[发明专利]基于磁航向角和最小二乘法的三轴磁传感器标定方法

说明书

本发明公开了一种基于磁航向角和最小二乘法的三轴磁传感器标定方法。本发明方法中，磁传感器安装在载体内，安装点位于载体质心，磁传感器的敏感方向与载体坐标系的三轴指向相同；使用惯性导航系统采集获得载体的姿态角；利用相关仪器或者查阅资料获得测量地点的磁偏角；根据航向角是磁航向角与磁偏角的代数和这一原理，利用最小二乘法和磁传感器测量数据对三轴磁传感器各轴的零偏进行拟合标定。本发明解决了在只具备磁传感器测量值和载体姿态角的情况下，对磁传感器的零偏进行标定的需求，无需大型设备辅助，无需建立复杂模型，能有效减少标定所需数据量和计算量，操作简单方便。

技术领域

本发明涉及磁传感器标定技术领域，尤其涉及一种基于磁航向角和最小二乘法的三轴磁传感器标定方法。

背景技术

地磁场是地球连续分布的稳定物理场，是一种非常理想的参考基准。地磁场本身是一个矢量场，在地球近地范围内的所有点都有独属于自身的地磁强度，不同位置的地磁场强度的大小、方向等均不同。在地球上，大约98％的区域都可以利用地磁导航进行定位。并且，地磁导航具有无源、无辐射、抗干扰、全天时、全天候、体积小、能耗低等优点，所以，地磁导航正作为一种新兴的导航方式进入世界各国的研究范围。而作为地磁场最重要的测量仪器——磁传感器，其精度在极大程度上决定了地磁导航的精度，因此，对磁传感器进行精确的标定具有极高的应用需求。

磁传感器的测量值往往包含各种误差，磁传感器本身的误差主要包括偏置误差、尺度因子误差、以及由于测量轴的非正交而造成的测量误差等。另外，还包括外界环境造成的磁场干扰误差，主要包括磁传感器安装位置周围的硬磁以及软磁造成的测量偏差，以及测量白噪声等。

磁力计的测量精度会受到环境的影响，所以有必要在现场重新标定。传统标定方法通常需要无磁的环境和设备，这在标定现场无法实现。同时，传统的标定过程中需要利用更高精度的磁力仪，例如质子磁力仪等来获得磁场“真值”，并在此基础上利用各种方法计算出磁力仪的误差模型系数，但这在器材缺乏的现场也是无法实现的。目前现有技术中也对磁传感器的标定仅是简单地对其测量输出进行处理，如求均值或滤波处理，或者仅采用器件手册上磁传感器的标称误差对其进行补偿，因此测量误差来源散布较大，进而导致标定以后的测量值仍与真实值之间差距较大。因此，迫切需要提出一种能够有效标定磁传感器的标定方法，能在缺少实验设备、环境复杂的测量现场对磁力计进行快速有效的标定。

发明内容

本发明针对上述问题和需求，提供了一种基于磁航向角和最小二乘法的三轴磁传感器标定方法，无需大型设备辅助，成本低，计算量小，标定方法操作简单方便，能在只具备磁传感器测量值和载体姿态角的情况下，对磁传感器的零偏进行标定。

本发明提供的基于磁航向角和最小二乘法的三轴磁传感器标定方法，所应用的磁传感器安装在载体内，磁传感器的安装点位于载体的质心，磁传感器的敏感方向与载体坐标系的三轴指向相同；测得载体姿态角和获得测量地点的磁偏角后，根据航向角是磁航向角与磁偏角的代数和这一原理，利用最小二乘法和相关数据对三轴磁传感器各轴的零偏进行拟合标定。本发明方法包括如下步骤：

步骤一：由于只对磁传感器的零偏进行标定，所以构建磁传感器误差模型如下：

其中为磁传感器的测量值；为三轴磁传感器的零偏向量；为磁场的真实值，是对测量值零偏标定后的值。

步骤二：采集或计算得出载体的姿态角；

姿态角包括：航向角俯仰角θ，和滚转角γ。若载体上安装有惯性导航系统，通过惯性导航系统直接测量载体的姿态角。针对不存在俯仰角时，采用一个近似方法计算俯仰角。针对航向角不变的行驶区域，根据载体的高度变化和行驶距离计算载体的俯仰角。由GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)可以测量得到载体的高程和UTM(Universal Transverse Mercator Grid System，通用横墨卡托格网系统)坐标。由里程计可以得到载体的行驶里程信息。