專利名稱：分量磁強計校正方法和可校正裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種探頭在載體上捷聯安裝的分量磁強計的校正方法、應用這種校正方法的分量磁強計及應用這種磁強計的裝置，包括航跡環境磁場自動測量系統、磁方位系統(捷聯式羅盤)、捷聯式測斜定向系統、磁-慣性方位姿態系統和磁-慣性導航系統等典型系統。
分量磁強計不但用于磁測，而且用于測量載體方位姿態，但現有的分量磁強計使用精度不高，缺乏精確的校正方法，嚴重地妨害它在高精度測量工程和有磁性干擾的載體上的應用。例如在航跡環境磁場測量作業中，不得不將其探頭放在遠離運動載體本體的地方，如固定在導桿末端再彈射到衛星外面，懸掛在飛機下方，支撐在車輛或艦船上方等，不但結構復雜而且影響測量精度和載體運行;探頭捷聯安裝的分量磁強計用于測定載體方位姿態時具有優良的動基座工作性能，但不能沿用傳統磁羅盤的安裝校正方法，所以，應用這種磁強計的捷聯式羅盤和捷聯式測斜定向系統的使用精度往往不能滿足要求，在載體磁場比較強時甚至無法應用;應用慣性傳感器的方位姿態和導航系統的方位精度較差，應用其精度較高的姿態數據和分量磁強計測量的環境磁場數據，根據坐標變換公式計算方位角，用于進行方位對準，是目前最受歡迎的方案;慣性系統提供的方位姿態數據具有累積漂移誤差，而分量磁強計用于測量方位姿態沒有累積誤差，正好可以彌補之，構成磁-慣性系統。國內、外航空工程界已經或正在研制這種新型方位姿態和導航系統，但因磁強計的使用精度不能滿足要求，至今未能正式使用。磁-慣性方位姿態和導航系統的另外兩項技術難題-航跡環境磁場數據不完善不準確(例如地磁場數據只能依靠地磁監測部門提供的地磁圖，顯然不敷需要)和通過磁異常區時方位姿態數據不可信，也因分量磁強計使用精度不高而難以解決。
本發明的目的是提供分量磁強計的精確校正方法和能徹底修正其制造誤差、安裝誤差和載體磁場干擾誤差的高精度分量磁強計及應用這種磁強計的各種系統，包括提供一種能自動精確校正、自動完善航跡環境磁場數據庫和消除磁異常區影響的磁-慣性方位姿態和導航系統。
為了達到上述目的，本發明所述的分量磁強計的精確校正方法包括
a)將分量磁強計安裝在載體上并置于校正地，改變載體的方位姿態，記錄各組方位姿態數據和對應的分量磁強計實測數據;
b)根據校正地的環境磁場數據和各組方位姿態數據，應用坐標變換公式，計算與各組方位姿態數據對應的分量磁強計應測環境磁場分量數據;
c)將各組方位姿態對應的分量磁強計實測三維數據Hmx、Hmy、Hmc和應測三維數據Hx、Hy、Hz代入修正常數基本計算公式fxxHx+fxyHy+fxzHz+Fx＝HmxfyxHx+fyyHy+fyzHx+Fy＝HmyfzxHz+fxyHy+fzzHz+Fz＝Hmz分別獲得以修正常數fxx、fxy、fxz、Fx或fyx、fyy、fyz、Fy或fzx、fzy、fzz、Fz為未知數的方程;
d)根據與四組或更多組方位姿態對應的上述方程聯立求解修正常數;
當聯立方程數超過四個時，按組合原則，先任選四個方程聯立求解有關修正常數，再求每個修正常數的所有組合的解的統計平均值，供修正計算使用;
當載體不便改變方位姿態和磁強計精度可以滿足要求時，給定fxx＝fyy＝fzz＝1、fxy＝fxz＝fyz＝fzx＝fxy＝0，根據任意一組方位姿態對應的上述方程計算修正常數Fx、Fy、Fz，或在多組方位姿態下分別確定Fx、Fy、Fz、再求其統計平均值;
e)根據經校正確定的修正常數，應用基本修正公式
計算分量磁強計應測當地環境磁場強度的三維數據Hx、Hy、Hz;
當所校磁強計為三分量磁強計時，可用上述基本修正公式的變換公式
直接求解Hz、Hy、Hz或用于計算其它數據;
當所校磁強計為二分量或單分量磁強計時，用上述基本修正公式的分立公式fxxHx+fxyHy+fxzHz＝Hmx-FxfyxHx+fyyHy+fyzHz＝Hmy-FyfzxHx+fzyHy+fzzHz＝Hmz-Fs中與該磁強計實測數據有關的公式與一個或兩個根據當地環境磁場數據和載體方位姿態數據計算Hx和/或Hy和/或Hz的坐標變換公式，聯立求解Hx和/或Hy和/或Hz。
當磁強計精度可以滿足要求時，從上述分立公式中刪除其未測分量對應的應測分量項，直接求解。
應用上述校正方法的分量磁強計及包括這種磁強計的裝置配備采樣裝置和計算機之后，便可自動修正磁強計實測數據。該計算機備有存貯磁強計修正常數的專用地址，該專用地址能將存貯數據一直保存到下次校正修改之前，在每次按上述方法a、b、c、d校正和計算之后，將修正常數存入計算機的專用地址或修改此前存入的數據;該計算機還設置上述方法e所述的磁強計修正公式的計算程序。
本發明所述的分量磁強計的校正方法、應用這種校正方法的磁強計和應用這種磁強計的裝置的優點是(1)可以徹底修正磁強計的制造誤差、安裝誤差和載體磁場干擾誤差;(2)降低了對磁強計的制造和安裝精度要求;(3)校正時只需要隨意改變載體的方位姿態，并可自動校正;(4)由于實現了高精度測量并允許載體具有較強磁性，擴大了應用范圍;(5)由于提高了磁強計使用精度，可構成磁-慣性方位姿態和導航系統，實現方位姿態加權余度計算，消除累積漂移誤差，降低慣性傳感器和慣性導航系統的精度要求或獲得更高的精度，可在環境磁場數據庫不完善不精確的狀況下開始投入使用并能自我完善，進入磁異常區時不影響性能。
下面以航空磁-慣性導航系統為實施例，對本發明作進一步詳細的描述。


圖1是磁-慣性導航系統導航計算機增設的運算程序框圖。
該系統由三分量磁強計、慣性導航系統和狀態選擇器構成;慣性導航系統的采樣裝置兼對磁強計實測數據進行同步采樣，導航計算機加設磁強計修正常數計算程序、方位對準程序、方位姿態加權余度計算程序、純慣性工作分狀態計算程序、可保存至下次校正、修改的磁強計修正常數專用地址和地磁場強度在地理坐標系(右手系)三軸方向分量Hxo、Hyo、Hzo的地磁圖數據庫。
狀態選擇器設置“校正”和“運行”兩個狀態指令;導航計算機直接接受狀態選擇器的指令，校正狀態執行上述磁強計修正常數計算程序，運行狀態執行上述方位姿態加權余度計算程序或純慣性工作分狀態計算程序。
三分量磁強計探頭的三個敏感軸對準飛機坐標系(右手系)三軸方向安裝。
本系統定義的飛機真方位ψ、橫滾γ和俯仰θ符合下述規定飛機坐標系與地理坐標系重合時為ψ＝γ＝θ＝0，飛機由此方位姿態繞自身豎軸轉過ψ，再繞自身縱軸轉過γ，最后繞自身橫軸轉過θ，到達實時方位姿態。
本系統適用的原理公式如下根據Hxo、Hyo、Hzo計算三分量磁強計應測數據Hx、Hy、Hz的公式應用坐標變換公式， 捷聯式三分量磁強計基本修正公式
其中Hmx、Hmy、Hmz-三分量磁強計實測數據;
Fx、Fy、Fz、fxx、fxy、fxz、fyx、fyy、fyz、fzx、fzy、fzz-修正常數。
修正常數基本計算公式根據式(1)、(2)， ∴fxx[(Hxocosψ+Hyosinψ)cosθ-(Hxosinψ-Hyocosψ)sinθsinγ-Hzosinθcosγ]++fxy[-(Hxosinψ-Hyocosψ)cosγ+Hzosinγ]++fxz[(Hxocosψ+Hyosinψ)sinθ+(Hxosinψ-Hyocosψ)cosθsinγ+Hzocosθcosγ]++Fx＝Hmx(4)fyx[(Hxocosψ+Hyosinψ)cosθ-(Hxosinψ-Hyocosψ)sinθsinγ-Hzosinθcosγ]++fyy[-(Hxosinψ-Hyocosψ)cosγ+Hzosinγ]++fyz[(Hxocosψ+Hyosinψ)sinθ+(Hxosinψ-Hyocosψ)cosθsinγ+Hzocosθcosγ]++Fy＝Hmy(5)fzx[(Hxocosψ+Hyosinψ)cosθ-(Hxosinψ-Hyocosψ)sinθsinγ-Hzosinθcosγ]++fzy[-(Hzosinψ-Hyocosψ)cosγ+Hzosinγ]++fzz[(Hxocosψ+Hyosinψ)sinθ+(Hxosinψ-Hyocosψ)cosθsinγ+Hzocosθcosγ]++Fz＝Hmz(6)磁強計修正公式根據式(2)，
根據Hx、Hy、Hz、Hxo、Hyo、Hzo計算真方位ψM、橫滾γM、俯仰θM的公式應用坐標變換公式，ψM= t g-1( - HXs i nθ + Hzc o s θ ) s i n γ - Hyc o s γHXc o s θ + HZs i n θ+ t g-1Hy oHZ O( 8 )]]>γM= t g-1HXs i nθ - Hzc o s θHy+ t g-1Hz o- HxOs i n ψ + Hy oc o s ψ( 9 )]]>θM= t g-1- HXHX+ t g-1Hx ocos ψ + Hy os i n ψ(Hx os i nψ - Hy ocos ψ )s i n γ + Hz oc o s γ( 10 )]]>根據Hx、Hy、Hz、ψ、γ、θ計算Hxo、Hyo、Hzo的公式應用坐標變換公式， ∴Hxo＝Hx(cosθcosψ-sinθsinγsinψ)-Hycosγsinψ+Hz(sinθcosψ+cosθsinγsinψ) (12)Hyo＝Hx(cosθsinψ+sinθsinγcosψ)+Hycosγcosψ+Hz(sinθsinψ-cosθsinγ-cosθsinγcosψ) (13)Hzo＝-Hxsinθcosγ+Hysinγ+Hzcosθcosγ (14)校正測量計算磁強計修正常數的步驟1)將飛機置于校正地;
2)啟動磁-慣性導航系統及飛機上一切在工作狀態下磁性影響不同于靜止狀態的機械、動力、電氣設備;
3)依靠地標或測試儀器儀表完成慣性導航系統方位姿態的精確對準或修正;
4)飛機在校正地或升空改變方位姿態的同時，操縱狀態選擇器令導航計算機轉入校正狀態，執行下列磁強計修正常數的計算程序。
磁強計修正常數的計算程序根據慣性導航系統計算所得的真方位ψN、橫滾γN、俯仰θN、同步采樣數據Hmx、Hmy、Hmz和存貯的校正地Hxo、Hyo、Hzo，按圖1所示計算，該程序包括1)將每次采樣計算所得數據Hmx、Hmy、Hmz、ψN、γN、θN存入規定地址;
2)按組合原則，將任選四組的采樣計算數據Hmx、Hmy、Hmz、ψN、γN、θN和Hxo、Hyo、Hzo分別代入式(4)、(5)和(6)，以ψN、γN、θN分別取代其中的ψ、γ、θ，分別聯立求解修正常數;該程序也可分為兩步先應用式(1)計算磁強計應測數據Hx、Hy、Hz;再代入式(2)聯立求解;
3)求每一個修正常數的所有組合的解的統計平均值，存入其專用地址;
4)計算完畢，導航計算機自動轉入運行狀態。
啟動運行程序1)姿態初始對準沿用慣性導航系統原定方法和程序;
2)方位初始對準執行下列之方位對準程序;
3)正常運行執行下列之方位姿態加權余度計算程序或純慣性工作分狀態計算程序;
4)導航定位計算沿用慣性導航系統原定方法和程序。
方位對準程序根據慣性導航系統計算所得并經對準的姿態數據γNo、θNo、同步采樣數據Hmx、Hmy、Hmz、存貯的Hxo、Hyo和12個修正常數，按圖1所示計算。該程序包括1)根據γNo、θNo、Hmx、Hmy、Hmz、Hxo、Hyo，應用式(7)和(8)，以γNo、θNo分別取代其中的γ、θ，計算ψMo的程序;
2)根據ψMo，對慣性導航系統進行方位對準的程序，即令其經對準的真方位ψNo＝ψMo。
方位姿態加權余度計算程序導航計算機執行導航定位計算程序之前，插入加權余度計算方位姿態程序。根據慣性導航系統計算所得的ψN、γN、θN、同步采樣數據Hmx、Hmy、Hmz、存貯的當地Hxo、Hyo、Hzo和12個修正常數，按圖1所示計算。該程序包括
1)根據慣性導航系統本次(第1次)采樣計算所得ψNi、γNi、θNi和此前(第i次)計算所得其累積漂移誤差修正量△ψNi、△γNi、△θNi，按照下列公式，計算扣除累積漂移誤差后的方位姿態數據ψ′Ni＝ψNi+△ψNi(15)γ′Ni＝γNi+△γNi(16)θ′Ni＝θNi+△θNi(17)2)根據Hmx、Hmy、Hmz和12個修正常數，應用式(7)，計算Hx、Hy、Hz;
3)根據Hx、Hy、Hz、Hxo、Hyo、Hzo，分別應用式(8)、(9)和(10)，以ψ′Ni、γ′Ni、θ′Ni分別取代其中的ψ、γ、θ，由γ′Ni、θ′Ni計算ψ′Ni，由θ′Ni、ψ′Ni計算γ′Ni，由ψ′Ni、γ′Ni計算θMi;
4)判別ψMi、γMi、θMi是否正確，如果︱ψMi-ψ′Ni|＞△ψMm(18)或｜γMi-γ′Ni|＞△γMm(19)或｜θMi-θ′Ni|＞△θMm(20)其中△ψMm、△γMm、△θMm-存貯的Hxo、Hyo、Hzo不準確造成的ψM、γM、θM誤差則轉入純慣性工作分狀態，否則繼續下一步運算;
5)按照下列公式求解方位姿態加權余度計算數據ψ′i＝aψψ′Ni+bψψMi(21)γ′i＝aγγ′Ni+bγγMi(22)θ′i＝aθθ′Ni+bθθMi(23)其中aψ、bψ、aγ、bγ、aθ、bθ-根據ψM與ψ′N、γM與γ′N、θM與θ′N的精度高低而定，而且可以根據運行工作條件和運行時間段而變，但應滿足aψ+bψ＝1，aγ+bγ＝1，aθ+bθ＝1計算所得ψ′i、γ′i、θ′i供顯示、控制和計算導航定位數據之用;
6)按照下列公式，計算慣性導航系統實時累積漂移誤差修正量△ψNi＝ψ′i-ψNi(24)△γNi＝γ′i-γNi(25)△θNi＝θ′i-θNi(26)其中第1次采樣數據為慣性導航系統完成方位姿態對準以后的采樣數據，因此給定此前的累積漂移誤差△ψNo＝△γNo＝△θNo＝0。
計算所得△ψNi、△γNi、△θNi供下次計算之用。
純慣性工作分狀態計算程序導航計算機執行計算ψ′、γ′、θ′及完善、修正Hxo、Hyo、Hzo的程序。按圖1所示，根據慣性導航系統計算所得的ψN、γN、θN和此前最后一次(第j次)計算所得其累積漂移誤差修正量△ψN1、△γN1、△θN1計算ψ′、γ′、θ′;根據同步采樣計算所得數據Hx、Hy、Hz、ψ′、γ′、θ′，計算Hzo、Hyo、Hzoo該程序計算順序如下1)根據ψNi、γNi、θNi、△ψNi、△γNi、△θNi，按照下列公式，直接計算ψ′i＝ψNi+△ψNi(27)γ′i＝γNi+△γNi(28)θ′i＝θNi+△θNi(29)2)根據Hx、Hy、Hz、ψ′i、γ′i、θ′i，分別應用式(12)、(13)和(14)，以ψ′i、γ′i、θ′i分別取代其中的ψ、γ、θ，計算Hxo、Hyo、Hzo;
3)將Hxo、Hyo、Hzo根據慣性導航系統提供的飛機實時同步位置數據，存入地磁數據庫相應位置的地址，或修改其中數據。
權利要求
1.一種探頭在載體上捷聯安裝的分量磁強計的校正方法，其特征在于該校正方法包括a)將分量磁強計安裝在載體上并置于校正地，改變載體的方位姿態，記錄各組方位姿態數據和對應的分量磁強計實測數據；b)根據校正地的環境磁場數據和各組方位姿態數據，應用坐標變換公式，計算與各組方位姿態數據對應的分量磁強計應測環境磁場分量數據；c)將各組方位姿態對應的分量磁強計實測三維數據Hmx、Hmy、Hmz和應測三維數據Hx、Hy、Hz代入修正常數基本計算公式fxxHx+fxyHy+fxxHz+Fx=HmxfyxHx+fyyHy+fyzHz+Fy=HmyfxxHz+fzyHy+fzzHz+Fz=Hmz分別獲得以修正常數fxx、fxy、fxz、Fx或fyz、fyy、fyz、Fy或fxx、fxy、fzz、Fz為未知數的方程；d)根據與四組或更多組方位姿態對應的上述方程聯立求解修正常數；當聯立方程數超過四個時，按組合原則，先任選四個方程聯立求解有關修正常數，再求每個修正常數的所有組合的解的統計平均值，供修正計算使用；當載體不便改變方位姿態和磁強計精度可以滿足要求時，給定fxx=fyy=fzz=1、fxy=fxz=fyx=fyz=fzx=fzy=0，根據任意一組方位姿態對應的上述方程計算修正常數Fx、Fy、Fz，或在多組方位姿態下分別確定Fx、Fy、Fz、再求其統計平均值；e)根據經校正確定的修正常數，應用基本修正公式
計算分量磁強計應測實時環境磁場強度的三維數據Hx、Hy、Hz；當所校磁強計為三分量磁強計時，用上述基本修正公式的變換公式
直接求解Hx、Hy、Hz或用于計算其它數據；當所校磁強計為二分量或一分量磁強計時，用上述基本修正公式的分立公式fxxHx+fxyHz=Hmx-FxfyzHx+fyyHy+fyzHz=Hmy-FyfzxHx+fzyHy+fzzHz=Hmz-Fz中與該磁強計實測數據有關的公式與一個或兩個根據當地環境磁場數據和載體方位姿態數據計算Hx和/或Hy和/或Hz的坐標變換公式，聯立求解Hz和/或Hy和/或Hx。當磁強計精度可以滿足要求時，從上述分立公式中刪除其未測分量對應的應測分量項，直接求解。
2.應用權利要求1所述的校正方法的分量磁強計及包括這種磁強計的裝置，該磁強計及該裝置還包括采樣裝置和計算機，其特征在于該計算機備有存貯磁強計修正常數的專用地址，該專用地址能將存貯數據一直保存到下次校正修改之前，在每次按權利要求1中的a、b、c、d所述方法校正和計算之后，將修正常數存入計算機的專用地址或修改此前存入的數據;該計算機還設置權利要求1中的e所述的磁強計修正公式的計算程序。
3.根據權利要求2所述的裝置，該裝置還包括慣性導航系統、記錄裝置和計算機，構成航跡環境磁場自動測量系統，其特征在于該磁強計的探頭直接固定在載體上;該采樣裝置采集磁強計實測數據和慣性導航系統計算所得的載體方位姿態位置數據，該計算機還設置坐標變換公式的計算程序，該程序根據載體方位姿態和磁強計應測數據計算環境磁場數據，并和載體實時位置數據一起存入記錄裝置。
4.根據權利要求2所述的裝置，該裝置還包括提供載體方位角和姿態二角數據中的一角、二角或三角數據的慣性傳感器，構成磁-慣性方位姿態系統，其特征在于除根據慣性傳感器提供的姿態二角計算磁方位的方位姿態系統外，該計算機設置航跡環境磁場數據庫;該計算機還設置坐標變換公式的計算程序，該程序根據存貯的當地環境磁場數據、磁強計應測數據和慣性傳感器提供的一角或二角數據計算其余的角數據。
5.根據權利要求2所述的裝置，該裝置還包括慣性導航系統，所有采樣計算功能均由慣性導航系統的相應裝置完成，構成磁-慣性導航系統，其特征在于慣性導航系統的數據采樣裝置采集自身數據時同步采集磁強計數據;并在計算機中設置航跡環境磁場數據庫和坐標變換公式的計算程序，該程序根據存貯的當地環境磁場數據、磁強計應測數據和慣性導航系統計算所得的載體姿態數據計算方位數據，作為慣性導航系統方位對準數據。
6.根據權利要求3所述的航跡環境磁場自動測量系統，其計算機還存貯校正地環境磁場數據;或根據權利要求4所述的磁-慣性方位姿態系統，其慣性傳感器提供方位姿態全部三個角數據;或根據權利要求5所述的磁-慣性導航系統，其特征在于該系統還包括狀態選擇器，該選擇器設置校正和運行兩個狀態指令，直接指令計算機執行校正狀態程序或運行狀態程序;計算機還增設按權利要求1中的b、c、d所述的磁強計修正常數計算程序，專供實現自動校正的校正狀態使用。
7.根據權利要求4所述的方位姿態系統，其方位姿態傳感器提供全部三個角數據;或根據權利要求5所述的磁-慣性導航系統，其特征在于計算機還設置在為顯示、控制和計算導航定位數據提供方位姿態數據之前進行方位姿態加權余度計算的下列程序a)根據方位姿態傳感器提供的或慣性導航系統計算所得的實時方位姿態數據和此前計算所得其累積漂移誤差修正量，計算扣除累積漂移誤差后的方位姿態數據的程序;b)根據磁強計應測數據、存貯的當地環境磁場數據和上述扣除累積漂移誤差后的方位姿態數據中的兩個角數據，應用磁場強度分量坐標變換公式，計算第三角數據的程序;c)對上述扣除累積漂移誤差后的和根據磁場數據計算所得的方位姿態數據進行加權余度計算的程序，加權比例根據它們的精度高低而定，而且可以根據運行工作條件和運行時間段而變，以加權余度計算所得方位姿態數據供顯示、控制和計算導航定位數據之用;d)以程序c所得之加權余度計算數據為準，計算方位姿態傳感器提供的或慣性導航系統計算所得的實時方位姿態數據的實時累積漂移誤差修正量的程序，該修正量供下次運算使用。
8.根據權利要求7所述的方位姿態系統或磁-慣性導航系統，其特征在于計算機還在權利要求7所列程序b與c之間插入下列程序比較扣除累積漂移誤差后的和根據磁塊數據計算所得的方位姿態數據，當其中任一角數據的差值超過給定的允許誤差時，轉入下列程序a和b，否則仍執行權利要求7所述的程序c和d;計算機還增設下列程序a)從方位姿態傳感器提供的或慣性導航系統計算所得的實時方位姿態數據中扣除此前最后一次計算所得其累積漂移誤差的程序，以按此程序所得之扣除累積漂移誤差后的方位姿態數據供顯示、控制和計算導航定位數據之用的程序;b)根據程序a所得之扣除累積漂移誤差后的方位姿態數據和同步采樣計算所得之磁強計應測數據，應用磁場強度分量坐標變換公式，計算當地環境磁場數據的程序;將按此程序所得之當地環境磁場數據存入環境磁場數據庫相應位置的地址，或修改其中數據。
全文摘要
本發明公開了一種可精確修正制造、安裝和載體磁場干擾誤差的磁強計校正方法，包括根據12常數計算的修正公式和根據任選方位姿態所測數據求解12常數的方程。適于在磁性載體上捷聯安裝并不受其運行干擾，降低對磁強計和配套系統的要求，提高航跡磁場和方位姿態測量精度，并可構成磁——慣性方位姿態和導航系統，實現自動校正、方位姿態余度計算、消除累積漂移誤差、自動修正充實磁場數據庫，不必要求其完善性，能在磁異常區正常工作。
文檔編號G01C21/08GK1096581SQ9311145
公開日1994年12月21日 申請日期1993年6月16日 優先權日1993年6月16日
發明者張學孚, 陸怡良, 張曉輝, 張曉樞, 張曉華 申請人:張學孚