專利名稱：確定地磁場方向的方法
技術領域：
本發明涉及一種采用一個包括三個磁場傳感器和兩個傾斜采集設備的電子磁針羅盤確定可以受到與儀表固定的磁性材料和若干電流磁場干擾的地磁場方向的方法。
在US4 686 772中公開了一種例如能夠確定裝甲車行駛方向的電子磁針羅盤。裝甲車具有兩個鐵制物體，即炮塔和車體，它們相互可以繞垂直軸轉動。磁針羅盤安裝在車體上，并且包括一個不擺動的三軸磁力計。此磁力計給出表示磁力計所在部件的三個磁場分量的電磁信號。配置了兩個傾角傳感器，它們給出表示具有傾角傳感器的車體的抑角和滾動角的電信號。此外，角度測量設備給出一個表示兩個鐵制物體之間的角度的轉角信號。在一個存儲中存儲著多個預先校準過的修正系數，這些修正系數應修正由車輛感應的磁場對磁力計對兩個鐵制物體之間的轉角測量的影響。借助于一個計算機由電磁場信號和傾角傳感器信號實時計算裝甲車行駛方向，這些信號通過儲存的修正系數對相應的轉角已進行了修正。
在能夠應用所述磁針羅盤之前有必要進行校準測量。這里此車輛置于至少兩個不同的、相互之間不平行的平面上。在這些部位上在車位不同的排列但是在裝甲炮塔相對相同的排列下進行方位角、抑角和滾動角的測量。為了能夠測量這些角度，例如需要一個經緯儀、在校準時假定在測量部位的地磁場是已知的。這里由卡片材料可以獲得相應測量部位地磁場的磁傾角和磁偏角的數值。
在US4 539 760中描述了一個具有三個磁傳感器的電子磁針羅盤。這些傳感器對包括地磁場和一個附加的與車輛有關的干擾場的磁場的三個正交分量作出反應。這些磁傳感器產生與這些分量相應的電信號。此外，若干傾角傳感器對車輛與水平平面的傾斜角作出反應。采用一個數據處理設備和一個存儲器存儲這些作為校準修正值的、由測量傳感器導出的信號，如果車輛為了磁針羅盤的校準而轉動了一個圓。為了避免干擾磁場的影響，數據處理設備在校準過程結束后，在考慮到校準修正值的情況下計算在車輛所在部位地磁場的修正值，然后由這些修正值出發在應用用于確定地平線的傾角傳感器數值的情況下計算車輛行駛方向的方位。在計算時由修正矩陣是對稱的這一點出發，盡管這只是在非常的情況下才能出現的。
本發明的任務在于給出一種采用電子磁針羅盤確定地磁場方向的比較簡單的方法。
按照本發明此項任務是按照權利要求1所述特征加以解決的。
本發明的進一步發展在各項從屬權利要求中作了闡述。
以有利的方式按照本發明此方法不要求采用附加的測量儀器進行特定的校準測量。此外，在電子磁針羅盤中也無需特定數據的輸入，以便于在應用中進行推廣。唯一需要的是將此磁針羅盤置于若干不同的任何空間位置。在每一個空間位置優先確定三個磁場分量。這些磁場分量可以相互正交，如果提出這種要求的話。但是這并不是一定要這么作的。借助于在每個空間位置附加測量的傾斜值、即傾角和滾動角、可以由相應的磁場分量中確定地場實際磁場矢量的方向。
本發明方法不要求電子磁針羅盤在安裝前必須進行校準。采用本發明方法不僅考慮到了干擾磁場，而且還考慮到了制造容差以及各個傳感器具有不同的靈敏度等。此外，有必要采用一個在出廠前已由廠家校準的磁針羅盤。
在本發明方法中和用了以下事實，即在萬有引力矢量和地磁場矢量之間的偏角在相應的固定部位均與系統的瞬時位置無關而保持恒定值。
所給出的附圖是為了便于理解本發明
圖1示出了電子磁針羅盤和軟磁和磁磁干擾場發生器的一個裝置的示意圖；圖2示出與測量地磁場相關的矢量。
波松早在19世紀末就探討了這個問題，即如何確定實際存在的磁場，如果在系統中放置了一個磁力針，而它本身具有磁場分量。描述這一情況的波松方程指出，在這樣一種情況下所測量的磁場是實際存在場的一個線性函數，它涉及到一個仿射性圖象。在這方面請參閱上述US4686 772第2部分第26至30行。
對于一般情況可以說所測量的磁場是由測量位置被軟磁失真了的地磁場和一個硬磁分量構成的。在被軟磁失真了的地磁場中涉及到一個通過地磁場感應的磁性。硬磁分量包括例如通過永磁鐵或在系統中的若干電流產生在磁力計部位恒定的磁場。硬磁分量不受外部場改變的影響。
在數學上上述波松方程稍加變更后可以表示為bgem＝MbE+bo＝bE+ΔMbE+bo(1)其中bgem＝所測量的磁場矢量bE＝在測量部位實際的地磁場分量ΔM＝軟磁場失真，就是說通過地磁場感應的磁性，其中M＝I+ΔM；I＝單位矩陣bo＝硬磁分量以上公式以及下面的表達式中矢量和矩陣用黑體符號表示。這些矢量一般是參照一個笛卡兒系統。矩陣一般涉及至3×3矩陣。
在圖1中的示意圖表示在儀器中安裝了磁針羅盤DMC，在此儀器中作為硬磁干擾器的永磁鐵與軟磁材料相互作用并且影響DMC的測量值。在圖2中示出與地磁場測量有關的矢量及其在水平面上的投影。在固定安裝在車輛上的磁針羅盤中目標方向相當于行駛方向。
電子磁針羅盤具有三個磁場傳感器和兩個傾斜傳感器，其中，前者確定三個磁場分量，這些磁場分量不必相互正交。
永磁鐵和若干電流在磁場傳感器部位產生一個固定場，此固定場表示由磁場分量形成的坐標系統的零點偏移。
軟磁材料由已存在的場在行駛方向產生一個減弱或加強了的場以及在與其垂直方向產生附加的場分量。這可以看作是場方向X、Y和Z的“串擾”。
如果觀察一個磁力針，此磁力計具有三個不同靈敏度的三個非正交磁場傳感器和零點偏移，例如一個由廠家提供的未經校準的“原始”磁力計，則也可以得出上述相同的方程式。
采用這樣一個“原始”磁力針進行磁場測量在數學上可以以如下方式表示bgem，i＝fieibEi十oi；i＝x，y，z其中fi為增強，ei為測量方向，即單位矢量，oi為I-傳感器的分支。
如果寫成fiei＝(Mi1，Mi2，Mi3)和oi＝boi，則可以重新得到以上方程(1)。
為了確定實際地磁場的大小，有必要從上面給出的矢量式(1)中解出bE。
通過轉換和減法得出bE＝M-1(boem-bo)＝m(bgem-bo) (2)其中m＝M-1。
為由方程(1)、(2)中確定未知量M或m＝M-1以及bo可以采用上述US4 686 772中公開了的求解途徑。在此文獻中的出發點是在測量的磁場矢量bgem中每一次還清楚的知道地磁場矢量bE。矢量方程(1)和(2)相應表示未知的Mij以及mij和boi的一個線性方程線。通過至少在4個不同幾何位置的測量在已知地磁場情況下可以借助于求解線性方程組的基本方程直接求得Mij和boi。
在上述US4 539 760中給出的結果是從以下事實出發的，即地磁場的值與磁力計所在部位不相關。如果正確的確定了mij和bo，則可以得出地磁場矢量bE，此矢量在磁力計的每一個部位均具有相同的長度。于是求得const＝bE2＝bETbE＝(bgem-bo)TmTm(boem-bo)＝(bgem-bo)TU(bgem-bo)(3)其中UT＝U，這意味著U是一個對稱矩陣。
const為恒定值。
由此不難看出，由此方程(3)只能計算所求矩陣m的乘積U＝mTm。只有假定此矩陣是對稱的并且假定對角線為正時才能計算此矩陣的各項。第一種假定只有在很少的情況下才能出現，因為有可能意味著是一個軟磁對稱，這種對稱在技術設備中，例如在車輛或汽車上是極其不大可能出現的。
現在按照本發明為了確定bE值，就是說解矢量方程由列式出發，其中利用了如下事實，即在測量系統的每一個位置在相同的地理位置在水平面和地磁場之間的角度、即磁傾角是恒定的。這一點顯然對萬有引力矢量g的方向和地磁場矢量bE之間的角度也成立。這樣可以寫為const＝bg＝bEsin(i)＝gTbE＝gTm(bgem-bo)(4)其中，const為恒定值，bg＝平行于萬有引力矢量g的磁場分量bE＝磁場矢量bE的長度i表示磁傾角。
此方程表明，在地重力場方向的磁場分量，就是說垂直于水平面，在所有的系統部位均相等。
在此方程中m值是線性的并且不是一個乘積。萬有引力矢量g可以借助傾斜傳感器確定。所以m值可以直接計算出來而無需測量場，如上述US4 686 772所指出的，或者應假定特定的對稱條件，如上述US 4 539760所指出的。
待確定參數的數量為m＝3×3＝9bo＝3bg＝1這樣我們就總共得出了9+3+1＝13個參數，確定這些參數至少需要13個方程。
還可以選擇比例系數，例如在US4 539 760中(第4欄第三行)公開的那樣。可能的一些比例確定例如可參考下表bg＝const(恒定值)，m11＝const(恒定值)；m11+m22+m33＝const(恒定值)m112+m222+m332＝const(恒定值)m112+m122+…+m332＝const(恒定值)det m＝const(恒定值)或者選擇其它適當的表格，其中恒定值也可以選擇為1。通過確定比例參數的數量可減少1個，即現在只還剩12個參數，即還需要相同數量的方程。在磁針羅盤初始校準時需占有12個不同的幾何位置j＝1，……12，在這些位置上測量三個磁場分量和兩個傾斜角。
現在得到一個線性的方程組
bg＝giTm(bgemj-bo)＝gjTmbgemj-gjTuo(5)其中Uo＝mbo并且例如bg＝1，其中明確得出1＝gj1bgem，1m11+gj1bgem，2m12+...
...+gj1uo1+gj2uo2+gj3uo3如果提供了12個以上的方程式，則這里例如可以與最小平方誤差最佳的適配。這是大家知道的。
在本發明范圍內還提供了利用在具有磁場矢量長度為恒定值(bE＝|bE|)的同一固定位置上磁偏角以及bg為恒定值的事實的可能性。換言之，這就意味著不僅上面的方程(5)，而且方程(3)也可以應用在本方法中。然后還需要附加的確定參數bE，這樣參數的數量并且從而所必要的測量提高了1次、即N＝13次。
這里的優點在于通過應用方程(3)和方程(5)可以更好的利用所提供的數據，因為在兩個方程中要用到每一次測量值。因此必要的測量數量只有一半。為了實現此方法要求進行統計平衡計算，為此例如可以最小平方誤差方法作為基礎。
在下述方法中上面的方程(3)和(5)以統計精確方法加以利用。
下面將進一步闡述磁場傳感器信號Mij；i＝1，2，3和地磁場矢量bEj之間形成的關系。此關系可以通過以下方程表示μj＝μo+MbEj+εj；j＝1，.N (測量部位)
bEj＝地磁場矢量εj＝表示傳感器噪聲的偶然矢量<εj>＝0；<εjεjT>＝σμ2l3；<εjεkT>＝O j＝k；<>＝統計預期值地磁場矢量bEj的各分量在磁針羅盤的不同部位是未知的，但是可以借助于傾斜傳感器部分地加以表示。其中，兩個傾斜傳感器表示歸一化的萬有引力場矢量的各一個分量。
bEj＝sgj+cnjs＝sin(i)；c＝cos(i)|bEj|＝1 地磁場強度＝1i＝地磁場的磁偏角ηj＝cos(αj)ej+sin(αj)fj；其中αj為方位角，就是說，在水平面上傳感器自身的坐標系統與一個空間固定的坐標系統的轉角。
gj＝萬有引力矢量|gj|＝1gj=g1jg2jg3j;ej=(1-g1j2)-1/21-g1j2-g1jg2j-g1jg3j;fj=(1-g1j2)-1/20-g3jg2j]]>g1j，g2j傾斜傳感器測量值，參數M11…M33，μ01，μ02，μ03，α1…αN和I可以應用已知的最佳化計算確定，其中，要求統計和L(M,μ0,α1···αN,,i)=Σj=1N(μj-μo-MbEj)2]]>具有最小值。
在本發明范圍內也可以采用其它的各種求解方法，例如通過卡爾曼濾波器，模糊邏輯方法或神經網絡。
不難看出，當ΔM＝0時在數學方法上將顯著簡化。這種情況是不考慮軟磁干擾場的存在。這時M相當于單位矩陣。
上面在說明中參照了傾斜傳感器。除此之外還可以應用兩個正交安裝的編碼器。采用這些編碼器有可能與一個參照點相應地進行角度度測量。在實際實施中可能應采用一個固定裝配的支架，與此支架相比有可能磁針羅盤和干擾系統轉動一個角度。
還有可能利用兩個在系統上配置的轉動率傳感器，就是說旋磁確定所期望的傾斜角。通過此轉動率信息的積分可以推導出轉角。
權利要求
1.采用一個包括三個磁場傳感器和兩個傾斜采集設備的電子磁針羅盤確定可以確定受到固定在儀器上的磁性材料和若干電流的磁場干擾的地磁場方向的方法，其中，電子磁針羅盤置于不同的空間位置N，在此N位置的每一個位置上測量傾斜采集設備的信號和磁場傳感信號并且由這些信號確定傾斜值和磁場值，并且在此傾斜值和磁場值的基礎上計算地磁場矢量的大小，其中采用矢量方程const＝bg＝bEsin(i)＝gTbE＝gTm(boem-bo)其中，bg＝與萬有引力矢量g平行的磁場分量bE＝磁場矢量bE的長度bgem＝所測量的磁場矢量bE＝在測量地點實際的地磁場矢量ΔM＝軟磁場失真，即通過地磁場感應的磁性M＝I+ΔM；I＝單位矩陣m＝M-1bo＝硬磁干擾場矢量i＝磁偏向其中，N至少應與待確定矢量方程的參數數量相等。
2.根據權利要求1所述方法，其特征在于，選擇如下的比例確定bg＝const(恒定值)，m11＝const(恒定值)；m11+m22+m33＝const(恒定值)m112+m222+m332＝const(恒定值)m112+m122+…+m332＝const(恒定值)detm＝const(恒定值)
3.根據權利要求1所述方法，其特征在于，如果不考慮軟磁干擾場，則ΔM＝0。
4.根據權利要求1所述方法，其特征在于，如果在不同部位的測量數量N多于所提供的方程數量，則磁場矢量借助于最佳化計算確定。
5.根據權利要求1所述方法，其特征在于，地磁場矢量值在確定了傾斜值和磁場值的基礎上，在附加的應用方程const(恒定值)＝bE2＝bETbE＝(bgem-bo)TmTm(bgem-bo)bgem＝所測量的磁場矢量bE＝在測量部位實際的地磁場矢量ΔM＝軟磁場失真，就是說通過地磁場感應的磁性M＝I+ΔM，I＝單位矩陣m＝M-1bo＝硬磁干擾場矢量借助于統計優化方法加以確定。
6.根據權利要求1至5其中之一所述方法，其特征在于，傾斜采集設備是用的傾斜傳感器。
7.根據權利要求1至5其中之一所述方法，其特征在于，傾斜采集設備是用的轉動率傳感器(旋磁)，其中通過轉動率信息的積分推導出傾斜角。
8.根據權利要求1至5其中之一所述方法，其特征在于，傾斜采集設備是用的編碼器，用此編碼器測量與一個參照點的角度。
全文摘要
本發明給出一種采用一個包括三個磁場傳感器和兩個傾斜采集設備的電子磁針羅盤確定可以受到固定在儀器上的磁性材料和若干電流的磁場干擾的地磁場方向的方法,其中,電子磁針羅盤置于不同的空間位置N,其中,在此N位置的每一個位置上測量傾斜傳感器信號和磁場傳感器信號并且由這些信號確定傾斜值和磁場值。在這些傾斜值和磁場值的基礎上按照矢量方程確定地磁場矢量值。const(恒定值)=b
文檔編號G01V3/40GK1181808SQ97190152
公開日1998年5月13日 申請日期1997年2月10日 優先權日1996年3月13日
發明者S·格埃皮夫, J·魏倫曼 申請人:萊卡公開股份有限公司