專利名稱：基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法
技術領域：
本發明涉及一種對數字磁羅盤的標定，更特別地說，是指一種在有磁環境(磁場干擾)下采用地磁模型對數字磁羅盤進行的在線標定方法。該標定方法不受標定環境限制，標定步驟簡單。
背景技術：
數字磁羅盤由于其在成本、性能、體積和精度等方面的優勢，目前被廣泛的應用在磁航向測量系統中，并且還應用在與慣導系統相結合的組合導航中，修正慣導系統計算的航向誤差，進一步提高導航系統的航向精度。
數字磁羅盤測量載體航向角的基準是磁子午線(即地球磁經線)。當數字磁羅盤安裝在載體上時，由于載體周圍存在的鐵磁材料的影響，使得數字磁羅盤所在位置的磁場方向與地磁場的方向不一致，引起航向測量誤差，這種誤差的影響包括硬磁材料和軟磁材料的影響。硬磁材料相當于永久磁鐵，它的磁場強度在某一固定環境中可以認為是不變的，由于數字磁羅盤一般體積較小，可以認為硬磁材料對磁羅盤的各個測量軸產生固定偏值的影響，該影響隨著與硬磁材料的距離的減小而增加。軟磁材料本身不產生磁場，當被環境磁場磁化后產生干擾磁場對磁羅盤的測量產生影響，在磁羅盤各軸上產生的誤差分量不固定。
目前常用的磁羅盤標定方法是將磁羅盤在無磁環境下進行測量來標定磁羅盤三個軸的磁偏置，并將消除磁偏置的測量值作為真實的測量值，對在有磁環境下的測量值進行修正。這種方法可以有效的消除硬磁材料的影響，但標定環境要求苛刻，一般實驗環境難以滿足，因此標定實驗很難完成。同時，這種方法不能消除軟磁材料的影響，在實際使用中，往往通過數據處理方法來消除軟磁材料對磁場的影響。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法，該在線標定方法采用地磁模型計算出載體在八位置下的磁通量，對于待標定磁羅盤在八位置下的磁通量須經FIR濾波處理；采用磁航向計算方法分別得到載體磁航向角ψ地、待標定磁羅盤磁航向角ψ待標定，然后采用橢球假設補償法消除磁航向角之間的差值Δψ獲得標定軟磁模型參數C1和硬磁模型參數C2，且H地＝C1·H待標定+C2。本標定方法能夠在存在有磁場干擾條件下對數字磁羅盤進行標定。
本發明的一種基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法，其數字磁羅盤標定包括有下列處理單元地磁模型的磁通量獲取單元11、待標定磁羅盤磁通量獲取單元21、載體磁航向角獲取單元12、待標定磁航向角獲取單元22、磁航向比較單元1和橢球假設補償單元2。
本發明的基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法的優點是(1)對數字磁羅盤的標定不受標定環境限制，可以直接在數字磁羅盤的使用環境中進行標定，也可以在數字磁羅盤出廠前進行標定。(2)對數字磁羅盤的標定過程簡單，容易操作，計算速度快。(3)運用八位置的磁通量作為修正數據源，可以隨時根據環境變化計算數字磁羅盤誤差補償模型中的補償參數，從而保證了修正精度。(4)采用橢球假設補償法消除磁航向角誤差，能夠消除硬磁材料和軟磁材料對數字磁羅盤的測量值的影響。(5)該標定方法可以在數字磁羅盤使用過程中實時在線進行標定，消除環境變化對數字磁羅盤計算磁航向的影響。
圖1是本發明對數字磁羅盤進行的標定結構框圖。
圖2是空間八位置的坐標示意圖。
圖3是經本發明標定后的數字磁羅盤的磁航向角測量誤差曲線圖。
具體實施例方式 下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
本發明的一種基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法，是為了解決難以滿足無磁環境標定的要求而提出的。該在線標定方法可以在實際使用環境對磁羅盤進行實時標定，能夠消除硬磁材料和軟磁材料造成的磁環境干擾，修正后精度較高，可以滿足數字磁羅盤測量精度的要求，并且標定過程操作簡單。
參見圖1所示，本發明的一種基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定包括有下列處理單元，地磁模型的磁通量獲取單元11、待標定磁羅盤磁通量獲取單元21、載體磁航向角獲取單元12、待標定磁航向角獲取單元22、磁航向比較單元1和橢球假設補償單元2； 基于地磁模型的磁通量獲取單元11根據載體所在位置(飛機所在空間飛行位置)的經度a，緯度l和高度h采用地磁模型計算出空間八位置(如圖2所示)下載體的X軸、Y軸、Z軸磁通量，從而獲取載體磁通量H地，即
載體磁航向角獲取單元12采用磁航向計算方法對接收的H地進行解算處理，得到載體磁航向角ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]輸出給磁航向比較單元1。
待標定磁羅盤磁通量獲取單元21采用在空間八位置(如圖2所示)下分別對待標定磁羅盤的X′軸、Y′軸、Z′軸進行磁通量測量，從而獲得待標定磁羅盤的磁通量
并采用有限沖擊響應(FIR)數字濾波器對磁通量
進行濾波處理，得到濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定，即
待標定磁航向角獲取單元22采用磁航向計算方法對接收的H待標定進行解算處理，得到待標定磁羅盤磁航向角
輸出給磁航向比較單元1。
磁航向比較單元1對接收的ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]、
進行差值比較獲得磁航向角誤差Δψ，即Δψ＝|ψ待標定-ψ地|。
橢球假設補償單元2采用橢球假設補償法對接收的Δψ進行消除誤差處理，分別得到待標定磁羅盤的標定軟磁模型參數C1和硬磁模型參數C2，即C2＝{bx，by，bz}。
在本發明中，軟磁標定模型參數C1與濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定的乘積再與硬磁模型參數C2相加等于濾波后的載體磁通量H地，即得到待標定磁羅盤所需的標定模型H地＝C1·H待標定+C2。
采用本發明的標定模型H地＝C1·H待標定+C2標定后的數字磁羅盤計算量明顯減少，因此有效地提高了數字磁羅盤中處理器的處理速度。
本發明的一種基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法，包括有下列標定步驟 步驟一獲取地磁模型下的載體磁通量H地 根據載體所在位置的經度a，緯度l和高度h采用地磁模型計算出空間八位置(如圖2所示)下載體的X軸、Y軸、Z軸磁通量，從而獲取載體磁通量
式中， X1表示載體在空間八位置中的第一位置下的X軸磁通量， X2表示載體在空間八位置中的第二位置下的X軸磁通量， X8表示載體在空間八位置中的第八位置下的X軸磁通量， Y1表示載體在空間八位置中的第一位置下的Y軸磁通量， Y2表示載體在空間八位置中的第二位置下的Y軸磁通量， Y8表示載體在空間八位置中的第八位置下的Y軸磁通量， Z1表示載體在空間八位置中的第一位置下的Z軸磁通量， Z2表示載體在空間八位置中的第二位置下的Z軸磁通量， Z8表示載體在空間八位置中的第八位置下的Z軸磁通量； 在本發明中，所述地磁模型是包括有國際地磁參考場模型(IGRF)和區域地磁模型相關參數的一處理軟件。通過該軟件能夠對載體已知經度a，緯度l和高度h的條件下，而得到磁通量。
步驟二獲取濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定 采用在空間八位置(如圖2所示)下分別對待標定磁羅盤的X′軸、Y′軸、Z′軸進行磁通量測量，從而獲得待標定磁羅盤的磁通量
并采用有限沖擊響應(FIR)數字濾波器對磁通量
進行濾波處理，得到濾波后的待標定磁羅盤磁通量
式中，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第一位置下經濾波后的X′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第二位置下經濾波后的X′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第八位置下經濾波后的X′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第一位置下經濾波后的Y′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第二位置下經濾波后的Y′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第八位置下經濾波后的Y′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第一位置下經濾波后的Z′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第二位置下經濾波后的Z′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第八位置下經濾波后的Z′軸磁通量； 步驟三獲取載體磁航向角ψ地 對步驟一得到的載體磁通量H地采用磁航向計算方法處理得到載體磁航向角ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]， ψ1表示載體在空間八位置中的第一位置下的磁航向角， ψ2表示載體在空間八位置中的第二位置下的磁航向角， ψ8表示載體在空間八位置中的第八位置下的磁航向角； 在本發明中，磁航向計算方法是依據“三軸磁羅盤高精度誤差補償算法研究”中公開的公式3和公式4相結合進行的磁航向計算。該“三軸磁羅盤高精度誤差補償算法研究”于2005.9公開在“傳感器世界”上。
步驟四獲取待標定磁羅盤磁航向角ψ待標定 對步驟二得到的濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定采用磁航向計算方法處理得到待標定磁羅盤磁航向角
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第一位置下的磁航向角，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第二位置下的磁航向角，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第八位置下的磁航向角； 步驟五獲取待標定磁羅盤的磁航向角誤差Δψ 將步驟四獲得的待標定磁羅盤磁航向角ψ待標定與步驟三獲得的載體磁航向角ψ地進行差值比較，得到待標定磁羅盤的磁航向角誤差Δψ＝|ψ待標定-ψ地|。
步驟六獲取待標定磁羅盤的標定軟磁模型參數C1和硬磁模型參數C2 采用橢球假設補償法對步驟五中獲得的待標定磁羅盤的磁航向角誤差Δψ進行誤差消除處理，得到待標定磁羅盤的標定軟磁模型參數C1和硬磁模型參數C2；該軟磁標定模型參數C1與濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定的乘積再與硬磁模型參數C2相加等于濾波后的載體磁通量H地，即得到本發明所需進行標定的數字磁羅盤的標定模型H地＝C1·H待標定+C2。
軟磁標定模型參數 硬磁模型參數C2＝{bx，by，bz}。
其中，Cxx表示在待標定磁羅盤的X軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤X軸上的磁通量，簡稱X軸對X軸磁通量的修正參數。
Cxy表示在待標定磁羅盤的X軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Y軸上產生的磁通量，簡稱Y軸對X軸磁通量的修正參數。
Cxz表示在待標定磁羅盤的X軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Z軸上產生的磁通量，簡稱Z軸對X軸磁通量的修正參數。
Cyx表示在待標定磁羅盤的Y軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤X軸上產生的磁通量，簡稱X軸對Y軸磁通量的修正參數。
Cyy表示在待標定磁羅盤的Y軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Y軸上產生的磁通量，簡稱Y軸對Y軸磁通量的修正參數。
Cyz表示在待標定磁羅盤的Y軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Z軸上產生的磁通量，簡稱Z軸對Y軸磁通量的修正參數。
Czx表示在待標定磁羅盤的Z軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤X軸上產生的磁通量，簡稱X軸對Z軸磁通量的修正參數。
Czy表示在待標定磁羅盤的Z軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Y軸上產生的磁通量，簡稱Y軸對Z軸磁通量的修正參數。
Czz表示在待標定磁羅盤的Z軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Z軸上產生的磁通量，簡稱Z軸對Z軸磁通量的修正參數。
bx表示在待標定磁羅盤的X軸磁通量中消除硬磁材料產生的磁通量。
by表示在待標定磁羅盤的Y軸磁通量中消除硬磁材料產生的磁通量。
bz表示在待標定磁羅盤的Z軸磁通量中消除硬磁材料產生的磁通量。
在本發明中，所述橢球假設補償法的消除處理可以參考“具有自動誤差補償功能的智能磁航向系統”文獻中公開了3.3節的介紹，該文獻發表于2002年第21卷第12期的傳感器技術(Journal of Transducer Technology)上。
實施例 將經本發明標定后的數字磁羅盤安裝在一飛機上，若飛機在高空1000m、速度300km/h飛行時，依次在空間八位置下進行磁通量測量，飛行情況如圖3所示，從飛行情況上分析得到，經本發明標定后的數字磁羅盤使得飛機飛行航向定位精度在-1.5～+2度范圍內。
關于本發明所指的空間八位置的坐標簡示如圖2所示，針對每一位置的說明如下表
權利要求
1、一種基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法，其特征在于有下列標定步驟
步驟一獲取地磁模型下的載體磁通量H地
根據載體所在位置的經度a，緯度l和高度h采用地磁模型計算出空間八位置下載體的X軸、Y軸、Z軸磁通量，從而獲取載體磁通量
式中，
X1表示載體在空間八位置中的第一位置下的X軸磁通量，
X2表示載體在空間八位置中的第二位置下的X軸磁通量，
X8表示載體在空間八位置中的第八位置下的X軸磁通量，
Y1表示載體在空間八位置中的第一位置下的Y軸磁通量，
Y2表示載體在空間八位置中的第二位置下的Y軸磁通量，
Y8表示載體在空間八位置中的第八位置下的Y軸磁通量，
Z1表示載體在空間八位置中的第一位置下的Z軸磁通量，
Z2表示載體在空間八位置中的第二位置下的Z軸磁通量，
Z8表示載體在空間八位置中的第八位置下的Z軸磁通量；
步驟二獲取濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定
采用在空間八位置下分別對待標定磁羅盤的X′軸、Y′軸、Z′軸進行磁通量測量，從而獲得待標定磁羅盤的磁通量
并采用有限沖擊響應數字濾波器對磁通量
進行濾波處理，得到濾波后的待標定磁羅盤磁通量
式中，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第一位置下經濾波后的X′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第二位置下經濾波后的X′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第八位置下經濾波后的X′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第一位置下經濾波后的Y′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第二位置下經濾波后的Y′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第八位置下經濾波后的Y′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第一位置下經濾波后的Z′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第二位置下經濾波后的Z′軸磁通量，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第八位置下經濾波后的Z′軸磁通量；
步驟三獲取載體磁航向角ψ地
對步驟一得到的載體磁通量H地采用磁航向計算方法處理得到參考磁羅盤磁航向角ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]，
ψ1表示載體在空間八位置中的第一位置下的磁航向角，
ψ2表示載體在空間八位置中的第二位置下的磁航向角，
ψ8表示載體在空間八位置中的第八位置下的磁航向角；
步驟四獲取待標定磁羅盤磁航向角ψ待標定
對步驟二得到的濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定采用磁航向計算方法處理得到待標定磁羅盤磁航向角
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第一位置下的磁航向角，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第二位置下的磁航向角，
表示待標定磁羅盤在空間八位置中的第八位置下的磁航向角；
步驟五獲取待標定磁羅盤的磁航向角誤差Δψ
將步驟四獲得的待標定磁羅盤磁航向角ψ待標定與步驟三獲得的載體磁航向角ψ地進行差值比較，得到待標定磁羅盤的磁航向角誤差Δψ＝|ψ待標定-ψ地|；
步驟六獲取標定軟磁模型參數C1和硬磁模型參數C2
采用橢球假設補償法對步驟五中獲得的待標定磁羅盤的磁航向角誤差Δψ進行誤差消除處理，得到待標定磁羅盤的標定軟磁模型參數C1和硬磁模型參數C2；軟磁標定模型參數硬磁模型參數C2＝{bx，by，bz}；
Cxx表示在待標定磁羅盤的X軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤X軸上的磁通量，簡稱X軸對X軸磁通量的修正參數，
Cxy表示在待標定磁羅盤的X軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Y軸上產生的磁通量，簡稱Y軸對X軸磁通量的修正參數，
Cxz表示在待標定磁羅盤的X軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Z軸上產生的磁通量，簡稱Z軸對X軸磁通量的修正參數，
Cyx表示在待標定磁羅盤的Y軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤X軸上產生的磁通量，簡稱X軸對Y軸磁通量的修正參數，
Cyy表示在待標定磁羅盤的Y軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Y軸上產生的磁通量，簡稱Y軸對Y軸磁通量的修正參數，
Cyz表示在待標定磁羅盤的Y軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Z軸上產生的磁通量，簡稱Z軸對Y軸磁通量的修正參數，
Czx表示在待標定磁羅盤的Z軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤X軸上產生的磁通量，簡稱X軸對Z軸磁通量的修正參數，
Czy表示在待標定磁羅盤的Z軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Y軸上產生的磁通量，簡稱Y軸對Z軸磁通量的修正參數，
Czz表示在待標定磁羅盤的Z軸磁通量中消除軟磁材料在待標定磁羅盤Z軸上產生的磁通量，簡稱Z軸對Z軸磁通量的修正參數，
bx表示在待標定磁羅盤的X軸磁通量中消除硬磁材料產生的磁通量，
by表示在待標定磁羅盤的Y軸磁通量中消除硬磁材料產生的磁通量，
bz表示在待標定磁羅盤的Z軸磁通量中消除硬磁材料產生的磁通量；
該軟磁標定模型參數C1與濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定的乘積再與硬磁模型參數C2相加等于濾波后的載體磁羅盤磁通量H地，即得到本發明所需進行標定的數字磁羅盤的標定模型H地＝C1·H待標定+C2。
2、根據權利要求1所述的基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法，其特征在于數字磁羅盤在線標定包括有下列處理單元地磁模型的磁通量獲取單元(11)、待標定磁羅盤磁通量獲取單元(21)、載體磁航向角獲取單元(12)、待標定磁航向角獲取單元(22)、磁航向比較單元(1)和橢球假設補償單元(2)；
地磁模型的磁通量獲取單元(11)根據載體所在位置的經度a，緯度l和高度h采用地磁模型計算出空間八位置下載體的X軸、Y軸、Z軸磁通量，從而獲取載體磁通量H地，即
載體磁航向角獲取單元(12)采用磁航向計算方法對接收的H地進行解算處理，得到參考磁羅盤磁航向角ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]輸出給磁航向比較單元(1)；
待標定磁羅盤磁通量獲取單元(21)采用在空間八位置下分別對待標定磁羅盤的X′軸、Y′軸、Z′軸進行磁通量測量，從而獲得待標定磁羅盤的磁通量
并采用有限沖擊響應數字濾波器對磁通量
進行濾波處理，得到濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定，即
待標定磁航向角獲取單元(22)采用磁航向計算方法對接收的H待標定進行解算處理，得到待標定磁羅盤磁航向角
輸出給磁航向比較單元(1)；磁航向比較單元(1)對接收的ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]、
進行差值比較獲得磁航向角誤差Δψ，即Δψ＝|ψ待標定-ψ地|；
橢球假設補償單元(2)采用橢球假設補償法對接收的Δψ進行消除誤差處理，分別得到待標定磁羅盤的標定軟磁模型參數C1和硬磁模型參數C2，即C2＝{bx，by，bz}；
所述軟磁標定模型參數C1與濾波后的待標定磁羅盤磁通量H待標定的乘積再與硬磁模型參數C2相加等于濾波后的載體磁羅盤磁通量H地，即得到待標定磁羅盤所需的標定模型H地＝C1·H待標定+C2。
全文摘要
本發明公開了一種基于地磁模型的數字磁羅盤在線標定方法，是為了解決難以滿足無磁環境標定的要求而提出的。該數字磁羅盤標定包括有地磁模型的磁通量獲取單元(11)、待標定磁羅盤磁通量獲取單元(21)、載體磁航向角獲取單元(12)、待標定磁航向角獲取單元(22)、磁航向比較單元(1)和橢球假設補償單元(2)。本發明采用磁航向計算方法分別得到載體磁羅盤磁航向角ψ地、待標定磁羅盤磁航向角ψ待標定，然后采用橢球假設補償法消除磁航向角之間的差值Δψ獲得標定軟磁模型參數C1和硬磁模型參數C2，且H地＝C1·H待標定+C2。本標定方法能夠在存在有磁場干擾條件下對數字磁羅盤進行標定。
文檔編號G01C17/38GK101393023SQ20081022571
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月7日 優先權日2008年11月7日
發明者立 富, 娟 李, 王玲玲 申請人:北京航空航天大學