CN111707255A

CN111707255A - 用于估算安装在移动机器中的磁力计的协调值的方法和相关设备及计算机程序

Info

Publication number: CN111707255A
Application number: CN202010184849.4A
Authority: CN
Inventors: J·C·布兰; F·扎利格尔
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2020-09-25
Also published as: US20200304948A1; FR3094082A1; CA3075786A1; EP3712559A1; FR3094082B1; US11343642B2

Abstract

一种用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的方法，所述磁力计与其参考坐标系XM、YM、ZM相关联，所述方法由电子设备实现，包括：获取由所述磁力计测量的磁场值，并通过以下方法确定出水平协调(hx，hy)：通过获取的场矢量值估算第一角度，第一角度等于XM与在包括两个轴XM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度；将hy确定为等于估算出的第一角度；通过获取的场矢量值估算第二角度，第二角度等于YM与在包括两个轴YM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度；将hx确定为等于第二估算角度。

Description

用于估算安装在移动机器中的磁力计的协调值的方法和相关设备及计算机程序

技术领域

本发明涉及通过安装在移动机器中的磁力计测量地球磁场来确定出移动机器的磁航向的领域。

更具体地，本发明涉及一种用于估算安装在移动机器中的磁力计的协调值的方法，所述磁力计与其参考坐标系XM、YM、ZM相关，并且该移动机器与其飞行器坐标系XA、YA、ZA相关，所述方法包括获取由磁力计根据变化的连续航向测得的与移动机器的连续位置相对应的多个磁场矢量值的步骤。

背景技术

在开发磁航向时，已知所安装的磁力计在参考坐标系中的方向必定是几何的，否则对磁的计算是不正确的。实际上，必须根据在磁力坐标系中测量出的磁场分量的局部地理坐标系在水平面中的投影来开发磁航向。

一旦安装了磁力计，其坐标系(更具体地说，来自磁力计传感器的测量三面体)就无法与参考坐标系对齐，这会将角度误差引入到对磁航向的计算中，在地面测量时，该恶化会加剧跑道水平度的不足。

为了确定出称为协调缺陷的这些缺陷，需要在移动机器上通过光学瞄准镜执行繁重的测量程序，对于飞机而言，这需要在分段制造的过程中分多个步骤进行验证。第一种选择是将磁力计的支承件的安装精度约束在飞行器的结构上(是高约束，并在某些地区不可行)。第二种选择是在完整的飞行中补偿期间识别出这些协调(此时，是具有预定义的飞行中配置文件的飞行中过程约束)。

发明内容

本发明的目的在于提出一种解决方案，该解决方案允许简单地计算出水平协调角，同时显着降低计算时间和复杂度。

为此，根据第一方面，本发明提出了一种用于估算安装在前述类型的移动机器中的磁力计的协调值的方法，其特征在于，该方法还包括用于确定出水平协调(hx，hy)的步骤，其中hx对应于与围绕XA旋转相关的欧拉角，其中hy对应于与围绕YA旋转相关的欧拉角，以从磁力计的参考坐标系XM、YM、ZM转换到飞行器坐标系XA、YA、ZA，包括以下步骤：

-通过获取的场矢量值估算第一角度，第一角度等于XM与在包括两个轴XM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度；

–将hy确定为等于估算出的第一角度；

-通过所述获取的场矢量值估算第二角度，第二角度等于YM与在包括两个轴YM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度；

–将hx确定为等于估算出的第二角度。

因此，本发明使得特别是在用于计算硬铁和软铁的磁缺陷补偿的阶段期间，可以估算地面上的协调性。

在实施例中，根据本发明的用于估算安装在移动机器中的磁力计的协调值的方法还包括以下特征中的一个或多个：

–估算第一角度或第二角度中的角度包括以下步骤：

-由获取的场值中在所述椭圆的平面的x轴上的最小x轴值和最大x轴值的半和，并且由获取的场矢量值中在所述椭圆的平面的y轴上的最小y轴值和最大y轴值的半和，确定出椭圆中心坐标；

-在椭圆平面内，确定出所述获取的场矢量值中距椭圆中心距离最大处的点；

-根据确定出的所述椭圆中心坐标和确定出的距该中心距离最大处的点的坐标来计算角度；

-估算方法包括以下步骤：

-计算参考航向值与由校正得到的航向值之间的差值，所述由校正得到的航向值是根据确定出的hx和hy的值对由磁力计根据所述航向完成的与移动机器的位置对应的场的测量进行校正得到的；

根据下面的等式，根据计算出的差值并且根据确定出的hx和hy的值推导出竖直协调值hz：

其中：

I是地球磁场在上述位置处的倾斜度，

ψ，θ，φ是移动机器在所述位置处的姿态角，分别为偏航角、俯仰角和滚动角，以及

δΨ表示由于协调缺陷引起的航向计算误差；

所述等式产生的hz由以下公式之一来近似：

hz=δΨ；

hz=δΨ/(1-tan(I)＊sinθ)；

在第一阶段中，所述协调值hx、hy、hz根据由磁力计在移动机器在地面上时测量的磁场矢量值测量值来确定，在随后的阶段中，执行以下步骤以指定协调值，移动机器处于飞行中：

-获取由磁力计根据变化的连续航向测量的与飞行中的移动机器的连续位置相对应的多个磁场矢量值；

–通过[M_harmosol]+[M_Harmovol]-Id)来近似在飞行中指定的协调矩阵[M_harmosol].[M_harmovol]，其中Id是单位矩阵，

以及

-所述协调值hxvol、hyvol、hzvol是基于递归算法根据飞行中获取的磁场矢量值确定的，所述递归算法利用了以下事实：即在协调后根据对所述磁场矢量值的[Mharmosol].[Mharmovol]的所述近似获得的竖直磁场分量等于常数。

根据第二方面，本发明提出一种包括软件指令的计算机程序，该软件指令在由计算机执行时执行如上定义的方法。

根据第三方面，本发明提出了一种用于估算安装在移动机器中的磁力计的协调值的电子设备，所述磁力计与其参考坐标系XM、YM、ZM相关联，并且所述移动机器与其飞行器坐标系XA、YA、ZA相关联，所述设备被配置为获取由磁力计根据变化的连续航向测量的与移动机器的连续位置相对应的多个磁场矢量值；

所述设备的特征在于，其被配置为确定出水平协调(hx，hy)，其中hx对应于与围绕XA旋转相关的欧拉角，其中hy对应于与围绕YA旋转相关的欧拉角，以从磁力计的参考坐标系XM、YM、ZM转换到飞行器坐标系XA、YA、ZA，由获取的所述场矢量值估算第一角度，该第一角度等于XM与在包括两个轴XM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度，将hy确定为等于估算出的第一角度，由获取的所述场矢量值估算第二角度，第二角度等于YM与在包括两个轴YM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度，并且将hx确定为等于估算出的第二角度。

附图说明

通过阅读以下仅作为示例提供并参考附图所作的描述，本发明的这些特征和优点将变得显而易见，其中：

【Fig1】图1示出了在本发明的一个实施例中执行的操作的概述；

【Fig2】图2是本发明的一个实施例中的飞行器的视图；

【Fig3】图3示意性地示出了本发明的一个实施例中的航向确定系统1；

【Fig4】图4是示出磁力计2TMAG的坐标系与飞行器坐标系TA之间的协调角的示图；

【Fig5】图5是在本发明的一个实施例中实现的步骤的流程图；

【Fig6】图6是示出本发明的一个实施例中的协调角hy的计算的示图；

【Fig7】图7是示出本发明的一个实施例中的协调角hx的计算的示图。

具体实施例

在下文中，考虑图2中所示的飞行器10。在所考虑的实施例中，飞行器10包括图3中所示的航向确定系统1，其配置为相对于导航单元自主地确定出飞行器的航向，导航单元确定飞行器的主要航向。为此，飞行器例如包括第二人造水平仪，也称为“待机姿态”(未示出)。

根据本发明的航向确定系统1包括磁力计2、惯性测量单元3、处理单元4和人机界面4。

这使得可以有利于磁补偿程序并且以诱导的方式改善补偿的质量，并且最后为飞行员检索出估算的自主航向。

处理单元4配置为实时地获取由磁力计2传递的磁场测量值作为输入。

通常由包括三个加速度计和三个陀螺仪的惯性测量单元3确定飞行器10的姿态角。在其他实施例中，可根据另一更精确的位置和方向确定装置，例如主导航单元、或双天线GPS航向、在处理单元4的输入处实时提供的方向来确定姿态角。

下文中考虑各坐标系：

-磁力计的特定坐标系，这里称为TMAG，具有原点为O_M，X_M、Y_M、Z_M轴彼此垂直，构成磁力计测量三面体(或磁力计的组合坐标系，在这种情况下耦合专用于工厂校准的磁力计的协调矩阵)；

-飞行器坐标系，这里称为TA，具有原点G是飞机的参考点，例如其重心或结构的机械参考点，具有轴X_A、Y_A、Z_A，其通常彼此垂直，其中如图2所示，X_A是朝向飞行器机头(油管)的纵轴，Y_A平行于机翼并朝向右机翼，Z_A则沿增加的方向向下；

-本地地理坐标系，这里称为TGL(也称为北东下(NorthEastDown))，其连接到飞行器10所在高度的当前点，也就是说，与飞行器一起移动，其原点为地球表面位于飞行器重心G的垂直方向的点，具有轴X、Y、Z，其彼此垂直，其中X、Y平面是与地球表面相切的平面，X指向地理北(与磁北不同)，Z沿本地垂直线向下指向(参见图2)；

-水平飞行器坐标系(在“水平飞行”中)，这里称为THORZ，其原点G为飞机的参考点，例如其重心，具有轴X_HORZ、Y_HORZ、Z_HORZ，所述轴在下文中定义的对飞行器姿态进行校正之后，由坐标系TA推导得出，因此，Z_HORZ平行于TGL坐标系的Z。

飞行器的姿态角由不同的三个欧拉角限定：ψ(围绕Z_A或地理航向的偏航角)，θ(围绕Y_A的俯仰角)和φ(围绕X_A的滚动角)，如图2所示。相对于水平坐标系THORZ的飞行器姿态由角度φ和θ限定。这些欧拉角限定了在每个时刻从参考坐标系TGL到飞行器坐标系的坐标系变化矩阵；角度φ和ψ是]-π，+π]的元素，θ是]-π/2，+π/2]中的元素。

飞行器10的姿态由从TGL坐标系到TA坐标系的变化来限定。

方向余弦的矩阵B(φ，θ，ψ)(旋转偏航角Ψ>俯仰角θ>滚动角φ的航空惯用类型II3>2>1)是以下逆矩阵：

惯性测量单元无法确定偏航角ψ，因此无法完全地确定出矩阵B，因此需要开发自主的旋磁航向。因此，在水平坐标系THORZ中根据由惯性测量单元确定的滚动角φ和俯仰θ角进行计算。

处理单元4配置为执行以下参考图1描述的操作，以便实时确定飞行器10的磁航向的值。

根据定义，磁航向产生相对于地球磁北的方向。该方向是在位置的水平面中确定的，也就是说是在X_HORZ、Y_HORZ中确定的。

因此，在所考虑的示例中，处理单元4配置为收集磁场测量，该磁场测量以称为[H_m]的三维矢量的形式进行，然后执行处理操作200以补偿测量缺陷和测量场值中的磁场缺陷，并以称为[H_COMP]的三维矢量的形式传递由这些处理操作产生的磁场，该矢量具有分量HX_COMP、HY_COMP和HZ_COMP。

处理单元4配置为执行矢量[H_COMP]的投影操作201，其从而在测量时刻传递到相应的水平坐标系THORZ中，由该投影产生的矢量被称为[H_HORZ]，具有分量H_XHORZ、H_YHORZ、H_ZHORZ：

最后，处理单元4配置为执行操作202，以根据以下公式确定磁航向ψ_MAG：

例如，如此确定出的磁航向接下来在实施例中更广泛地用作具有不同混合水平的、通常用于显示的旋磁混合回路的参考或用作AHRS(姿态和航向参考系统)功能的航向参考。

可以如下方式对磁力计附近的电磁干扰器进行建模：

-与磁化铁磁材料或由既定电流通过的电导体的存在有关的硬铁；

-与非磁化铁磁材料有关的软铁，其会变成磁力线，导致误差随飞行器姿态而变；

-在动态姿态阶段中(由与飞行器金属结构中的磁通量的时间变化有关的涡流而产生)重新感应的磁场。

电磁干扰器的简化模型足以满足有限的角速度和目标航向精度，而无需考虑动态重新感应的磁场(由与飞行器金属结构中的磁通量的时间变化有关的涡流所产生)。

根据地球地理坐标系TGL中所考虑位置的理论磁场和飞行器10的姿态，以如下方式对磁强计坐标系TMAG中的干扰测量场建模：

其中

分别是以坐标系TA表示的理论磁场/以坐标系TMAG表示的测量磁场，其“接近”TA(通常小于30mrad)。

硬铁干扰参数，[k]：软铁参数。

据此推导出TMAG中测得的磁场补偿的一般模型：

其中

硬铁补偿矢量

和

软铁补偿矩阵([K]＝[k]^-1)。

在此处考虑的特定实施例中，有意简化了所使用的补偿模型，其由

和[K]＝K_c定义，并用于在地面上进行补偿的情况，其补偿场H_c(接近H_t)＝K_c*H_m+B_c。这是由地面上的数学不可观察性证明的，因此考虑到非对角“竖直”参数的物理量级，某些“竖直”参数的非常低的质量估算值最好强制为零。

因此，在地面补偿中，四阶标识适用于b_x，b_y，k_xx＝1，k_xy＝k_yx，k_yy，以及以下近似值k_xz＝k_zx＝k_yz＝k_zy＝0，k_zz＝1，b_z＝0。

近似地，软铁的矩阵被认为是对称的k_xy＝k_yx，k_yz＝k_zy，k_xz＝k_zx(与场线的变形和附近场势的物理性质有关)。

如上所述，关于这次的测量缺陷，一旦将装置安装在飞行器10上，就应当确定出，然后校正所有三个角度，其称为协调角，从而得出磁力计坐标系TMAG(也就是说，传感器的磁强计三面体)相对于飞行器坐标系TA的方向。因此，要知道坐标系变化矩阵、正交矩阵(称为旋转矩阵)并对应于3维的三个欧拉角三个基本旋转的组成。对应于磁力计的角度组件中的不精确度的这三个角度hx、hy、hz如图4所示，其示出了经由以角度值为hz(围绕Z轴)，然后以角度值为hy(围绕Y轴)，然后以角度值为hx(围绕X轴)的基本旋转从坐标系TA到坐标系TMAG的转换，并由此变换三面体：分别为，三面体[XA，YA，ZA]通过hz(围绕ZA)旋转后变为三面体[XA'，YA'，ZA]，通过hy围绕YA'旋转后变为三面体[XA”，YA'，ZA']，通过hx围绕XA”旋转后变为三面体[XA”，YA”，ZA”]。角度hx(滚动角)、hy(俯仰角)是水平协调角，而角度hz是偏航协调角。这些角度可以所谓的协调矩阵M_Harmo的形式显示。

此外，陈述了以下几点：

(1)根据坐标系TGL中的磁场

的特性，坐标系TA中的理论磁场

的表达式(具有范数H0和场倾斜度I的场，场倾斜度为由具有水平分量的场所描述的角度，该分量随地球体上的纬度而增加)

其中

(2)水平飞行器坐标系中理论磁场的投影：

(3)考虑到安装在飞行器上的磁力计的协调误差，在水平坐标系中实际磁场的投影，该协调误差由反对称矩阵M_harmo定义：

由此推断出由对场分量的协调所产生的误差：

(4)航向差异引起的磁航向误差的表达式：

或

(5)或根据协调角hx、hy、hz的函数(请参见上面的第3点)，通过注入误差分量δH_HORZX和δH_HORZY：

更具体地，在本发明的情况下，发明人在分析误差发展中证明了以下几点，并在仿真中进行了验证以量化近似和协调极限：

-在对于接近水平姿态的航向计算中，协调角hz可被视为可分离的误差。在对地面进行补偿后，该误差仍可分离为一阶(故障hz以反对称项的形式与软铁的矩阵结合起作用，并在地面补偿后导致未在X和Y中补偿的残留伪硬铁)。与hz相关的误差是巨大的，需要在地面上估算和校正。另外，为了以足够的精度估算出地面上的hz，hx/y必须在后面规定的范围内是相当低的。

-在对地面补偿后，协调角hx和hy对地面产生二阶影响。相反地，协调角hx和hy的影响在飞行期间在飞行中变得显着，从而导致校正hx/hy是重要的，以改善飞行期间的磁航向性能。

-在软铁矩阵和协调矩阵的乘积中分析显示，对于上面列出的近似值和协调极限，可将协调角估算为一阶。基于沿两个平面以椭圆形二维投影的椭球体的一般属性：事实上，磁场矢量对根据先前所述的磁缺陷建模假设测得的点的椭球体进行了跟踪，局部常数场范数计算得出了3D方程。在此，具体想法是，在各个平面[XZ]/[YZ]中的投影中，hx/hy协调有助于两个椭圆中的每个椭圆的主轴的角度，并且经由这两个椭圆的角度，这些协调可被估算为近似一阶。

更具体地，在本发明的情况下，在处理单元4中[sic]被配置为确定出协调角的值，并且在由磁力计测量的磁场测量中校正随协调角的值变化的协调误差。

因此，在一个实施例中，处理单元4包括存储器41和微处理器42。存储器41包括软件指令，当在微处理器42上执行软件指令时，该软件指令实行由处理单元4执行的步骤，并在下面参考图5进行详细描述。

在所考虑的实施例中，步骤102和103在操作200期间发生。

在先前的采集和准备阶段(ACQ1)101中，由磁强计2在飞行器描述的整个360°航向旋转过程中在地面上从基准航向(如果存在的话，例如在地面上在经过认证的磁补偿区域上，从磁场的角度来看，这个区域是有利的地方)来测量磁场。例如，地面旋转的角度是从1°/s至最大5°/s。这些磁场测量值(在磁力计的坐标系中测量的三维矢量)分别与惯性测量单元3发出的飞行器10的相应姿态相对应地被记录。

例如，通过在地面上旋转一圈(旋转范围大于或等于360°)以60Hz的频率采集一组测量值：或者鉴于1°/s至5°/s之间的旋转，每一分钟到5分钟的角度完整旋转一圈。

然后，例如使用2阶低通滤波器FIR或中心时间窗口上的中值滤波器(如果适用，根据磁力计2的噪声特性使用带通滤波器)，对原始测量场分量进行时间滤波，并对姿态进行相同的滤波(以适应地面上从1°/s到最大5°/s的旋转环境)。

接下来，从广义上讲，将相干标准与磁异常验证或干扰验证相结合，以及在测量阶段(如果适用，经由待机姿态或经由外部姿态参考)来确定稳定性和水平度标准，以消除错误的测量结果。

原理包括将磁场变化以组合标准的形式合并到磁场分量、磁场范数和磁场倾斜中。观察得益于对待机姿态的水平度和转速测量。在程序中应用了两个时间窗口，这两个时间窗口的大小适用于飞行器动力学和陀螺仪漂移等级。在这两个时间范围内，通过滑动平均值和均方根(rms)对测得的信号评估时间稳定性。

根据实施例，过滤步骤和标准验证步骤由航向确定系统1的处理单元4或另一处理模块完成。

处理单元4使用磁场值(即，磁场矢量的坐标值)(从获取和准备步骤导出的磁力计测量)和相关的姿态信息来评估K和

并且也就是说，例如，使用已知的补偿方法，简化上述补偿模型(例如：

EP0041982A1-Crouzet-1981年-在确定磁航向时补偿磁干扰的方法以及实施该方法的装置。

IEEE-AIAA导航会议-Gebre Egziabher-Elkaim GH-2001-一种用于校准捷联式磁力计的非线性两步估算算法。

斯坦福大学文章-D.Gebre Egziabher-GH Elkaim-JD Powels–2002-捷联磁力计在磁场中的校准

接下来，在步骤(EST hx，hy)102中，处理单元4估算水平协调值hx、hy：

-通过磁力计测量的从获取和准备步骤101得出的磁场值，处理单元4确定出在平面Y_M、Z_M中描述的椭圆E_YZ的轴Y_M和长轴之间的角度，并且将由此确定出的角度值分配给hx(参见图7)；

-通过磁力计测量的从获取和准备步骤得出的磁场值，处理单元4确定出在平面X_M、Z_M中描述的椭圆E_XZ的轴X_M和长轴之间的角度，并且将由此确定的角度值分配给hy(参见图6)。

在一个实施例中，这是通过根据它们的出现顺序经由最大/最小分量的迭代算法计算来实现的，以便识别以二维方式投影在磁力坐标系中的两个椭圆中的每个椭圆的角度。椭圆的特征点搜索使得可估算中心和距中心更远的点，以便计算反正切。将最大距离的第二点的验证应用于过滤后的测量。

例如，在平面[X_MZ_M]中，椭圆E_XZ的角度近似为hy，下面的估算量通过递归计算来实现(NB：实际上，投影椭圆[Y_Z]的角度近似为Hx)：

·通过计算y轴Z_M和x轴X_M上的场分量的最大值和最小值：max(Z_M)，min(Z_M)，max(X_M)，min(X_M)，来确定出椭圆中心的坐标center_ellX，center_ellZ：

center_ellZ＝(max(Z_M)+min(Z_M))/2；center_ellX＝(max(X_M)+min(X_M))/2；

·这些坐标使得可推导出在距估算出的椭圆中心的最大距离处的椭圆点的坐标：

调用d_center＝((((X-center_ellX).^2)+((Z-center_ellZ).^2))).^0.5；

在从步骤101得出的(或通过所述值的内插获得的)磁场值中寻找一个点，该点在距中心的最大距离处，该点称为(maxi_center)，坐标为(Xmaxi_center，Zmaxi_center)：

maxi_center＝与max(d_center)对应的点；

mini_center＝与min(d_center)对应的点；验证(半长轴和半短轴)，也就是说，根据短轴点的坐标确定出椭圆的转向角，并始终与长轴点坐标的估算值进行比较。

椭圆转向角的计算，所需协调参数的图像：

角度hy＝atan2((Zmaxi_center-center_ellZ)，(-Xmaxi_center+center_ellX))；

例如，进一步实行类似的递归计算以确定hx，这次是相对于平面[Y_MZ_M]中的平面的。

然后，处理单元4在小角度(即，hx和hy小于1.5°)并且跑道的非水平度小于2°的情况下验证有效性假设。如果否，则角度无效。如果是，则确定出的hx和hy值被认为是有效的。

然后在步骤(EST hz)103中，如下估算协调角hz：

-子步骤103_1：根据在步骤102中估算出的hx、hy并通过首先将值0分配给hz来更新协调值M_Harmo：

子步骤103_2：通过获得对应于步骤101的磁场测量点之一的给定航向值Cap_ref(称为参考)与根据磁测量值

确定出的航向值之间的差来计算航向误差dψ，当飞行器指向由

定义的水平协调校正所校正的航向Cap_ref时，如果适用，使用如下等式计算补偿校正，即dψ：

-子步骤103_3：从在步骤102中确定出的值hx、hy推导如此计算出的该磁航向误差值dψ的竖直协调值hz，相应飞行器在磁场

的测量时刻的姿态φ、θ、ψ，测量点处的倾斜度I，并且上面第5点中给出的等式以以下形式表示：

使用该值hz更新协调矩阵，以根据随后用于计算航向的测量场H_m，特别是基于在飞行器飞行期间得出的磁场测量值H_m，使用等式

继续计算补偿场值H_comp。

在一个实施例中，在步骤103_3中，使用以下等式之一代替等式1，以确定hz：

hz＝δΨ；

hz＝δΨ/(1-tan(I)*sinθ)；

前两个等式尤其用于在角度hz限制为1.5度且跑道水平度误差小于2度的情况下。

在一个实施例中，考虑两个参考航向Cap_ref，重复步骤103_3：航向在0°(即，向北)和90°(即，向东)(或从任何两个相隔90°的方向)；针对这些值中的每一个计算hz值，然后进行比较。仅当hz值确实相等时，才保留hz的对应值，并使用该值更新协调矩阵M_harmo，以继续进行补偿场计算，该计算随后用于特别是在飞行器飞行期间计算航向。

因此，本发明使得可简单地在地面上获得协调值。

接下来，就使得可以从飞行器的飞行开始，根据由嵌入式磁力计完成的测量得出的磁场值，为协调缺陷所校正的场值来计算出更准确的磁航向值。

在一个实施例中，一旦在地面上执行了步骤101到103，则处理单元4就在飞行器10的飞行期间执行用于加强协调性评估的步骤。

因此，在飞行中获取阶段(ACQ2)104中，由磁力计2测量磁场。

额外地，如下面详细描述的，在步骤105(PREC EST)中确定更精确的协调值。

以下提出的协调计算在数学上基于将协调矩阵分解为估算出的地面上协调矩阵和估算出的飞行中互补矩阵之和(以小角度表示)的方式：[M_harmosol]的近似值。由[M_harmosol]+[M_Harmovol]-Id)来近似[M_harmosol].[M_harmovol]，其中矩阵

值hx_sol、hy_sol、hz_sol分别为在步骤102和103中计算出的值hx、hy和hz。

从在飞行中由磁力计2获得的场测量值(三个分量Hmx/Hmy/Hmz)中，通过最小化误差函数的递归算法(例如递归最小二乘算法)产生估算量，滤波后，针对这些测量中的每一个的、由惯性测量单元3提供的飞行器10的姿态都应用与磁力测量相同的滤波特性。根据现有技术，最小二乘求解矩阵形式的一系列线性方程组。实际上，已经提出了以下要素：

-从多个获取值的测量矢量函数建立的观测值(Y)＝从多个获取值的测量矢量函数建立的状态矩阵[Xm]*a(寻找的未知参数)；

-二次误差含义内的a的最佳估算量

为：

-在每次迭代时，计算增益K_G和协方差矩阵P，而无需进行矩阵求逆；因此在迭代n中

○

○P(n)＝P(n-1)-K_G(n)*X(n)^t*P(n-1)

○K_G(n)＝P(n-1)*X(n)*[1+X(n)^t*P(n-1)*X(n)]^-1

其中

标量。

-当二次误差或协方差足够小(接近于零)并且有可能在新获取中停止迭代时，将检测到估算量朝向解

收敛。

在一个特定的实施例中，这里提出的估算例如包括识别坐标系TGL中的恒定磁场的竖直分量。通过在坐标系TMAG中测得的场分量的投影获得该分量，并补偿了先前在地面上识别出的铁和协调模型，同时为飞行补偿模型添加了待在飞行中识别的三个未知参数：飞行协调hxvol/hyvol/hzvol(对应于Mharmovol)。

在该实施例中，可观察性有利于hxvol/hyvol的估算，hzvol仍然是如本发明中所示可分离为一阶的缺陷，一旦飞行器的姿态发生变化，例如在飞行的第一转弯时发生变化，则可容易地观察到hzvol。

其中H_vert是磁场的竖直分量H_vert＝未知常数

(等式2)

Hxn_compensol/Hyn_compensol/Hzn_compensol是由磁力计在采样时刻n.Te(Te采样周期)测量的x/y/z分量，该分量由先前在地面上识别的铁模型和协调模型进行了补偿。

Hn compensol＝Ksol.

和Ksol＝M_harmosol ^-1.K

其中

和

飞行补偿模型将未知的协调参数添加如下：

在此特定实施例中，通过以矩阵形式表示等式2来构建最小二乘，其中n行对应于提供最小二乘的n个采样测量：

观察值

其中

i＝1…n，Hve(i)为在飞行中的采样时刻测量的竖直场分量，iTe由在步骤102、103中在地面上获得的协调值校正。

状态矩阵

其中

其中

其中

未知矢量

如上所示，二次误差含义内的a的最佳估算量

为：

因而：

-除了从地面校正中得出的协调角之外(这与现有方法中的协调参数初始化无关)，估算加强还包括加入三个互补的协调未知数，最终的协调矩阵Mharmo为Mharmosol与Mharmovol-Id之和。

-可根据当前姿态和在时间中积分的姿态偏差(例如，对于坐标系TGL中的竖直轴，识别竖直场分量)，对每个轴应用一个选择性的可观察性标准。

-这里描述的估算量具有使用所有三个测量的磁场分量的特殊性(相对于使用场范数的现有方法，噪声更不敏感，或者甚至只有单个分量，如竖直分量)；因此，在使用飞行器的当前姿态进行解投影后，可根据上述可观察性标准选择性地观察每个分量的恒定性(此处，恒定性对应于零时间差)。

在另一实施例中，处理单元4以诸如FPGA(现场可编程门阵列)之类的可编程逻辑组件的形式制成，比如FPGA(现场可编程门阵列)，或者以专用集成电路的形式制成，比如ASIC(专用集成电路)。

本发明允许通过分析在平面[Y_M，Z_M]和[X_M，Z_M]中测得的磁场的几何形状来对水平协调角hx、hy进行地面估算，从而在地面上校正部分主要协调缺陷(对于hx，hy<1.5deg和Hz<4deg)，水平协调精度为0.5°，鉴于飞行器上的软铁缺陷较少(例如，非对角软铁的数量级约为3mrad，对于非对角软铁，可接受范围为20mrad，对于对角软铁，可接受范围为20％)。

地面上的这种补偿方法大大提高了航向的精度，特别是在结合自动航向功能的待机姿态的情况下，与二次误差为4°的整体预算(请参阅第2.4节)相比，飞行中航向的精度增益为1°数量级。

发明人已经在数学误差发展中证明并证实，对于接近水平的姿态，协调角hz在航向计算中可被视为可分离误差，并且该误差在补偿之后仍可分离为一阶。误差hz是主要的，因此需要在地面上进行估算和校正。

特别地，对磁力计的水平协调的校正原理不需要：

-通过将测斜仪并入磁力计来测量协调角，

-通过瞄准或外部手段，产生磁场或外部场值读数来测量协调角，

-在地面跑道上执行360°航向旋转期间的姿态运动，

-经由可调支撑件获得的几种磁力计姿态的场测量方法。

本发明描述了考虑协调矩阵以便补偿磁力计的安装缺陷(小的不精确角度，绝对值小于30mrad(1.71度))。在一个实施例中，还考虑了磁力计的协调矩阵，以便考虑磁力计在结构中的不同组装可能性；例如，坐标系变化矩阵对应于ZM轴相对于ZA旋转180°，或者轴YM和XM相对于YA和XA的同上或l，或者例如具有“大角度”坐标系变化矩阵，相对于Z/Y/X的基本旋转角度约为20到90度的显着角度。

上文中，是关于飞行器公开了本发明。本发明适用于任何类型的移动机器，例如，潜艇、陆上、海上等类型。

Claims

1.一种用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的方法，所述磁力计与其参考坐标系XM、YM、ZM相关联，并且所述移动机器与其飞行器坐标系XA、YA、ZA相关联，所述方法由电子设备实现，包括获取由所述磁力计根据变化的连续航向测得的与所述移动机器的连续位置相对应的多个磁场矢量值的步骤；

所述方法的特征在于，所述方法还包括确定水平协调(hx，hy)的步骤，其中hx对应于与围绕XA旋转相关的欧拉角，其中hy对应于与围绕YA旋转相关的欧拉角，以从所述磁力计的所述参考坐标系XM、YM、ZM转换到所述飞行器坐标系XA、YA、ZA，包括以下步骤：

-由获取的场矢量值估算第一角度，所述第一角度等于XM与在包括两个轴XM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度；

-将hy确定为等于估算出的第一角度；

-由所述获取的场矢量值估算第二角度，所述第二角度等于YM与在包括两个轴YM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度；

-将hx确定为等于估算出的第二角度。

2.根据权利要求1所述的用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的方法，其中，估算所述第一角度或所述第二角度中的角度包括以下步骤：

-由获取的场值中在所述椭圆的平面的x轴上的最小x轴值和最大x轴值的半和，并且由所述获取的场矢量值中在所述椭圆的平面的y轴上的最小y轴值和最大y轴值的半和，确定所述椭圆的中心的坐标；

-在所述椭圆的平面内，确定出所述获取的场矢量值中距所述椭圆的所述中心的距离最大处的点；

-根据确定出的所述椭圆的所述中心的坐标和确定出的距所述中心的距离最大处的所述点的坐标来计算所述角度。

3.根据权利要求1或2所述的用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的方法，包括以下步骤：

-计算参考航向值与由校正得到的航向值之间的差值，所述由校正得到的航向值是根据确定出的hx和hy的值对由所述磁力计根据所述航向完成的对应于所述移动机器的位置的所述场的测量进行校正得到的；

根据下面的等式，根据计算出的所述差值并且根据确定出的hx和hy的值，推导出竖直协调值hz：

其中：

I是地球磁场在所述位置处的倾斜度，

ψ、θ、φ是所述移动机器在所述位置处的姿态角，分别为偏航角、俯仰角和滚动角，以及

δΨ表示由于协调缺陷引起的航向计算误差。

4.根据权利要求3所述的用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的方法，其中，所述等式产生的hz通过以下公式之一来近似：

hz＝δΨ；

hz=δΨ/(1-tan(I)＊sinθ)；

5.据权利要求3所述的用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的方法，其中，在第一阶段中，所述协调值hx、hy、hz根据由所述磁力计在所述移动机器在地面上时测量的磁场矢量值测量值来确定，在随后的阶段中，执行以下步骤以指定所述协调值，所述移动机器处于飞行中：

-获取由所述磁力计根据变化的连续航向测量的与飞行中的所述移动机器的连续位置相对应的多个磁场矢量值；

-通过[M_harmosol]+[M_Harmovol]-Id)来近似在飞行中指定的协调矩阵[M_harmosol].[M_harmovol]，其中Id是单位矩阵，

以及

-所述协调值hxvol、hyvol、hzvol是基于递归算法根据飞行中获取的所述磁场矢量值确定的，所述递归算法利用了以下事实：即在协调后根据对所述磁场矢量值的[Mharmosol].[Mharmovol]的所述近似获得的竖直磁场分量等于常数。

6.一种用于包括软件指令的计算机程序，其中，当由计算机执行所述软件指令时，所述软件指令实行根据权利要求1至5之一所述的方法。

7.一种用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的电子设备(4)，所述磁力计与其参考坐标系XM、YM、ZM相关联，并且所述移动机器与其飞行器坐标系XA、YA、ZA相关联，所述设备配置为获取由所述磁力计根据变化的连续航向测量的与所述移动机器的连续位置相对应的多个磁场矢量值；

所述设备的特征在于，其配置为确定水平协调(hx，hy)，其中hx对应于与围绕XA旋转相关的欧拉角，其中hy对应于与围绕YA旋转相关的欧拉角，以从所述磁力计的所述参考坐标系XM、YM、ZM转换到所述飞行器坐标系XA、YA、ZA，由获取的场矢量值估算第一角度，所述第一角度等于XM与在包括两个轴XM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度，将hy确定为等于估算出的第一角度，由所述获取的场矢量值估算第二角度，所述第二角度等于YM与在包括两个轴YM、ZM的平面中限定的椭圆的长轴之间的角度，并将hx确定为等于估算出的第二角度。

8.根据权利要求7所述的用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的设备(4)，其配置为通过以下方式估算所述第一角度或所述第二角度中的角度：

-由获取的场值中在所述椭圆的平面的x轴上的最小x轴值和最大x轴值的半和，并且由所述获取的场矢量值中在所述椭圆的平面的y轴上最小y轴值和最大y轴值的半和，确定所述椭圆的中心的坐标；

-根据确定出的所述椭圆的所述中心的坐标和确定出的距所述中心距离最大处的所述点的坐标来计算所述角度。

9.根据权利要求7或8所述的用于估算安装在移动机器中的磁力计(2)的协调值的装置(4)，其配置为计算参考航向值与由校正得到的航向值之间的差值，所述由校正得到的航向值是根据确定出的hx和hy的值对由所述磁力计根据所述航向完成的对应于所述移动机器的位置的所述场的测量值进行校正得到的，以便根据下面的等式，根据计算出的所述差值并且根据确定出的hx和hy的值，推导出竖直协调值hz：

其中：

I是地球磁场在所述位置处的倾斜度，

δΨ表示由于协调缺陷引起的航向计算误差。

10.根据权利要求9所述的用于估算安装在移动机器中的磁力计的协调值的设备(4)，其中，所述等式产生的hz通过以下公式之一来近似：

hz=δΨ；

hz=δΨ/(1-tan(I)＊sinθ)；