CN109633491A - 全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法 - Google Patents

全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法，所述标定装置包括：激励源，电连接于所述激励源的标定源，设于所述标定源下方的无磁安置台，设于所述标定源一侧的安装支架，设于所述安装支架上的全张量磁梯度测量组件，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件的组合惯导，电连接于所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的测控组件，及设于所述标定源一侧的姿态调整装置。通过本发明提供的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法，解决了现有技术无法提供一种简单、便捷的标定装置及标定方法的问题。

Description

全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法
技术领域
本发明涉及全张量磁梯度测量系统安装误差的标定，特别是涉及一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法。
背景技术
全张量磁梯度描述的是磁场矢量在三维空间的变化率信息，即磁场矢量的三个分量在空间中三个方向上的梯度。全张量磁梯度的测量结果具有受磁化方向影响小，能够反映目标体的矢量磁矩信息，且能更好地反演场源参数(方位、磁矩等)等优点，故可以对场源进行定位和追踪，提高磁源体的分辨率。全张量磁梯度的测量及应用被视为磁法勘探工作的一次重大突破，其在资源勘探、军事、考古、环境等领域都有着重要的应用价值。
由超导量子干涉仪(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)组成的超导磁传感器是目前已知灵敏度最高的磁传感器，能够测量非常微弱的磁信号，而由SQUID作为核心器件组成的航空超导磁测量系统，尤其是航空超导全张量磁梯度测量系统，相对于传统的总场和分量场航磁测量，具有明显的优势和跨时代的意义，是目前航空磁物探技术的重要发展方向和国际研究前沿。
航空超导全张量磁梯度测量系统是通过在航空平台上搭载磁测设备，利用飞行过程中获取的由磁性矿产资源引起的地磁异常信息，从而实现对地下磁性矿体高效率、高精度的三维定位，以获取它们的空间分布信息。它具有探测效率高，单位面积运行成本低等特点，是进行资源普查和筛找矿靶区的重要手段之一。
航空超导全张量磁梯度测量需要进行多传感器信息融合，而各测量组件并非一体化成型，其安装误差将直接影响测试数据的质量。目前系统的安装误差主要来源于全张量磁梯度测量组件与组合惯导之间的安装误差，而且该安装误差无法直接测量，但它直接影响姿态投影的精确性，从而影响系统测量和反演的准确性。此外，凡是在移动平台进行全张量磁梯度测量时，如需要融合组合惯导提供的姿态信息，均存在同样的安装误差问题。
鉴于此，如何提供一种简单、便捷的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法，用以解决现有技术无法提供一种简单、便捷的标定装置及标定方法的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，所述标定装置包括：
激励源，用于提供激励信号；
标定源，电连接于所述激励源，用于在所述激励源的驱动下产生标定磁场；
无磁安置台，设于所述标定源的下方，用于提供安置平台；
安装支架，设于所述标定源的一侧，用于提供安装平台；
全张量磁梯度测量组件，设于所述安装支架上，用于测量所述标定源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值；
组合惯导，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件，用于测量所述组合惯导相对于地理坐标系的姿态角度值；
测控组件，电连接于所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导，用于采集所述磁场梯度值及所述姿态角度值并进行存储；
姿态调整装置，设于所述标定源的一侧，用于固定所述安装支架，并通过对所述安装支架进行定点转动以对所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导进行姿态调整。
可选地，所述全张量磁梯度测量组件包括：至少一个磁强计。
可选地，所述安装支架包括低温容器，用于为所述全张量磁梯度测量组件提供安装平台，同时为所述全张量磁梯度测量组件提供低温环境。
可选地，所述全张量磁梯度测量组件包括：至少一个平面梯度计。
可选地，所述低温容器包括低温杜瓦。
可选地，所述姿态调整装置包括：水平移动组件，设于所述水平移动组件上的高度调节组件，及设于所述高度调节组件远离所述水平移动组件一端的姿态调整组件；其中，所述姿态调整组件用于固定所述安装支架，并通过对所述安装支架进行转动以实现对所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导进行姿态调整；所述高度调节组件用于固定所述姿态调整组件，并对所述姿态调整组件进行高度调节以实现对所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的高度调节；所述水平移动组件用于对所述姿态调整装置进行水平移动以实现对所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的水平移动。
可选地，所述姿态调整装置还包括：设于所述安装支架下方的支撑组件，用于对调整后的所述安装支架进行支撑。
可选地，所述标定装置还包括：
辅助激励源，用于提供辅助激励信号；
辅助标定源，电连接于所述辅助激励源，用于在所述辅助激励源的驱动下产生辅助标定磁场；
辅助无磁安置台，设于所述辅助标定源的下方，用于提供安置平台；
其中，所述激励源及所述辅助激励源同步驱动，所述标定源及所述辅助标定源关于所述全张量磁梯度测量组件的测点对称设置。
可选地，所述标定源及所述辅助标定源采用同源驱动。
可选地，所述激励源及所述辅助激励源均包括恒压源或恒流源。
可选地，所述标定源及所述辅助标定源均包括标准磁偶极子。
本发明还提供了一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定方法，所述标定方法包括：
搭建如上所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置；
通过所述激励源驱动所述标定源产生标定磁场，并通过所述姿态调整装置定点转动所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导，以获取不同姿态下所述标定源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的全张量磁梯度及所述组合惯导输出的姿态角度值；
以其中一姿态对应的坐标系作为基准坐标系，并把该姿态下的全张量磁梯度及姿态角度值作为参考值；
根据姿态投影理论模型建立关于所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间俯仰角、横滚角及航向角的姿态投影误差模型，并利用所述姿态投影误差模型将其它姿态下的全张量磁梯度按相应姿态角度值投影到基准坐标系中，以于基准坐标系中获取不同姿态下的全张量磁梯度误差投影值；
基于多组所述全张量磁梯度误差投影值及全张量磁梯度参考值确定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角、横滚角及航向角，以完成对所述全张量磁梯度测量系统安装误差的标定。
可选地，通过所述姿态调整装置定点转动所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的方法包括：先通过所述姿态调整组件调整所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的姿态，之后通过所述高度调节组件调节所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的高度，最后通过所述水平移动组件调节所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的水平位置，以使所述全张量磁梯度测量组件与所述标定源的空间位置关系不变。
可选地，建立所述姿态投影误差模型的方法包括：于所述姿态投影理论模型中引入姿态误差投影矩阵，并以此完成所述全张量磁梯度测量组件到所述组合惯导的坐标系转换，之后按照所述组合惯导输出的姿态角度值进行姿态投影，最后再进行所述组合惯导到所述全张量磁梯度测量组件的坐标系转换，以建立所述姿态投影误差模型；其中，所述姿态投影误差模型如下：Gpi＝Re -1*Ri*Re*Gi*Re T*Ri T*(Ri -1)T，Gpi为利用所述姿态投影误差模型进行姿态投影后的全张量磁梯度，Gi为所述全张量磁梯度测量组件测得的全张量磁梯度，Ri为根据所述组合惯导测得的姿态角度值构建的姿态投影矩阵，Re为根据所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间误差构建的姿态误差投影矩阵，Ri T为Ri的转置矩阵，Re T为Re的转置矩阵，Re -1为Re的逆矩阵，(Ri -1)T为Ri -1的转置矩阵。
可选地，获取所述姿态误差投影矩阵的方法包括：
根据坐标系转换方式获取坐标系转换矩阵；
设定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角、横滚角及航向角，并根据所述坐标系转换矩阵及姿态角度参考值获取所述姿态误差投影矩阵。
可选地，所述标定方法还包括：在建立所述姿态投影误差模型之前对不同姿态下的所述全张量磁梯度进行误差判断的步骤；包括：
利用所述姿态投影理论模型将其它姿态下的所述全张量磁梯度按相应姿态角度值投影到基准坐标系中，以于基准坐标系中获取不同姿态下的全张量磁梯度原始投影值；
将多组所述全张量磁梯度原始投影值与所述全张量磁梯度参考值依次进行比较，若多个比较结果均在误差容许范围内，则此时所述全张量磁梯度测量系统的安装误差忽略不计；否则进行下述步骤，建立所述姿态投影误差模型。
可选地，所述标定方法还包括：重复上述步骤获取多组俯仰角、横滚角及航向角，并通过分别对多组俯仰角、横滚角及航向角求平均以获取最终俯仰角、最终横滚角及最终航向角。
如上所述，本发明的一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法，利用激励源、标定源、无磁安置台、安装支架或低温容器、全张量磁梯度测量组件、组合惯导、测控组件及姿态调整装置组成的标定装置，通过间接测量的方式可以很方便地实现全张量磁梯度测量系统安装误差的标定，以获得直接测量无法得到的标定精度，从而有效保障了全张量磁梯度测量系统的测量准确度，同时本发明还可以实现全张量磁梯度姿态投影结果准确性的判定，实现当系统安装误差在误差容许范围内时，减少不必要的标定；而且本发明所述标定装置及标定方法操作简单、便于实现，非常适合在超导航磁测量领域中应用。
附图说明
图1显示为本发明实施例一所述标定装置的结构示意图。
图2显示为本发明实施例一所述姿态调整装置的侧视图。
图3显示为本发明实施例二所述标定装置的结构示意图。
图4显示为本发明实施例三所述标定装置的结构示意图。
图5显示为本发明实施例四所述标定方法的流程图。
元件标号说明
10 全张量磁梯度测量组件标定系统
11 激励源
11’ 辅助激励源
12 标定源
12’ 辅助标定源
13 无磁安置台
13’ 辅助无磁安置台
14 安装支架
15 全张量磁梯度测量组件
16 组合惯导
17 测控组件
18 姿态调整装置
181 水平移动组件
182 高度调节组件
1821 高度调节件
1822 安置活动槽
183 姿态调整组件
1831 姿态调节件
1832 固定件
184 支撑组件
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置10，所述标定装置10包括：
激励源11，用于提供激励信号；
标定源12，电连接于所述激励源11，用于在所述激励源11的驱动下产生标定磁场；
无磁安置台13，设于所述标定源12的下方，用于提供安置平台；
安装支架14，设于所述标定源12的一侧，用于提供安装平台；
全张量磁梯度测量组件15，设于所述安装支架14上，用于测量所述标定源12在所述全张量磁梯度测量组件15处产生的磁场梯度值；
组合惯导16，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件15，用于测量所述组合惯导16相对于地理坐标系的姿态角度值；
测控组件17，电连接于所述全张量磁梯度测量组件15及所述组合惯导16，用于采集所述磁场梯度值及所述姿态角度值并进行存储；
姿态调整装置18，设于所述标定源12的一侧，用于固定所述安装支架14，并通过对所述安装支架14进行定点转动以对所述全张量磁梯度测量组件15及所述组合惯导16进行姿态调整。
作为示例，所述标定装置10还包括：电连接于所述激励源11和所述标定源12之间的功率放大器，用于对所述激励源11提供的所述激励信号进行功率放大。
作为示例，所述标定装置10还包括：电连接于所述测控组件17的计算机，用于采集所述磁场梯度值及所述姿态角度值，并对所述磁场梯度值进行相应处理以获取与其对应的全张量磁梯度。
作为示例，所述激励源11包括恒压源或恒流源。可选地，在本实施例中，所述激励源11为恒压源，以提供正弦低频信号作为所述激励信号，实现通过所述正弦低频信号消除外界磁干扰，以使所述全张量磁梯度测量组件15能够准确地对所述激励信号进行响应，特别是针对由SQUID平面梯度计构建的全张量磁梯度测量组件，采用正弦低频信号可消除SQUID平面梯度计不平衡度及其测量结果是相对量的影响；而所述恒压源的电压则根据实际需要进行设定，本实施例并不对所述恒压源的电压值进行限制。
作为示例，所述标定源12包括标准磁偶极子，而标准磁偶极子是本领域技术人员所公知的，其通常由多匝线圈构成。具体的，所述标准磁偶极子的直径大于10cm，其磁矩大于10Am2，以消除二阶梯度的影响，提高标定精度。本实施例通过标准磁偶极子将运动状态下复杂的姿态投影转换为静止状态下简单的多个不同姿态之间的投影问题，从而有效提高了全张量磁梯度测量组件的测量准确度。
作为示例，所述无磁安置台13为现有任一种可提供安置平台的结构，本实施例并不对所述无磁安置台13的具体结构进行限制。具体的，所述无磁安置台13为无磁转台，其中所述无磁转台通过固定件(如夹具、锁扣等)或粘性胶将所述标定源12固定于其上表面。需要注意的是，所述无磁转台为现有的任一种无磁转台，而本实施例并不对所述无磁转台的具体结构进行限制。
作为一示例，所述安装支架14为任一种可实现安装固定作用的结构，本实施例并不对所述安装支架14的具体结构进行限制。具体的，所述安装支架14包括三个层级，其中，所述全张量磁梯度测量组件15安装于所述安装支架14的第一层级(即安装支架14的底部)，所述测控组件17安装于所述安装支架14的第二层级(即安装支架14的中部)，所述组合惯导16安装于所述安装支架14的第三层级(即安装支架14的上部)；当然，在其它实施例中，所述全张量磁梯度测量组件15、所述组合惯导16及所述测控组件17所在层级可以互换，本实施例并不对所述全张量磁梯度测量组件15、所述组合惯导16及所述测控组件17的上下位置关系进行限制，而且所述组合惯导16及所述测控组件17也可不设于所述安装支架14上，即所述组合惯导16及所述测控组件17设于所述安装支架14外。
作为一示例，所述全张量磁梯度测量组件15包括：至少一个磁强计，即通过对至少一个磁强计按一定的物理构型进行搭建以形成所述全张量磁梯度测量组件15。需要注意的是，所述全张量磁梯度测量组件15的最终结构由所述磁强计的数量及搭建的物理构型决定，也就是说，不同数量的磁强计按不同的物理构型搭建形成的所述全张量磁梯度测量组件15的最终结构不同，但本实施例所述标定系统适用于任何所述全张量磁梯度测量组件15的最终结构。特别需要注意的是，由于所述全张量磁梯度测量组件15为非超导器件，故其工作于常温环境中。
作为另一示例，所述安装支架14包括低温容器，用于为所述全张量磁梯度测量组件15提供安装平台，同时为所述全张量磁梯度测量组件15提供低温环境。具体的，在所述安装支架14包括低温容器时，所述全张量磁梯度测量组件15设于所述低温容器内，所述组合惯导16设于所述低温容器上方，所述测控组件17设于所述低温容器和所述组合惯导16之间；其中所述低温容器包括低温杜瓦，而低温杜瓦是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
作为另一示例，所述全张量磁梯度测量组件15包括至少一个平面梯度计，即通过对至少一个平面梯度计按一定的物理构型进行搭建以形成所述全张量磁梯度测量组件15。需要注意的是，所述全张量磁梯度测量组件15的最终结构由所述平面梯度计的数量及搭建的物理构型决定，也就是说，不同数量的平面梯度计按不同的物理构型搭建形成的所述全张量磁梯度测量组件15的最终结构不同，但本实施例所述标定系统适用于任何所述全张量磁梯度测量组件15的最终结构。特别需要注意的是，由于所述全张量磁梯度测量组件15为超导器件，故其工作于低温环境中。
可选地，在本实施例中，所述安装支架14为低温杜瓦，同时所述全张量磁梯度测量组件15包括6个平面梯度计，并且6个所述平面梯度计分别分布在六棱锥的表面，即本实施例所述全张量磁梯度测量组件15通过6个所述平面梯度计按6棱锥的物理构型搭建形成。
作为示例，所述组合惯导16为现有任一种可实现姿态角度值测量的装置，本实施例并不对所述组合惯导16的结构进行限制。
作为示例，所述测控组件17为现有任一种可实现磁场梯度值及姿态角度值采集、存储的装置，本实施例并不对所述测控组件17的结构进行限制。
作为示例，如图1和图2所示，所述姿态调整装置18包括：水平移动组件181，设于所述水平移动组件181上的高度调节组件182，及设于所述高度调节组件182远离所述水平移动组件181一端的姿态调整组件183；其中，所述姿态调整组件183用于固定所述安装支架14，并通过对所述安装支架14进行转动以实现对所述全张量磁梯度测量组件15及所述组合惯导16进行姿态调整；所述高度调节组件182用于固定所述姿态调整组件183，并对所述姿态调整组件183进行高度调节以实现对所述全张量磁梯度测量组件15及所述组合惯导16的高度调节；所述水平移动组件181用于对所述姿态调整装置18整体进行水平移动以实现对所述全张量磁梯度测量组件15及所述组合惯导16的水平移动。
具体的，所述水平移动组件181可通过滑轨实现水平移动，也可通过人工搬运实现水平移动，本实施例并不对所述水平移动组件181实现水平移动的方式进行限制。
具体的，所述高度调节组件182包括：垂直设于所述水平移动组件181上的高度调节件1821，及设于所述高度调节件1821远离所述水平移动组件181一端的安置活动槽1822；其中，所述高度调节件1821滑动安装于所述水平移动组件181上，以实现在所述水平移动组件181的高度方向上进行滑动调节；所述安置活动槽1822用于固定所述姿态调整组件183中的所述姿态调节件1831，同时为所述姿态调节件1831提供转动空间。可选地，在本实施例中，所述高度调节件1821及所述安置活动槽1822为一体成型结构，即于所述高度调节件1821远离所述水平移动组件181的一端形成一内凹的槽体，以实现在所述高度调节件1821的一端形成所述安置活动槽1822。需要注意的是，本实施例所述滑动安装为现有任何一种能够实现高度滑动调节的形式，本实施例并不对实现滑动安装的具体结构进行限制。
具体的，所述姿态调整组件183包括：部分设于所述安置活动槽1822内的姿态调节件1831，及设于所述姿态调节件1831远离所述安置活动槽1822一端的固定件1832；其中，所述固定件1832用于固定所述安装支架14；所述姿态调节件1831用于固定所述固定件1832，并通过自身转动带动所述固定件1832转动以实现对所述全张量磁梯度测量组件15及所述组合惯导16进行姿态调整。可选地，所述姿态调节件1831与所述安置活动槽1822的形状适配，在本实施例中，所述姿态调节件1831的形状为球形，所述安置活动槽1822的形状为空心球形；所述固定件1832与所述安装支架14的形状适配，在本实施例中，所述安装支架14为圆柱状结构，所述固定件1832的形状为空心圆柱状结构。
作为示例，如图1和图2所示，所述姿态调整装置18还包括：设于所述安装支架14下方的支撑组件184，用于对调整后的所述安装支架14进行支撑，以避免所述安装支架14掉落，造成安全事故。
实施例二
如图3所示，本实施例提供一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其与实施例一的区别在于，本实施例所述标定装置10还包括：
辅助激励源11’，用于提供辅助激励信号；
辅助标定源12’，电连接于所述辅助激励源11’，用于在所述辅助激励源11’的驱动下产生辅助标定磁场；
辅助无磁安置台13’，设于所述辅助标定源12’的下方，用于提供安置平台；
其中，所述激励源11及所述辅助激励源11’同步驱动，所述标定源12及所述辅助标定源12’关于所述全张量磁梯度测量组件15的测点对称设置。
本实施例通过将所述标定源12及所述辅助标定源12’对称设置于所述全张量磁梯度测量组件15两侧，并通过所述激励源11及所述辅助激励源11’同步驱动，以在所述全张量磁梯度测量组件15处产生叠加磁场，实现对所述标定源12在所述全张量磁梯度测量组件15处产生的全张量磁梯度的均匀度进行改善，从而降低二阶梯度对所述全张量磁梯度测量组件15测量结果的影响，最终改善所述全张量磁梯度测量系统安装误差的标定结果。
作为示例，所述标定装置10还包括：电连接于所述辅助激励源11’和所述辅助标定源12’之间的辅助功率放大器，用于对所述辅助激励源11’提供的所述辅助激励信号进行功率放大。
作为示例，所述辅助激励源11’包括恒压源或恒流源。可选地，在本实施例中，所述激励源11及所述辅助激励源11’均为恒压源，以分别为所述标定源12及所述辅助标定源12’提供同步的正弦低频信号。
作为示例，所述辅助标定源12’包括标准磁偶极子。具体的，所述标准磁偶极子的直径大于10cm，其磁矩大于10Am2，以消除二阶梯度的影响，提高标定精度。可选地，在本实施例中，所述标定源12及所述辅助标定源12’采用规格相同的标准磁偶极子。
作为示例，所述辅助无磁安置台13’为现有任一种可提供安置平台的结构，本实施例并不对所述辅助无磁安置台13’的具体结构进行限制。具体的，所述辅助无磁安置台13’为无磁转台，其中所述无磁转台通过固定件(如夹具、锁扣等)或粘性胶将所述辅助标定源12’固定于其上表面。需要注意的是，所述无磁转台为现有的任一种无磁转台，本实施例并不对所述无磁转台的具体结构进行限制。
实施例三
如图4所示，本实施例提供一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其与实施例二的区别在于，本实施例所述标定装置10中的所述标定源12及所述辅助标定源12’采用同源驱动。
实施例四
如图5所示，本实施例提供了一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定方法，所述标定方法包括：
搭建如实施例一、实施例二或实施例三所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置；
通过所述激励源驱动所述标定源产生标定磁场，并通过所述姿态调整装置定点转动所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导，以获取不同姿态下所述标定源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的全张量磁梯度及所述组合惯导输出的姿态角度值；
以其中一姿态对应的坐标系作为基准坐标系，并把该姿态下的全张量磁梯度及姿态角度值作为参考值；
根据姿态投影理论模型建立关于所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间俯仰角、横滚角及航向角的姿态投影误差模型，并利用所述姿态投影误差模型将其它姿态下的全张量磁梯度按相应姿态角度值投影到基准坐标系中，以于基准坐标系中获取不同姿态下的全张量磁梯度误差投影值；
基于多组所述全张量磁梯度误差投影值及全张量磁梯度参考值确定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角、横滚角及航向角，以完成对所述全张量磁梯度测量系统安装误差的标定。
需要注意的是，本实施例所述全张量磁梯度测量系统安装误差标定装置的组成、搭建具体请参阅实施例一、实施例二或实施例三，本实施例不再对所述全张量磁梯度测量系统安装误差标定装置的组成及搭建进行说明。
作为示例，通过所述姿态调整装置定点转动所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的方法包括：先通过所述姿态调整组件调整所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的姿态，之后通过所述高度调节组件调节所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的高度，最后通过所述水平移动组件调节所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的水平位置，以使所述全张量磁梯度测量组件与所述标定源的空间位置关系不变。需要注意的是，在通过所述姿态调整装置定点转动所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导时，所述姿态调整装置的转动角度应尽量覆盖其可实现转动的角度范围。
作为示例，通过所述全张量磁梯度测量组件测量不同姿态下所述标定源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值、通过磁场梯度值获取与其对应的全张量磁梯度、及通过所述组合惯导测量不同姿态下所述组合惯导相对于地理坐标系的姿态角度值均是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
作为示例，选取所述组合惯导输出的姿态角度值为0时相应姿态所对应的坐标系作为基准坐标系，并把该姿态下的全张量磁梯度及姿态角度值作为参考值。
作为示例，建立所述姿态投影误差模型的方法包括：于所述姿态投影理论模型中引入姿态误差投影矩阵，并以此完成所述全张量磁梯度测量组件到所述组合惯导的坐标系转换，之后按照所述组合惯导输出的姿态角度值进行姿态投影，最后再进行所述组合惯导到所述全张量磁梯度测量组件的坐标系转换，以建立所述姿态投影误差模型；其中，所述姿态投影误差模型如下：Gpi＝Re -1*Ri*Re*Gi*Re T*Ri T*(Ri -1)T，Gpi为利用所述姿态投影误差模型进行姿态投影后的全张量磁梯度，Gi为所述全张量磁梯度测量组件测得的全张量磁梯度，Ri为根据所述组合惯导测得的姿态角度值构建的姿态投影矩阵，Re为根据所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间误差构建的姿态误差投影矩阵，Ri T为Ri的转置矩阵，Re T为Re的转置矩阵，Re -1为Re的逆矩阵，(Ri -1)T为Ri -1的转置矩阵。需要注意的是，所述姿态投影理论模型Gsi＝Ri*Gi*Ri T是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
具体的，获取所述姿态误差投影矩阵的方法包括：根据坐标系转换方式获取坐标系转换矩阵，设定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角、横滚角及航向角，并根据所述坐标系转换矩阵及姿态角度参考值获取所述姿态误差投影矩阵；具体如下：先采用方向余弦、四元数或欧拉角等坐标转换方法获取所述坐标系转换矩阵，同时设定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角为a、横滚角为b及航向角为c，最后再将设定的俯仰角a、横滚角b及航向角c代入所述坐标系转换矩阵，即可得到关于俯仰角a、横滚角b及航向角c的姿态误差投影矩阵。可选地，在本实施例中，采用欧拉角坐标转换方法获取所述坐标系转换矩阵；具体方法包括：先分别获取X轴旋转矩阵、Y轴旋转矩阵及Z轴旋转矩阵，之后根据X轴、Y轴及Z轴的转动顺序得到所述坐标系转换矩阵；如组合惯导按Z-Y-X的转动顺序给出姿态角度值，那本实施例通过欧拉角坐标转换方法获得的Z轴旋转矩阵为：C1＝[cos(α)-sin(α)0；sin(α)cos(α)0；0 0 1]，Y轴旋转矩阵为C2＝[cos(β)0sin(β)；01 0；-sin(β)0cos(β)]，X轴旋转矩阵为：C3＝[1 0 0；0cos(γ)-sin(γ)；0sin(γ)cos(γ)]，因此所述坐标系转换矩阵为：Rb＝C3*C2*C1；此时若该坐标系转换矩阵中α为所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的航向角c、β为所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角a、γ为所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的横滚角b，则对应的Rb即为所述姿态误差投影矩阵。
作为示例，利用所述姿态投影误差模型将其它姿态下的全张量磁梯度按相应姿态角度值投影到基准坐标系中，以于基准坐标系中获取不同姿态下的全张量磁梯度误差投影值的方法包括：先根据坐标系转换方式获取坐标系转换矩阵，之后分别将不同姿态下所述组合惯导测得的姿态角度值与基准坐标系下的所述姿态角度参考值的差值代入所述坐标系转换矩阵，以获取不同姿态下的所述姿态投影矩阵Ri；最后分别将不同姿态下所述全张量磁梯度测量组件测得的全张量磁梯度、所述姿态投影矩阵Ri及所述姿态误差投影矩阵Re代入所述姿态投影误差模型以得到不同姿态下的全张量磁梯度于基准坐标系中的投影。具体的，此处获取所述姿态投影矩阵的方法与前述获取所述姿态误差投影矩阵的方法相同，故在此不再赘述。
作为示例，确定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角a、横滚角b及航向角c的方法包括：根据多组所述全张量磁梯度误差投影值及全张量磁梯度参考值，通过最小二乘或遗传算法等最优值计算方法确定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角a、横滚角b及航向角c。可选地，在本实施例中，通过最小二乘确定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角a、横滚角b及航向角c，即通过公式计算H0取最小值时俯仰角a、横滚角b及航向角c的最优值以作为标定结果；其中，n为全张量磁梯度误差投影值的组数，Gpi为不同姿态下的全张量磁梯度误差投影值，Gm为全张量磁梯度参考值。
作为示例，所述标定方法还包括：在建立所述姿态投影误差模型之前对不同姿态下的所述全张量磁梯度进行误差判断的步骤；包括：
利用所述姿态投影理论模型将其它姿态下的所述全张量磁梯度按相应姿态角度值投影到基准坐标系中，以于基准坐标系中获取不同姿态下的全张量磁梯度原始投影值；
将多组所述全张量磁梯度原始投影值与所述全张量磁梯度参考值依次进行比较，若多个比较结果均在误差容许范围内，则此时所述全张量磁梯度测量系统的安装误差忽略不计；否则进行下述步骤，建立所述姿态投影误差模型。
具体的，利用所述姿态投影理论模型将其它姿态下的所述全张量磁梯度按相应姿态角度值投影到基准坐标系中，以于基准坐标系中获取不同姿态下的全张量磁梯度原始投影值的方法包括：先根据坐标系转换方式获取坐标系转换矩阵，之后分别将其它姿态下所述组合惯导测得的姿态角度值与基准坐标系下的所述姿态角度参考值的差值代入所述坐标系转换矩阵，以获取其它姿态下的所述姿态投影矩阵Ri；最后分别将不同姿态下所述全张量磁梯度测量组件测得的全张量磁梯度及所述姿态投影矩阵Ri代入所述姿态投影理论模型以得到不同姿态下的全张量磁梯度于基准坐标系中的投影。
具体的，本实施例所述误差容许范围可根据实际需要进行设定，本实施例并不对所述误差容许范围进行具体数值限制。
作为示例，所述标定方法还包括：重复上述步骤获取多组俯仰角a、横滚角b及航向角c，并通过分别对多组俯仰角a、横滚角b及航向角c求平均以获取最终俯仰角、最终横滚角及最终航向角。
综上所述，本发明的一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法，利用激励源、标定源、无磁安置台、安装支架或低温容器、全张量磁梯度测量组件、组合惯导、测控组件及姿态调整装置组成的标定装置，通过间接测量的方式可以很方便地实现全张量磁梯度测量系统安装误差的标定，以获得直接测量无法得到的标定精度，从而有效保障了全张量磁梯度测量系统的测量准确度，同时本发明还可以实现全张量磁梯度姿态投影结果准确性的判定，实现当系统安装误差在误差容许范围内时，减少不必要的标定；而且本发明所述标定装置及标定方法操作简单、便于实现，非常适合在超导航磁测量领域中应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (17)

1.一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述标定装置包括：
激励源，用于提供激励信号；
标定源，电连接于所述激励源，用于在所述激励源的驱动下产生标定磁场；
无磁安置台，设于所述标定源的下方，用于提供安置平台；
安装支架，设于所述标定源的一侧，用于提供安装平台；
全张量磁梯度测量组件，设于所述安装支架上，用于测量所述标定源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值；
组合惯导，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件，用于测量所述组合惯导相对于地理坐标系的姿态角度值；
测控组件，电连接于所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导，用于采集所述磁场梯度值及所述姿态角度值并进行存储；
姿态调整装置，设于所述标定源的一侧，用于固定所述安装支架，并通过对所述安装支架进行定点转动以对所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导进行姿态调整。
2.根据权利要求1所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述全张量磁梯度测量组件包括：至少一个磁强计。
3.根据权利要求1所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述安装支架包括低温容器，用于为所述全张量磁梯度测量组件提供安装平台，同时为所述全张量磁梯度测量组件提供低温环境。
4.根据权利要求3所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述全张量磁梯度测量组件包括：至少一个平面梯度计。
5.权利要求3所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述低温容器包括低温杜瓦。
6.根据权利要求1所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述姿态调整装置包括：水平移动组件，设于所述水平移动组件上的高度调节组件，及设于所述高度调节组件远离所述水平移动组件一端的姿态调整组件；其中，所述姿态调整组件用于固定所述安装支架，并通过对所述安装支架进行转动以实现对所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导进行姿态调整；所述高度调节组件用于固定所述姿态调整组件，并对所述姿态调整组件进行高度调节以实现对所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的高度调节；所述水平移动组件用于对所述姿态调整装置进行水平移动以实现对所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的水平移动。
7.根据权利要求6所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述姿态调整装置还包括：设于所述安装支架下方的支撑组件，用于对调整后的所述安装支架进行支撑。
8.根据权利要求1至7任一项所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述标定装置还包括：
辅助激励源，用于提供辅助激励信号；
辅助标定源，电连接于所述辅助激励源，用于在所述辅助激励源的驱动下产生辅助标定磁场；
辅助无磁安置台，设于所述辅助标定源的下方，用于提供安置平台；
其中，所述激励源及所述辅助激励源同步驱动，所述标定源及所述辅助标定源关于所述全张量磁梯度测量组件的测点对称设置。
9.根据权利要求8所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述标定源及所述辅助标定源采用同源驱动。
10.根据权利要求8所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述激励源及所述辅助激励源均包括恒压源或恒流源。
11.根据权利要求8所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置，其特征在于，所述标定源及所述辅助标定源均包括标准磁偶极子。
12.一种全张量磁梯度测量系统安装误差的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括：
搭建如权利要求1至11任一项所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置；
通过所述激励源驱动所述标定源产生标定磁场，并通过所述姿态调整装置定点转动所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导，以获取不同姿态下所述标定源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的全张量磁梯度及所述组合惯导输出的姿态角度值；
以其中一姿态对应的坐标系作为基准坐标系，并把该姿态下的全张量磁梯度及姿态角度值作为参考值；
根据姿态投影理论模型建立关于所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间俯仰角、横滚角及航向角的姿态投影误差模型，并利用所述姿态投影误差模型将其它姿态下的全张量磁梯度按相应姿态角度值投影到基准坐标系中，以于基准坐标系中获取不同姿态下的全张量磁梯度误差投影值；
基于多组所述全张量磁梯度误差投影值及全张量磁梯度参考值确定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角、横滚角及航向角，以完成对所述全张量磁梯度测量系统安装误差的标定。
13.根据权利要求12所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定方法，其特征在于，通过所述姿态调整装置定点转动所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的方法包括：先通过所述姿态调整组件调整所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的姿态，之后通过所述高度调节组件调节所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的高度，最后通过所述水平移动组件调节所述全张量磁梯度测量组件及所述组合惯导的水平位置，以使所述全张量磁梯度测量组件与所述标定源的空间位置关系不变。
14.根据权利要求12所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定方法，其特征在于，建立所述姿态投影误差模型的方法包括：于所述姿态投影理论模型中引入姿态误差投影矩阵，并以此完成所述全张量磁梯度测量组件到所述组合惯导的坐标系转换，之后按照所述组合惯导输出的姿态角度值进行姿态投影，最后再进行所述组合惯导到所述全张量磁梯度测量组件的坐标系转换，以建立所述姿态投影误差模型；其中，所述姿态投影误差模型如下：Gpi＝Re -1*Ri*Re*Gi*Re T*Ri T*(Ri -1)T，Gpi为利用所述姿态投影误差模型进行姿态投影后的全张量磁梯度，Gi为所述全张量磁梯度测量组件测得的全张量磁梯度，Ri为根据所述组合惯导测得的姿态角度值构建的姿态投影矩阵，Re为根据所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间误差构建的姿态误差投影矩阵，Ri T为Ri的转置矩阵，Re T为Re的转置矩阵，Re -1为Re的逆矩阵，(Ri -1)T为Ri -1的转置矩阵。
15.根据权利要求14所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定方法，其特征在于，获取所述姿态误差投影矩阵的方法包括：
根据坐标系转换方式获取坐标系转换矩阵；
设定所述全张量磁梯度测量组件与所述组合惯导之间的俯仰角、横滚角及航向角，并根据所述坐标系转换矩阵及姿态角度参考值获取所述姿态误差投影矩阵。
16.根据权利要求12至15任一项所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定方法，其特征在于，所述标定方法还包括：在建立所述姿态投影误差模型之前对不同姿态下的所述全张量磁梯度进行误差判断的步骤；包括：
利用所述姿态投影理论模型将其它姿态下的所述全张量磁梯度按相应姿态角度值投影到基准坐标系中，以于基准坐标系中获取不同姿态下的全张量磁梯度原始投影值；
将多组所述全张量磁梯度原始投影值与所述全张量磁梯度参考值依次进行比较，若多个比较结果均在误差容许范围内，则此时所述全张量磁梯度测量系统的安装误差忽略不计；否则进行下述步骤，建立所述姿态投影误差模型。
17.根据权利要求12至15任一项所述的全张量磁梯度测量系统安装误差的标定方法，其特征在于，所述标定方法还包括：重复上述步骤获取多组俯仰角、横滚角及航向角，并通过分别对多组俯仰角、横滚角及航向角求平均以获取最终俯仰角、最终横滚角及最终航向角。
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