場的精確測量產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，甚至造成很大的誤差。這就需要對磁傳感器的測量 誤差進(jìn)行分析，建立誤差模型，通過誤差修正的方法，盡可能克服由傳感器本身制造和安裝 而產(chǎn)生的測量誤差。另外由于載體主要由鐵磁物質(zhì)組成，安裝在載體上的傳感器所測量的 磁場除了地磁場以外,還有載體硬磁材料產(chǎn)生的固有磁場、軟磁材料被地磁場磁化后產(chǎn)生 的感應(yīng)磁場以及載體內(nèi)機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的電流磁場，這些干擾磁場會對磁場測量造成直接且 持久的負(fù)面影響，因此必須采取有效措施來降低磁傳感器的測量誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題：提供一種基于軌跡約束的地磁場矢量測量誤差修正方 法，首先在磁傳感器綜合誤差模型的基礎(chǔ)上，由磁傳感器的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)橢球軌跡的約 束，采用最小均方估計(jì)作為判斷準(zhǔn)則，估計(jì)12個誤差參數(shù)，然后利用此誤差參數(shù)獲得準(zhǔn)確 的地磁矢量信息。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案：基于軌跡約束的地磁場矢量測量誤差修正方法，包含下 述步驟：
[0005] 1)建立磁傳感器綜合誤差模型：為了描述磁傳感器的誤差，綜合考慮磁傳感器本 身誤差以及外部環(huán)境干擾產(chǎn)生的誤差，磁傳感器靈敏度誤差、零點(diǎn)漂移引起的誤差、正交誤 差以及磁傳感器在載體上的安裝誤差；
[0006] 2)地磁場矢量測量橢球理論：載體在地磁場變化較小的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動時，地磁場矢 量hb的模值是定值，橢球理論表明磁傳感器測量值被限制在一個橢球軌跡上，利用這種特 性，可以估計(jì)磁傳感器的誤差系數(shù)；
[0007] 3)參數(shù)估計(jì)方法：采用最小均方估計(jì)作為判斷準(zhǔn)則，基于矩陣的極分解理論，獲 取誤差系數(shù)；
[0008] 4)地磁場矢量測量誤差修正：根據(jù)磁傳感器綜合誤差模型和估計(jì)的誤差系數(shù)，準(zhǔn) 確的獲取地磁場矢量值。
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)：
[0010] 1、對地磁傳感器自身原因引起的誤差以及軟硬磁干擾誤差綜合建模，減少了誤差 參數(shù)，提高了測量誤差修正速度；
[0011] 2、傳統(tǒng)修正方法受各種條件的限制，有的只能修正硬磁干擾，有的只能修正軟磁 干擾，很多方法只能在平面內(nèi)對二維磁傳感器進(jìn)行修正。本方案利用少量的磁傳感器測量 數(shù)據(jù)即可得到誤差參數(shù)，然后將各類誤差統(tǒng)一進(jìn)行修正，避免了復(fù)雜的非線性參數(shù)估計(jì)和 相應(yīng)的迭代運(yùn)算，大大降低了地磁場矢量測量誤差修正過程中的運(yùn)算量；
[0012] 3、在誤差參數(shù)求解上，依據(jù)地磁場矢量測量的橢球理論，采用最小均方估計(jì)準(zhǔn)則， 估計(jì)誤差參數(shù)，取代傳統(tǒng)的非線性方程組求解，提高了抗干擾性和數(shù)據(jù)利用率；
[0013] 4、實(shí)現(xiàn)對空間某一點(diǎn)的地磁矢量信息進(jìn)行快速和準(zhǔn)確測量，得到相對精確的測量 結(jié)果；
[0014] 5、本方案測量所得到的地磁矢量信息可以應(yīng)用到地磁導(dǎo)航、地震監(jiān)測以及資源勘 探等眾多領(lǐng)域中，為這些領(lǐng)域中的相關(guān)理論或者技術(shù)提供相對精確的地磁矢量信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明仿真中地磁場總強(qiáng)度的測量值軌跡圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明在表1的安裝參數(shù)條件下，磁傳感器X軸的真實(shí)值、測量值和修正后 值的比較圖；
[0017]圖3為本發(fā)明在表1的安裝參數(shù)條件下，磁傳感器Y軸的真實(shí)值、測量值和修正后 值的比較圖；
[0018] 圖4為本發(fā)明在表1的安裝參數(shù)條件下，磁傳感器Z軸的真實(shí)值、測量值和修正后 值的比較圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖1、2、3、4描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0020] 第一步，建立磁傳感器綜合誤差模型：地磁場矢量的真實(shí)值在載體坐標(biāo)系中的投 影，記為hb，其中上標(biāo)b表示在載體坐標(biāo)系，磁傳感器相應(yīng)的測量值，記為 <。由于磁傳感器 本身的誤差和外界環(huán)境干擾產(chǎn)生的誤差，使得M 。
[0021] 為了描述磁傳感器的誤差，綜合磁傳感器本身誤差以及外部環(huán)境干擾產(chǎn)生的誤 差，地磁場的真實(shí)值hb與磁傳感器的測量值 < 之間的映射可用下列矩陣方程表 示：
[0022] hbm = Chb +b + n (工）
[0023] 其中，矩陣C是三個獨(dú)立矩陣的乘積，由下式給出： η-η η η

【權(quán)利要求】
1.基于軌跡約束的地磁場矢量測量誤差修正方法，其特征在于包含下述步驟： 1) 建立磁傳感器綜合誤差模型：為了描述磁傳感器的誤差，綜合考慮磁傳感器本身誤 差以及外部環(huán)境干擾產(chǎn)生的誤差，磁傳感器靈敏度誤差、零點(diǎn)漂移引起的誤差、正交誤差以 及磁傳感器在載體上的安裝誤差； 2) 地磁場矢量測量橢球理論：載體在地磁場變化較小的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動時，地磁場矢量hb 的模值是定值，橢球理論表明磁傳感器測量值被限制在一個橢球軌跡上，利用這種特性，可 以估計(jì)磁傳感器的誤差系數(shù)； 3) 參數(shù)估計(jì)方法：采用最小均方估計(jì)作為判斷準(zhǔn)則，基于矩陣的極分解理論，獲取誤 差系數(shù)； 4) 地磁場矢量測量誤差修正：根據(jù)磁傳感器綜合誤差模型和估計(jì)的誤差系數(shù)，準(zhǔn)確的 獲取地磁場矢量值。
【文檔編號】G01V3/40GK104237958SQ201410512448
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】劉玉霞, 李拉成, 張鵬, 范竹榮 申請人:陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司