[發明專利]基于磁航向角和最小二乘法的三軸磁傳感器標定方法

有效

• 申請號: 202110109296.0
• 申請日: 2021-01-27
• 公開（公告）號: CN112833917B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 張海;范錦蓉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01R35/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 祗志潔

本發明公開了一種基于磁航向角和最小二乘法的三軸磁傳感器標定方法。本發明方法中，磁傳感器安裝在載體內，安裝點位于載體質心，磁傳感器的敏感方向與載體坐標系的三軸指向相同；使用慣性導航系統采集獲得載體的姿態角；利用相關儀器或者查閱資料獲得測量地點的磁偏角；根據航向角是磁航向角與磁偏角的代數和這一原理，利用最小二乘法和磁傳感器測量數據對三軸磁傳感器各軸的零偏進行擬合標定。本發明解決了在只具備磁傳感器測量值和載體姿態角的情況下，對磁傳感器的零偏進行標定的需求，無需大型設備輔助，無需建立復雜模型，能有效減少標定所需數據量和計算量，操作簡單方便。

技術領域

本發明涉及磁傳感器標定技術領域，尤其涉及一種基于磁航向角和最小二乘法的三軸磁傳感器標定方法。

背景技術

地磁場是地球連續分布的穩定物理場，是一種非常理想的參考基準。地磁場本身是一個矢量場，在地球近地范圍內的所有點都有獨屬于自身的地磁強度，不同位置的地磁場強度的大小、方向等均不同。在地球上，大約98％的區域都可以利用地磁導航進行定位。并且，地磁導航具有無源、無輻射、抗干擾、全天時、全天候、體積小、能耗低等優點，所以，地磁導航正作為一種新興的導航方式進入世界各國的研究范圍。而作為地磁場最重要的測量儀器——磁傳感器，其精度在極大程度上決定了地磁導航的精度，因此，對磁傳感器進行精確的標定具有極高的應用需求。

磁傳感器的測量值往往包含各種誤差，磁傳感器本身的誤差主要包括偏置誤差、尺度因子誤差、以及由于測量軸的非正交而造成的測量誤差等。另外，還包括外界環境造成的磁場干擾誤差，主要包括磁傳感器安裝位置周圍的硬磁以及軟磁造成的測量偏差，以及測量白噪聲等。

磁力計的測量精度會受到環境的影響，所以有必要在現場重新標定。傳統標定方法通常需要無磁的環境和設備，這在標定現場無法實現。同時，傳統的標定過程中需要利用更高精度的磁力儀，例如質子磁力儀等來獲得磁場“真值”，并在此基礎上利用各種方法計算出磁力儀的誤差模型系數，但這在器材缺乏的現場也是無法實現的。目前現有技術中也對磁傳感器的標定僅是簡單地對其測量輸出進行處理，如求均值或濾波處理，或者僅采用器件手冊上磁傳感器的標稱誤差對其進行補償，因此測量誤差來源散布較大，進而導致標定以后的測量值仍與真實值之間差距較大。因此，迫切需要提出一種能夠有效標定磁傳感器的標定方法，能在缺少實驗設備、環境復雜的測量現場對磁力計進行快速有效的標定。

發明內容

本發明針對上述問題和需求，提供了一種基于磁航向角和最小二乘法的三軸磁傳感器標定方法，無需大型設備輔助，成本低，計算量小，標定方法操作簡單方便，能在只具備磁傳感器測量值和載體姿態角的情況下，對磁傳感器的零偏進行標定。

本發明提供的基于磁航向角和最小二乘法的三軸磁傳感器標定方法，所應用的磁傳感器安裝在載體內，磁傳感器的安裝點位于載體的質心，磁傳感器的敏感方向與載體坐標系的三軸指向相同；測得載體姿態角和獲得測量地點的磁偏角后，根據航向角是磁航向角與磁偏角的代數和這一原理，利用最小二乘法和相關數據對三軸磁傳感器各軸的零偏進行擬合標定。本發明方法包括如下步驟：

步驟一：由于只對磁傳感器的零偏進行標定，所以構建磁傳感器誤差模型如下：

其中為磁傳感器的測量值；為三軸磁傳感器的零偏向量；為磁場的真實值，是對測量值零偏標定后的值。

步驟二：采集或計算得出載體的姿態角；

姿態角包括：航向角俯仰角θ，和滾轉角γ。若載體上安裝有慣性導航系統，通過慣性導航系統直接測量載體的姿態角。針對不存在俯仰角時，采用一個近似方法計算俯仰角。針對航向角不變的行駛區域，根據載體的高度變化和行駛距離計算載體的俯仰角。由GNSS(Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統)可以測量得到載體的高程和UTM(Universal Transverse Mercator Grid System，通用橫墨卡托格網系統)坐標。由里程計可以得到載體的行駛里程信息。