CN103995239A - 一种磁场梯度参数测量新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁场梯度参数测量方法，本发明充分利用传感器系统的运动能力，以时间来换取空间，只需要用一个三轴传感器系统就能完成至少需要10个单轴传感器才能完成的任务。可用于各种需要磁场梯度参数且不固定磁场传感器的场合。本发明大幅降低了磁场梯度参数测量的成本，同时通过载体的灵活移动，可以得到更多的空间点的磁场测量信息，不再局限于固定位置固定点的磁场测量信息，对提高磁场梯度参数的精度有很大的帮助。

Description

一种磁场梯度参数测量新方法

技术领域

本发明涉及一种磁场梯度参数测量方法，本发明充分利用传感器系统的运动能力，以时间来换取空间，只需要用一个三轴传感器系统就能完成至少需要10个单轴传感器才能完成的任务。可用于各种需要磁场梯度参数且不固定磁场传感器的场合。

背景技术

磁场强度的三个分量(H_x,H_y,H_z)在空间三个方向(x，y，z)的变化率构成了一个张量，即磁场梯度张量，共包括9个要素，记为磁场梯度张量参数矩阵G：

在无源磁场空间中，磁场强度的散度和旋度为0，即：

${\∂H}_x/\∂z-\∂H_z/\∂x=0$

${\∂H}_x/\∂y-\∂H_y/\∂x=0$

${\∂H}_y/\∂z-\∂H_z/\∂y=0$

有上式可得可得9个磁场参数中实际上只有5个参数是独立的，只要能得到这5个磁场梯度参数的值，结合磁场总大小，就可以用磁场梯度反演定位法反推算出磁性目标相对于观测点的位置以及磁偶极矩的大小和方向。设

则磁场张量参数矩阵可以改写为，

如果通过多个磁传感器组成空间测量阵列，测量a、b、d、e、f这五个量。为达到最佳测量效果，每个磁场梯度参数值需要两个单轴磁强计的测量值来计算。也就是说至少需要10个单轴磁强计才能满足磁性目标的定位计算的需要。这就造成了测量成本的提高，而且多个磁强计之间信息的融合也会给计算带来难度。为了节约测量成本，提高测量精度，本发明充分利用传感器系统的运动能力，以时间来换取空间，只需要用一个三轴传感器系统就能完成至少需要10个单轴传感器才能完成的任务。

本发明的创新之处在于以运动的方式代替空间中多个磁传感器测量，不同时间传感器处于不同的空间位置，以当前时刻位置为磁场梯度参数计算参考点，历史时刻选定位置为磁场梯度参数计算测量点，测量点与参考点会存在位移差和磁场差，可以用来计算观测点的磁场梯度张量信息。

发明内容

本发明本发明的技术解决问题是：克服现有磁场梯度测量技术的不足，提供一种低成本、精度较高的磁场梯度测量新方法。

本发明的技术方案为：一种磁场梯度张量测量新方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对安装在飞行器上的三轴正交的三轴磁传感器系统进行标定，利用标定算法计算得到的参数补偿掉磁传感器系统的测量误差、安装误差以及载体上磁性材料造成的硬磁干扰及部分软磁干扰。标定完成后，飞行器执行飞行任务，测量空间磁场信息，记录磁场测量信息。

(2)以当前时刻所在点为参考点，地理坐标系为参考坐标系。选取当前时刻之前Ts时间内的n点，称这些点为测量点。测量点必须满足条件：距离参考点的位移不能太大，如果距离过大，则计算梯度参数值会过大的偏离参考点磁场梯度参数的真实值，不能用于定位计算。受磁传感器测量精度的影响，测量点和参考点之间的位移也不能太小，否则磁场差接近于零，这样的点对于计算没有任何帮助。设满足要求的最小距离为r_min，最大距离为r_max，则有Δx_i,Δy_i,Δz_i为参考坐标系下第i个测量点与参考点之间的三个轴的位移差。

(3)计算测量点及参考点的磁场测量数据在参考坐标系下的投影值。计算测量点与参考点之间的位移值。

(4)计算每个测量点的磁场梯度参数信息。利用求所有测量点计算出每个磁场梯度参数的平均值，去掉偏离平均值过大的参数值，再求一次平均值即可得磁场梯度参数的近似测量值。

本发明的原理是：磁场梯度参数是描述某一点磁场在空间上指定方向上的变化快慢程度的变量。只要测量点和参考点之间存在位移差，就能计算出参考点在某一个或者几个方向上的磁场梯度参数。对于稳恒磁场，随时间变化的程度很小，因此我们可以认为在不同时刻的测量到的是同一磁场。也就是说磁传感器不需要固定在一点，通过移动磁传感器到不同的空间位置，有这些测量点构成的空间测量阵列和直接用多个传感器构成的传感器测量阵列取得的效果是相同的。

本发明相比现有技术的优点为：大幅降低了磁场梯度参数测量的成本，从至少需要10个单轴磁传感器降到了只需要三个相互正交的单轴磁传感器。同时通过载体的灵活移动，可以得到更多的空间点的磁场测量信息，不再局限于固定位置固定点的磁场测量信息，对提高磁场梯度参数的精度有很大的帮助。

附图说明

图1为磁场梯度参数测量新方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体方法如下：

(1)对安装在飞行器上的三轴正交的三轴磁传感器系统进行标定，利用标定算法计算得到的参数补偿掉磁传感器系统的测量误差、安装误差以及载体上磁性材料造成的硬磁干扰及部分软磁干扰。设测得磁场在载体系三轴分量的大小。以当前位置为磁场梯度参数计算参考点，当前载体坐标系为参考坐标系，则磁场大小为。

(2)选取当前时刻之前1分钟时间内的n点，称这些点为测量点。测量点必须满足条件：距离参考点的位移不能太大，如果距离过大，则计算梯度参数值会过大的偏离参考点磁场梯度参数的真实值，不能用于定位计算。受磁传感器测量精度的影响，测量点和参考点之间的位移也不能太小，否则磁场差接近于零，这样的点对于计算没有任何帮助。设满足要求的最小距离为r_min，最大距离为r_max，则有Δx_i,Δy_i,Δz_i为参考坐标系下第i个测量点与参考点之间的三个轴的位移差。以参考点为球心，分别以r_min和r_max画一个球面，只要保证测量点在两个球面所夹的空间之内的运动轨迹上即可满足要求。为保证充分利用空间信息，要尽量使测量点均匀的分布在这一段运动轨迹上。由(1)中记录的数据可得第i个测量点的磁场测量值为

(3)计算测量点及参考点的磁场测量数据在参考坐标系下的投影值。由飞行器的飞行状态数据可得，在测量点i处，飞行器的三个姿态角为(θ_i,φ_i,ψ_i)，磁场在载体系的测量值为方向余弦矩阵为：

则测量点磁场在参考坐标系下的投影值为

参考点的飞行器姿态角为(θ₀,φ₀,ψ₀)，磁场在载体系的测量值为

同理其方向余弦矩阵为：

则参考点磁场在参考坐标系下的投影值为

计算测量点与参考点之间的位移值。在参考坐标系下，参考点的位置坐标为(x₀,y₀,z₀)，测量点i的位置坐标为(x_i,y_i,z_i)。测量点与参考点之间的位移值为(Δx_i,Δy_i,Δz_i)＝(x₀-x_i,y₀-y_i,z₀-z_i)。

(4)计算参考点的磁场梯度参数。具体情况如下：计算每个测量点相对参考点各轴的磁场变化量的大小，与三轴方向的位移分量的商即为测量点在相应坐标轴方向上的梯度参数大小，计算公式为：

将每个测量点相同轴上的磁场梯度信息求平均值：

去阈值为ε，若测量值与平均值的偏差超过ε，就去掉相应的测量值。将剩余的测量值再求一次平均值，就可以得到参考点的磁场梯度参数的近似值。

Claims (5)

1.一种磁场梯度参数测量新方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对安装在飞行器上的三轴正交的三轴磁传感器系统进行标定，利用标定算法计算得到的参数补偿掉磁传感器系统的测量误差、安装误差以及载体上磁性材料造成的硬磁干扰及部分软磁干扰。标定完成后，飞行器执行飞行任务，测量空间磁场信息，记录磁场测量信息。

(2)以当前时刻所在点为参考点，地理坐标系为参考坐标系。选取当前时刻之前Ts时间内的n点，称这些点为测量点。测量点必须满足条件：距离参考点的位移不能太大，如果距离过大，则计算梯度参数值会过大的偏离参考点磁场梯度参数的真实值，不能用于定位计算。受磁传感器测量精度的影响，测量点和参考点之间的位移也不能太小，否则磁场差接近于零，这样的点对于计算没有任何帮助。设满足要求的最小距离为r_min，最大距离为r_max，则有Δx_i,Δy_i,Δz_i为参考坐标系下第i个测量点与参考点之间的三个轴的位移差。

(3)计算测量点及参考点的磁场测量数据在参考坐标系下的投影值。计算测量点与参考点之间的位移值。

(4)计算每个测量点的磁场梯度参数信息。利用求所有测量点计算出每个磁场梯度参数的平均值，去掉偏离平均值过大的参数值，再求一次平均值即可得磁场梯度参数的近似测量值。

2.根据权利要求1所述的一种磁场梯度参数测量新方法，其特征在于：对三轴正交的三轴磁传感器系统进行标定，补偿掉磁传感器系统的测量误差、安装误差以及载体上磁性材料造成的硬磁干扰及部分软磁干扰。

3.根据权利要求1所述的一种磁场梯度参数测量新方法，其特征在于：所选取的测量点当前时刻之前1分钟时间内的n点。测量点和参考点之间的位移也不能太小，否则磁场差接近于零，这样的点对于计算没有任何帮助。设满足要求的最小距离为r_min，最大距离为r_max，则有Δx_i,Δy_i,Δz_i为参考坐标系下第i个测量点与参考点之间的三个轴的位移差。以参考点为球心，分别以r_min和r_max画一个球面，只要保证测量点在两个球面所夹的空间之内的运动轨迹上即可满足要求。为保证充分利用空间信息，要尽量使测量点均匀的分布在这一段运动轨迹上。

4.根据权利要求1所述的一种磁场梯度参数测量新方法，其特征在于：利用磁传感器系统记录的测量点的磁场测量信息计算测量点及参考点的磁场测量数据在参考坐标系下的投影值。利用飞行器的飞行状态参数值计算测量点与参考点之间的位移值。

5.根据权利要求1所述的一种磁场梯度参数测量新方法，其特征在于：利用求所有测量点计算出每个磁场梯度参数的平均值，去掉偏离平均值过大的参数值，再求一次平均值即可得磁场梯度参数的近似测量值。