航磁矢量数据处理方法

摘要

本发明涉及一种航磁矢量数据的处理方法。磁矢量数据处理流程为：惯导传感器与磁力仪装置连接，上位机接收磁力仪和惯性导航同一时刻采集的数据→磁力仪数据与惯性导航数据同步处理并保存→磁力仪数据不正交度校正→磁力仪数据转向差校正→磁矢量姿态变换→作磁矢量曲线图。通过对磁力仪探头采集精度影响的因素进行单独的校正，有针对性的消除对数据采集精度的影响；经二次校正后的磁力仪精度得到较大提高；通过对磁力仪数据包与惯性导航数据包进行数据同步处理，确保二者采集信息匹配；通过惯性导航姿态信息对磁矢量进行姿态变换，使磁场数据转换为基于固定地理坐标系下的磁矢量，为航磁测量提供可靠的矢量数据。

主权项

一种航磁矢量数据处理方法，其特征在于，磁矢量数据处理流程为：首将惯导传感器与磁力仪装置连接，其次磁力仪探头三通道灵敏度标定、磁力仪探头零点漂移校正，然后是磁力仪装置数据采集，上位机接收磁力仪和惯导传感器同一时刻采集的数据，磁力仪数据与惯性导航数据同步处理并保存，磁力仪数据不正交度校正，磁力仪数据转向差校正，磁矢量姿态变换，作曲线图；所述的磁力仪数据不正交度校正的步骤如下：步骤1、在一个磁场均匀恒定的空间，转动探头，依次记录下等概率的在各个方向上的分量值，i从0～N, N为总数据点数且N>>3；步骤2、寻找参数α、β、γ使得目标函数取得最小值；其中，为折算到标准正交坐标系中的磁场，，；步骤3、重复步骤1与步骤2进行多次独立实验并比较多次实验的反演结果；所述的磁力仪数据转向差校正：步骤1：在正交坐标系  OX1Y1Z1与实际坐标系OXYZ转换中，先将OZ与OZ1重合，再将YOZ与Y1OZ1共面，其中OX与X1OY1的夹角为c,与X1OZ1的夹角为a，OY与OY1夹角为b，则实际坐标系与正交坐标系之间的关系矩阵为A1=[cos(a)*cos(c) sin(c) sin(a)；0 cos(b) sin(b);0 0 1 ]；令B1为实际磁分量，B为正交磁分量，则B1=A1*B；步骤2：对于磁力仪三轴灵敏度校正，以OZ1轴灵敏度为标准，设OX1和OY1两轴灵敏度分别为Kx和Ky，则灵敏度关系矩阵为A2=[Kx 0 0；0 Ky 0;0 0 Kz]；令B2为实际磁分量，则B2=A2*B1；Kz为OZ1轴灵敏度；步骤3：零点漂移校正，设磁力仪三轴的零点漂移分别为Bx0、By0、Bz0，令B3为实际磁场三分量输出，则B3=B2+B0，其中B0=[Bx0,By0,Bz0]；步骤4：结合上述三个误差分析，得到磁力仪实际输出B3与理想输出B的关系为B3=f(B)=A2*A1*B+B0=C*B+B0,式中C=A1*A2， c是矩阵C的元素；令磁力仪误差校正模型为B4=g(B3)，若g(B3)为f(B)的逆映射，就能使输出B4在数值上与B一致，达到校正的目的；步骤5：在处于稳定的磁场环境中，磁力仪的空间姿态会不断改变，但其输出的总磁场值不变，即B3的模值不变，则校正模型的目标转变为：使校正结果的模值与理想值一致；令Bt(n)=[Btx(n),Bty(n),Btz(n)]为实际测量的磁场数据；n为测量点数，则校正模型经过整理得到：B²‑Bt(n)²=2*(c11*Btx(n)²+c22*Bty(n)²+c12*Btx(n)*Bty(n)+c13*Btx(n)*Btz(n)+c23*Bty(n)*Btz(n)‑Bx0*Btx(n)‑By0*Bty(n)‑Bz0*Btz(n))；   （1）其中c11、c22、c12、c13、c23、Bx0、By0、Bz0为各项的系数，根据实际测量的数据，求解出上述系数，即实现校正；令W(n)=[ Btx(n)² ,Bty(n)² ,Btx(n)*Bty(n) ,Btx(n)*Btz(n) ,Bty(n)*Btz(n),‑Btx(n) ,‑Bty(n) ,‑Btz(n)]；                                   （2）权向量w(n)=[ c11,c22,c12,c13,c23,Bx0,By0,Bz0]； （3）则2*S(n)=B²‑Bt(n)²=2*W(n)*w(n)^T；                （4）式中T是矩阵的转置；经过函数B²‑2*S(n)后得到输出Bt1(n)²,更新算法可修改权向量w,减少输出Bt1(n)²与实际测量磁场Bt(n)²之差e(n),以逐渐优化权向量w，其中Bt1(n)²=B²‑2*W(n)*w(n)^T,                      （5）式中w(n)表示权向量w第n步迭代结果；偏差表达式：e(n)=Bt1(n)²‑Bt(n)²；                     （6）参数调整表达式w(n+1)=w(n)‑d*e(n)*W(n),              （7）式中d为迭代参数，本测试阈值为0.00001，测试中反复迭代至偏差e(n)不再减小，此时得到的权值向量w即为所求系数，将所求系数代入到校正矩阵公式（1）中，即对磁力仪转向差进行校正；所述的磁矢量姿态变换：步骤1：提取磁力仪装置校正后的磁场矢量数据：X分量、Y分量、Z分量，该矢量数据为磁力仪传感器测量的矢量空间某一位置地球磁场的各个分量值，基于载体坐标系；步骤2：提取惯性导航姿态数据：翻滚角Roll、俯仰角Pitch、方位角Heading，该姿态数据为惯导传感器旋转时的欧拉角度，基准坐标系为地理坐标系；惯导传感器与磁力仪传感器刚性固定在无磁性平台上，此时翻滚角Roll、俯仰角Pitch和方位角Heading同样是磁力仪传感器旋转时的欧拉角度；步骤3：令导航系统姿态角度分别是：方位角JH，俯仰角JP，翻滚角JR，则地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵为：通过地理坐标系与载体坐标系之间的姿态变换矩阵，将测量的空间任意姿态磁场X分量、Y分量、Z分量数据投影到地理坐标系下得到磁场矢量数据，依该数据绘出矢量曲线图；所述的磁力仪数据与惯性导航数据同步处理并保存，包括以下步骤：步骤1、磁力仪数据包接收和惯性导航数据包接收，磁力仪装置每一秒钟上传一个数据包，该数据包包含20组采集数据，每组包含X、Y、Z三个分量的数据；惯性导航装置每50ms上传一个数据包，该数据包包含经度、纬度、时间和姿态偏转角的采集数据；    步骤2、上位机软件分别将当前接收的磁力仪数据包和惯性导航数据包进行解压，并以磁力仪数据包中的采集时间为基准，匹配惯性导航数据包中的时间；    步骤3、若时间信息一致且惯性导航数据包为该秒的第一个数据包，则将磁力仪数据与惯性导航数据重新打包为一个新的数据包； 若时间信息一致且惯性导航数据包不是该秒的第一个数据包，则等待并接收下一组磁力仪数据包，并跳转到步骤2；步骤4、判断该秒惯性导航数据包数目是否等于20，若惯性导航数据包数目＜20，则等待新的导航数据包上传，解压惯性导航数据，并将数据打包到步骤3中的数据包之后；步骤5、重复步骤4，直到该秒的20组惯性导航数据全部接收并打包完毕，然后将完整的数据包保存到文件；步骤6、若两者时间信息不一致，则通过判断两者时间超前/滞后量，来移动软件当前处理的数据包；步骤7、若当前的磁力仪数据时间滞后于惯性导航数据时间，则以磁力仪数据时间为基准，等待并接收下一组惯性导航数据包；    步骤8、判断接收的惯性导航数据包时间，并重复步骤7，直到二者时间信息一致，并执行步骤3；    步骤9、若当前的磁力仪数据时间超前于惯性导航数据时间，则等待并接收下一组磁力仪数据包；步骤10、判断二者的时间信息，并重复步骤9，直到二者时间信息一致，执行步骤3。