CN105716624A - 用于飞行器的磁性传感器校准 - Google Patents

Abstract

用于飞行器的磁性传感器校准。一种用于飞行器的磁性传感器校准的方法包括获得姿态数据、航向角数据、位置数据以及日期信息；将位置数据和日期输入到地球磁场（EMF）模型中和EMF模型修正图中；将姿态和航向角数据输入到NOLL至机体框架变换模块中；从EMF模型输出EMF模型矢量；从EMF模型修正图输出EMF修正矢量；用EMF修正矢量来补偿EMF模型矢量以产生已修正EMF模型矢量；将已修正EMF模型矢量输入到变换模块中；将磁场测量数据输入到校准处理单元中；将真实地球磁场数据从变换模块输入到处理单元中；基于磁场测量和真实地球磁场在处理单元中计算补偿系数；以及存储所述补偿系数。

Description

用于飞行器的磁性传感器校准

背景技术

航向角对于飞行器而言是关键参数。姿态和航向参考系统（AHRS）通常根据从磁强计获取的地球磁场的测量来计算磁航向角。磁强计经受由飞行器生成的测量误差，诸如硬铁偏置和软铁，以及由传感器生成的测量误差，诸如损坏测量且使得难以直接地测量地球磁场的比例因子和不对准。硬铁偏置指的是向磁强计位置处的地球磁场引入偏置的永久磁化材料的效应。软铁指的是未被永久地磁化、但使磁强计位置处的地球磁场失真的材料。磁强计测量误差的效应可以导致10度或更多的磁航向角误差。

使用磁校准来修正磁强计测量误差的效应，使得可以准确地确定磁航向角。传统罗经盘磁校准是通过使用被与AHRS磁航向角相比较的调查航向角在地面上完成的。然而，存在可以通过用空中磁校准替换地面上校准来消除的某些成本和风险。这些包括对专用罗经盘设施的需要；用于拖车（tugvehicle）和操作员使飞行器旋转的时间和成本；在引擎运行时的飞行器周围的安全人员的成本；由于来自地面设备的磁扰而引起的不正确校准的风险；以及二维磁强计校准的限制。

空中磁校准解决了上述问题并以短暂的一次性飞行动作来提供全三维磁强计校准。然而，空中校准仍要求真实航向角输入。在一个先前方法中，供在空中校准使用的真实航向角的源是惯性参考系统（IRS）。对飞行器上的IRS的需要使得这个方法受限，因为IRS在飞行器架构中可能不可用。

发明内容

一种用于飞行器的磁传感器校准的方法包括获得用于飞行器的姿态数据、航向角数据、位置数据以及日期信息；将位置数据和日期信息输入到地球磁场模型中；将位置数据和日期信息输入到地球磁场模型修正图（correctionmap）中；将姿态数据和航向角数据输入到指北局部水平（NorthOrientedLocalLevel）（NOLL）至机体框架变换（bodyframetransformation）模块中；从地球磁场模型输出地球磁场模型矢量；从地球磁场模型修正图输出地球磁场模型修正矢量；用地球磁场模型修正矢量来补偿地球磁场模型矢量以产生已修正地球磁场模型矢量；将已修正地球磁场模型矢量输入到NOLL至机体框架变换模块中；将磁场测量数据输入到校准处理单元中；将真实地球磁场数据从NOLL至机体框架变换模块输入到校准处理单元中；基于磁场测量数据和真实地球磁场数据在校准处理单元中计算补偿系数；以及将补偿系数存储在存储器单元中。

附图说明

根据参考附图的以下描述，本发明的特征对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。应理解的是附图仅仅描绘典型实施例且因此不应被视为在范围方面是限制性的，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述本发明，在所述附图中：

图1是根据一个实施例的磁强计校准系统的功能框图；以及

图2是根据另一实施例的磁强计校准系统的功能框图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，足够详细地描述了实施例以使得本领域的技术人员能够实施本发明。应理解的是在不脱离本发明的范围的情况下可利用其它实施例。因此不应在限制性意义上理解以下详细描述。

提供了一种用于飞行器的磁校准系统和方法。该磁校准确定一组补偿系数，其在实时操作中被用来针对导致飞行器中的磁强计测量误差的飞行器和内部磁强计误差源的效应而补偿磁强计测量。

在一个方法中，提供了一种用于使用全球定位系统（GPS）姿态和航向参考系统（GPAHRS）和飞行器动作来完成空中磁校准的方法，其并不依赖于惯性参考系统（IRS）。这个方法用GPAHRS解决方案来完成空中磁校准，其能够在所选飞行器动作的条件下提供真实姿态和航向角。

在另一方法中，一种用于空中磁校准的方法采用姿态和航向参考系统（AHRS）和飞行员输入。在其它方法中，可以当IRS或惯性测量单元（IMU）中的一个可用时用IRS或惯性测量单元（IMU）来执行用于磁校准的本方法。

上述方法还包括短暂的一次性飞行动作，其使得磁强计能够相对于局部地球磁场在三个维度上旋转。这允许用于维护的目的在任何地方进行空中磁再校准。替换地，可以执行地面上罗经盘旋转动作。

磁校准过程包括在飞行中或地面上动作期间收集磁强计数据连同诸如GPAHRS数据（或者当可用时的GPAHRS和惯性测量数据）之类的位置、姿态以及航向角数据，并基于所有测量数据来计算补偿系数。补偿系数被永久地存储在飞行器机上以供在所有未来飞行时使用。可以用软件来完成确定磁校准系数的过程。一旦已经执行磁校准，则针对未来所有飞行时的测量误差的效应补偿磁强计测量。

在本方法中，执行被假设为在时间段内有效的离散时间校准。另外，定义适当的动作以引发使得单天线GPS能够提供航向角的加速度。更新校准算法以结合真实地球磁场与地球磁场模型之间的波动。

本方法确定是否可以根据动作来计算校准参数，并确定校准参数是否要求更新。由于各种原因而需要更新校准参数。这些包括校准参数未捕捉到来自交通工具的局部磁场扰动的效应；实际地球磁场随时间而改变；以及实际地球磁场与地球磁场模型之间的差异。

图1图示出根据一个实施例的磁强计校准系统100。校准系统100一般地包括地球磁场（EMF）模型模块108、EMF模型修正模块110、指北局部水平（NOLL）至机体变换模块114、磁补偿模块116以及磁校准模式模块120。在操作期间，从飞行器上的至少一个磁强计获得磁强计测量。磁强计测量是在飞行器的机体框架中，并包括基于地球磁场及其它磁扰的测量。另外，针对飞行器诸如从GPAHRS获得姿态、航向角以及位置数据。姿态数据包括飞行器的俯仰和滚转，而航向角数据包括在局部水平框架中的用飞行器的取向的方向。位置数据包括纬度、经度以及高度信息。

EMF模型模块108接收用于飞行器的位置数据和日期信息，并且NOLL至机体变换模块114接收姿态和航向角数据。可以包括标准地球磁场模型的EMF模型模块108计算并输出地球磁场矢量数据，其可以在北、东、向下（NED）参考系中定向。地球磁场模型使用位置和日期信息来在NED参考系中查找那个位置和日期处的地球磁场的值。

EMF模型修正模块110还接收用于飞行器的位置数据和日期信息，并且包括修正图，其包括地球磁场模型与实际地球磁场之间的观察偏差。可以包括地球磁场模型修正图的EMF模型修正模块110计算并输出对地球磁场模型矢量数据的修正，其可以在NED参考系中定向。地球磁场模型修正图使用位置和日期信息来在NED参考系中查找那个位置和日期处的地球磁场修正的值。

从EMF模型模块108输出的地球磁场模型矢量在加法器112中被与从EMF模型修正模块110输出的地球磁场模型修正矢量组合以计算已修正地球磁场矢量。已修正地球磁场矢量被从加法器112发送到NOLL至机体变换模块114。在飞行器的机体框架中计算真实地球磁场数据并由NOLL至机体变换模块114基于已修正地球磁场矢量以及姿态和航向角数据而输出。

磁校准模式模块120接收真实地球磁场数据以及局部磁场的磁强计测量。在一个实施例中，磁校准模式模块120包括处理单元122，诸如校准卡尔曼滤波器，其将真实地球磁场数据与局部磁场的测量组合。处理单元122基于接收数据来计算补偿系数，并将补偿系数输出到存储器单元124以用于存储。质量测量模块126从处理单元122接收校准参数并输出校准状态。

磁补偿模块116从磁强计测量接收测量磁场，并从磁校准模式模块120接收补偿系数。磁补偿模块116基于测量磁场和补偿系数而计算并输出已补偿磁场。磁补偿模块116修正磁强计的测量以去除测量的磁扰，使得已补偿磁强计测量仅包括局部地球磁场的分量，并允许计算磁航向角。

在一个实施例中，校准卡尔曼滤波器是确定十二个系数以修正磁测量的最少12状态卡尔曼滤波器。可以将系数永久地存储以用于在所有未来飞行时在补偿中使用。系数可以包括用于硬铁偏置的3轴的三个和用于软铁偏置、比例因子以及不对准误差的3×3矩阵的九个。十二个状态可以是较大的GPS惯性卡尔曼滤波器的一部分，或者被划分为单独的十二状态滤波器以使得其更加广泛地适用。

校准卡尔曼滤波器对两个输入矢量进行操作，包括在机体框架中的来自磁强计的磁场测量以及来自地球磁场模型的真实地球磁场和被变换到机体框架中的地球磁场模型修正图。通过在整个飞行动作内比较这两个矢量，校准卡尔曼滤波器可以确定该系数。校准卡尔曼滤波器仅在校准模式期间操作以使计算时间最小化并确保飞行器的导航系统的完整。在正常操作期间采用该系数以补偿磁强计测量，使得其可以在磁航向角的计算中使用。

在替换实施例中，可以用诸如最小二乘方法之类的另一处理技术来替换卡尔曼滤波器以计算补偿系数。

飞行员可以执行指定的飞行动作以完成校准过程。飞行动作允许将地球磁场矢量绕着飞行器的机体轴旋转，其提供三维校准。

示例性条件列表包括：在局部地形以上大于约5000英尺的高度；以及大于约180毫高斯的水平磁场强度。示例性动作列表包括：约100—350节（knot）的空速；以处于0°航向角且没有垂直速度的飞行器水平开始初始校准动作；在飞行器在2分钟内完成右转的标准360°圆形动作的情况下开始中间校准动作；并且在飞行器在两分钟内完成左转的标准360°圆形动作的情况下开始最终校准动作。

图2图示出根据另一实施例的磁强计校准系统200。校准系统200一般地包括EMF模型模块208、EMF模型修正模块210、磁补偿模块216以及磁校准模式模块220。校准系统200与图1的校准系统100的不同之处在于姿态和航向角数据被直接地馈送到磁校准模式模块220，消除了对单独坐标系变换模块的需要。

EMF模型模块208接收用于飞行器的位置数据和日期信息。可以包括标准地球磁场模型的EMF模型模块208计算并输出地球磁场矢量数据，其可以在NED参考系中定向。EMF模型修正模块210还接收用于飞行器的位置数据和日期信息，并且包括修正图，其包括地球磁场模型与实际地球磁场之间的观察偏差。EMF模型修正模块210计算并输出对地球磁场模型矢量数据的修正，其可以在NED参考系中定向。从EMF模型模块208输出的地球磁场模型矢量在加法器212中被与从EMF模型修正模块210输出的地球磁场模型修正矢量组合以计算已修正地球磁场矢量。

姿态和航向角数据、已修正地球磁场矢量数据以及磁强计测量被磁校准模式模块220中的处理单元222（诸如校准卡尔曼滤波器）接收。将姿态和航向角数据发送到卡尔曼滤波器提供添加用于姿态的“考虑状态”以及坐标系变换，允许卡尔曼滤波器在计算磁补偿项的同时将姿态误差考虑在内。处理单元222基于接收数据来计算补偿系数，并将该补偿系数输出到存储器单元224以用于存储。质量测量模块226从处理单元222接收校准参数并输出校准状态。

飞行员可以执行指定的飞行动作以完成校准过程。飞行动作允许将地球磁场矢量绕着飞行器的机体轴旋转，其提供三维校准。

在飞行器的操作期间，磁补偿模块216从磁强计测量接收测量磁场，并从磁校准模式模块220接收补偿系数。磁补偿模块216基于测量磁场和补偿系数来计算并输出已补偿磁场。

可以使用软件、固件、硬件或其任何适当组合来实现在本方法和系统中使用的计算机或处理器，如本领域的技术人员已知的。这些可以由专门设计的专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）来补充或者将这些结合在其中。计算机或处理器还可以包括具有用于执行在本方法和系统中使用的各种过程任务、计算以及控制功能的软件程序、固件或其它计算机可读指令的功能。

可以通过由至少一个处理器执行的诸如程序模块或部件之类的计算机可执行指令来实现本方法。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、数据部件、数据结构、算法等。

可以用软件、固件或其它计算机或处理器可读指令来实现用于执行在本文所述方法的操作中使用的其它数据的各种过程任务、计算以及生成的指令。这些指令通常被存储在任何适当的计算机程序产品上，其包括被用于存储计算机可读指令或数据结构的计算机可读介质。此类计算机可读介质可以是可以被通用或专用计算机或处理器或任何可编程逻辑器件访问的任何可用介质。

适当的处理器-可读介质可包括诸如磁或光学介质之类的储存器或存储器介质。例如，储存器或存储器介质可包括常规硬盘、紧凑式磁盘、DVD、蓝光磁盘或其它光学存储磁盘；易失性或非易失性介质，诸如随机存取存储器（RAM）；只读存储器（ROM）、电可擦可编程ROM（EEPROM）、闪速存储器等；或者可以用来以计算机可执行指令或数据结构的形式载送或存储期望程序代码的任何其它介质。

示例性实施例

示例1包括用于飞行器的磁性传感器校准的方法，该方法包括：获得用于飞行器的姿态数据、航向角数据、位置数据以及日期信息；将位置数据和日期信息输入到地球磁场模型中；将位置数据和日期信息输入到地球磁场模型修正图中；将姿态数据和航向角数据输入到指北局部水平（NOLL）至机体框架变换模块中；从地球磁场模型输出地球磁场模型矢量；从地球磁场模型修正图输出地球磁场模型修正矢量；用地球磁场模型修正矢量来补偿地球磁场模型矢量以产生已修正地球磁场模型矢量；将已修正地球磁场模型矢量输入到NOLL至机体框架变换模块中；将磁场测量数据输入到校准处理单元中；将真实地球磁场数据从NOLL至机体框架变换模块输入到校准处理单元中；基于磁场测量数据和真实地球磁场数据在校准处理单元中计算补偿系数；以及将补偿系数存储在存储器单元中。

示例2包括示例1的方法，还包括将校准参数从校准处理单元发送到质量测量模块；以及从质量测量模块输出校准状态。

示例3包括示例1—2中的任一项的方法，还包括：将存储的补偿系数输出到磁性传感器补偿模块；将磁场测量数据输入到磁性传感器补偿模块中；基于磁场测量数据和补偿系数来计算已补偿磁场测量；以及输出已补偿磁场测量。

示例4包括示例1—3中的任一项的方法，其中，所述地球磁场修正图提供给定位置处的地球磁场模型与实际地球磁场之间的现有观察差异。

示例5包括示例1—4中的任一项的方法，其中，所述磁场测量数据来自飞行器中的至少一个磁强计。

示例6包括示例1—5中的任一项的方法，其中，所述姿态数据和所述航向角数据是从飞行器中的姿态和航向参考系统获得的。

示例7包括示例1—5中的任一项的方法，其中，所述姿态数据、所述航向角数据以及所述位置数据是从飞行器中的全球定位系统姿态和航向参考系统获得的。

示例8包括示例1—7中的任一项的方法，其中，所述姿态数据和所述航向数据是在由飞行器进行的一个或多个飞行中动作之后获得的。

示例9包括示例1—8中的任一项的方法，其中，所述校准处理单元包括计算补偿系数以修正磁场测量数据的卡尔曼滤波器。

示例10包括示例1—9中的任一项的方法，还包括获得用于飞行器的惯性测量数据；以及将惯性测量数据输入到校准处理单元中。

示例11包括用于飞行器的磁校准的系统，包括：飞行器中的校准处理单元；存储器单元，其与所述校准处理单元进行操作通信；至少一个磁性传感器，其在飞行器上且与所述校准处理单元进行操作通信；地球磁场模型，其被配置成接收用于飞行器的位置和日期信息并输出地球磁场模型矢量；地球磁场模型修正图，其被配置成接收用于飞行器的位置和日期信息并输出地球磁场模型修正矢量；加法器，其被配置成将地球磁场模型矢量与地球磁场模型修正矢量组合以产生已修正地球磁场模型矢量；指北局部水平（NOLL）至机体框架变换模块，其被配置成接收用于飞行器的姿态数据和航向角数据，并接收已修正地球磁场模型矢量；以及磁性传感器补偿模块，其被配置成从所述磁性传感器接收磁场测量数据；其中，所述校准处理单元被配置成：从磁性传感器接收磁场测量数据，从NOLL至机体框架变换模块接收真实地球磁场数据，基于磁场测量数据和真实地球磁场数据来计算补偿系数，将该补偿系数存储在存储器单元中，以及将存储的补偿系数输出到磁性传感器补偿模块。

示例12包括示例11的系统，还包括质量测量模块，其被配置成从所述校准处理单元接收校准参数并输出校准状态。

示例13包括示例11—12中的任一项的系统，其中，所述磁性传感器补偿模块被配置成基于磁场测量数据和补偿系数来计算已补偿磁场；以及输出已补偿磁场。

示例14包括示例11—13中的任一项的系统，其中，所述至少一个磁性传感器包括至少一个磁强计。

示例15包括示例11—14中的任一项的系统，其中，所述姿态数据和所述航向角数据来自于飞行器中的姿态和航向参考系统。

示例16包括示例11—14中的任一项的系统，其中，所述姿态数据、所述航向角数据以及所述位置数据来自于飞行器中的全球定位系统姿态和航向参考系统。

示例17包括示例11—16中的任一项的系统，其中，所述校准处理单元包括计算补偿系数的卡尔曼滤波器。

示例18包括用于飞行器的磁性传感器校准的方法，该方法包括：获得用于飞行器的姿态数据、航向角数据、位置数据以及日期信息；将位置数据和日期信息输入到地球磁场模型中；将位置数据和日期信息输入到地球磁场模型修正图中；从地球磁场模型输出地球磁场模型矢量；从地球磁场模型修正图输出地球磁场模型修正矢量；用地球磁场模型修正矢量来补偿地球磁场模型矢量以产生已修正地球磁场模型矢量；将姿态数据和航向角输入到校准处理单元中；将磁场测量数据输入到所述校准处理单元中；将已修正地球磁场模型矢量输入到所述校准处理单元中；基于磁场测量数据和已修正地球磁场模型矢量在校准处理单元中计算补偿系数；以及将该补偿系数存储在存储器单元中。

示例19包括示例18的方法，还包括：将存储的补偿系数输出到磁性传感器补偿模块；将磁场测量数据输入到磁性传感器补偿模块中；基于磁场测量数据和补偿系数来计算已补偿磁场测量；以及输出已补偿磁场测量。

示例20包括一种计算机程序产品，包括：计算机可读介质，其具有存储在其上面的指令，该指令由处理器可执行以执行根据示例19的用于飞行器的磁性传感器校准的方法。

在不脱离本发明的本质特性的情况下可用其它特定形式来具体实施本发明。所述实施例将在所有方面仅被视为说明性并且非限制性的。因此由所附权利要求而不是由前面的描述来指示本发明的范围。在权利要求的等价的意义和范围内的所有改变将被包括在其范围内。

Claims (3)

1.一种用于飞行器的磁性传感器校准的方法，该方法包括：

获得用于飞行器的姿态数据、航向角数据、位置数据以及日期信息；

将位置数据和日期信息输入到地球磁场模型中；

将位置数据和日期信息输入到地球磁场模型修正图中；

将姿态数据和航向角数据输入到指北局部水平（NOLL）至机体框架变换模块中；

从地球磁场模型输出地球磁场模型矢量；

从地球磁场模型修正图输出地球磁场模型修正矢量；

用地球磁场模型修正矢量来补偿地球磁场模型矢量以产生已修正地球磁场模型矢量；

将已修正地球磁场模型矢量输入到NOLL至机体框架变换模块中；

将磁场测量数据输入到校准处理单元中；

将真实地球磁场数据从NOLL至机体框架变换模块输入到校准处理单元中；

基于磁场测量数据和真实地球磁场数据在校准处理单元中计算补偿系数；以及

将该补偿系数存储在存储器单元中。

2.权利要求1的方法，还包括：

将存储的补偿系数输出到磁性传感器补偿模块；

将磁场测量数据输入到磁性传感器补偿模块中；

基于磁场测量数据和补偿系数来计算已补偿磁场测量；以及

输出已补偿磁场测量。

3.一种用于飞行器的磁校准的系统，包括：

飞行器中的校准处理单元；

存储器单元，其与所述校准处理单元进行操作通信；

至少一个磁性传感器，其在飞行器上且与所述校准处理单元进行操作通信；

地球磁场模型，其被配置成接收用于飞行器的位置和日期信息并输出地球磁场模型矢量；

地球磁场模型修正图，其被配置成接收用于飞行器的位置和日期信息并输出地球磁场模型修正矢量；

加法器，其被配置成将地球磁场模型矢量与地球磁场模型修正矢量组合以产生已修正地球磁场模型矢量；

指北局部水平（NOLL）至机体框架变换模块，其被配置成接收用于飞行器的姿态数据和航向角数据，并接收已修正地球磁场模型矢量；以及

磁性传感器补偿模块，其被配置成从所述磁性传感器接收磁场测量数据；

其中，所述校准处理单元被配置成：

从磁性传感器接收磁场测量数据；

从NOLL至机体框架变换模块接收真实地球磁场数据；

基于磁场测量数据和真实地球磁场数据来计算补偿系数；

将补偿系数存储在存储器单元中；以及

将存储的补偿系数输出到磁性传感器补偿模块。