專利名稱：確定地磁場(chǎng)方向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用一個(gè)包括三個(gè)磁場(chǎng)傳感器和兩個(gè)傾斜采集設(shè)備的電子磁針羅盤確定可以受到與儀表固定的磁性材料和若干電流磁場(chǎng)干擾的地磁場(chǎng)方向的方法。
在US4 686 772中公開了一種例如能夠確定裝甲車行駛方向的電子磁針羅盤。裝甲車具有兩個(gè)鐵制物體，即炮塔和車體，它們相互可以繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。磁針羅盤安裝在車體上，并且包括一個(gè)不擺動(dòng)的三軸磁力計(jì)。此磁力計(jì)給出表示磁力計(jì)所在部件的三個(gè)磁場(chǎng)分量的電磁信號(hào)。配置了兩個(gè)傾角傳感器，它們給出表示具有傾角傳感器的車體的抑角和滾動(dòng)角的電信號(hào)。此外，角度測(cè)量設(shè)備給出一個(gè)表示兩個(gè)鐵制物體之間的角度的轉(zhuǎn)角信號(hào)。在一個(gè)存儲(chǔ)中存儲(chǔ)著多個(gè)預(yù)先校準(zhǔn)過的修正系數(shù)，這些修正系數(shù)應(yīng)修正由車輛感應(yīng)的磁場(chǎng)對(duì)磁力計(jì)對(duì)兩個(gè)鐵制物體之間的轉(zhuǎn)角測(cè)量的影響。借助于一個(gè)計(jì)算機(jī)由電磁場(chǎng)信號(hào)和傾角傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算裝甲車行駛方向，這些信號(hào)通過儲(chǔ)存的修正系數(shù)對(duì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角已進(jìn)行了修正。
在能夠應(yīng)用所述磁針羅盤之前有必要進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量。這里此車輛置于至少兩個(gè)不同的、相互之間不平行的平面上。在這些部位上在車位不同的排列但是在裝甲炮塔相對(duì)相同的排列下進(jìn)行方位角、抑角和滾動(dòng)角的測(cè)量。為了能夠測(cè)量這些角度，例如需要一個(gè)經(jīng)緯儀、在校準(zhǔn)時(shí)假定在測(cè)量部位的地磁場(chǎng)是已知的。這里由卡片材料可以獲得相應(yīng)測(cè)量部位地磁場(chǎng)的磁傾角和磁偏角的數(shù)值。
在US4 539 760中描述了一個(gè)具有三個(gè)磁傳感器的電子磁針羅盤。這些傳感器對(duì)包括地磁場(chǎng)和一個(gè)附加的與車輛有關(guān)的干擾場(chǎng)的磁場(chǎng)的三個(gè)正交分量作出反應(yīng)。這些磁傳感器產(chǎn)生與這些分量相應(yīng)的電信號(hào)。此外，若干傾角傳感器對(duì)車輛與水平平面的傾斜角作出反應(yīng)。采用一個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備和一個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)這些作為校準(zhǔn)修正值的、由測(cè)量傳感器導(dǎo)出的信號(hào)，如果車輛為了磁針羅盤的校準(zhǔn)而轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)圓。為了避免干擾磁場(chǎng)的影響，數(shù)據(jù)處理設(shè)備在校準(zhǔn)過程結(jié)束后，在考慮到校準(zhǔn)修正值的情況下計(jì)算在車輛所在部位地磁場(chǎng)的修正值，然后由這些修正值出發(fā)在應(yīng)用用于確定地平線的傾角傳感器數(shù)值的情況下計(jì)算車輛行駛方向的方位。在計(jì)算時(shí)由修正矩陣是對(duì)稱的這一點(diǎn)出發(fā)，盡管這只是在非常的情況下才能出現(xiàn)的。
本發(fā)明的任務(wù)在于給出一種采用電子磁針羅盤確定地磁場(chǎng)方向的比較簡(jiǎn)單的方法。
按照本發(fā)明此項(xiàng)任務(wù)是按照權(quán)利要求1所述特征加以解決的。
本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展在各項(xiàng)從屬權(quán)利要求中作了闡述。
以有利的方式按照本發(fā)明此方法不要求采用附加的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行特定的校準(zhǔn)測(cè)量。此外，在電子磁針羅盤中也無需特定數(shù)據(jù)的輸入，以便于在應(yīng)用中進(jìn)行推廣。唯一需要的是將此磁針羅盤置于若干不同的任何空間位置。在每一個(gè)空間位置優(yōu)先確定三個(gè)磁場(chǎng)分量。這些磁場(chǎng)分量可以相互正交，如果提出這種要求的話。但是這并不是一定要這么作的。借助于在每個(gè)空間位置附加測(cè)量的傾斜值、即傾角和滾動(dòng)角、可以由相應(yīng)的磁場(chǎng)分量中確定地場(chǎng)實(shí)際磁場(chǎng)矢量的方向。
本發(fā)明方法不要求電子磁針羅盤在安裝前必須進(jìn)行校準(zhǔn)。采用本發(fā)明方法不僅考慮到了干擾磁場(chǎng)，而且還考慮到了制造容差以及各個(gè)傳感器具有不同的靈敏度等。此外，有必要采用一個(gè)在出廠前已由廠家校準(zhǔn)的磁針羅盤。
在本發(fā)明方法中和用了以下事實(shí)，即在萬有引力矢量和地磁場(chǎng)矢量之間的偏角在相應(yīng)的固定部位均與系統(tǒng)的瞬時(shí)位置無關(guān)而保持恒定值。
所給出的附圖是為了便于理解本發(fā)明

圖1示出了電子磁針羅盤和軟磁和磁磁干擾場(chǎng)發(fā)生器的一個(gè)裝置的示意圖；圖2示出與測(cè)量地磁場(chǎng)相關(guān)的矢量。
波松早在19世紀(jì)末就探討了這個(gè)問題，即如何確定實(shí)際存在的磁場(chǎng)，如果在系統(tǒng)中放置了一個(gè)磁力針，而它本身具有磁場(chǎng)分量。描述這一情況的波松方程指出，在這樣一種情況下所測(cè)量的磁場(chǎng)是實(shí)際存在場(chǎng)的一個(gè)線性函數(shù)，它涉及到一個(gè)仿射性圖象。在這方面請(qǐng)參閱上述US4686 772第2部分第26至30行。
對(duì)于一般情況可以說所測(cè)量的磁場(chǎng)是由測(cè)量位置被軟磁失真了的地磁場(chǎng)和一個(gè)硬磁分量構(gòu)成的。在被軟磁失真了的地磁場(chǎng)中涉及到一個(gè)通過地磁場(chǎng)感應(yīng)的磁性。硬磁分量包括例如通過永磁鐵或在系統(tǒng)中的若干電流產(chǎn)生在磁力計(jì)部位恒定的磁場(chǎng)。硬磁分量不受外部場(chǎng)改變的影響。
在數(shù)學(xué)上上述波松方程稍加變更后可以表示為bgem＝MbE+bo＝bE+ΔMbE+bo(1)其中bgem＝所測(cè)量的磁場(chǎng)矢量bE＝在測(cè)量部位實(shí)際的地磁場(chǎng)分量ΔM＝軟磁場(chǎng)失真，就是說通過地磁場(chǎng)感應(yīng)的磁性，其中M＝I+ΔM；I＝單位矩陣bo＝硬磁分量以上公式以及下面的表達(dá)式中矢量和矩陣用黑體符號(hào)表示。這些矢量一般是參照一個(gè)笛卡兒系統(tǒng)。矩陣一般涉及至3×3矩陣。
在圖1中的示意圖表示在儀器中安裝了磁針羅盤DMC，在此儀器中作為硬磁干擾器的永磁鐵與軟磁材料相互作用并且影響DMC的測(cè)量值。在圖2中示出與地磁場(chǎng)測(cè)量有關(guān)的矢量及其在水平面上的投影。在固定安裝在車輛上的磁針羅盤中目標(biāo)方向相當(dāng)于行駛方向。
電子磁針羅盤具有三個(gè)磁場(chǎng)傳感器和兩個(gè)傾斜傳感器，其中，前者確定三個(gè)磁場(chǎng)分量，這些磁場(chǎng)分量不必相互正交。
永磁鐵和若干電流在磁場(chǎng)傳感器部位產(chǎn)生一個(gè)固定場(chǎng)，此固定場(chǎng)表示由磁場(chǎng)分量形成的坐標(biāo)系統(tǒng)的零點(diǎn)偏移。
軟磁材料由已存在的場(chǎng)在行駛方向產(chǎn)生一個(gè)減弱或加強(qiáng)了的場(chǎng)以及在與其垂直方向產(chǎn)生附加的場(chǎng)分量。這可以看作是場(chǎng)方向X、Y和Z的“串?dāng)_”。
如果觀察一個(gè)磁力針，此磁力計(jì)具有三個(gè)不同靈敏度的三個(gè)非正交磁場(chǎng)傳感器和零點(diǎn)偏移，例如一個(gè)由廠家提供的未經(jīng)校準(zhǔn)的“原始”磁力計(jì)，則也可以得出上述相同的方程式。
采用這樣一個(gè)“原始”磁力針進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量在數(shù)學(xué)上可以以如下方式表示bgem，i＝fieibEi十oi；i＝x，y，z其中fi為增強(qiáng)，ei為測(cè)量方向，即單位矢量，oi為I-傳感器的分支。
如果寫成fiei＝(Mi1，Mi2，Mi3)和oi＝boi，則可以重新得到以上方程(1)。
為了確定實(shí)際地磁場(chǎng)的大小，有必要從上面給出的矢量式(1)中解出bE。
通過轉(zhuǎn)換和減法得出bE＝M-1(boem-bo)＝m(bgem-bo) (2)其中m＝M-1。
為由方程(1)、(2)中確定未知量M或m＝M-1以及bo可以采用上述US4 686 772中公開了的求解途徑。在此文獻(xiàn)中的出發(fā)點(diǎn)是在測(cè)量的磁場(chǎng)矢量bgem中每一次還清楚的知道地磁場(chǎng)矢量bE。矢量方程(1)和(2)相應(yīng)表示未知的Mij以及mij和boi的一個(gè)線性方程線。通過至少在4個(gè)不同幾何位置的測(cè)量在已知地磁場(chǎng)情況下可以借助于求解線性方程組的基本方程直接求得Mij和boi。
在上述US4 539 760中給出的結(jié)果是從以下事實(shí)出發(fā)的，即地磁場(chǎng)的值與磁力計(jì)所在部位不相關(guān)。如果正確的確定了mij和bo，則可以得出地磁場(chǎng)矢量bE，此矢量在磁力計(jì)的每一個(gè)部位均具有相同的長(zhǎng)度。于是求得const＝bE2＝bETbE＝(bgem-bo)TmTm(boem-bo)＝(bgem-bo)TU(bgem-bo)(3)其中UT＝U，這意味著U是一個(gè)對(duì)稱矩陣。
const為恒定值。
由此不難看出，由此方程(3)只能計(jì)算所求矩陣m的乘積U＝mTm。只有假定此矩陣是對(duì)稱的并且假定對(duì)角線為正時(shí)才能計(jì)算此矩陣的各項(xiàng)。第一種假定只有在很少的情況下才能出現(xiàn)，因?yàn)橛锌赡芤馕吨且粋€(gè)軟磁對(duì)稱，這種對(duì)稱在技術(shù)設(shè)備中，例如在車輛或汽車上是極其不大可能出現(xiàn)的。
現(xiàn)在按照本發(fā)明為了確定bE值，就是說解矢量方程由列式出發(fā)，其中利用了如下事實(shí)，即在測(cè)量系統(tǒng)的每一個(gè)位置在相同的地理位置在水平面和地磁場(chǎng)之間的角度、即磁傾角是恒定的。這一點(diǎn)顯然對(duì)萬有引力矢量g的方向和地磁場(chǎng)矢量bE之間的角度也成立。這樣可以寫為const＝bg＝bEsin(i)＝gTbE＝gTm(bgem-bo)(4)其中，const為恒定值，bg＝平行于萬有引力矢量g的磁場(chǎng)分量bE＝磁場(chǎng)矢量bE的長(zhǎng)度i表示磁傾角。
此方程表明，在地重力場(chǎng)方向的磁場(chǎng)分量，就是說垂直于水平面，在所有的系統(tǒng)部位均相等。
在此方程中m值是線性的并且不是一個(gè)乘積。萬有引力矢量g可以借助傾斜傳感器確定。所以m值可以直接計(jì)算出來而無需測(cè)量場(chǎng)，如上述US4 686 772所指出的，或者應(yīng)假定特定的對(duì)稱條件，如上述US 4 539760所指出的。
待確定參數(shù)的數(shù)量為m＝3×3＝9bo＝3bg＝1這樣我們就總共得出了9+3+1＝13個(gè)參數(shù)，確定這些參數(shù)至少需要13個(gè)方程。
還可以選擇比例系數(shù)，例如在US4 539 760中(第4欄第三行)公開的那樣?？赡艿囊恍┍壤_定例如可參考下表bg＝const(恒定值)，m11＝const(恒定值)；m11+m22+m33＝const(恒定值)m112+m222+m332＝const(恒定值)m112+m122+…+m332＝const(恒定值)det m＝const(恒定值)或者選擇其它適當(dāng)?shù)谋砀瘢渲泻愣ㄖ狄部梢赃x擇為1。通過確定比例參數(shù)的數(shù)量可減少1個(gè)，即現(xiàn)在只還剩12個(gè)參數(shù)，即還需要相同數(shù)量的方程。在磁針羅盤初始校準(zhǔn)時(shí)需占有12個(gè)不同的幾何位置j＝1，……12，在這些位置上測(cè)量三個(gè)磁場(chǎng)分量和兩個(gè)傾斜角。
現(xiàn)在得到一個(gè)線性的方程組
bg＝giTm(bgemj-bo)＝gjTmbgemj-gjTuo(5)其中Uo＝mbo并且例如bg＝1，其中明確得出1＝gj1bgem，1m11+gj1bgem，2m12+...
...+gj1uo1+gj2uo2+gj3uo3如果提供了12個(gè)以上的方程式，則這里例如可以與最小平方誤差最佳的適配。這是大家知道的。
在本發(fā)明范圍內(nèi)還提供了利用在具有磁場(chǎng)矢量長(zhǎng)度為恒定值(bE＝|bE|)的同一固定位置上磁偏角以及bg為恒定值的事實(shí)的可能性。換言之，這就意味著不僅上面的方程(5)，而且方程(3)也可以應(yīng)用在本方法中。然后還需要附加的確定參數(shù)bE，這樣參數(shù)的數(shù)量并且從而所必要的測(cè)量提高了1次、即N＝13次。
這里的優(yōu)點(diǎn)在于通過應(yīng)用方程(3)和方程(5)可以更好的利用所提供的數(shù)據(jù)，因?yàn)樵趦蓚€(gè)方程中要用到每一次測(cè)量值。因此必要的測(cè)量數(shù)量只有一半。為了實(shí)現(xiàn)此方法要求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平衡計(jì)算，為此例如可以最小平方誤差方法作為基礎(chǔ)。
在下述方法中上面的方程(3)和(5)以統(tǒng)計(jì)精確方法加以利用。
下面將進(jìn)一步闡述磁場(chǎng)傳感器信號(hào)Mij；i＝1，2，3和地磁場(chǎng)矢量bEj之間形成的關(guān)系。此關(guān)系可以通過以下方程表示μj＝μo+MbEj+εj；j＝1，.N (測(cè)量部位)
bEj＝地磁場(chǎng)矢量εj＝表示傳感器噪聲的偶然矢量<εj>＝0；<εjεjT>＝σμ2l3；<εjεkT>＝O j＝k；<>＝統(tǒng)計(jì)預(yù)期值地磁場(chǎng)矢量bEj的各分量在磁針羅盤的不同部位是未知的，但是可以借助于傾斜傳感器部分地加以表示。其中，兩個(gè)傾斜傳感器表示歸一化的萬有引力場(chǎng)矢量的各一個(gè)分量。
bEj＝sgj+cnjs＝sin(i)；c＝cos(i)|bEj|＝1 地磁場(chǎng)強(qiáng)度＝1i＝地磁場(chǎng)的磁偏角ηj＝cos(αj)ej+sin(αj)fj；其中αj為方位角，就是說，在水平面上傳感器自身的坐標(biāo)系統(tǒng)與一個(gè)空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角。
gj＝萬有引力矢量|gj|＝1gj=g1jg2jg3j;ej=(1-g1j2)-1/21-g1j2-g1jg2j-g1jg3j;fj=(1-g1j2)-1/20-g3jg2j]]>g1j，g2j傾斜傳感器測(cè)量值，參數(shù)M11…M33，μ01，μ02，μ03，α1…αN和I可以應(yīng)用已知的最佳化計(jì)算確定，其中，要求統(tǒng)計(jì)和L(M,μ0,α1···αN,,i)=Σj=1N(μj-μo-MbEj)2]]>具有最小值。
在本發(fā)明范圍內(nèi)也可以采用其它的各種求解方法，例如通過卡爾曼濾波器，模糊邏輯方法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
不難看出，當(dāng)ΔM＝0時(shí)在數(shù)學(xué)方法上將顯著簡(jiǎn)化。這種情況是不考慮軟磁干擾場(chǎng)的存在。這時(shí)M相當(dāng)于單位矩陣。
上面在說明中參照了傾斜傳感器。除此之外還可以應(yīng)用兩個(gè)正交安裝的編碼器。采用這些編碼器有可能與一個(gè)參照點(diǎn)相應(yīng)地進(jìn)行角度度測(cè)量。在實(shí)際實(shí)施中可能應(yīng)采用一個(gè)固定裝配的支架，與此支架相比有可能磁針羅盤和干擾系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。
還有可能利用兩個(gè)在系統(tǒng)上配置的轉(zhuǎn)動(dòng)率傳感器，就是說旋磁確定所期望的傾斜角。通過此轉(zhuǎn)動(dòng)率信息的積分可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)角。
權(quán)利要求
1.采用一個(gè)包括三個(gè)磁場(chǎng)傳感器和兩個(gè)傾斜采集設(shè)備的電子磁針羅盤確定可以確定受到固定在儀器上的磁性材料和若干電流的磁場(chǎng)干擾的地磁場(chǎng)方向的方法，其中，電子磁針羅盤置于不同的空間位置N，在此N位置的每一個(gè)位置上測(cè)量?jī)A斜采集設(shè)備的信號(hào)和磁場(chǎng)傳感信號(hào)并且由這些信號(hào)確定傾斜值和磁場(chǎng)值，并且在此傾斜值和磁場(chǎng)值的基礎(chǔ)上計(jì)算地磁場(chǎng)矢量的大小，其中采用矢量方程const＝bg＝bEsin(i)＝gTbE＝gTm(boem-bo)其中，bg＝與萬有引力矢量g平行的磁場(chǎng)分量bE＝磁場(chǎng)矢量bE的長(zhǎng)度bgem＝所測(cè)量的磁場(chǎng)矢量bE＝在測(cè)量地點(diǎn)實(shí)際的地磁場(chǎng)矢量ΔM＝軟磁場(chǎng)失真，即通過地磁場(chǎng)感應(yīng)的磁性M＝I+ΔM；I＝單位矩陣m＝M-1bo＝硬磁干擾場(chǎng)矢量i＝磁偏向其中，N至少應(yīng)與待確定矢量方程的參數(shù)數(shù)量相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，選擇如下的比例確定bg＝const(恒定值)，m11＝const(恒定值)；m11+m22+m33＝const(恒定值)m112+m222+m332＝const(恒定值)m112+m122+…+m332＝const(恒定值)detm＝const(恒定值)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，如果不考慮軟磁干擾場(chǎng)，則ΔM＝0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，如果在不同部位的測(cè)量數(shù)量N多于所提供的方程數(shù)量，則磁場(chǎng)矢量借助于最佳化計(jì)算確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，地磁場(chǎng)矢量值在確定了傾斜值和磁場(chǎng)值的基礎(chǔ)上，在附加的應(yīng)用方程const(恒定值)＝bE2＝bETbE＝(bgem-bo)TmTm(bgem-bo)bgem＝所測(cè)量的磁場(chǎng)矢量bE＝在測(cè)量部位實(shí)際的地磁場(chǎng)矢量ΔM＝軟磁場(chǎng)失真，就是說通過地磁場(chǎng)感應(yīng)的磁性M＝I+ΔM，I＝單位矩陣m＝M-1bo＝硬磁干擾場(chǎng)矢量借助于統(tǒng)計(jì)優(yōu)化方法加以確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5其中之一所述方法，其特征在于，傾斜采集設(shè)備是用的傾斜傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5其中之一所述方法，其特征在于，傾斜采集設(shè)備是用的轉(zhuǎn)動(dòng)率傳感器(旋磁)，其中通過轉(zhuǎn)動(dòng)率信息的積分推導(dǎo)出傾斜角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5其中之一所述方法，其特征在于，傾斜采集設(shè)備是用的編碼器，用此編碼器測(cè)量與一個(gè)參照點(diǎn)的角度。
全文摘要
本發(fā)明給出一種采用一個(gè)包括三個(gè)磁場(chǎng)傳感器和兩個(gè)傾斜采集設(shè)備的電子磁針羅盤確定可以受到固定在儀器上的磁性材料和若干電流的磁場(chǎng)干擾的地磁場(chǎng)方向的方法,其中,電子磁針羅盤置于不同的空間位置N,其中,在此N位置的每一個(gè)位置上測(cè)量?jī)A斜傳感器信號(hào)和磁場(chǎng)傳感器信號(hào)并且由這些信號(hào)確定傾斜值和磁場(chǎng)值。在這些傾斜值和磁場(chǎng)值的基礎(chǔ)上按照矢量方程確定地磁場(chǎng)矢量值。const(恒定值)=b
文檔編號(hào)G01V3/40GK1181808SQ97190152
公開日1998年5月13日 申請(qǐng)日期1997年2月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月13日
發(fā)明者S·格埃皮夫, J·魏倫曼 申請(qǐng)人:萊卡公開股份有限公司