平面十字磁梯度张量系统的两步线性校正

磁梯度张量系统的测量精度受限于磁传感器的零漂、灵敏度差异和三轴非正交性等系统误差以及各传感器轴系间的非对准误差。构建了平面十字磁梯度张量系统的误差参数线性模型,提出了两步线性校正法。利用两个非线性变量转换构建单磁传感器系统误差的线性方程组,对误差参数进行最小二乘估计,将传感器实际输出校正为各自理想正交输出;利用旋转矩阵构建各传感器理想正交轴间非对准误差的线性方程组并求出最小二乘解,将各传感器输出校正到参考平台框架正交坐标系上。两步校正过程均无数学简化。仿真与实验表明,相比忽略二阶及以上高阶小量的常规线性校正,提出的张量系统两步线性校正法更为精确,误差参数仿真估计准确率高于93%,实测校正后总场强度均方根误差小于13 n T,张量分量均方根误差小于90 n T/m。     

十字形磁梯度张量系统的误差校正

针对十字形磁梯度张量系统中的单磁力仪误差(三轴灵敏度偏差、非正交误差和零点漂移误差)以及磁力仪之间存在的不对正误差,提出了十字形磁梯度张量系统的误差校正方法。首先,建立单磁力仪误差模型,采用基于椭球约束的最小二乘拟合算法对磁力仪的测量数据进行拟合从而得到椭球拟合参数;然后,接着利用Cholesky分解得到单磁力仪误差校正矩阵;最后在单磁力仪误差校正的基础上,利用正交Procrustes方法对不同磁力仪间的测量数据进行拟合从而得到磁力仪间的不对正误差校正矩阵。对提出的方法进行仿真与实测实验验证,实验结果表明:经过校正,磁梯度张量各分量的最大波动量由10 049nT/m降到52nT/m。提出的校正方法可以基本消除十字形磁梯度张量系统的误差,提高测量结果的准确度,且方法操作简单,不需要高精度的三轴无磁转台等设备,具有较高的实用价值。     

三轴磁通门磁梯度仪转向差校正方法研究

三轴磁通门传感器应用广泛,但其自身固有的零偏误差、灵敏度误差以及三轴非正交误差对其磁场测量精度有着较大的影响。针对磁通门梯度仪中磁传感器自身的性能参数和摆放方位不一致问题,提出了转向差的校正方法:分别建立了磁通门传感器误差的自校准和互校准数学模型,并采用神经网络算法和最小二乘算法对模型参数进行求解。仿真和试验结果表明,整个校正过程简单可行,在不需要三轴无磁转台以及恒定磁场标准装置等复杂试验设备情况下,利用磁通门梯度仪在稳定的地磁场环境下采集多组磁场数据,能有效降低磁梯度仪转向差引起的测量误差。     

四面体磁梯度张量系统的误差补偿

针对搭载于水下无人航行器(UUV)的磁梯度张量系统的系统误差,提出了一种系统误差补偿方法。该方法利用四面体磁梯度张量系统的差分测量算法,融合系统中单个矢量磁力仪的系统误差和磁力仪之间的安装中心错位误差,建立了四面体磁梯度张量系统误差数学模型;基于此数学模型提出了系统误差补偿算法,并根据磁梯度张量9分量之间的数学关系提出了补偿参数辨识方法;最后,通过仿真实验对该方法进行了验证。实验结果表明:该方法可以有效补偿磁梯度张量系统的系统误差,补偿量达96.2%,且补偿效果优于参考文献提出的系统误差补偿方法。该方法利用补偿参数对磁梯度张量系统的输出值直接进行系统误差补偿,从理论上解决了磁梯度张量系统整体误差的统一补偿问题。     

旋转变压器的角度误差校正系统设计

针对旋转变压器输出数据存在的角度误差问题,对旋转变压器校正方法进行了研究,设计并实现了旋转变压器角度误差校正系统。该系统充分利用了旋转变压器工作原理,发挥了光电编码器优势,采用了FPGA和ARM的优点,由同一电机带动光电编码器和被测旋转变压器,以FPGA+ARM组成的控制模块读出光电编码器和被测旋转变压器的角度,并进行比较分析,测量旋转变压器的非线性误差,建立误差分析表,提出了一种根据系数进行补偿的方式,对旋转变压器的误差进行了补偿。研究结果表明,该系统能对旋转变压器的输出数据进行校正,校正前旋转变压器的角度误差最大为21.2弧分,通过该系统校正后,测角误差最大为5.3弧分,系统校正速度较快且效果明显。     

张量衍生不变关系下的磁源单点定位

为避免在利用欧拉反演方法进行磁性目标单点定位时,二阶张量数据对误差和噪声的较敏感性导致定位精度低的缺点,提出一种利用张量衍生不变关系、仅需一阶张量数据实现磁源单点定位的方法。在磁偶极子场源张量不变量和特征值分析基础上,推导了两个张量衍生不变关系:磁矩与位置矢量夹角是恒定的,且能用张量特征值表示;绝对值最小特征值的特征向量垂直于磁矩、位置矢量,其余特征值的特征向量共面于磁矩、位置矢量。据此,可计算出位置矢量关于过磁源中心某平面四象限对称的4个可能解,根据实际方位和磁测数据确定唯一解。实验结果表明,实测中经磁梯度张量系统误差校正后,对小尺度磁铁(直径5cm、厚度0.5cm)的定位精度控制在1cm均方根误差范围内。相比欧拉反演方法,提出的方法在同噪声工况下探测距离更远,定位结果更可靠。     

双轴地磁传感器的参数标定与误差补偿

针对在双轴地磁传感器与卫星组合测量弹丸姿态的系统中双轴地磁传感器容易受外界误差因子干扰的问题,通过分析影响地磁传感器测量精度的误差因子,提出了一种参数标定和基于椭圆旋转的误差补偿算法。首先,假设双轴地磁传感器存在虚拟x轴,对传感器的误差因子进行建模,得到误差补偿模型;其次,对传感器双轴输出表达式中的参数进行标定;对双轴的测量值集合形成的椭圆进行旋转;最后,计算误差补偿模型中的6个参数。三轴无磁转台实验数据分析表明,该方法可以将双轴地磁传感器测量滚转角的误差精度控制在±2°之间,基本满足了弹丸姿态测量的要求。     

三轴地磁传感器误差的自适应校正方法

针对复杂磁环境下地磁传感器测量精度不足的问题,在分析地磁传感器各种误差来源的基础上,建立完整形式的地磁传感器椭球误差模型,通过最小二乘估计法拟合得到椭球模型系数,利用椭球模型系数推导地磁传感器误差矩阵和偏移矢量,最后对地磁传感器磁环境下的输出数据进行校正.实验结果表明,校正后的磁场强度和实际磁场强度基本一致,盲区附近滚转角误差减小到5°,俯仰角误差减小到4°,除了盲区附近的位置,滚转角误差减小到2°,俯仰角误差减小到1 °,测量精度提高了近10倍,基本能够满足简易制导弹药弹道修正的需求.     

无人机磁惯导系统中航向校正的双内积算法

针对无人机磁惯导系统中广泛采用的三轴磁强计,建立航向角误差模型,分析出航向角的非对准误差等效为常值误差加半圆罗差,提出了一种基于双内积的航向误差校正方法,即利用地磁场矢量与自身内积得到的模值为定值以及地磁矢量与重力矢量二者的内积为常数原理进行航向角解算补偿。该方法能克服基于矢量模值不变校正方法无法补偿非对准误差的缺陷,可实现三轴磁强计的完全校正。数值仿真及实验结果显示,该方法校正效果优于标量校正法、点积不变法以及两步法,能有效降低磁场矢量的模值误差和无人机航向角误差,且对磁惯导系统中的传感器噪声有较好的鲁棒性。     

Prewitt 霍尔磁梯度张量系统结构设计

为实现高速磁浮轨道长定子行波主漏磁场小空间、mT量级磁梯度张量的准确测量,将图像边缘检测领域的Prewitt梯度算子进行实例化,设计了一种由8只霍尔磁敏传感器构成的小体积、低成本的磁梯度张量测量结构。通过空间冗余的手段,克服了霍尔磁敏传感器零点偏移大,灵敏度一致性差的特点,也为传统磁梯度张量测量系统传感器的空间布局提供了一种新的思路。实验结果表明,相对传统十字形、正方形结构,Prewitt结构可将多传感器上述两种参数不一致导致的测量误差分别减小至原来的-10.4%和58.1%,有效降低了测量系统对传感器参数一致性的要求,避免了复杂高成本的三轴传感器标定与误差校正环节。     

Linear calibration method of magnetic gradient tensor system

Based on the detailed analysis of systematic errors, mathematical model of error parameters is constructed and linear calibration method is proposed for magnetic gradient tensor system. Firstly, nonlinear mathematical model of error parameters for single vector magnetometer is constructed based on scalar calibration, and least square solution is deduced by two nonlinear conversions without any mathematical simplification. Then outputs of four tri-axial magnetometers are calibrated to sensor’s orthogonal coordinate respectively. Secondly, a least square estimation is proposed for the misalignment errors between different magnetometers according to the rotation matrix comprising conversion of different orthogonal coordinate system. After calibration, outputs of tri-axial magnetometers are acquired along the ideally platform frame-orthogonal coordinate system and these enable calibration of magnetic gradient tensor system. Simulations and experiments show that the proposed linear calibration method can accurately solve the detailed error parameters and decrease measurement errors of magnetic gradient tensor system remarkably.     

航向测量系统中三轴磁传感器标定的等效两步法

针对航向测量系统中三轴磁传感器误差参数标定问题提出了等效两步法。通过奇异值分解将测量模型等效为一组坐标变换,分析误差参数的几何意义及等效变换方法的意义与特点,依据几何意义将标定过程分为两步进行,即等效传感器坐标系标定及等效非对准标定。利用椭球面方程系数计算等效传感器坐标系误差参数,明确椭球法标定参数的几何意义;应用主成分分析法进行等效非对准标定,分析传统主成分分析法产生符号错误及非正交问题的原因与影响,并研究符号修正与正交修正方法。等效两步法的标定过程不需要航姿参考、地磁信息及辅助传感器,实验表明其航向角校正精度与点积不变法相当。     

三分量磁通门梯度仪校准算法研究

针对三轴磁通门传感器非正交、灵敏度不一致、零偏以及构成梯度仪的两个磁通门传感器位置不一致引起的测量误差问题,建立了误差模型;基于地磁矢量模值短时不变原理,采用线性化最小二乘算法进行一个磁通门传感器参数的辨识;基于校准后三分量差值F范数最小原理,采用多元线性回归的方法进行另一个磁通门传感器参数以及两个磁通门传感器相对位置关系参数的辨识。实验结果表明,该方法能够将两个磁通门中最大总场误差从1 194.4 n T降低到30.0 n T,将三分量梯度仪最大输出误差从529.1 n T降低到13.4 n T,有效地改善了梯度仪性能。     

新型过约束正交并联六维力传感器测量模型与静态标定试验

面向航空航天领域对重载大吨位多维测力传感器的急需,通过引入冗余测力分支,提出一种适用于重载测力场合的新型过约束正交并联六维力传感器结构,在提高传感器结构刚度和承载能力的同时有效抑制了关节摩擦对多维力传感器测量精度的影响。基于螺旋理论,推导得到了该并联传感器一阶静力影响系数矩阵,建立理想状态下该新型过约束正交并联六维力传感器测量数学模型。考虑各测量分支的初始预紧力与刚度,基于传感器静力平衡方程与补充建立的位移协调方程,推导建立考虑初始预紧力与分支刚度因素下该新型过约束正交并联六维力传感器测量数学模型。在此基础上,设计并研制该新型过约束正交并联六维力传感器样机,搭建传感器加载标定与信号采集及处理试验系统,对新型过约束正交并联六维力传感器进行了加载标定试验。根据试验结果计算了传感器测量误差矩阵,分析得到了传感器测量精度,从而为重载过约束并联六维力传感器的开发与应用提供了参考。     

基于椭球拟合的三轴磁传感器快速标定补偿方法

考虑到现有多轴磁传感器的标定补偿方法中普遍存在操作时间长、计算量较大、标定设备要求高、场地要求面积大等问题,提出一种基于椭球拟合的三轴磁传感器误差标定补偿方法。首先,分析传感器误差产生机理,并在此基础上,建立传感器误差模型,推导出各误差系数的计算公式,并利用椭球拟合的方法对三轴磁传感器进行测试标定与误差补偿。实验结果表明,该方法能够正确、有效地标定补偿三轴磁传感器的不正交误差、灵敏度误差以及零偏误差,具有操作简捷、省时、精度高等特点。     

点激光测头激光束方向标定

为了使点激光测头能在任意方向上实现测量功能,提出一种逆向工程中标定激光束方向的方法,设计了一种标定面方向可调的标定块配合标定。标定过程中,让激光测头在标定面上分别沿X、Y、Z3个轴方向做等间距运动,根据进给步长与激光束长度变化量之间的关系确定激光束的方向。以三坐标测量机为平台,给出了以任意方向安置点激光测头时,测量值从传感器坐标系到基准坐标系的转换过程,并对标定算法及整个标定过程进行了详细描述。最后,通过与接触式测量进行对比实验,验证标定后点激光测头的测量效果。实验结果表明,用该方法标定的点激光测头在3σ范围内沿任意方向的测量误差为(0.0452±0.0168)mm,满足逆向工程的测量要求。     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。