基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法
【专利摘要】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。
【专利说明】基于轨迹约束的地磁场矢量测量误差修正方法
【技术领域】
[0001] 本发明属地磁矢量测量【技术领域】，具体涉及一种基于轨迹约束的地磁场矢量测量 误差修正方法。
【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 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；
[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；
[0014] 5、本方案测量所得到的地磁矢量信息可以应用到地磁导航、地震监测以及资源勘 探等众多领域中，为这些领域中的相关理论或者技术提供相对精确的地磁矢量信息。
【专利附图】
【附图说明】
[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 影，记为hb，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M 。
[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 差，地磁场的真实值hb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] hbm = Chb +b + n (工）
[0023] 其中，矩阵C是三个独立矩阵的乘积，由下式给出： η-η η η
【权利要求】
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； 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； 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。
【文档编号】G01V3/40GK104237958SQ201410512448
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】刘玉霞, 李拉成, 张鹏, 范竹荣 申请人:陕西宝成航空仪表有限责任公司