专利名称：基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法
技术领域：
本发明涉及一种对数字磁罗盘的标定，更特别地说，是指一种在有磁环境(磁场干扰)下采用地磁模型对数字磁罗盘进行的在线标定方法。该标定方法不受标定环境限制，标定步骤简单。
背景技术：
数字磁罗盘由于其在成本、性能、体积和精度等方面的优势，目前被广泛的应用在磁航向测量系统中，并且还应用在与惯导系统相结合的组合导航中，修正惯导系统计算的航向误差，进一步提高导航系统的航向精度。
数字磁罗盘测量载体航向角的基准是磁子午线(即地球磁经线)。当数字磁罗盘安装在载体上时，由于载体周围存在的铁磁材料的影响，使得数字磁罗盘所在位置的磁场方向与地磁场的方向不一致，引起航向测量误差，这种误差的影响包括硬磁材料和软磁材料的影响。硬磁材料相当于永久磁铁，它的磁场强度在某一固定环境中可以认为是不变的，由于数字磁罗盘一般体积较小，可以认为硬磁材料对磁罗盘的各个测量轴产生固定偏值的影响，该影响随着与硬磁材料的距离的减小而增加。软磁材料本身不产生磁场，当被环境磁场磁化后产生干扰磁场对磁罗盘的测量产生影响，在磁罗盘各轴上产生的误差分量不固定。
目前常用的磁罗盘标定方法是将磁罗盘在无磁环境下进行测量来标定磁罗盘三个轴的磁偏置，并将消除磁偏置的测量值作为真实的测量值，对在有磁环境下的测量值进行修正。这种方法可以有效的消除硬磁材料的影响，但标定环境要求苛刻，一般实验环境难以满足，因此标定实验很难完成。同时，这种方法不能消除软磁材料的影响，在实际使用中，往往通过数据处理方法来消除软磁材料对磁场的影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法，该在线标定方法采用地磁模型计算出载体在八位置下的磁通量，对于待标定磁罗盘在八位置下的磁通量须经FIR滤波处理；采用磁航向计算方法分别得到载体磁航向角ψ地、待标定磁罗盘磁航向角ψ待标定，然后采用椭球假设补偿法消除磁航向角之间的差值Δψ获得标定软磁模型参数C1和硬磁模型参数C2，且H地＝C1·H待标定+C2。本标定方法能够在存在有磁场干扰条件下对数字磁罗盘进行标定。
本发明的一种基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法，其数字磁罗盘标定包括有下列处理单元地磁模型的磁通量获取单元11、待标定磁罗盘磁通量获取单元21、载体磁航向角获取单元12、待标定磁航向角获取单元22、磁航向比较单元1和椭球假设补偿单元2。
本发明的基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法的优点是(1)对数字磁罗盘的标定不受标定环境限制，可以直接在数字磁罗盘的使用环境中进行标定，也可以在数字磁罗盘出厂前进行标定。(2)对数字磁罗盘的标定过程简单，容易操作，计算速度快。(3)运用八位置的磁通量作为修正数据源，可以随时根据环境变化计算数字磁罗盘误差补偿模型中的补偿参数，从而保证了修正精度。(4)采用椭球假设补偿法消除磁航向角误差，能够消除硬磁材料和软磁材料对数字磁罗盘的测量值的影响。(5)该标定方法可以在数字磁罗盘使用过程中实时在线进行标定，消除环境变化对数字磁罗盘计算磁航向的影响。
图1是本发明对数字磁罗盘进行的标定结构框图。
图2是空间八位置的坐标示意图。
图3是经本发明标定后的数字磁罗盘的磁航向角测量误差曲线图。
具体实施例方式 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的一种基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法，是为了解决难以满足无磁环境标定的要求而提出的。该在线标定方法可以在实际使用环境对磁罗盘进行实时标定，能够消除硬磁材料和软磁材料造成的磁环境干扰，修正后精度较高，可以满足数字磁罗盘测量精度的要求，并且标定过程操作简单。
参见图1所示，本发明的一种基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定包括有下列处理单元，地磁模型的磁通量获取单元11、待标定磁罗盘磁通量获取单元21、载体磁航向角获取单元12、待标定磁航向角获取单元22、磁航向比较单元1和椭球假设补偿单元2； 基于地磁模型的磁通量获取单元11根据载体所在位置(飞机所在空间飞行位置)的经度a，纬度l和高度h采用地磁模型计算出空间八位置(如图2所示)下载体的X轴、Y轴、Z轴磁通量，从而获取载体磁通量H地，即
载体磁航向角获取单元12采用磁航向计算方法对接收的H地进行解算处理，得到载体磁航向角ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]输出给磁航向比较单元1。
待标定磁罗盘磁通量获取单元21采用在空间八位置(如图2所示)下分别对待标定磁罗盘的X′轴、Y′轴、Z′轴进行磁通量测量，从而获得待标定磁罗盘的磁通量
并采用有限冲击响应(FIR)数字滤波器对磁通量
进行滤波处理，得到滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定，即
待标定磁航向角获取单元22采用磁航向计算方法对接收的H待标定进行解算处理，得到待标定磁罗盘磁航向角
输出给磁航向比较单元1。
磁航向比较单元1对接收的ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]、
进行差值比较获得磁航向角误差Δψ，即Δψ＝|ψ待标定-ψ地|。
椭球假设补偿单元2采用椭球假设补偿法对接收的Δψ进行消除误差处理，分别得到待标定磁罗盘的标定软磁模型参数C1和硬磁模型参数C2，即C2＝{bx，by，bz}。
在本发明中，软磁标定模型参数C1与滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定的乘积再与硬磁模型参数C2相加等于滤波后的载体磁通量H地，即得到待标定磁罗盘所需的标定模型H地＝C1·H待标定+C2。
采用本发明的标定模型H地＝C1·H待标定+C2标定后的数字磁罗盘计算量明显减少，因此有效地提高了数字磁罗盘中处理器的处理速度。
本发明的一种基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法，包括有下列标定步骤 步骤一获取地磁模型下的载体磁通量H地 根据载体所在位置的经度a，纬度l和高度h采用地磁模型计算出空间八位置(如图2所示)下载体的X轴、Y轴、Z轴磁通量，从而获取载体磁通量
式中， X1表示载体在空间八位置中的第一位置下的X轴磁通量， X2表示载体在空间八位置中的第二位置下的X轴磁通量， X8表示载体在空间八位置中的第八位置下的X轴磁通量， Y1表示载体在空间八位置中的第一位置下的Y轴磁通量， Y2表示载体在空间八位置中的第二位置下的Y轴磁通量， Y8表示载体在空间八位置中的第八位置下的Y轴磁通量， Z1表示载体在空间八位置中的第一位置下的Z轴磁通量， Z2表示载体在空间八位置中的第二位置下的Z轴磁通量， Z8表示载体在空间八位置中的第八位置下的Z轴磁通量； 在本发明中，所述地磁模型是包括有国际地磁参考场模型(IGRF)和区域地磁模型相关参数的一处理软件。通过该软件能够对载体已知经度a，纬度l和高度h的条件下，而得到磁通量。
步骤二获取滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定 采用在空间八位置(如图2所示)下分别对待标定磁罗盘的X′轴、Y′轴、Z′轴进行磁通量测量，从而获得待标定磁罗盘的磁通量
并采用有限冲击响应(FIR)数字滤波器对磁通量
进行滤波处理，得到滤波后的待标定磁罗盘磁通量
式中，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第一位置下经滤波后的X′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第二位置下经滤波后的X′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第八位置下经滤波后的X′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第一位置下经滤波后的Y′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第二位置下经滤波后的Y′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第八位置下经滤波后的Y′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第一位置下经滤波后的Z′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第二位置下经滤波后的Z′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第八位置下经滤波后的Z′轴磁通量； 步骤三获取载体磁航向角ψ地 对步骤一得到的载体磁通量H地采用磁航向计算方法处理得到载体磁航向角ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]， ψ1表示载体在空间八位置中的第一位置下的磁航向角， ψ2表示载体在空间八位置中的第二位置下的磁航向角， ψ8表示载体在空间八位置中的第八位置下的磁航向角； 在本发明中，磁航向计算方法是依据“三轴磁罗盘高精度误差补偿算法研究”中公开的公式3和公式4相结合进行的磁航向计算。该“三轴磁罗盘高精度误差补偿算法研究”于2005.9公开在“传感器世界”上。
步骤四获取待标定磁罗盘磁航向角ψ待标定 对步骤二得到的滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定采用磁航向计算方法处理得到待标定磁罗盘磁航向角
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第一位置下的磁航向角，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第二位置下的磁航向角，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第八位置下的磁航向角； 步骤五获取待标定磁罗盘的磁航向角误差Δψ 将步骤四获得的待标定磁罗盘磁航向角ψ待标定与步骤三获得的载体磁航向角ψ地进行差值比较，得到待标定磁罗盘的磁航向角误差Δψ＝|ψ待标定-ψ地|。
步骤六获取待标定磁罗盘的标定软磁模型参数C1和硬磁模型参数C2 采用椭球假设补偿法对步骤五中获得的待标定磁罗盘的磁航向角误差Δψ进行误差消除处理，得到待标定磁罗盘的标定软磁模型参数C1和硬磁模型参数C2；该软磁标定模型参数C1与滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定的乘积再与硬磁模型参数C2相加等于滤波后的载体磁通量H地，即得到本发明所需进行标定的数字磁罗盘的标定模型H地＝C1·H待标定+C2。
软磁标定模型参数 硬磁模型参数C2＝{bx，by，bz}。
其中，Cxx表示在待标定磁罗盘的X轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘X轴上的磁通量，简称X轴对X轴磁通量的修正参数。
Cxy表示在待标定磁罗盘的X轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Y轴上产生的磁通量，简称Y轴对X轴磁通量的修正参数。
Cxz表示在待标定磁罗盘的X轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Z轴上产生的磁通量，简称Z轴对X轴磁通量的修正参数。
Cyx表示在待标定磁罗盘的Y轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘X轴上产生的磁通量，简称X轴对Y轴磁通量的修正参数。
Cyy表示在待标定磁罗盘的Y轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Y轴上产生的磁通量，简称Y轴对Y轴磁通量的修正参数。
Cyz表示在待标定磁罗盘的Y轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Z轴上产生的磁通量，简称Z轴对Y轴磁通量的修正参数。
Czx表示在待标定磁罗盘的Z轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘X轴上产生的磁通量，简称X轴对Z轴磁通量的修正参数。
Czy表示在待标定磁罗盘的Z轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Y轴上产生的磁通量，简称Y轴对Z轴磁通量的修正参数。
Czz表示在待标定磁罗盘的Z轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Z轴上产生的磁通量，简称Z轴对Z轴磁通量的修正参数。
bx表示在待标定磁罗盘的X轴磁通量中消除硬磁材料产生的磁通量。
by表示在待标定磁罗盘的Y轴磁通量中消除硬磁材料产生的磁通量。
bz表示在待标定磁罗盘的Z轴磁通量中消除硬磁材料产生的磁通量。
在本发明中，所述椭球假设补偿法的消除处理可以参考“具有自动误差补偿功能的智能磁航向系统”文献中公开了3.3节的介绍，该文献发表于2002年第21卷第12期的传感器技术(Journal of Transducer Technology)上。
实施例 将经本发明标定后的数字磁罗盘安装在一飞机上，若飞机在高空1000m、速度300km/h飞行时，依次在空间八位置下进行磁通量测量，飞行情况如图3所示，从飞行情况上分析得到，经本发明标定后的数字磁罗盘使得飞机飞行航向定位精度在-1.5～+2度范围内。
关于本发明所指的空间八位置的坐标简示如图2所示，针对每一位置的说明如下表
权利要求
1、一种基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法，其特征在于有下列标定步骤
步骤一获取地磁模型下的载体磁通量H地
根据载体所在位置的经度a，纬度l和高度h采用地磁模型计算出空间八位置下载体的X轴、Y轴、Z轴磁通量，从而获取载体磁通量
式中，
X1表示载体在空间八位置中的第一位置下的X轴磁通量，
X2表示载体在空间八位置中的第二位置下的X轴磁通量，
X8表示载体在空间八位置中的第八位置下的X轴磁通量，
Y1表示载体在空间八位置中的第一位置下的Y轴磁通量，
Y2表示载体在空间八位置中的第二位置下的Y轴磁通量，
Y8表示载体在空间八位置中的第八位置下的Y轴磁通量，
Z1表示载体在空间八位置中的第一位置下的Z轴磁通量，
Z2表示载体在空间八位置中的第二位置下的Z轴磁通量，
Z8表示载体在空间八位置中的第八位置下的Z轴磁通量；
步骤二获取滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定
采用在空间八位置下分别对待标定磁罗盘的X′轴、Y′轴、Z′轴进行磁通量测量，从而获得待标定磁罗盘的磁通量
并采用有限冲击响应数字滤波器对磁通量
进行滤波处理，得到滤波后的待标定磁罗盘磁通量
式中，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第一位置下经滤波后的X′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第二位置下经滤波后的X′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第八位置下经滤波后的X′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第一位置下经滤波后的Y′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第二位置下经滤波后的Y′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第八位置下经滤波后的Y′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第一位置下经滤波后的Z′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第二位置下经滤波后的Z′轴磁通量，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第八位置下经滤波后的Z′轴磁通量；
步骤三获取载体磁航向角ψ地
对步骤一得到的载体磁通量H地采用磁航向计算方法处理得到参考磁罗盘磁航向角ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]，
ψ1表示载体在空间八位置中的第一位置下的磁航向角，
ψ2表示载体在空间八位置中的第二位置下的磁航向角，
ψ8表示载体在空间八位置中的第八位置下的磁航向角；
步骤四获取待标定磁罗盘磁航向角ψ待标定
对步骤二得到的滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定采用磁航向计算方法处理得到待标定磁罗盘磁航向角
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第一位置下的磁航向角，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第二位置下的磁航向角，
表示待标定磁罗盘在空间八位置中的第八位置下的磁航向角；
步骤五获取待标定磁罗盘的磁航向角误差Δψ
将步骤四获得的待标定磁罗盘磁航向角ψ待标定与步骤三获得的载体磁航向角ψ地进行差值比较，得到待标定磁罗盘的磁航向角误差Δψ＝|ψ待标定-ψ地|；
步骤六获取标定软磁模型参数C1和硬磁模型参数C2
采用椭球假设补偿法对步骤五中获得的待标定磁罗盘的磁航向角误差Δψ进行误差消除处理，得到待标定磁罗盘的标定软磁模型参数C1和硬磁模型参数C2；软磁标定模型参数硬磁模型参数C2＝{bx，by，bz}；
Cxx表示在待标定磁罗盘的X轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘X轴上的磁通量，简称X轴对X轴磁通量的修正参数，
Cxy表示在待标定磁罗盘的X轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Y轴上产生的磁通量，简称Y轴对X轴磁通量的修正参数，
Cxz表示在待标定磁罗盘的X轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Z轴上产生的磁通量，简称Z轴对X轴磁通量的修正参数，
Cyx表示在待标定磁罗盘的Y轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘X轴上产生的磁通量，简称X轴对Y轴磁通量的修正参数，
Cyy表示在待标定磁罗盘的Y轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Y轴上产生的磁通量，简称Y轴对Y轴磁通量的修正参数，
Cyz表示在待标定磁罗盘的Y轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Z轴上产生的磁通量，简称Z轴对Y轴磁通量的修正参数，
Czx表示在待标定磁罗盘的Z轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘X轴上产生的磁通量，简称X轴对Z轴磁通量的修正参数，
Czy表示在待标定磁罗盘的Z轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Y轴上产生的磁通量，简称Y轴对Z轴磁通量的修正参数，
Czz表示在待标定磁罗盘的Z轴磁通量中消除软磁材料在待标定磁罗盘Z轴上产生的磁通量，简称Z轴对Z轴磁通量的修正参数，
bx表示在待标定磁罗盘的X轴磁通量中消除硬磁材料产生的磁通量，
by表示在待标定磁罗盘的Y轴磁通量中消除硬磁材料产生的磁通量，
bz表示在待标定磁罗盘的Z轴磁通量中消除硬磁材料产生的磁通量；
该软磁标定模型参数C1与滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定的乘积再与硬磁模型参数C2相加等于滤波后的载体磁罗盘磁通量H地，即得到本发明所需进行标定的数字磁罗盘的标定模型H地＝C1·H待标定+C2。
2、根据权利要求1所述的基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法，其特征在于数字磁罗盘在线标定包括有下列处理单元地磁模型的磁通量获取单元(11)、待标定磁罗盘磁通量获取单元(21)、载体磁航向角获取单元(12)、待标定磁航向角获取单元(22)、磁航向比较单元(1)和椭球假设补偿单元(2)；
地磁模型的磁通量获取单元(11)根据载体所在位置的经度a，纬度l和高度h采用地磁模型计算出空间八位置下载体的X轴、Y轴、Z轴磁通量，从而获取载体磁通量H地，即
载体磁航向角获取单元(12)采用磁航向计算方法对接收的H地进行解算处理，得到参考磁罗盘磁航向角ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]输出给磁航向比较单元(1)；
待标定磁罗盘磁通量获取单元(21)采用在空间八位置下分别对待标定磁罗盘的X′轴、Y′轴、Z′轴进行磁通量测量，从而获得待标定磁罗盘的磁通量
并采用有限冲击响应数字滤波器对磁通量
进行滤波处理，得到滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定，即
待标定磁航向角获取单元(22)采用磁航向计算方法对接收的H待标定进行解算处理，得到待标定磁罗盘磁航向角
输出给磁航向比较单元(1)；磁航向比较单元(1)对接收的ψ地＝[ψ1，ψ2，……，ψ8]、
进行差值比较获得磁航向角误差Δψ，即Δψ＝|ψ待标定-ψ地|；
椭球假设补偿单元(2)采用椭球假设补偿法对接收的Δψ进行消除误差处理，分别得到待标定磁罗盘的标定软磁模型参数C1和硬磁模型参数C2，即C2＝{bx，by，bz}；
所述软磁标定模型参数C1与滤波后的待标定磁罗盘磁通量H待标定的乘积再与硬磁模型参数C2相加等于滤波后的载体磁罗盘磁通量H地，即得到待标定磁罗盘所需的标定模型H地＝C1·H待标定+C2。
全文摘要
本发明公开了一种基于地磁模型的数字磁罗盘在线标定方法，是为了解决难以满足无磁环境标定的要求而提出的。该数字磁罗盘标定包括有地磁模型的磁通量获取单元(11)、待标定磁罗盘磁通量获取单元(21)、载体磁航向角获取单元(12)、待标定磁航向角获取单元(22)、磁航向比较单元(1)和椭球假设补偿单元(2)。本发明采用磁航向计算方法分别得到载体磁罗盘磁航向角ψ地、待标定磁罗盘磁航向角ψ待标定，然后采用椭球假设补偿法消除磁航向角之间的差值Δψ获得标定软磁模型参数C1和硬磁模型参数C2，且H地＝C1·H待标定+C2。本标定方法能够在存在有磁场干扰条件下对数字磁罗盘进行标定。
文档编号G01C17/38GK101393023SQ20081022571
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者立 富, 娟 李, 王玲玲 申请人:北京航空航天大学