CN109931960B - 一种磁场干扰判断与校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及导航磁场判断与校正技术领域，具体涉及一种地磁干扰的判断与校正的方法及其装置，本发明一种地磁干扰的判断与校正方法及其装置，包括步骤一对装置内的多个传感器进行初始化校准；步骤二多个传感器同步记录磁场信息；步骤三：根据步骤2根据记录的信息判断是否存在外部干扰源；步骤四：建立起矢量方程组，解算方程组，解算得出干扰源的位置与强度，以及原始地磁方向，从而得出正确的地磁航向角；本磁场校正方法及其装置可对宽广区域的磁场干扰进行判断与校正,可对时敏性的干扰源进行判断与校正，校准快速简单、稳定精准、易于安装操作。

Description

一种磁场干扰判断与校正方法

技术领域

本发明涉及导航设备外部干扰磁场校正技术领域，具体涉及一种地磁干扰的判断与校正的方法及其装置。

背景技术

在导航系统的发展过程中，导航系统一个最重要的功能就是提供载体的准确姿态及航向角信息。由惯性测量单元和磁力计构成的导航系统，可以提高姿态角及航向角的精度。磁力计在航海、航空应用比较广泛，但在干扰强烈，如陆地导航，应用仍然存在一定问题，致力于寻找一种快速、高精度的磁干扰判断和补偿方法是磁力计校正及补偿的难点所在。

用地磁场进行导航定位，具有无源、无辐射、抗干扰、全天时、全天候、体积小、能耗低的优点，因此在飞机、舰船和潜艇等领域得到广泛应用，导航载体通过磁传感器测量空间的磁场信息，这些磁场信息不仅包括导航定位所用的地磁场信息，也包括载体自身的干扰磁场信息，高精度的地磁导航过程中需要对磁传感器的观测磁场信息进行处理，实时对载体磁场干扰进行补偿，提高地磁导航精度。

目前，有关对导航系统中的磁力计进行校正、干扰检测、补偿方法已经很普遍，部分方法也很成熟，可以达到的一定的精度要求。但是，对于需要快速稳定精确的要求的场合现有方法还不能满足。

发明内容

本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种快速精准判断磁场干扰与校正的方法及其装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种磁场干扰判断与校正方法，方法包括以下步骤：

步骤一：将包括有多个传感器的校正装置安装固定在待校正的设备上，进行初始化校准；

步骤二：多个传感器同时记录数据，数据包括磁场强度与方向;

步骤三：根据步骤二记录的地磁数据建立起矢量方程组，解算方程组，解算得出是否存在外部磁干扰源；

步骤四：当步骤三判断有干扰时根据步骤二记录的地磁数据建立起矢量方程组，解算方程组，解算得出干扰源的位置与强度，以及原始地磁方向，从而得出正确的地磁航向角。

所述传感器为包含有地磁的传感器，前后相邻的传感器的相对位置为固定值。

进一步优选，所述九轴传感器为4个。

所述步骤一进行初始化校准时，在完成地磁传感器的固定安装后，应至少进行一次初始化工作，对地磁的初始指向进行校准。

现有生活中例如手机等一些小型设备的导航时，普遍采用八字校准方法对磁场干扰进行校正。但是相对较大体积的设备例如汽车，难以采用八字校准方法，本专利采取简单的旋转一周方便操作即可快速校正。

所述步骤一进行初始化校准时，先将汽车旋转一周，获取设备空间内的初始地磁数据；通过对数据进行球体拟合，进行一次性的内部误差消除校准。

所述的初始化工作，对地磁的初始指向校准,球体拟合方法为：对于获得的初始地磁数据，记录为（x1,y1）、（x2，y2）、（x3、y3）…，x的补偿量设为offsetX，y的补偿量设为offsetY；拟合后的球体圆心设为（centreX，centreY），半径为R；

X1 = ∑x ； Y1 = ∑y ；

X2 = ∑x^2 ；Y2 = ∑y^2；

X3= ∑x^3； Y3 = ∑y^3；

X1Y1 = ∑(x*y)； X1Y2 = ∑(x*(y^2))；

X2Y1 = ∑( (x^2)*y )；

N = pointX.size()；

C = N*X2 - X1*X1；

D = N*X1Y1 - X1*Y1；

E = N*X3 + N*X1Y2 - (X2+Y2)*X1；

G = N*Y2 - Y1*Y1；

H = N*X2Y1 + N*Y3 - (X2+Y2)*Y1；

a = (H*D-E*G)/(C*G-D*D)； a = x点集的最大值– x点集的最小值；

b = (H*C-E*D)/(D*D-G*C)； b = y点集的最大值– y点集的最小值；

c = -(a*X1 + b*Y1 + X2 + Y2)/N；

R^2 = (a^2 + b^2-4*c)/4；

得到X的补偿量offsetX = 2*R/a；

得到Y的补偿量offsetY = 2*R/b；

centreX =( x点集的最大值– x点集的最小值)/2；

centreY =( y点集的最大值– y点集的最小值)/2；

则地磁修正值： x = x*offsetX – centreX；

y = y*offsetY – centreY。

所述步骤三判断是否存在外部磁干扰源并记录地磁数据的方法为:在无外部干扰源的情况下，各个传感器的地磁航向角指向一致，磁场大小一致，即此时各个传感器的磁感应矢量为设备所在地点的磁北矢量，各个传感器记录的磁感应矢量F10=F20=F30=F40；当存在外部干扰源时，各个传感器因安装位置不一致，从而与外部干扰源的距离也存在差异，导致各个传感器解算出来的地磁航向角指向相互不一致，大小不一致，故可判断周围存在外部干扰源，磁传感器记录的磁感应矢量F11、F21、F31、F41，不一致时，即可检测出周围存在外部干扰源。

所述步骤三外部磁干扰源的位置与大小计算方法为：在t0时刻，各个传感器所在的地磁矢量F10、F20、F30、F40相等并已知；t1时刻检测到磁干扰，此时，4个传感器记录的磁场矢量F11、F21、F31、F41，建立起矢量方程组，如

F10 + F12 = F11；

F20 + F22 = F21；

F30 + F32 = F31；

F40 + F42 = F41，

干扰源的描述包含其三维位置坐标（X0，Y0，Z0），以及磁场强度数值T0，共四个变量，解算方程组，可解算得出干扰源的位置及大小，以及四个传感器各自的干扰矢量F12,F22,F32,F42。

所述步骤四干扰源相对于各个传感器的位置的计算方法为：利用磁场与距离的衰 减关系

,即可得出干扰源相对于各个传感器 的位置d1,d2,d3,d4。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供的方法只需将设备旋转一周，结合3轴地磁传感器的数据即可完成磁场的判断校正，克服现有技术的不足，可对磁场进行判断与校正, 装置校准快速稳定精准、易安装使用。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1是本发明一种地磁干扰的判断与校正方法的结构示意图；

图2是本发明一种地磁干扰的判断方法的原理图；

图3是本发明一种地磁干扰的判断与校正方法的流程图；

图中：1-九轴传感器，11-3轴陀螺仪，12-3轴加速度感应器，13-3轴地磁传感器，21-数据处理器，22-存储器。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。

航向角（英文Bearing），是一个导航术语，指车船等的前进方向与真北夹角。导航 系统都会输出自己的航向角，各个导航系统都会有误差，需校正，这里的校正值，就是校正 后的航向角的意思yaw，在本发明实施例中，先安装好各个九轴传感器，再将设备旋转一周， 然后将获取到的地磁数据圆球拟合，计算出地磁传感器x,y的补偿量offsetX，offsetY，拟 合后的圆心设为（centreX，centreY），半径为R；对地磁传感器x,y的补偿量offsetX， offsetY，进行一次性的内部误差消除校准，在无外部干扰源c1的情况下，各个传感器的地 磁航向角指向一致，即此时各个传感器的地磁感应即为实际指向；当存在外部干扰源c1时， 各个传感器因安装位置不一致，从而与外部干扰源c1的距离也存在着差异，导致各个九轴 传感器解算出来的地磁航向角指向相互不一致，即当解算出的地磁航向角F11、F21、F31、 F41，不一致时，即可检测出周围存在外部干扰源c1；在t0时刻，各个传感器a1、a2、a3、a4所 在的地磁矢量F10、F20、F30、F40相等并已知；t1时刻检测到磁干扰，此时，4个传感器a1、a2、 a3、a4记录的磁场矢量F11、F21、F31、F41，建立起矢量方程组，干扰源c1的描述包含其三维 位置坐标（X0，Y0，Z0），以及磁场强度数值T0，共四个变量，解算方程组，可解算得出干扰源 c1的位置及大小，以及四个传感器a1、a2、a3、a4各自的干扰矢量F12,F22,F32,F42；利用磁 场与距离的衰减关系

,即可得出干扰源c1相 对于各个传感器的位置d1,d2,d3,d4。

实施例一：

结合附图1，该装置包括：4个九轴传感器前后相邻等距安装在设备上、存储器22以及数据处理器21，九轴传感器1、存储器22、数据处理器21相互电信联接；所述九轴传感器1包括：3轴陀螺仪11，用于检测物体相对于地理坐标系的角速度信号并输出；3轴加速度感应器12，用于检测物体在载体坐标系中三个轴的加速度信号并输出；3轴地磁传感器13，用于检测地磁场的强度和方向信息并输出;存储有可被执行程序的存储器22；以及用于执行本方法的数据处理器21；

结合附图3上述装置进行地磁干扰的判断与校正方法的方法包括如下步骤：

步骤一：将包括有多个传感器的校正装置安装固定在待校正的设备上，进行初始化校准；

步骤二：多个传感器同时记录数据，数据包括磁场强度与方向;

步骤三：根据步骤二记录的地磁数据建立起矢量方程组，解算方程组，解算得出是否存在外部磁干扰源c1；

步骤四：当步骤三判断有干扰时根据步骤二记录的地磁数据建立起矢量方程组，解算方程组，解算得出外部磁干扰源c1的位置与强度，以及原始地磁方向，从而得出正确的地磁航向角。

所述前后相邻的九轴传感器的相对位置为固定值。

所述步骤一进行初始化校准时，先将汽车旋转一周，获取设备空间内的初始地磁数据；通过对数据进行球体拟合，进行一次性的内部误差消除校准。

所述步骤一进行初始化校准时，先将汽车旋转一周，获取设备空间内的初始地磁数据；通过对数据进行球体拟合，进行一次性的内部误差消除校准。

所述的初始化工作，对地磁的初始指向校准，球体拟合方法为：对于获得的初始地磁数据，记录为（x1,y1）、（x2，y2）、（x3、y3）…，x的补偿量设为offsetX，y的补偿量设为offsetY；拟合后的球体圆心设为（centreX，centreY），半径为R；

X1 = ∑x ； Y1 = ∑y ；

X2 = ∑x^2 ；Y2 = ∑y^2；

X3= ∑x^3； Y3 = ∑y^3；

X1Y1 = ∑(x*y)； X1Y2 = ∑(x*(y^2))；

X2Y1 = ∑( (x^2)*y )；

N = pointX.size()；

C = N*X2 - X1*X1；

D = N*X1Y1 - X1*Y1；

E = N*X3 + N*X1Y2 - (X2+Y2)*X1；

G = N*Y2 - Y1*Y1；

H = N*X2Y1 + N*Y3 - (X2+Y2)*Y1；

a = (H*D-E*G)/(C*G-D*D)； a = x点集的最大值– x点集的最小值；

b = (H*C-E*D)/(D*D-G*C)； b = y点集的最大值– y点集的最小值；

c = -(a*X1 + b*Y1 + X2 + Y2)/N；

R^2 = (a^2 + b^2-4*c)/4；

得到X的补偿量offsetX = 2*R/a；

得到Y的补偿量offsetY = 2*R/b；

centreX =( x点集的最大值– x点集的最小值)/2；

centreY =( y点集的最大值– y点集的最小值)/2；

则地磁修正值： x = x*offsetX – centreX；

y = y*offsetY – centreY。

结合附图2，所述步骤三判断是否存在外部磁干扰源c1并记录地磁数据的方法为:在无外部磁干扰源c1的情况下，各个传感器的地磁航向角指向一致，即此时各个传感器的地磁感应即为实际指向；当存在外部干扰源c1时，各个传感器因安装位置不一致，从而与外部干扰源c1的距离也存在着差异，导致各个九轴传感器a1、a2、a3、a4解算出来的地磁航向角指向相互不一致，可检测出周围存在外部干扰源c1,解算出的地磁航向角F11、F12、F13、F14，不一致时，即可检测出周围存在外部干扰源c1。

所述步骤三判断是否存在外部磁干扰源c1并记录地磁数据的方法为:在t0时刻，各个传感器a1、a2、a3、a4所在的地磁矢量F10、F20、F30、F40相等并已知；t1时刻检测到磁干扰，此时，4个传感器a1、a2、a3、a4记录的磁场矢量F11、F21、F31、F41，建立起矢量方程组，如

F10 + F12 = F11；

F20 + F22 = F21；

F30 + F32 = F31；

F40 + F42 = F41，

干扰源c1的描述包含其三维位置坐标（X0，Y0，Z0），以及磁场强度数值T0，共四个变量，解算方程组，可解算得出干扰源c1的位置及大小，以及四个传感器a1、a2、a3、a4各自的干扰矢量F12,F22,F32,F42。

所述步骤四干扰源c1相对于各个传感器a1、a2、a3、a4的位置的计算方法为：利用 磁场与距离的衰减关系

,即可得出干扰源c1 相对于各个传感器的位置d1,d2,d3,d4。

在本发明实施例中，对3轴地磁传感器数据13进行校正，并根据校正的数据得到判断是否存在干扰源c1并记录地磁数据，解算出各个传感器的干扰矢量进而得到干扰源c1的航向角的地磁航向角补偿量。相对于现有技术的八字校准法，本发明提供的导航姿态信息输出方法中对于数据不断进行校正，从而保证了导航姿态信息的精确性，避免了因误差累积导致导航精度的下降。并且，不需要使用 GPS 等其他外部辅助参考，达到快速稳定精准、易安装使用的目的。

本发明仅描述了单个干扰源c1，当出现多个干扰源c1时，可将其等效为一个干扰源c1。

当安装方向可以确保水平或呈特定角度时，在本发明实施例中也可以使用单轴磁传感器代替3轴地磁传感器13。

本发明未对时敏性干扰源c1的判断与解算展开描述，如高速移动的车辆、船舶等，如上述步骤三、步骤四多次求解，得出干扰源c1的位置变化，即可解算出此类干扰源c1的位置、方向、速度。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助，软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施，但很多情况下前者是更佳的实施方式。以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种磁场干扰判断与校正方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一：将包括有多个传感器的校正装置安装固定在待校正的设备上，进行初始化校准；

步骤二：多个传感器同时记录数据，数据包括磁场强度与方向;

步骤三：根据步骤二记录的地磁数据建立起矢量方程组，解算方程组，解算得出是否存在外部磁干扰源；

步骤四：当步骤三判断有干扰时根据步骤二记录的地磁数据建立起矢量方程组，解算方程组，解算得出干扰源的位置与强度，以及原始地磁方向，从而得出正确的地磁航向角；

在完成地磁传感器的固定安装后，应至少进行一次初始化工作，对地磁的初始指向进行校准，所述的初始化工作，对地磁的初始指向校准,球体拟合方法为：对于获得的初始地磁数据，记录为（x1,y1）、（x2，y2）、（x3、y3）…，x的补偿量设为offsetX，y的补偿量设为offsetY；拟合后的球体圆心设为（centreX，centreY），半径为R；

X1 = ∑x ； Y1 = ∑y ；

X2 = ∑x^2 ；Y2 = ∑y^2；

X3= ∑x^3； Y3 = ∑y^3；

X1Y1 = ∑(x*y)； X1Y2 = ∑(x*(y^2))；

X2Y1 = ∑( (x^2)*y )；

N = pointX.size()；

C = N*X2 - X1*X1；

D = N*X1Y1 - X1*Y1；

E = N*X3 + N*X1Y2 - (X2+Y2)*X1；

G = N*Y2 - Y1*Y1；

H = N*X2Y1 + N*Y3 - (X2+Y2)*Y1；

a = (H*D-E*G)/(C*G-D*D)； a = x点集的最大值 – x点集的最小值；

b = (H*C-E*D)/(D*D-G*C)； b = y点集的最大值 – y点集的最小值；

c = -(a*X1 + b*Y1 + X2 + Y2)/N；

R^2 = (a^2 + b^2-4*c)/4；

得到X的补偿量offsetX = 2*R/a；

得到Y的补偿量offsetY = 2*R/b；

centreX =( x点集的最大值 – x点集的最小值)/2；

centreY =( y点集的最大值 – y点集的最小值)/2；

则地磁修正值： x = x*offsetX – centreX； y = y*offsetY – centreY。

2.根据权利要求1所述的一种磁场干扰判断与校正方法，其特征在于：所述传感器为包含有地磁的传感器，前后相邻的传感器的相对位置为固定值。

3.根据权利要求1所述的一种磁场干扰判断与校正方法，其特征在于：所述传感器为不少于4个。

4. 根据权利要求1所述的一种磁场干扰判断与校正方法，其特征在于：所述步骤三判断是否存在外部磁干扰源的方法为:在无外部干扰源的情况下，各个传感器的地磁航向角指向一致，磁场大小一致，即此时各个传感器的磁感应矢量为设备所在地点的磁北矢量，各个传感器记录的磁感应矢量F10=F20=F30=F40；当存在外部干扰源时，各个传感器因安装位置不一致，从而与外部干扰源的距离也存在差异，导致各个传感器解算出来的地磁航向角指向相互不一致，大小不一致，故可判断周围存在外部干扰源，磁传感器记录的磁感应矢量F11、F21、F31、F41，不一致时，即可检测出周围存在外部干扰源。

5.根据权利要求1所述的一种磁场干扰判断与校正方法，其特征在于：所述步骤三外部磁干扰源的位置与大小计算方法为：在t0时刻，各个传感器所在的地磁矢量F10、F20、F30、F40相等并已知；t1时刻检测到磁干扰，此时，4个传感器记录的磁场矢量F11、F21、F31、F41，建立起矢量方程组，如

F10 + F12 = F11；

F20 + F22 = F21；

F30 + F32 = F31；

F40 + F42 = F41，

干扰源的描述包含其三维位置坐标（X0，Y0，Z0），以及磁场强度数值T0，共四个变量，解算方程组，可解算得出干扰源的位置及大小，以及四个传感器各自的干扰矢量F12,F22,F32,F42。

6. 根据权利要求1所述的一种磁场干扰判断与校正方法，其特征在于：所述步骤四干扰源相对于各个传感器的位置的计算方法为：利用磁场与距离的衰减关系,即可得出干扰源相对于各个传感器的位置d1,d2,d3,d4。

7.一种磁场干扰判断与校正装置，其特征在于，包括：多个传感器、存储有可被执行用于实现如权利要求1至6中任一项所述方法的程序的存储器；以及用于执行如权利要求1至6中任一项所述方法的数据处理器；

所述传感器包括：

3轴陀螺仪，用于检测物体相对于地理坐标系的角速度信号并输出；

3轴加速度感应器，用于检测物体在载体坐标系中三个轴的加速度信号并输出；

3轴地磁传感器，用于检测地磁场的强度和方向信息并输出。

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