CN108318017B - 一种差分磁罗盘消除随机磁干扰的数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分磁罗盘消除随机磁干扰的数据处理方法,通过采用两套三轴磁力计、一套三轴加速度计以及相应的信号采集处理系统构成差分磁罗盘，其中两套三轴磁力计沿差分磁罗盘长度方向排列，两套三轴磁力计以及一套三轴加速度计之间对应轴系相互平行，两套三轴磁力计用于测量载体坐标系下三轴方向上的磁场梯度数据；一套三轴加速度计用于测量载体平台准静态时载体坐标系下三轴方向加速度值；对实时采集的两套三轴磁力计数据以及一套三轴加速度计数据进行融合处理，可得到水平坐标系下三个轴向上的地磁场大小，从而实时解算出载体平台精确的磁航向角以及姿态角。

Description

一种差分磁罗盘消除随机磁干扰的数据处理方法

技术领域

本发明属于导航技术领域，具体涉及一种差分磁罗盘消除随机磁干扰的数据处理方法。

背景技术

在一些肩扛式发射装置中，火箭炮在发射之前需要进行定向引导，在定向引导过程中，火箭炮中磁性极强的磁钢需要高速旋转并伴有姿态的调整，由于这个姿态随机变化且磁性极强的磁钢的存在，导致普通的磁罗盘无法应用在这一类发射装置上进行磁航向角的准确测量。因此需要设计一种可消除这种载体平台上固定位置处存在的随机变化磁干扰的数据处理方法，从而实现对这类载体平台的磁航向角以及姿态角的精确测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种分磁罗盘消除随机磁干扰的数据处理方法，可实时解算出载体平台精确的磁航向角以及姿态角。

一种差分磁罗盘消除随机磁干扰的数据处理方法，包括如下步骤：

步骤1、将差分磁罗盘中的两套三轴磁力计安装到载体上，其中，两套三轴磁力计的三轴分别对应平行；令o1x1、o1y1和o1z1分别代表差分磁罗盘中第一套三轴磁力计三轴方向；o2x2、o2y2和o2z2分别代表差分磁罗盘中第二套三轴磁力计三轴方向；则o1x1和o2x2与载体长度方向x平行，o1y1和o2y2与载体长度方向x垂直，并指向载体右侧，o1z1和o2z2与载体的xoy平面垂直，指向朝下；

步骤2、令两套三轴磁力计采集到的三轴方向磁场数据分别为B_x1、B_y1、B_z1、B_x2、B_y2和B_z2；假设地磁场在载体坐标系三轴方向上的值分别为B_x0，B_y0，B_z0，干扰场在第一套三轴磁力计三轴方向上的磁场大小为B_xg1、B_yg1、B_zg1，干扰场在第二套三轴磁力计三轴方向上的磁场大小为B_xg2、B_yg2、B_zg2，即：

步骤3、根据磁偶极子模型，可得到某一时刻干扰源在第一套三轴磁力计处产生的干扰场的大小为：

上式中，μ₀表示真空磁导率；M_x，M_y，M_z分别为干扰源磁矩分解到载体坐标系三轴方向上的磁矩大小；x₀为干扰源与第一套三轴磁力计在载体坐标系x轴方向的距离，y₀为干扰源与第一套三轴磁力计在载体坐标系y轴方向的距离，z₀为干扰源与第一套三轴磁力仪在载体坐标系z轴方向的距离；

则干扰源在第二套三轴磁力计处产生的干扰场的大小为：

其中，d表示两套三轴磁力计在x轴方向上的距离；

此时，两套三轴磁力计之间三轴方向上的磁场梯度分别为：

步骤4、结合(3)、(4)、(5)式，求出任意时刻干扰源磁矩在载体坐标系三轴方向上的磁矩大小M_x，M_y，M_z；

步骤5、求解出干扰源三轴方向磁矩大小后，根据(3)式求解出干扰源在第一套三轴磁力计上产生的干扰场的大小B_xg1、B_yg1、B_zg1，再由(1)式求解出载体坐标系下三轴方向地磁场的大小B_x0，B_y0，B_z0；

步骤6、由三轴加速度计测得的载体坐标系下三轴方向加速度计的数据，求解出载体当前的俯仰角β和横滚角γ，并构造如下变换矩阵，将载体坐标系下三轴方向磁场数据变换到水平坐标系下三轴方向磁场数据：

由水平坐标系下三轴方向磁场值[H_0x′H_0y′H_0z′]，求解出载体的磁航向角α：

本发明具有如下有益效果：

本发明通过采用两套三轴磁力计、一套三轴加速度计以及相应的信号采集处理系统构成差分磁罗盘，其中两套三轴磁力计沿差分磁罗盘长度方向排列，两套三轴磁力计以及一套三轴加速度计之间对应轴系相互平行，两套三轴磁力计用于测量载体坐标系下三轴方向上的磁场梯度数据；一套三轴加速度计用于测量载体平台准静态时载体坐标系下三轴方向加速度值；对实时采集的两套三轴磁力计数据以及一套三轴加速度计数据进行融合处理，可得到水平坐标系下三个轴向上的地磁场大小，从而实时解算出载体平台精确的磁航向角以及姿态角。

附图说明

图1(a)为本发明中载体坐标系示意图；

图1(b)为本发明中水平坐标系示意图；

图2为本发明的差分磁罗盘安装示意图；

图3为本发明的差分磁罗盘磁航向角解算流程图。

其中，图1(a)中，x轴指向载体长度方向，y轴指向载体右侧，z轴与xoy平面垂直，指向朝下；图1(b)中，x’轴指向正北，y’轴指向正东，z’轴垂直向下；

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种可消除载体平台上固定位置处存在的随机变化磁干扰的方法，由两套三轴磁力计、一套三轴加速度计以及相应的信号采集处理系统构成差分磁罗盘，其中两套三轴磁力计沿差分磁罗盘长度方向排列，两套三轴磁力计以及一套三轴加速度计之间对应轴系相互平行，两套三轴磁力计用于测量载体坐标系下三轴方向上的磁场梯度数据；一套三轴加速度计用于测量载体平台准静态时载体坐标系下三轴方向加速度值；对实时采集的两套三轴磁力计数据以及一套三轴加速度计数据进行融合处理，可得到水平坐标系下三个轴向上的地磁场大小，从而实时解算出载体平台精确的磁航向角以及姿态角。

坐标系定义图如图1所示，其中图1(a)代表的是载体坐标系，即将差分磁罗盘安装到载体上之后，差分磁罗盘x轴方向与载体长度方向x平行，y轴方向与载体长度方向x垂直，并指向载体右侧，z轴方向与载体的xoy平面垂直，指向朝下，构成右手坐标系。图1(b)代表的是水平坐标系，x’轴指向正北，y’轴指向正东，z’轴垂直向下，构成右手坐标系，其中将坐标系沿z’轴顺时针旋转定义为航向角正方向，将坐标系沿y’轴顺时针旋转定义为俯仰角正方向，将坐标系沿x’顺时针旋转定义为横滚角正方向。

将差分磁罗盘安装到载体上后，其安装示意图如图2所示。其中，坐标系o1x1y1z1中o1x1、o1y1和o1z1分别代表差分磁罗盘中第一套三轴磁力计三轴方向；坐标系o1x1y1z1中o2x2、o2y2和o2z2分别代表差分磁罗盘中第二套三轴磁力计三轴方向；坐标系M_x、M_y、M_z分别代表磁干扰源三个磁矩方向，无论磁干扰源方位、姿态如何变化，均可将其磁矩分解到这三轴方向上。以上三个坐标系中三个轴向均为载体坐标系中定义的三轴方向。三轴加速度计与三轴磁力计对应轴系平行，两套三轴磁力计在x轴方向上的距离为d，d可根据实际应用情况进行调整。x0为干扰源与第一套三轴磁力计在载体坐标系x轴方向的距离，y0为干扰源与第一套三轴磁力计在载体坐标系y轴方向的距离，z0为干扰源与第一套三轴磁力仪在载体坐标系z轴方向的距离。

差分磁罗盘磁航向角解算流程图如图3所示，具体为：

在某一时刻，两套三轴磁力计采集到的三轴方向磁场数据分别为B_x1、B_y1、B_z1、B_x2、B_y2和B_z2，由于每个轴向的磁场均由两部分构成，即地磁场和干扰磁场，假设地磁场在载体坐标系三轴方向上的值分别为B_x0，B_y0，B_z0，干扰场在第一套三轴磁力计三轴方向上的磁场大小为B_xg1、B_yg1、B_zg1，干扰场在第二套三轴磁力计三轴方向上的磁场大小为B_xg2、B_yg2、B_zg2，即：

根据磁偶极子模型，可得到某一时刻干扰源在第一套三轴磁力计处产生的干扰场的大小为：

上式中，μ₀表示真空磁导率；M_x，M_y，M_z分别为此时干扰源磁矩分解到载体坐标系三轴方向上的磁矩大小。

此时，干扰源在第二套三轴磁力计处产生的干扰场的大小为：

此时，两套三轴磁力计之间三轴方向上的磁场梯度分别为：

结合(3)、(4)、(5)式，可求出任意时刻干扰源磁矩在载体坐标系三轴方向上的磁矩大小M_x，M_y，M_z。求解出干扰源三轴方向磁矩大小后，根据(3)式即可求解出干扰源在第一套三轴磁力计上产生的干扰场的大小B_xg1、B_yg1、B_zg1，再由(1)式即可求解出载体坐标系下三轴方向地磁场的大小B_x0，B_y0，B_z0。

由三轴加速度计测得的载体坐标系下三轴方向加速度计的数据可求解出载体当前的俯仰角β及横滚角γ，可构造如下变换矩阵将载体坐标系下三轴方向磁场数据变换到水平坐标系下三轴方向磁场数据：

由水平坐标系下三轴方向磁场值，即可求解出载体的磁航向角α。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种差分磁罗盘消除随机磁干扰的数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将差分磁罗盘中的两套三轴磁力计安装到载体上，其中，两套三轴磁力计的三轴分别对应平行，两套三轴磁力计仅在载体长度方向上有距离；令o1x1、o1y1和o1z1分别代表差分磁罗盘中第一套三轴磁力计三轴方向；o2x2、o2y2和o2z2分别代表差分磁罗盘中第二套三轴磁力计三轴方向；则o1x1和o2x2与载体长度方向x平行，o1y1和o2y2与载体长度方向x垂直，并指向载体右侧，o1z1和o2z2与载体的xoy平面垂直，指向朝下；

步骤2、令两套三轴磁力计采集到的三轴方向磁场数据分别为B_x1、B_y1、B_z1、B_x2、B_y2和B_z2；假设地磁场在载体坐标系三轴方向上的值分别为B_x0，B_y0，B_z0，干扰场在第一套三轴磁力计三轴方向上的磁场大小为B_xg1、B_yg1、B_zg1，干扰场在第二套三轴磁力计三轴方向上的磁场大小为B_xg2、B_yg2、B_zg2，即：

步骤3、根据磁偶极子模型，可得到某一时刻干扰源在第一套三轴磁力计处产生的干扰场的大小为：

上式中，μ₀表示真空磁导率；M_x，M_y，M_z分别为干扰源磁矩分解到载体坐标系三轴方向上的磁矩大小；x₀为干扰源与第一套三轴磁力计在载体坐标系x轴方向的距离，y₀为干扰源与第一套三轴磁力计在载体坐标系y轴方向的距离，z₀为干扰源与第一套三轴磁力仪在载体坐标系z轴方向的距离；

则干扰源在第二套三轴磁力计处产生的干扰场的大小为：

其中，d表示两套三轴磁力计在x轴方向上的距离；

此时，两套三轴磁力计之间三轴方向上的磁场梯度分别为：

步骤4、结合(3)、(4)、(5)式，求出任意时刻干扰源磁矩在载体坐标系三轴方向上的磁矩大小M_x，M_y，M_z；其中，载体坐标系三轴方向与两套三轴磁力计的三轴分别对应一致；

步骤5、求解出干扰源三轴方向磁矩大小后，根据(3)式求解出干扰源在第一套三轴磁力计上产生的干扰场的大小B_xg1、B_yg1、B_zg1，再由(1)式求解出载体坐标系下三轴方向地磁场的大小B_x0，B_y0，B_z0；

步骤6、由三轴加速度计测得的载体坐标系下三轴方向加速度计的数据，求解出载体当前的俯仰角β和横滚角γ，并构造如下变换矩阵，将载体坐标系下三轴方向磁场数据变换到水平坐标系下三轴方向磁场数据：

由水平坐标系下三轴方向磁场值[H_0x H_0y H_0z]，求解出载体的磁航向角α：

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