一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法
【专利摘要】本发明属于水下地磁辅助导航领域，具体涉及到一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法。本发明包括；通过捷联于水下潜器的三轴矢量磁传感器获得载体一定姿态下的地磁场模量梯度测量值；获取一组地磁场模量梯度测量值及每一测量值所对应的载体姿态角信息；将获得的不同姿态下的地磁场模量梯度测量值Fm代入包含载体感应磁场系数矩阵；用信赖域法估计方程中各个误差矩阵中的未知参数；得到各误差矩阵中的误差元素进而得到各误差矩阵；得到的各个误差矩阵代入包含载体感应磁场系数矩阵的方程对地磁场测量值进行补偿。本发明避免了初始点选取不合适可能导致迭代发散而无法得到正确的估计结果。
【专利说明】一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水下地磁辅助导航领域，具体涉及到一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法。
【背景技术】
[0002]水下地磁导航定位具有无源、无辐射、全天时、全地域等特点，是实现水下潜航器实时、连续、精确的水下自主导航的理想途径之一。在地磁导航技术中，载体上地磁传感器测量地磁场数据的准确性决定了地磁导航的精度。一旦测量过程引入干扰项，地磁导航精度将受到严重影响，甚至无法进行导航。因此必须补偿载体矢量磁传感器的输出误差。载体环境磁场干扰及磁传感器自身误差是导致其输出误差的主要因素，必须予以补偿。实际中载体干扰场主要由固定磁场和载体感应磁场两部分组成，目前常用的载体磁场补偿方法主要有航磁补偿法、两步估计法、椭圆拟合法和无迹Kalman滤波(UKF)法。航磁补偿法是基于Tolles-Lawson方程的方法，该方法是将地磁场测量值的三分量都投影到地磁场方向上，由于忽略了地磁场真实方向与测量方向之间的误差，因此该方法只在干扰场较小的情况下适用。两步估计法算法简单，但由于其引入了中间变量，各变量之间的相关性可能造成系数矩阵奇异，无法得到正确的参数估计值。椭圆拟合法则是通过利用测量值拟合出一个椭圆，根据椭圆参数(中心点、长轴、短轴)与载体磁场系数之间的关系来获得载体磁场各参数。这种方法要求所采集的数据必须能够拟合出一个椭圆，算法复杂，在实际应用中受到限制。UKF法可以对载体磁场进行实时补偿，但这种方法对初始参数的选择很敏感，参数选取不当则有可能导致滤波发散。以上研究在进行载体磁场建模与补偿时通常将载体感应磁场系数矩阵视为常数，但载体感应磁场随着载体的工作状态、姿态等变化而变化。如果将载体感应磁场系数矩阵视为常数会造成载体磁场模型不精确，影响磁场补偿效果。
[0003]本发明提出一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法。该方法在对导航载体磁场建模过程中载体感应磁场系数矩阵随载体工作状态、姿态等变化而变化，结合磁传感器自身误差，利用磁场模量梯度测量装置得到关于地磁场测量值的非线性方程，采用信赖域法辨识载体固定磁场参数及感应磁场磁测误差参数，最后再利用估计结果对测量值进行补偿。该方法参数估计精度高，实用性强，可以有效地对导航载体干扰磁场进行补
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【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]步骤1、通过捷联于水下潜器的三轴矢量磁传感器获得载体一定姿态下的地磁场模量梯度测量值Fm，同时利用载体上的惯导或陀螺罗经实时输出载体的姿态角，即航向角Ψ和俯仰角Y ；
[0007]步骤2、重复步骤I获取一组地磁场模量梯度测量值及每一测量值所对应的载体姿态角信息；
[0008]步骤3、将步骤2获得的不同姿态下的地磁场模量梯度测量值Fm代入包含载体感应磁场系数矩阵K的方程，
[0009]
【权利要求】
1.一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法，其特征在于: 步骤1、通过捷联于水下潜器的三轴矢量磁传感器获得载体一定姿态下的地磁场模量梯度测量值Fm，同时利用载体上的惯导或陀螺罗经实时输出载体的姿态角，即航向角Ψ和俯仰角Y ; 步骤2、重复步骤I获取一组地磁场模量梯度测量值及每一测量值所对应的载体姿态角信息； 步骤3、将步骤2获得的不同姿态下的地磁场模量梯度测量值Fm代入包含载体感应磁场系数矩阵K的方程，
将测量的每一个地磁场模量梯度测量值代入包含载体感应磁场系数矩阵K的方程的同时，将所对应的载体姿态信息V和Y代入矩阵元素
Ku(i，j = 1,2, 3)表示矩阵元素，4(/ = 0，1，2，一，12)为展开式系数； 其中I |Be| I2代表地磁矢量模真实值的平方，虎代表地磁矢量模测量值的平方， = GTG, G = σ1,
代表三轴磁传感器标度因子不一致引起的误差
矩阵，
代表磁传感器三轴非正交引起的误差矩阵
代表 磁测坐标系与载体坐标系不一致引起的误差矩阵，C0 =Ε+Κ表示软磁材料引起的误差矩
阵，E为单位方阵；
代表载体感应磁场系数矩阵，其元素与载体的姿态
有关；矩阵O= O,.代表磁传感器零偏和硬磁偏差，各未知量就是载体感应磁场及磁测装置
Oz误差参数； 步骤4、用信赖域法估计方程中各个误差矩阵中的未知参数；
其中，X表示待估计的参量向量，N为采样点数； 步骤5、根据步骤4估计得到各误差矩阵中的误差元素进而得到各误差矩阵； 步骤6、将步骤5得到的各个误差矩阵代入包含载体感应磁场系数矩阵K的方程对地磁场测量值Bm进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法，其特征在于: 载体感应磁场系数矩阵K是这样建立的:在空间任意点，载体软铁磁场与地磁场之间的关系为
其中，Bx、By、Bz为地磁场在载体坐标系下的三分量，Bsx> Bsy> Bsz为载体软铁磁场在载体坐标系下的三分量，矩阵K为载体感应磁场系数矩阵，其元素与载体的姿态有关，对不同航向角Ψ和俯仰角Y下的软铁磁场分布数据的一部分进行拟合，建立线性转换矩阵与载体航向角和俯仰角间的函数关系。
3.根据权利要求1所述的一种捷联于水下潜器的三轴磁场传感器误差补偿方法，其特征在于: 所述的信赖域法包括: .4.1设定初始点Xtl,初始信赖域半径A以及参数O < μ < Tl < 1，ε > O ;
.4.2 计算 Qg(Xk)IdX，若 \dg(Xk)IdX\ Q ,则 χ* = Xk,迭代终止，否则转 4.3 ； .4.3 求解
,岣束条件为 I |dk| I ≤ rk，其最优
解为
若 P ≤ μ，则 Xk+1 = Xk,反之 Xk+1 = xk+d* ；
.4.4 确定 rk+1，若 P < μ 则 rk+1 = 0.5rk，若 μ < P < η 则 rk+1 = rk，否则 rk+1 = 2rk ； . 4.5 令 k = k+1，返回 4.4。
【文档编号】G01V3/40GK104166169SQ201410418245
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】黄玉, 武立华 申请人:哈尔滨工程大学