一种基于gnss定位的磁偏角校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于GNSS定位的磁偏角校准方法，包括：标准方位角获取步骤用于在GNSS接收机上，利用GNSS的定位计算出多个方向上的中心点与偏离点之间的标准方位角；投影方位角获取步骤用于通过采集到的传感器数据，分别计算多个方向上的磁传感器的X轴在水平面投影的投影方位角；磁偏角获取步骤用于分别计算每个方向上，标准方位角与投影方位角之间的差值，基于每个方向上的差值的平均值获得磁偏角，进行磁传感器的校准。
【专利说明】一种基于GNSS定位的磁偏角校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁偏角校准，特别涉及一种应用在GNSS仪器上的磁偏角校准方法。
【背景技术】
[0002] 传统的GNSS测量中，没用使用磁传感器来进行修正，磁传感器的校准使用传统固 定的方位角方式来技术偏差，本发明通过GNSS定位技术，反算出正确的方位角，再和磁传 感器输出的数据一起计算出一组转换参数，使得用这组参数转换时在各个方向上的计算结 果离真值最近，这样可以方便在野外进行磁校准，提高效率。
[0003] 现有的利用GNSS进行磁偏角校准相关的专利主要集中在各个专用领域的子系统 实现，与相近的专利有申请号为：CN201410053881的中国发明专利，该专利公开了一种基 于陀螺经纬仪的超短基线磁偏角测量方法，描述了在面积狭小、有效视距不足的海岛礁上 用地磁经纬仪和陀螺经纬仪相互对瞄的方法进行磁偏角测量的方法。
[0004] 但在现有的校准方法中没有和GNSS高精度仪器结合起来，无法将GNSS和磁传感 器的联合应用；同时，无法通过GNSS定位来进行磁校准，使得测量不能方便，快捷，效率低。
[0005] 基于以上现有技术中存在的问题，亟待研制一种新型的磁偏角校准方法。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于GNSS定位的磁偏角校准方法，以 克服现有技术中存在的无法将GNSS和磁传感器的联合应用，无法通过GNSS定位来进行磁 校准问题。
[0007] 为达上述目的，本发明提供了一种基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在 于，所述方法包括：
[0008] 标准方位角获取步骤：用于在GNSS接收机上，利用GNSS的定位计算出多个方向上 的中心点与偏离点之间的标准方位角；
[0009] 投影方位角获取步骤：用于通过采集到的传感器数据，分别计算多个方向上的磁 传感器的X轴在水平面投影的投影方位角；
[0010] 磁偏角获取步骤：用于分别计算每个所述方向上，所述标准方位角与所述投影方 位角之间的差值，基于每个所述方向上的所述差值的平均值获得磁偏角，进行所述磁传感 器的校准。
[0011] 上述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，所述多个方向为：东、西、南和北方向。
[0012] 上述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，所述标准方位角获取步骤，包括：
[0013] 坐标测量步骤：通过对中杆测量所述中心点与所述偏离点的坐标值；
[0014] 差值计算步骤：基于所述中心点与所述偏离点的坐标值，计算所述中心点与所述 偏离点在不同平面方向上的差值；
[0015] 标准方位角计算步骤：基于所述中心点与所述偏离点在不同平面方向上的差值， 通过反正切三角函数，计算所述标准方位角A。
[0016] 上述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，所述标准方位角获取步骤，还包括：
[0017] 各方向标准方位角计算步骤：重复执行所述坐标测量步骤、所述差值计算步骤和 所述标准方位角计算步骤，分别计算所述东、西、南和北方向上的标准方位角A东、A西、A 南、A北。
[0018] 上述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，所述投影方位角获取步骤，包括：
[0019] 磁分量计算步骤：根据磁步进拟合参数及磁步进平移参数，分别计算所述磁传感 器在X、Y和Z坐标轴的磁分量；
[0020] 补偿分量计算步骤：根据俯仰角和横滚角，计算所述磁传感器在x、Y和Z轴的补偿 分量；
[0021] X轴方位角计算步骤：根据所述磁分量及所述补偿分量，计算所述磁传感器的X轴 方位角；
[0022] 投影方位角计算步骤：基于所述俯仰角、所述横滚角及所述磁传感器的X轴方位 角，计算对中杆在水平面的投影方位角Β。
[0023] 上述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，所述投影方位角获取步骤，还包括：
[0024] 各方向投影方位角计算步骤：执行所述磁分量计算步骤、所述补偿分量计算步骤、 X轴方位角计算步骤和投影方位角计算步骤，分别计算所述东、西、南和北方向上的投影方 位角B东、B西、B南和B北。
[0025] 上述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，所述磁偏角获取步骤，还包括：
[0026] 磁偏角计算步骤：分别计算所述标准方位角A东、A西、A南和A北与所述投影方位 角B东、B西、B南和B北方向的差值，并计算所述差值的平均值，获取最终的磁偏角C平。
[0027] 上述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，所述磁偏角计算步骤采用以下公式进行 计算：
[0028] C 平=(C 东，C 西，C 南，C 北）/4 ;
[0029] 其中，所述C东=A东-B东；所述C西=A西-B西；所述C南=A南-B南；所述 C北=A北-B北。
[0030] 上述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，所述标准方位角获取步骤采用高斯-克吕 格投影计算所述标准方位角。
[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0032] (1)本发明采用了 GNSS和磁传感器的联合应用；
[0033] (2)通过GNSS定位来进行磁校准，可以在任何地点对磁方向进行校准，使得测量 更加方便，快捷，提高效率；
[0034] (3)不需要借助其他设备，拉远距离进行瞄准比对，本发明由于采用了机器上的 GNSS高精度定位技术，在任何地方，只要保证卫星接收正常，在原地做一个倾斜偏移就可以 校准，在保证高精度的同时，提高校准的便利性，提高作业效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 图1为本发明磁偏角校准方法流程示意图；
[0036] 图2?图3为本发明磁偏角校准方法详细流程示意图；
[0037] 图4为本发明具体实施例坐标轴示意图；
[0038] 图5为本发明具体实施例校正磁偏角示意效果图；
[0039] 图6A和图6B为高斯-克吕格投影的几何概念图。
[0040] 其中，附图标记：
[0041] Sl?S3、Sll?S14、S21?S25、S31 :本发明各实施例的施行步骤
【具体实施方式】
[0042] 下面给出本发明的【具体实施方式】，结合图示对本发明做出了详细描述。
[0043] 本发明是基于带倾斜测量的GNSS仪器上，利用高精度的GNSS定位来校准磁传感 器的方位角，使得输出准确的方位角，这样可以计算出高精度的补偿值。
[0044] 图1为本发明磁偏角校准方法流程示意图，如图1所示，本发明提供的一种基于 GNSS定位的磁偏角校准方法，方法包括：
[0045] 标准方位角获取步骤Sl :用于在GNSS接收机上，利用GNSS的定位计算出多个方 向上的中心点与偏离点之间的标准方位角；
[0046] 投影方位角获取步骤S2 :用于通过采集到的传感器数据，分别计算多个方向上的 磁传感器的X轴在水平面投影的投影方位角；
[0047] 磁偏角获取步骤S3 :用于分别计算每个方向上，标准方位角与投影方位角之间的 差值，基于每个方向上的差值的平均值获得磁偏角，进行磁传感器的校准。
[0048] 其中，以上步骤中的多个方向为：东、西、南和北四个方向。
[0049] 其中，如图2所示，标准方位角获取步骤SI,包括：
[0050] 坐标测量步骤S11 :通过对中杆测量中心点与偏离点的坐标值；
[0051] 差值计算步骤S12:基于中心点与偏离点的坐标值，计算中心点与偏离点在不同 平面方向上的差值；
[0052] 标准方位角计算步骤S13 :基于中心点与偏离点在不同平面方向上的差值，通过 反正切三角函数，计算标准方位角A ;
[0053] 各方向标准方位角计算步骤S14 :重复执行坐标测量步骤S11、差值计算步骤S12 和标准方位角计算步骤S13,分别计算东、西、南和北方向上的标准方位角A东、A西、A南、 A北。
[0054] 其中，如图3所示，投影方位角获取步骤S2,包括：
[0055] 磁分量计算步骤S21 :根据磁步进拟合参数及磁步进平移参数，分别计算磁传感 器在X、Y和Z坐标轴的磁分量；
[0056] 补偿分量计算步骤S22 :根据俯仰角和横滚角，计算磁传感器在X、Y和Z轴的补偿 分量；
[0057] X轴方位角计算步骤S23 :根据磁分量及补偿分量，计算磁传感器的X轴方位角；
[0058] 投影方位角计算步骤S24 :基于俯仰角、横滚角及磁传感器的X轴方位角，计算对 中杆在水平面的投影方位角B ;
[0059] 各方向投影方位角计算步骤S25 :执行磁分量计算步骤S21、补偿分量计算步骤 S22、X轴方位角计算步骤S23和投影方位角计算步骤S24,分别计算东、西、南和北方向上的 投影方位角B东、B西、B南和B北。
[0060] 其中，如图3所示，磁偏角获取步骤S3,还包括：
[0061] 磁偏角计算步骤S31 :分别计算标准方位角A东、A西、A南和A北与投影方位角B 东、B西、B南和B北方向的差值，并计算差值的平均值，获取最终的磁偏角C平。
[0062] 其中，磁偏角计算步骤采用以下公式进行计算：
[0063] C 平=(C 东，C 西，C 南，C 北）/4 ;
[0064] 其中，C东=A东-B东；C西=A西-B西；C南=A南-B南；C北=A北-B北。
[0065] 在本发明的具体实施例中，本发明使用的GNSS高精度设备，精度达到2cm，但本发 明并不以此为限，还可以采用其他精度的GNSS设备，在采集位置数据时，需要将设备放置 到对中杆上，再将对中杆底部的尖端位置对着待测点，进行水平对中（查看杆上的水泡是 否在中间位置，如果处于中间位置，就表明对中杆已经坚直），然后采集数据，将高程减去杆 长，就是待测点的坐标（x，y，h)。
[0066] 在本发明的具体实施例中，为了提高效率，解决一些地方对中的问题，在GNSS定 位设备中增加了倾斜测量功能，有了这个功能，测量时不用对中杆对中，只需将对中杆底部 放在待测点上，设备根据内部的角度和倾斜等传感器数据计算出准确的倾斜改正值，就可 以采集出高精度的坐标数据。
[0067] 在本发明的具体实施例中，计算倾斜改正时，需要用到设备内部的两部分数据：倾 斜角度和磁北方位角。倾斜角度是指设备X轴和y轴跟水平平面的夹角。磁北方位角是X 轴的方位角（跟真北方向的夹角），图4为本发明具体实施例坐标轴示意图，如图4所示。 [0068] 在本发明的具体实施例中，获取准确的磁北方位角对于倾斜改正来说至关重要， 误差需要控制在1度以内，所以本发明对磁校正做了两个方面的处理：磁步进校准和磁偏 角校准。磁步进是指传感器的X轴指向在360度的旋转过程中角度变化量，为了磁北准确， 磁步进必须均匀。磁偏量是指经过磁步进计算后，X轴的指向角度和真北方向的角度的差 值。
[0069] 设备输出数据：
[0070] 高精度定位坐标--B、L、H，将经过投影计算为平面坐标X、y、h。
[0071] 倾斜角度一俯仰角Pitch，横滚角Roll。
[0072] 磁分量--，':、g、扪。
[0073] 重力加速度分量-accX、accY、accZ。
[0074] 在本发明的具体实施例中，本发明应用在带倾斜改正功能的高精度GNSS接收机 上，利用GNSS的高精度定位功能，测量中心点和偏离点两个点的高精度坐标，计算出这两 个点间准确的方位角A ;然后利用磁步进参数将传感器输出的数据计算出X轴的方位角，再 和倾斜夹角一起计算出X轴在水平面的投影的方位角B，就可以得到磁偏角C = A - B。为 了在各个方向上都比较准确，本发明采集东南西北四个方向的数据，计算出四个方向的磁 偏角（C东，C南，C西，C北），最后计算平均值C平=(C东，C南，C西，C北）/4,这就该方 法计算的该设备的磁偏角。图5为本发明具体实施例校正磁偏角示意效果图，如图5所示。
[0075] 本发明计算磁偏角的具体步骤如下：
[0076] 步骤1 :向东倾斜，记录不加改正的定位坐标Point_E和没有经过磁偏量改正的X 轴的投影方位角Aangle_Sensor_E ;
[0077] 步骤2 :向南倾斜，记录不加改正的定位坐标Point_S和没有经过磁偏量改正的X 轴的投影方位角Aangle_Sensor_S ;
[0078] 步骤4 :向西倾斜，记录不加改正的定位坐标Point_W和没有经过磁偏量改正的X 轴的投影方位角Aangle_Sensor_W ;
[0079] 步骤5 :向北倾斜，记录不加改正的定位坐标Point_N和没有经过磁偏量改正的X 轴的投影方位角Aangle_ensor_N ;
[0080] 步骤 6 :计算 Point_E, Point_S, Point_W, Point_N 四个坐标点到 Point_C 的方位 角，再减去这四个方向的没经过磁偏离改正的投影方位角，得出四个方向上的磁偏角，然后 计算平均值。
[0081] 一、在本发明的具体实施例中，根据传感器计算杆的投影方位角B
[0082] 在本具体实施例中，计算投影方位角B的步骤：
[0083] 步骤1 :根据磁步进拟合参数，计算出磁传感器X、Y、Z三个坐标轴的磁分量；
[0084] 步骤2 :根据磁步进平移参数，计算出磁传感器X、Y、Z三个坐标轴的磁分量；
[0085] 步骤3 :根据俯仰角和横滚角，计算出磁传感器X、Y、Z三个坐标轴的补偿分量；
[0086] 步骤4 :根据最终的磁分量及补充分量，计算磁传感器X轴的方位角；
[0087] 步骤5 :根据俯仰角，横滚角和磁传感器X轴的方位角，计算对中杆在水平面上投 影的方位角Angle_Sensor。
[0088] 以下对上述步骤中采用的各个参数的计算方法进行详细说明：
[0089] 如果仪器是倾斜状态，需要根据倾斜传感器和重力加速度传感器数据，计算出磁 传感器的X轴（指北方向）在水平面的投影的方位角，计算流程如下：
[0090] 计算方法：
[0091] a、坐标系
[0092] 地理坐标系（η系NED轴）：原点在地球的质心，N轴指北，E轴指东，D轴沿地垂线 指向地,这个坐标系也称之为北东地坐标系。
[0093] 机体坐标系（b系xbybzb轴）：坐标原点在仪器的相位中心，X b沿设备的纵轴方向， yb指向设备的右侧，Zb垂直于Xb轴、yb轴构成右手直角坐标系。机体坐标系相对于地理坐 标系的方位即为设备的姿态。
[0094] 注：磁力计计算坐标系采用的NED(北东地）坐标系，实际磁力计传感器的安装坐 标系为NEU (北东天），故磁力计y、z两轴数据在进行方位角计算前应取负。
[0095] b、姿态表示
[0096] 设备在空间中的姿态可以用设备坐标系相对于地理坐标系的运动来表示，运动的 角度称为设备的姿态角。导航学中常用航向角Ψ、俯仰角Θ和横滚角 Y (倾斜角）作为设 备的姿态角。
[0097] (1)、航向角：设备纵轴（xb轴）在水平面上的投影与地理子午线之间的夹角，数值 以地理北向为起点顺时针方向为正，定义域为0?360度。设备的纵轴在水平面上的投影 与地磁子午线之间的夹角称为磁航向角，用Ψ Μ来表示。
[0098] (2)、俯仰角（Pitch):设备的纵向轴（xb轴）和当地水平面之间的夹角，向上为正， 向下为负，定义域为-90?90度。
[0099] (3)、横滚角（Roll):设备的横向轴（yb轴）和当地水平面之间的夹角，右倾为正， 左倾为负，定义域为-90?90度。
[0100] C、姿态矩阵的推导
[0101] 由空间三维坐标系之间的旋转变换关系可知：从地理坐标系〇xnynz n*的向量 最后旋转到机体坐标系0XbybZb中的向量的关系如下：
【权利要求】
1. 一种基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述方法包括： 标准方位角获取步骤：用于在GNSS接收机上，利用GNSS的定位计算出多个方向上的中 心点与偏离点之间的标准方位角； 投影方位角获取步骤：用于通过采集到的传感器数据，分别计算多个方向上的磁传感 器的X轴在水平面投影的投影方位角； 磁偏角获取步骤：用于分别计算每个所述方向上，所述标准方位角与所述投影方位角 之间的差值，基于每个所述方向上的所述差值的平均值获得磁偏角，进行所述磁传感器的 校准。
2. 根据权利要求1所述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述多个方向 为：东、西、南和北方向。
3. 根据权利要求2所述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述标准方位 角获取步骤，包括： 坐标测量步骤：通过对中杆测量所述中心点与所述偏离点的坐标值； 差值计算步骤：基于所述中心点与所述偏离点的坐标值，计算所述中心点与所述偏离 点在不同平面方向上的差值； 标准方位角计算步骤：基于所述中心点与所述偏离点在不同平面方向上的差值，通过 反正切三角函数，计算所述标准方位角A。
4. 根据权利要求3所述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述标准方位 角获取步骤，还包括： 各方向标准方位角计算步骤：重复执行所述坐标测量步骤、所述差值计算步骤和所述 标准方位角计算步骤，分别计算所述东、西、南和北方向上的标准方位角A东、A西、A南、A 北。
5. 根据权利要求2所述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述投影方位 角获取步骤，包括： 磁分量计算步骤：根据磁步进拟合参数及磁步进平移参数，分别计算所述磁传感器在 X、Y和Z坐标轴的磁分量； 补偿分量计算步骤：根据俯仰角和横滚角，计算所述磁传感器在X、Y和Z轴的补偿分 量； X轴方位角计算步骤：根据所述磁分量及所述补偿分量，计算所述磁传感器的X轴方位 角； 投影方位角计算步骤：基于所述俯仰角、所述横滚角及所述磁传感器的X轴方位角，计 算对中杆在水平面的投影方位角B。
6. 根据权利要求5所述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述投影方位 角获取步骤，还包括： 各方向投影方位角计算步骤：执行所述磁分量计算步骤、所述补偿分量计算步骤、X轴 方位角计算步骤和投影方位角计算步骤，分别计算所述东、西、南和北方向上的投影方位角 B东、B西、B南和B北。
7. 根据权利要求2所述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述磁偏角获 取步骤，还包括： 磁偏角计算步骤：分别计算所述标准方位角A东、A西、A南和A北与所述投影方位角B 东、B西、B南和B北方向的差值，并计算所述差值的平均值，获取最终的磁偏角C平。
8. 根据权利要求7所述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述磁偏角计 算步骤采用以下公式进行计算： C平=(C东，C西，C南，C北）/4; 其中，所述C东=A东-B东；所述C西=A西-B西；所述C南=A南-B南；所述C北 =A北-B北。
9. 根据权利要求4所述基于GNSS定位的磁偏角校准方法，其特征在于，所述标准方位 角获取步骤采用高斯_克吕格投影计算所述标准方位角。
【文档编号】G01S19/23GK104459728SQ201410789926
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】黄坤, 赵翔, 李仁德 申请人:广州吉欧电子科技有限公司