[发明专利]一种采用三轴加速度计辅助的三轴磁强计全参数外场标定方法

说明书

本发明公开了一种采用三轴加速度计辅助的三轴磁强计全参数外场标定方法，本发明用于三轴磁强计12维参数的外场自主标定，这些参数包括3个零偏参数、3个尺度参数、3个交叉耦合参数和3个相对于三轴加速度计的坐标旋转参数，除并置安装的三轴加速度计外，本发明无需额外辅助设备。本发明根据某一采样时刻的三轴加速度计观测将该时刻的待求解姿态矩阵表示为一个待求解的角度，然后利用所有采样时刻的三轴磁强计观测对待标定参数和所有采样时刻处的待求解角度进行一并求解，具体求解过程中采用期望‑极大似然算法(EM算法)进行参数求解。

技术领域

本发明属于导航及制导技术领域，尤其涉及一种采用三轴加速度计辅助的三轴磁强计全参数外场标定方法。

背景技术

在已知背景地磁场向量的情况下，三轴磁强计的测量值包含有载体的姿态信息。鉴于其成本低、功耗低、体积小、重量轻等优点，三轴磁强计在低成本姿态测量领域具有广泛应用，比如MARG传感器中，三轴磁强计是一个重要的组成部分，另外两个组成部分为三轴加速度计和三轴陀螺仪。

在姿态测量应用中，需要三轴磁强计测量背景地磁场在载体坐标系的三轴分量。然而，除了背景地磁场以外，环境干扰磁场也会三轴磁强计的测量产生影响。另外，由于三轴磁强计本身的不完美，其测量也会存在零偏、标度、耦合等误差。多种误差源有时无法区分，其实也不必进行区分。一般采用一个12参数的标定模型即可以完全描述三轴磁强计的测量误差特性，这些参数包括3个零偏参数、3个尺度参数、3个交叉耦合参数和3个相对于三轴加速度计的坐标旋转参数，对这12个参数进行估计(即标定)就可以对三轴磁强计的观测进行补偿，从而得到较准确的背景地磁场沿载体系三个坐标轴的投影。

正是由于三轴磁强计的测量受环境干扰磁场的影响，只能在外场进行系统级，而不能在实验室进行元件级标定，这是因为实验室中的干扰磁场一般与三轴磁强计实际工作情况下的环境干扰磁场不相同。外场标定的一个最大的难度在于无法提供姿态基准，椭球拟合法是解决此问题的有效方法，但该方法只能标定12个参数中的9个，而无法对磁强计组件坐标系相对于载体坐标系的旋转进行标定。换言之，在多传感器融合应用中，椭球拟合法无法确定三轴磁强计组件坐标系与其他传感器坐标系之间的旋转关系。这是椭球拟合法的固有缺陷，因为该方法只采用了三轴磁强计的观测数据，所得到的标定结果只需也只能满足磁强计观测数据本身所需要的自洽性，而无法提供其与其他传感器之间的旋转信息。

由前所述，要想得到三轴磁强计与其他传感器之间的旋转信息，必须引入其他传感器的观测数据。鉴于此，现有文献在三轴加速度计(已标定)的辅助下，提出了一种三轴磁强计12参数标定方法，称为点乘不变法。该方法基于如下事实：三轴加速度向量与三轴磁场强度向量的点乘(即内积)在不同直角坐标系内是相同的。该方法相当于将三轴加速度计观测的3×1向量转化为1×1的标量，即该向量与三轴磁场强度向量的点乘。显然从3×1向量到1×1标量这一转化过程存在信息损失。即使考虑到在姿态测量中向量观测的幅值与姿态测量无关这一性质，也存在从2维方向向量到1维标量的信息损失。

发明内容

发明目的：针对三轴磁强计的标定问题，具体而言是三轴磁强计的全参数外场标定问题，本发明提出一种采用三轴加速度计辅助的三轴磁强计全参数外场标定方法。该方法需要一组已标定的三轴加速度计为辅助，与现有技术中的点乘不变法不同，本发明的标定方法，具有更大的冗余度，相应地也将具有更高的标定精度。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种采用三轴加速度计辅助的三轴磁强计全参数外场标定方法，包括以下步骤：

步骤1，采集n个时刻待标定的三轴磁强计的测量值和已标定的三轴加速度计的测量值；

步骤2，对n个采样时刻三轴加速度计的测量值进行预处理，将每一时刻的待求解姿态表示为一个待求解角度；

步骤3，建立三轴磁强计的观测模型，根据该观测模型以及待求解姿态矩阵、待求解角度，构建代价函数；