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境干擾產生的誤差，磁傳感器靈敏度誤差、零點漂移引起的誤差、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域內運動時，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，可以估計磁傳感器的誤差系數；采用參數估計方法，用最小均方估計作為判斷準則，基于矩陣的極分解理論，獲取誤差系數；最后掌握地磁場矢量測量誤差修正，根據磁傳感器綜合誤差模型和估計的誤差系數，準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
【技術領域】
[0001] 本發明屬地磁矢量測量【技術領域】，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】
[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。在地球近地空間 內任意一點的地磁矢量具有唯一性，且理論上與該點的經緯度一一對應。通過對地磁矢量 的測量和數據處理，建立相應的磁場模型，分析磁場的時空分布特征，可以使地磁矢量信息 廣泛應用到眾多科學領域當中。例如在地磁導航領域，只要準確確定各點的地磁矢量信息 即可實現全球定位。地磁導航有著顯著的優點：一是可與慣性導航系統組合使用，校正慣性 導航系統的積累誤差；二是屬于自主式無源導航，具有良好的隱蔽性和抗干擾性；三是可 彌補地形匹配等導航方式在跨平原、水域時存在的缺陷。在地震監測領域，通過檢測地磁矢 量信息變化情況，可以實現對地震的短期預報。同時地磁矢量信息的測量對于板塊構造和 地震活動性的分析過程有著極其重要的參考價值。在資源勘探領域，通過對地磁矢量信息 的測量，根據磁場變化的情況尋找與對應礦物質相關的磁異常，進而確定礦物質的分布區 域。以上種種應用表明，在與地磁場矢量信息有關的眾多學科領域中，地磁矢量信息的準確 獲取至關重要。要準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 是因為理想情況下，三軸磁傳感器可在載體處于任何姿態下方便的測得磁場的總強度。然 而，實際應用中，由于傳感器本身制造誤差和安裝誤差以及環境等因素的影響，這些都將對 磁場的精確測量產生一定的負面影響，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 而產生的測量誤差。另外由于載體主要由鐵磁物質組成，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生的固有磁場、軟磁材料被地磁場磁化后產生 的感應磁場以及載體內機電設備產生的電流磁場，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。
【發明內容】
[0003] 本發明解決的技術問題：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上，由磁傳感器的測量數據，根據橢球軌跡的約 束，采用最小均方估計作為判斷準則，估計12個誤差參數，然后利用此誤差參數獲得準確 的地磁矢量信息。
[0004] 本發明采用的技術方案：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 身誤差以及外部環境干擾產生的誤差，磁傳感器靈敏度誤差、零點漂移引起的誤差、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域內運動時，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，可以估計磁傳感器的誤差系數；
[0007] 3)參數估計方法：采用最小均方估計作為判斷準則，基于矩陣的極分解理論，獲 取誤差系數；
[0008] 4)地磁場矢量測量誤差修正：根據磁傳感器綜合誤差模型和估計的誤差系數，準 確的獲取地磁場矢量值。
[0009] 本發明與現有技術相比的優點：
[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，提高了測量誤差修正速度；
[0011] 2、傳統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對二維磁傳感器進行修正。本方案利用少量的磁傳感器測量 數據即可得到誤差參數，然后將各類誤差統一進行修正，避免了復雜的非線性參數估計和 相應的迭代運算，大大降低了地磁場矢量測量誤差修正過程中的運算量；
[0012] 3、在誤差參數求解上，依據地磁場矢量測量的橢球理論，采用最小均方估計準則， 估計誤差參數，取代傳統的非線性方程組求解，提高了抗干擾性和數據利用率；
[0013] 4、實現對空間某一點的地磁矢量信息進行快速和準確測量，得到相對精確的測量 結果；
[0014] 5、本方案測量所得到的地磁矢量信息可以應用到地磁導航、地震監測以及資源勘 探等眾多領域中，為這些領域中的相關理論或者技術提供相對精確的地磁矢量信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明仿真中地磁場總強度的測量值軌跡圖；
[0016] 圖2為本發明在表1的安裝參數條件下，磁傳感器X軸的真實值、測量值和修正后 值的比較圖；
[0017]圖3為本發明在表1的安裝參數條件下，磁傳感器Y軸的真實值、測量值和修正后 值的比較圖；
[0018] 圖4為本發明在表1的安裝參數條件下，磁傳感器Z軸的真實值、測量值和修正后 值的比較圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖1、2、3、4描述本發明的實施例。
[0020] 第一步，建立磁傳感器綜合誤差模型：地磁場矢量的真實值在載體坐標系中的投 影，記為hb，其中上標b表示在載體坐標系，磁傳感器相應的測量值，記為 <。由于磁傳感器 本身的誤差和外界環境干擾產生的誤差，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境干擾產生的誤 差，地磁場的真實值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是三個獨立矩陣的乘積，由下式給出： η-η η η
【權利要求】
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 差以及外部環境干擾產生的誤差，磁傳感器靈敏度誤差、零點漂移引起的誤差、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域內運動時，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 以估計磁傳感器的誤差系數； 3) 參數估計方法：采用最小均方估計作為判斷準則，基于矩陣的極分解理論，獲取誤 差系數； 4) 地磁場矢量測量誤差修正：根據磁傳感器綜合誤差模型和估計的誤差系數，準確的 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 優先權日:2014年9月29日
【發明者】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任公司
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