一种船载地磁矢量测量载体磁干扰补偿方法与流程

1.本发明属于地磁矢量测量技术领域，具体地说，是涉及一种船载地磁矢量测量载体磁干扰补偿方法。


背景技术：

2.地磁场是一种矢量场，进行地磁矢量测量可以获取地磁场的分量信息，进而可以得到地磁七要素，与地磁标量测量相比，地磁矢量测量具有测量信息丰富、探测效率高的特点；海洋船载地磁矢量测量是获取海洋高精度地磁矢量场的主要方式之一，在进行船载式地磁矢量场测量时，需要将地磁矢量测量系统(一般包括三分量磁力仪、高精度惯导、数据采集模块、gnss模块、数据存储模块、结构件等)搭载于测量船/测量艇，然后进行航行测量。
3.在测量船/测量艇的动力装置、电气设备、船体结构中不可避免含有铁磁性材料，其会产生包含硬磁、感应磁场和涡流磁场的干扰磁场，其会严重影响地磁矢量场的测量精度，因此，如何对载体的干扰磁场进行补偿，是船载式地磁矢量测量中研究的关键问题。
4.在干扰磁场补偿方面，现有补偿方法中，例如一种降低三分量磁测系统载体干扰的差分补偿方法，用于补偿载体的固定干扰磁场和感应干扰磁场，其首先选取一个无磁平板作为工作平台，然后将磁源体和两路三分量磁力仪固定在工作平台上，通过旋转工作平台的姿态，利用差分的方法求取干扰磁场值，该方法需要将磁源体固定在一个无磁平板上，这在实际船载地磁矢量测量条件下是不可实现的。再例如，一种分量与总量约束结合的地磁矢量测量误差校准方法，该方法需要将地磁矢量测量系统封装在一个无磁正六面体箱体中，依次使箱体的每个面为作为底面，对箱体进行旋转，实现对干扰(包括软磁和硬磁)和非对准误差进行校正，该方法仅能对正六面体内干扰源产生的磁场进行补偿，显然不能够对实际的船体磁场进行补偿。又例如，一种基于模糊自适应卡尔曼滤波的干扰磁场补偿方法，在其文中的实验分析中，该方法在实际中的应用效果较差，实测数据经过干扰补偿后，各分量误差仍高达数百nt，这在实际地磁矢量测量应用中显然是不可接受的。又例如，一种补偿舰艇磁化磁场干扰的方法，通过测量舰艇摇摆状态下绕圆行驶的磁场值，采用自适应多种群遗传算法求解出舰艇的感应与固定磁性参数，从而可将舰艇磁性干扰消除，但该方法仅停留在仿真层面，在实际中的应用情况未知，且其采用的算法需要反复迭代计算，计算速度慢，不利于干扰磁场的快速补偿。又例如，基于卡尔曼滤波的海洋地磁三分量测量船磁干扰消除算法，该方法要求测量船在近海区机动完成部分补偿参数求取，然后在远海区机动完成剩余补偿参数求取，在仿真试验中补偿后的地磁分量误差优于200nt，该方法需要在近海区和远海区分别完成补偿作业，补偿过程繁琐且补偿后的分量误差仍达到200nt，在实际测量作业中不能满足要求。
5.综上可见，现有的载体干扰磁场补偿方法存在以下几方面的问题：1)补偿方法的局限性较高，仅能进行半实物仿真测量条件下的干扰磁场补偿，不能对真实的船体磁场进行补偿；2)所提出的方法补偿精度不高，在仿真或实际测量实验中，补偿后的磁场分量误差仍高达数百nt，不能满足实际应用需求；3)补偿步骤繁琐、计算复杂，不利于执行实际测量
条件下的高校、快速补偿。


技术实现要素：

6.我解决上述问题，本发明提出一种船载地磁矢量测量载体磁干扰补偿方法，包含补偿数据采集方法和补偿参数求取算法；在补偿数据采集过程中只需令载体按预定动作进行航行即可完成补偿数据采集，过程简单、可操作性强、耗时短；在补偿参数求取过程中，采用地磁分量约束原理，利用最小二乘法计算补偿参数，计算过程简单、计算速度快。且，该方法不需要辅助设备，适用性强。在实际船载地磁矢量测量试验中，利用该方法补偿后的地磁矢量精度达到nt级，可以满足一般地磁测量的精度要求。
7.本发明采用以下技术方案予以实现：
8.提出一种船载地磁矢量测量载体磁干扰补偿方法，包括：
9.s1)基于载体坐标系下的三分量磁力仪测量模型得到其校正模型；
10.其中，三分量磁力仪测量模型为bm＝(i m)be bhꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
11.校正模型为be＝g(b
m-bh)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；g＝(i m)-1
；
12.bm＝[b
mx
,b
my
,b
mz
]
t
为三分量磁力仪输出的三分量值，
[0013]be
＝[b
ex
,b
ey
,b
ez
]
t
为地磁场在载体坐标系下的投影值矢量值，
[0014]bh
＝[b
hx
,b
hy
,b
hz
]
t
为载体产生的硬磁干扰，i为单位矩阵，
[0015]
为感应磁场系数矩阵；
[0016]
s2)设得到
[0017][0018]
将其变形为
[0019]
其中，b
′m＝[b
mx
,b
my
,b
mz
,-1]，g1＝[g
11
,g
12
,g
13
,g
14
]
t
，g2＝[g
21
,g
22
,g
23
,g
24
]
t
，g3＝[g
31
,g
32
,g
33
,g
34
]，
[0020]
s3)控制船舶载体以s弯画十字方式航行，期间采集n组测量数据，得到
[0021]
s4)根据最小二乘法可分别计算得到g1，g2和g3的最佳估计为：
[0022][0023]
其中，为三分量磁力仪的输出值构成的矩阵；be′
x
,be′y,be′z的求解包括：
[0024]
利用igrf计算出补偿水域内地理坐标系下的地磁矢量设标定过程中地磁矢量测量系统高精度惯导输出的姿态角为at
(r,p,h)
，根据at
(r,p,h)
对进行坐标旋转，得到be″
＝[b
′
ex
,b
′
ey
,b
′
ez
]
t
；是从地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵：r、p、h分别表示高精度惯导输出的横滚角、俯仰角和航向角；
[0025]
s5)定义向量g4＝[g
14
,g
24
,g
34
]
t
，根据公式(3)、(4)得到gbh＝g4，以最小二乘法计算得到硬磁向量bh；
[0026]
s6)基于be＝g(b
m-bh)对实际测量作业获得的地磁矢数据进行补偿，得到载体坐标系下的地磁矢量be；
[0027]
s7)利用高精度惯导输出的姿态角，对be进行坐标旋转，得到地理坐标系下地磁矢量bg＝[b
gx
,b
gy
,b
gz
]
t
。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果包括：
[0028]
1、在采集补偿数据时，船舶载体以“s”弯航行往返画“十”字的方式进行；其相比传统“八”方位法更节省时间，可减小补偿过程中地磁日变的影响；相比绕“o”法更能覆盖测量中可能出现的姿态，采集的补偿数据更有效；2、采用最小二乘法计算补偿参数，相比一般迭代计算方法、卡尔曼滤波等方法，该方法计算速度更快，效率更高；3、采用地磁分量约束计算补偿参数，相比地磁总场约束，计算的补偿参数更准确，对地磁矢量数据的补偿效果更好；4、不需要辅助设备，实施过程简单，实用性较强；5、可推广应用于基于其他载体的地磁矢量测量载体磁干扰补偿，如飞机、auv等。
[0029]
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本
领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本发明提出的船载地磁矢量测量载体磁干扰补偿中载体航行轨迹示意；
[0032]
图2为本发明中载体坐标系示意；
[0033]
图3为本发明提出的船载地磁矢量测量载体磁干扰补充方法的实施步骤示意；
[0034]
图4为基于本发明提出的船载地磁矢量测量载体磁干扰补充方法对地磁矢量测量实施补偿前后数据曲线对比。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0037]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0038]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0039]
在船载地磁矢量测量中，载体的干扰主要包括硬磁、感应磁场和涡流磁场；硬磁是载体上的硬磁材料受外界磁场磁化后而保留的磁场，其量值相对于载体坐标系在短时间内保持固定；感应磁场是载体上的软磁材料受外部磁场激励产生的磁场，其随载体相对于地磁场的姿态变化而变化；涡流磁场是载体上的金属导体切割磁力线而产生的磁场。
[0040]
干扰磁场中对地磁矢量测量精度影响较大的是硬磁和感应磁场，涡流磁场量值较小且属于高频成分，可通过滤波的方式去除；故本方法只针对硬磁和感应磁场进行补偿。
[0041]
基于本发明的构思，在船载地磁矢量测量系统作业开始前或作业结束后，令船舶载体按照一定动作进行航行机动，在此期间获得补偿数据用来计算载体磁干扰补偿参数，用于对实际测量作业数据进行磁干扰补偿。
[0042]
原理上，在进行三分量磁力仪误差标定或载体磁干扰补偿参数计算时，需要让三分量磁力仪在空间中进行充分姿态旋转，遍历空间姿态，以此来计算更为准确的补偿参数；但在实际船载地磁矢量测量过程中，三分量磁力仪与载体捷联安装，受载体运动范围的限制，三分量磁力仪不能够遍历空间姿态。
[0043]
在本发明构思中，补偿航行过程中，令载体以“s”弯航行的方式画“十”字，如图1所示，以此实现对正式测量作业过程中载体可能出现的姿态进行覆盖，具体实施方式如下：
[0044]
在测区内或测区附近，选择一个地磁梯度较小、周围无明显磁干扰源的开阔水域，选择该水域某一点(可在电子海图上标出)，以该点为中心，载体以“s”弯航行往返画“十”字，航行轨迹示意图如图1所示，“十”字每条边长度按照船体长度定义，一般选择20倍船长，图1中“l”表示船长。
[0045]
建立载体坐标系oxbybzb，其oxb轴沿载体横轴向右，oyb轴沿载体纵轴向前，ozb轴沿载体垂向轴向上。通常情况下，地磁矢量测量系统中的三分量磁力仪和高精度惯导通过结构件捷联安装，且其二者之间的坐标系已经经过校准，二者坐标系处于对准状态；设三分量磁力仪坐标系oxmymzm、惯导坐标系ox
pypzp
与载体坐标系统一。
[0046]
在载体坐标系下,当考虑载体的硬磁和感应磁场干扰时，三分量磁力仪的测量模型可表示为：
[0047]bm
＝(i m)be bhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0048]
其中bm＝[b
mx
,b
my
,b
mz
]
t
为三分量磁力仪输出的三分量值，be＝[b
ex
,b
ey
,b
ez
]
t
为地磁场在载体坐标系下的投影值矢量值，bh＝[b
hx
,b
hy
,b
hz
]
t
为载体产生的硬磁干扰，i为单位矩阵，为感应磁场系数矩阵。
[0049]
通过上述测量模型，可得到三分量磁力仪数据的校正模型：
[0050]be
＝g(b
m-bh)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0051]
其中，g＝(i m)-1
。根据校正模型，只要求取到系数矩阵g和硬磁向量bh，便可以通过三分量磁力仪的输出bm，得到载体系下真实的地磁矢量be，实现了载体干扰磁场的补偿。
[0052]
校正模型中，系数矩阵g和硬磁向量bh求取过程如下：
[0053]
上述系数矩阵g为3
×
3矩阵，设其为将公式(2)展开得到：
[0054][0055]
由式(3)得到：
[0056][0057]
其中，b
′m＝[b
mx
,b
my
,b
mz
,-1]，g1＝[g
11
,g
12
,g
13
,g
14
]
t
，g2＝[g
21
,g
22
,g
23
,g
24
]
t
，g3＝[g
31
,g
32
,g
33
,g
34
]，
[0058]
在实际载体磁干扰补偿过程中会采集多组测量数据，则式(4)的形式变为：
[0059][0060]
以式(5)中第一个公式b
ex
(i)＝b
′m(i)g1，(i＝1,2,...,n,n＞4)为例，将其展开得到：
[0061][0062]
将式(6)简写表示为：
[0063]b′
ex
＝b
″mg1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0064]
式中，
[0065]
根据式(7)，当b
″m、b
′
ex
为已知时，便可根据最小二乘原理得到g1的最佳估计：
[0066][0067]b″m为三分量磁力仪的实际实际输出值构成的矩阵，为已知量。
[0068]b′
ex
的获取方法如下：
[0069]
在实际中，载体磁干扰补偿通常选择在地磁梯度较小、周围无明显地磁异常和磁干扰源的水域，此时可利用igrf计算获得到的地磁矢量，近似的表示此处真实背景地磁矢量；设计算得到地理坐标系下的地磁矢量为标定过程中地磁矢量测量系统高精度惯导输出的姿态角为at
(r,p,h)
；根据at
(r,p,h)
对进行坐标旋转，可得到载体坐标系下各姿态对应的地磁矢量值be″
＝[b
′
ex
,b
′
ey
,b
′
ez
]
t
，过程如下：
[0070][0071]
其中，是从地理系到载体坐标系的转换矩阵：
[0072]
r、p、h分别表示高精度惯导输出的横滚角、俯仰角、航向角。
[0073]
通过上述旋转，得到了b
′
ex
；利用式(8)进行计算，可以得到g1的最佳估计，同理，可以计算得到g2、g3的最佳估计。
[0074]
根据g1、g2、g3可得到系数矩阵g。
[0075]
硬磁向量bh按照如下方法计算：
[0076]
定义向量g4，令g4＝[g
14
,g
24
,g
34
]
t
，参考公式(3)和(4)有：
[0077]
gbh＝g4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0078]
式中，g和g4为已知量，根据最小二乘原理，可以获得硬磁向量bh：
[0079]bh
＝(g
t
g)-1gt
g4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)。
[0080]
通过上面推导和计算，已经得到系数矩阵g和硬磁向量bh，便可以根据式(2)对实际测量作业获得的地磁矢量数据进行实时在线补偿或离线补偿。
[0081]
经过载体磁干扰补偿后，获得了载体系下的地磁矢量be；利用高精度惯导输出的姿态角，对be进行坐标旋转，便可得到地理坐标系下地磁矢量bg＝[b
gx
,b
gy
,b
gz
]
t
，过程如下：
[0082][0083]
其中，是从载体系到地理坐标系的旋转矩阵：
[0084]
r、p、h分别表示高精度惯导输出的横滚角、俯仰角、航向角。
[0085]
该补偿方法的流程图见图3。
[0086]
在本发明的一个具体实施例中，补偿航行过程中，采集的实测数据如下表所示：
[0087]
表一
[0088][0089]
利用igrf计算的补偿水域内地理坐标系下的地磁矢量为：
[0090][0091]
计算得到：g1＝[0.9967,-0.0090,0.0100,622.4720]
t
，g2＝[0.0081,1.0027,-0.0016,-446.5671]
t
，g3＝[-0.0014,-0.0038,1.0076,-504.6515]
t
。
[0092]
得系数矩阵
[0093]
g4＝[622.4720,-446.5671,-504.6515]
t
。
[0094]
计算得到bh＝[625.5000,-451.2034,-501.6596]
t
。
[0095]
根据计算得到得系数矩阵和向量，对实测数据进行补偿，并根据姿态角将补偿前后得地磁数据旋转至地理坐标系下，如图4所示。
[0096]
需要说明的是，在具体实现过程中，上述的控制部分可以通过硬件形式的处理器执行存储器中存储的软件形式的计算机执行指令实现，此处不予赘述，而上述控制所执行的动作所对应的程序均可以以软件形式存储于系统的计算机可读存储介质中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0097]
上文中的计算机可读存储介质可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器；也可以包括非易失性存储器，例如只读存储器、快闪存储器、硬盘或固态硬盘；还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0098]
上文所提到的处理器，也可以是多个处理元件的统称。例如，处理器可以为中央处理器，也可以为其他通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者可以是任何常规的处理器等等，还可以为专用处理器。
[0099]
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。