[发明专利]条件约束最小二乘椭球拟合的微型磁力计磁干扰补偿算法

说明书

本发明公开了一种基于条件约束最小二乘椭球拟合的微型磁力计磁干扰补偿算法。包括步骤一：转动转台对齐微型磁力计载体坐标系；步骤二：将微型磁力计围绕载体坐标系轴、轴、轴依次旋转360°，实时采集微型磁力计输出数据；步骤三：通过建立数据点到拟合椭球的数据代数距离方程，并将微型磁力计数据组成的三维曲面约束为椭球进行最优拟合，解算磁干扰信息；步骤四：将磁干扰信息存储至卫星磁力计系统中，在使用时实时补偿磁干扰。本发明补偿了磁干扰，提高微型磁力计测量精度，并引入约束条件进行椭球拟合，提高拟合鲁棒性，计算效率高，简单易实现。

技术领域

本发明属于微型磁力计误差补偿技术领域，具体涉及条件约束最小二乘椭球拟合的微型磁力计磁干扰补偿算法。

背景技术

地球磁场是一种地球固有矢量场，其磁场信号稳定、便于测量，具有全天候、隐蔽性好，可靠性高等优点，广泛用于航空、航天、航海导航系统中。磁力计是一种基于微电子传感器可敏感地球磁场矢量的高精度设备，其测量精度最高达毫高斯。其中，微型磁力计具有体积小、灵活性高、自由度高等优点，常与微惯性传感器相结合实现行人定位导航或人体动作捕获。微型磁力计通过测量地球磁场三轴分量，结合已知水平姿态角，经坐标变换解算后得到航向信息。微型磁力计安装于载体上，随载体同步运动导致微型磁力计测量误差的因素主要有固有的系统误差及环境磁场的干扰。系统误差包括在制造过程中的零偏、非正交误差、刻度因子误差等等，系统误差可通过对微型磁力计进行使用前校正加以消除，而环境磁场的磁干扰主要来自载体内部更重铁磁性物质和电子设备所产生的磁场，来源复杂并且随载体的工作状态不断变化，环境磁场的磁干扰造成的测量误差远大于微型磁力计的系统误差。因此磁干扰补偿是微型磁力计应用中亟待解决的关键问题。

微型磁力计的磁干扰根据性质可划分为硬磁干扰、软磁干扰。硬磁干扰主要由载体上铁磁性物质的剩磁产生，这些剩磁所产生的干扰磁场在短时间内不随时间而变化；软磁干扰主要由载体上软磁性材料在地磁场中被磁化而产生的。因此微型磁力计的磁干扰可在转台进行测量解算及存储，并在使用时进行实时补偿。

为了进行微型磁力计的磁干扰补偿，常使用椭球模型以描述微型磁力计测量值与地磁真值间的误差模型，建立数据点与拟合椭球代数距离最小方程，并使用最小二乘法求解椭球系数进而获得误差参数。但是由于数据偏离理论值，求解矩阵不满秩导致出现多解无法实现最优拟合，需要人工多次检测以获得较为理想结果。因此，基于传统最小二乘法的椭球拟合方法原理相对简单，但过程繁琐、耗费人力、且计算结果具有多样性无法实现最优拟合。本发明提出基于条件约束的最小二乘椭球拟合方法，有效计算微型磁干扰并补偿进而提高航向角精度。

公告号为CN104237822A的中国发明专利在2014年12月24日公开的《用于电子磁力计传感器的补偿磁干扰》，使用椭圆拟合与参照系之间的位移、形状计算并补偿对应硬磁干扰、软磁干扰，在一定程度上提高磁力计的测量精度。上述方法中的椭圆拟合算法只能算出六个磁干扰参数，无法全部计算出十二个磁干扰参数，测量精度有待进一步提高。《AppliedMechanics&Materials》2013年由ZT Wu等人撰写的《Constrained Total Least SquaresAlgorithm Applied to Three-Axis Magnetometer Calibration》，该论文提出一种基于约束总体最小二乘算法计算并补偿磁干扰参数，并转化文无约束的非线性优化问题，但是由于数据偏离理论值，求解矩阵不满秩导致出现多解无法实现最优拟合，需要人工多次检测以获得较为理想结果。陈欣欣撰写的《复杂环境下基于磁强计/MIMU的磁干扰补偿及信息融合技术研究》提出了一种基于条件约束的最优椭球拟合方法，通过解算相应特征向量作为椭圆系数以获取磁干扰信息。但是，由于解算未考虑约束系数，不能有效将三维曲面约束为椭球，进而无法计算、补偿精确磁干扰信息。

发明内容

本发明的目的在于提供补偿弱磁干扰环境下的软磁干扰及硬磁干扰，提高磁力计测量精度，并且提高计算效率和拟合鲁棒性的条件约束最小二乘椭球拟合的微型磁力计磁干扰补偿算法。