基于椭球假设的三轴电子罗盘罗差补偿研究

为实现三轴电子罗盘的自动罗差校正,对基于椭球假设的罗差补偿算法进行了研究.从描述载体干扰磁场的泊松模型出发,分析了椭球假设的合理性与局限性,给出了利用椭球拟合实现罗差补偿的算法,并进行了数值仿真及实验验证.实验结果表明,基于椭球拟合的罗差校正方法的剩余误差主要表现为常值误差与半圆罗差的结合,该方法可在无外部航向基准条件下实现三轴电子罗盘的自动罗差校正.     

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。     

基于GMR传感器的三轴电子罗盘

针对现有大多数罗盘精度不高的问题,设计了一款基于新型巨磁阻(GMR)传感器芯片的三轴电子罗盘测量系统。该系统采用3个巨磁阻传感器芯片来测量地磁场矢量,采用三轴加速度传感器来测量载体的横滚角和俯仰角,在MSP430单片机中实现姿态转换、航向解算,最终通过RS232接口把航向角数据传输到电脑上。通过对影响罗盘测量精度误差来源的分析,提出了相应的自动校正和磁场补偿算法;在有外界磁场干扰的情况下,采用三维旋转校准,以保证罗盘能够达到较高的精度。研究结果表明,无论是否有外磁场干扰,罗盘经过校准补偿后精度都能够达到1.5°,从而验证了所设计的罗盘能够有效的对磁场干扰进行补偿。     

基于高斯牛顿迭代算法的三轴磁强计校正

三轴磁强计存在各轴刻度因子、零偏和轴间非正交性误差,需要研究其校正方法。基于标量校正法思想,对磁强计校正模型进行了推导,提出基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正方法。采用高精度质子磁力仪提供磁场基准值。借助无磁转台转动磁强计,转动过程中磁强计连续采样,测量数据更具代表性和实用性。仿真结果表明,磁强计误差从162.135 nT降低到1.467 nT。实验结果表明,校正后,磁强计绕3个轴转动的测量值误差分别从1133.887 nT、1317.554 nT、1303.994 nT降低到36.964 nT、20.922 nT、15.664 nT。表明该方法能有效降低磁强计测量误差,磁强计精度明显得到提高。     

基于FLANN的三轴磁强计误差校正研究

提出一种基于函数链接型神经网络(FLANN)的三轴磁强计误差修正方法.由于三轴非正交、灵敏度不一致及零点漂移所引起的误差降低了三轴磁强计的测量精度,因此有必要进行校正.本文先对与三轴磁强计系统参数有关的测量进行详细分析和理论计算;然后,设计矩阵形式的数学模型对该误差进行修正.通过构造相应的FLANN网络结构,实现对模型参数矩阵的辨识.用实际地磁场测量数据进行测试,结果表明,三轴磁强计的转向误差由800 nT修正到12 nT以下.因此,该研究为提高三轴磁强计性能提供了一种可行方法.     

基于无迹卡尔曼滤波和设备的三轴磁强计校正

采用无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)磁强计模型参数估计方法,提出对三轴磁强计的总量及分量误差进行校正。采用高精度质子磁力仪提供磁场基准值,借助无磁转台实现磁强计全方位转动,对一款DM-050三轴磁强计进行了参数估计,并将参数估计值运用到总量和分量校正。仿真结果表明,参数估计值与磁强计实际参数值一致。校正后,磁强计总量误差从427.9 nT减少到2.06 nT;X、Y、Z轴分量误差分别减少到1.84 nT、1.96 nT、1.72 nT。而且证明了UKF对磁强计模型参数估计的重复性良好,并研究了噪声幅度大小对UKF的性能影响程度。实验结果表明,磁强计误差从114.94 nT减少到14.47 nT,表明该方法能有效提高磁强计测量精度。     

一种简便的三轴磁强计标定方法

三轴磁强计作为卫星地磁导航中的姿态确定传感器,使用前对其进行标定尤为重要。阐述了一种简单的三轴磁强计标定方法,并且在零磁实验室中对Honeywell公司的HMR2300三轴磁强计进行零偏误差、线性度、灵敏度标定以及在均匀稳定的地磁场中进行三轴不正交度的标定。试验结果表明,该标定方法可以满足微小卫星姿态确定的要求。     

基于MEMS传感器的高精度电子罗盘研究

针对电子罗盘易受到干扰和成本高等问题,对电子罗盘结构、倾角补偿、误差分析、误差校正等方面进行了研究,对电子罗盘在实际应用中的误差来源和校正算法进行了归纳,提出了基于STM32 ARM Cortex-M3内核单片机以及MEMS传感器构建电子罗盘系统,开展了电子罗盘的误差分析,提出了电子罗盘误差模型,提出用卡尔曼滤波算法对磁阻传感器和加速度计进行了数据融合与滤波,在利用加速度计计算倾角的基础上对电子罗盘进行了倾角补偿,利用Matlab处理上位机采集到的电子罗盘数据,进行了电子罗盘的输出角度和精度试验。研究结果表明,该电子罗盘可获得高精度的静态姿态角。     

水平定向钻进随钻测量及方位校正研究

根据水平定向钻进角度随钻测量的要求，描述了用三轴加速度计与三轴磁强计测量地下钻头姿态-方位角、倾斜角和工具面向角的方法，针对由于钻具铁磁性材料造成干扰磁场对方位测量引入的误差，提出了利用当地地磁场进行校正的方法，详细分析了校正原理，同时给出校正步骤和仿真结果。结果表明，这种校正方法能够在不更换钻具的情况下获得准确的方位角，因此可以大大减少无磁钻铤的长度，节省钻进成本。     

基于非迭代椭球拟合算法的电子罗盘标定方法

体积小、响应快、功耗小的电子罗盘通过感知地球磁场矢量的方向获得方位角信息,广泛应用于导航领域。但由于存在偏置、灵敏度系数不一致、非正交或未对准引起的误差,导致电子罗盘信号扭曲,发展有效的标定校准方法一直是电子罗盘领域的研究重点。本文针对引起罗盘误差的各个因素,采用了基于椭球假设的误差模型,并给出了一种基于矩阵分解的非迭代椭球拟合算法。基于该算法的标定方法不需要参考设备,适合现场标定,同时避免复杂的迭代计算,并且能够确保始终有最优解。经过校准后的电子罗盘在水平状态下最大绝对误差不超过0.9°,表明了该方法的有效性。     

Fuzzy calibration of a magnetic compass for vehicular applications

In a strapdown compass on a vehicle, three-axis magnetometers measure the Earth's magnetic field vector along the body axes of the vehicle to determine its heading angle. Owing to the local magnetic effects, the measurements frequently deviate from the geomagnetic field vector coordinated in the body frame. Therefore, online calibration of the compass should be considered to satisfy the requirements of the vehicle navigation system. In this paper, a new intelligent method is developed to implement online calibration of the compass system. First, a regression model is proposed to increase the convergence probability of the calibration process using the attitude angles in the measurement equations. Second, based on the knowledge of expert engineers, a Mamdani type fuzzy batch least-square (FBLS) algorithm is designed to estimate the calibration bias and scaling parameters. Generalized likelihood ratio (GLR) and the changes of estimated parameters are considered as the main information of the fuzzy system in which the length of data batch and the associated weighting factor are updated continuously. The results of simulations and experiments reveal the superiority of the proposed approach to the non-fuzzy methods.     

基于三分量地磁滤波技术的微型AHRS算法研究

针对常规的微型姿态参照系统(AHRS)算法存在过载干扰和滤波发散的问题,设计了一种基于三分量地磁滤波技术的微型AHRS算法。采用一种简化的Sage-Husa自适应滤波算法进行了AHRS的信息融合;采用姿态误差角和陀螺漂移作为状态变量,进行了自适应滤波的时间更新,采用三分量地磁矢量作为观测量,进行了自适应滤波的量测更新;最后,对该算法进行了半物理仿真实验。实验结果表明,该算法能够有效地减小高过载造成的姿态测量误差,在2 g线振动测试条件下,该算法的俯仰角和横滚角的测量精度优于0.75°,航向角精度优于1.87°;与常规的算法相比,系统的抗过载能力提高了近3.2倍。该算法测量精度高、抗过载性好,具有很强的自适应能力,尤其适用于低铁磁干扰、高过载的工作环境。     

Magnetic interference compensation method for geomagnetic field vector measurement

Ferromagnetic interferential field from platforms is one of the most dominating error sources for magnetometer. For magnetic vector and gradient tensor measurement, what is cared about most is the effect of compensating magnetic field vector. In this paper, a magnetic compensation method is proposed, which uses host platform’s attitude from inertial sensor as auxiliary information and sets up a vectorial compensation model. By introducing three intermediate parameters, the issue of parameter estimation is linearized and solved with least squares method. Simulations show that errors of magnetic field vector and magnitude can both be reduced to several nT after compensation. Experiment has been conducted with a geomagnetic vector measurement system and results suggest that the method is an effective way for compensating both magnetic field magnitude and vectors.     

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。     

Calibration and compensation methods of installation error of electronic compass

Installation error angle is one of the factors that affect the accuracy of electronic compass used for geomagnetic navigation.To solve this problem,the calibration and compensation methods for installation error angle are studied.By analyzing the generation mechanism of installation error angle of electronic compass,an installation error model is established,compensation formulae are derived,and calibration scheme is proposed.To verify the correctness of the calibration and compensation methods,the verification experiment is conducted by computer simulation.The simulation results show that the proposed calibration and compensation methods are effective and practical.     

单光束 SERF 磁强计三轴磁场解耦磁补偿校准方法

针对单光束SERF原子磁强计磁补偿过程中的三轴磁场耦合问题,提出了一种对磁强计三轴顺序补偿值进行反向校准的方法,用于减小三轴补偿过程中产生的耦合磁场。首先,构建了三轴磁场耦合数学模型,即一个3×3的耦合系数矩阵,来描述三轴之间的磁场耦合关系,并对实验室磁强计样机进行了三轴耦合系数测试。然后,提出了一种应用三轴耦合系数对三轴顺序补偿值进行反向校准的方法;最后,对比了校准前后的磁补偿效果。实验表明,经三轴顺序补偿反向校准后,磁强计的响应线宽平均变窄2～10 Hz,灵敏度提高3～5 fTHz^1/2,验证了该方法的有效性,为进一步优化磁补偿技术奠定了基础。     

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.