[发明专利]一种分量与总量约束结合的地磁矢量测量误差校准方法

说明书

技术领域

本发明属于地磁测量领域，具体涉及一种分量与总量约束结合的地磁矢量测量误差校准方法。

背景技术

地磁场是一个矢量场，在地理坐标系下，其三个分量分别为北向分量X、东向分量Y和垂直分量Z。以三个分量为基础，还可以得到地磁矢量的水平强度、磁偏角、磁倾角和总强度等要素。所谓地磁场矢量测量即获取地磁场在地理坐标系下的投影分量。在地磁场矢量测量中，通常需要用到三轴磁场传感器和惯导系统(由三轴陀螺仪和加速度计组成)。三轴磁场传感器用于测量地磁场在磁场传感器敏感轴方向的投影分量，三轴陀螺仪用于测量惯性元件敏感轴与地理坐标系之间的欧拉角。地磁矢量测量误差主要来源于：测量系统中铁磁材料产生的硬磁与软磁干扰磁场、磁传感器与惯性系统敏感轴间的非对准误差等。

地磁矢量测量误差校准方法可分为两类：一类是分离校准法，即分别独立校准干扰磁场和非对准误差；一类是综合校准法，即一体化校准干扰磁场和非对准误差。在干扰磁场校准方面，Joseph A.Rice，Jr.，Plano，Tex.等人申请了美国国家专利(美国专利号5182514，1993年1月26日，Automatic compensator for an airborne magnetic anomaly detector)，采用1个三轴磁场传感器和一个标量磁场传感器，利用两者输出计算出地磁场与飞机坐标系间的方向余弦，进行干扰磁场补偿。但对于干扰磁场强度较大的场合，方向余弦无法测出。房建成等人(Jiancheng Fang,Hongwei Sun,Juanjuan Cao,Xiao Zhang,and Ye Tao,A Novel CalibrationMethod of Magnetic Compass Based on Ellipsoid Fitting，IEEE transactions on instrumentation and measurement，2011，60(6)：2053-2061)针对磁罗盘的干扰补偿问题，基于椭圆体假设，将问题转化为二次椭球面参数的最优估计问题。此方法可以求解出参数的相对值，而无法得到准确值，所以只可用于指示方向，不能用于测量地磁场矢量。S.Bonneta等人(S.Bonnet,C.Bassompierre,C.Godin,S.Lesecq,A.Barraud，Calibration methods for inertial and magnetic sensors，Sensors and Actuators A:Physical，2009,156:302-311)也研究了惯性传感器与磁场传感器组合起来之后，磁场传感器的干扰补偿问题，但依然是基于椭圆体假设进行的。

在磁场传感器与陀螺仪坐标系对准方面，庞鸿锋等人申请了国家发明专利(申请号：201210355541.7，用于地磁要素测量系统的非对准误差校正方法)采用直角型台面和正六面箱体，通过多次翻转无磁正六面体，令翻转后的无磁正六面体仍然紧靠直角型台面。利用重力矢量不变性，建立和求解非线性方程组来获取磁场传感器与惯导系统之间的非对准角。此方法要求直角型台面的平面度和垂直度非常高，且每次翻转都要求台面和箱体紧密契合。此方法对设备的加工精度和操作精度均要求较高。

在误差综合校准方面，张琦等人申请了国家发明专利(申请号：201410477818.2，一种基于线性模型的地磁矢量测量误差综合补偿方法)。首先根据全球地磁模型计算地理坐标系下试验区域的地磁场矢量值；其次，以三轴磁传感器和三轴陀螺仪输出值建立线性方程组；最后，求解方程组，得到误差模型参数和补偿后的地磁场值矢量。但由全球地磁模型得到的地磁场矢量值与真实值存在较大差异，会影响参数估计精度和误差校准精度。

综上方法存在如下问题：1)在干扰磁场补偿方面，用于估计干扰磁场模型参数的椭球面方程为二次，解存在多个局部最优，难以保证估计值与真实值之间的一致性；2)在非对准角校准方面，对校准和补偿设备的加工精度、操作精度方要求很高；3)在误差综合校准方面，地磁场矢量难以准确获取(全球地磁模型计算出的地磁矢量值与真实值存在较大差异)，会影响误差校准精度。当前，还缺乏一种有效的用于干扰磁场和非对准角的误差综合校准方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种分量与总量约束结合的地磁矢量测量误差校准方法，包括以下步骤：

(S1)选取校准区域，在区域中心位置设置一个无磁平面；建立地理坐标系，地磁场在地理坐标系下其三个分量分别为北向分量X、东向分量Y和垂直分量Z，用标量磁力仪测量无磁平面上方的地磁场模值，记作H_esum；