[发明专利]航空器挂载式磁通门磁梯度张量仪的校正方法

摘要

本发明涉及一种航空器挂载式磁通门磁梯度张量仪的校正方法，一建立单个磁通门误差模型，二建立磁梯度张量分量误差校正模型，三在高空中磁场均匀的区域采集校正数据，四将上述张量分量的误差校正，五在地面磁场不均匀的区域采集校正数据，六求解张量分量的标度因子误差，七结合高空校正和地面校正所获得校正系数，八完整计算校正后的磁梯度张量。本发明的校正算法与现有的航空磁场梯度张量校正算法相比，不仅仅对单个张量分量进行校正，还包含了张量作为一个整体的校正，从而使得张量分量和整体的校正结果更加准确，同时其应用条件更符合实际的航空磁梯度张量探测区域的地质条件。

主权项

1.一种航空器挂载式磁通门磁梯度张量仪的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立单个磁通门误差模型：把惯性导航系统和磁通门张量仪进行刚性连接，并把各个磁通门传感器坐标系x,y,z轴分别向惯性导航坐标系的x,y,z轴方向对齐，则单个磁通门误差模型为：式中：F为标度因子误差矩阵；E为非正交误差矩阵；R为零位误差矢量；M为磁通门坐标系与惯性导航坐标系非对准误差矩阵；Dj为磁通门测量值对时间的j阶导数的描述，即动态特性描述矩阵；T为磁通门在自身测量坐标系下的实测值；B为磁通门在惯导坐标系下的真实磁场值；Φ为磁通门的测量噪声；每个误差矩阵或矢量的具体表达式如下：(1)标度因子误差矩阵：其中Sx,Sy,Sz表示磁通门感应轴的标度因子误差，(2)非正交误差矩阵：假设实际磁通门坐标系x轴与理想磁通门坐标系x轴的方向一致，ρ为实际磁通门坐标系y轴与理想磁通门坐标系y轴的夹角；为实际磁通门坐标系z轴与理想磁通门坐标系z轴的夹角在磁通门xoz平面上的投影；λ为实际磁通门坐标系z轴与理想磁通门坐标系z轴的夹角在磁通门yoz平面上的投影，(3)非对准误差矩阵：式中cα＝cosα，cβ＝cosβ，cγ＝cosγ，sα＝sinα，sβ＝sinβ，sγ＝sinγ,α、β和γ分别为实际磁通门坐标系相对惯导坐标系，绕实际磁通门坐标系x轴,y轴和z轴的非对准角，当非对准角非常小的时候将非对准误差矩阵近似表示为：(4)零位误差矢量：式中μx,μy,μz分别为磁通门三个轴分别存在的零位误差，(5)动态特性描述矩阵：当磁通门由一阶系统描述时取j＝1，D1为一阶导数前面的系数矩阵，将上述三轴磁通门的误差模型改写为校正模型：式中：C0为T第0阶导数的校正参数矩阵；Cj为Τ第j阶导数的校正参数矩阵；O为零位误差校正矢量；bx,by,bz分别表示磁通门在惯性导航坐标系x,y,z轴上的磁场值，则磁通门中单个磁场分量误差校正模型表示为：式中：u表示x,y,z中一个轴，Pu0为矩阵C0中对应bu的行向量校正参数；Quj为矩阵Cj中对应bu的行向量校正参数；Ou为总偏差矢量On中对应bu的校正参数；步骤二、建立磁梯度张量分量误差校正模型：磁场沿x,y,z三个方向的二阶导数构成磁梯度张量G，尽管G有九个分量，由于在不包括场源的域内，磁场的散度和旋度为0，即对称，且迹为0，故只有五个分量是独立的，表示为：磁通门张量仪由不同方式构建，主要有十字、四方体和三角形结构，但都是利用差分近似微分的方式来表示磁梯度张量G的各个分量，以十字型结构为例，在惯性导航坐标系下，张量分量表示方式为：式中：m,n表示磁通门标号，取1,2,3,4；u,v都代表坐标轴的方向，取x,y,z；guv为惯性导航坐标系下某个张量分量；ΔBu为惯性导航坐标系下沿u轴方向的磁场变化量；Δsv表示磁通门n与磁通门m之间的基线距离，将所述张量分量误差模型改写为：式中：Ouv为张量分量guv的总偏置误差；步骤三、在高空中磁场均匀的区域采集校正数据：将磁通门磁梯度张量仪挂载到航空器直升机下方较远处，航空器飞行到高空，然后以方形，八字形多种轨迹进行正常飞行，张量仪采集不同姿态下带误差的磁场测量数据；步骤四、因为高空中地球磁场的梯度近似为0，设张量分量guv误差模型中磁通门n中沿u轴方向测量值前面的校正参数为puv，将上述张量分量的误差校正模型改写为：故式(13)中有一个测量值的校正参数为1，这样以此项测量值为已知值，对式(13)列写线性方程组，通过最小二乘拟合方法解算线性方程组，获得式(13)中的各项参数，此时解算出各个磁梯度张量分量误差模型中参数的相对量，步骤五、在地面磁场不均匀的区域采集校正数据：在地面上有磁梯度的区域，把张量仪的传感器部分绕其中心点进行旋转，记录此过程的测量值；步骤六、以不变量进行约束，求解张量分量的标度因子误差：将高空校正之后所获得的各项校正系数重新带入到公式(13)中，获得各个张量分量的相对量值，表达为：由于式(1)中误差矩阵的数值并不相同，因此每个分量所对应的p_uv也各不相同，故此时的张量分量认为存在张量分量标度因子误差，张量的不变量之一C_T，由即张量缩并运算获得，其特性是在坐标旋转时，一直保持值不变，当张量分量存在标度因子误差时，旋转时所获得的C_T会形成明显的波动，因此旋转过程中C_T用来校正张量分量的标度因子误差，把张量分量的校正模型重新表达为：则张量不变量校正模型表达为：将公式(16)中的p_uv都取为1，计算出此时的C_T值并进行平均处理，最后，C_T的平均值和作为公式(16)中已知量，采用广义最小二乘拟合估计出p_uv；步骤七、结合高空校正获得的各项系数，求得每个张量分量的最终校正参数：Pnu0,Pmu0,Qnuj,Qmuj,Ouv；步骤八、将三轴磁通门磁场测量值和校正参数输入到磁梯度张量分量校正模型中，计算校正后的磁梯度张量。