用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法

摘要

本发明公开了一种用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法。所述校准方法，包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理；在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，同时完成罗经与磁传感器坐标系角度差的校准。通过校准每个磁传感器的空间坐标以及三维姿态，给出布放的磁传感器的阵列布局，从而达到较宽海域的磁目标监测，对运动磁目标进行精度更高的定位。

主权项

1.用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法，其特征在于，包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理，N为整数，且N≥2；在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，完成罗经与磁传感器坐标系角度差的校准；所述校准方法包括如下校准步骤：a磁传感器的姿态校准设磁目标的坐标为第i个磁传感器的大地坐标为1≤i≤N，磁传感器三维姿态角为对磁目标的定向数据方位角为定向坐标系为(X′_a,Y′_a,Z′_a)；磁目标在以磁传感器为原点的大地坐标系的方位角为坐标系为(X_a,Y_a,Z_a)；上述两个坐标系的旋转矩阵表示为：$R\left(\Psi \right)={\left[\begin{array}{ccc}\cos \kappa \cos A& \cos \kappa \sin A& \sin \kappa \\ -\cos {\phi }^{`}\sin A-\sin {\phi }^{`}\sin \kappa \cos A& \cos {\phi }^{`}\cos A-\sin {\phi }^{`}\sin \kappa \sin A& \sin {\phi }^{`}\cos \kappa \\ \sin {\phi }^{`}\sin A-\cos {\phi }^{`}\sin \kappa \cos A& -\sin {\phi }^{`}\cos A-\cos {\phi }^{`}\sin \mathrm{\kappa A}& \cos {\phi }^{`}\cos \kappa \end{array}\right]}^T,$其中，φ`＝acsin(sinφ/cosκ)，磁目标的坐标表示为(X_a,Y_a,Z_a)^T＝R(Ψ)(X′_a,Y′_a,Z′_a)^T；设罗经与磁传感器坐标系角度差的校准数据为Ψ′，布放后罗经的角度数据为Ψ″，得到：R(Ψ)＝R(Ψ″)R(Ψ′)，因此，磁目标的定向数据和大地坐标数据的校准公式为：(cosα_i,cosβ_i,cosγ_i)^T＝R(Ψ)(cosα′_i,cosβ′_i,cosγ′_i)^T；b磁传感器阵列阵型的校准压力传感器提供每个磁传感器的深度数据或相对深度数据，得到磁传感器的zi，进一步对磁传感器的大地平面坐标(x_i,y_i)进行估计；采用水面目标舰船轨迹航行的方法进行阵列校准，舰船装有卫星定位系统GPS实时测量舰船的大地坐标，记GPS坐标数据为同时装有同步芯片，使用通信系统发送坐标数据至基站；通过采用舰船盲航行获得各个阵元的初始值，即当第i个磁传感器定向为正上方时，记录此时的GPS平面坐标为第i个磁传感器的平面坐标，作为校准的初始值；获得初始值后，舰船按照一定的轨迹航行，此时包含测量数据和待估量的观测方程为：$\frac{{\cos \beta }_1}{{\cos \alpha }_1}=\frac{y_G-y_1}{x_G-x_1}+V$$\frac{{\cos \beta }_2}{{\cos \alpha }_2}=\frac{y_G-y_2}{x_G-x_2}+V,$...$\frac{{\cos \beta }_N}{{\cos \alpha }_N}=\frac{y_G-y_N}{x_G-x_N}+V$以及${\cot \gamma }_1=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_1)}^2+{(y_G-y_1)}^2}}+V$${\cot \gamma }_2=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_2)}^2+{(y_G-y_2)}^2}}+V,$...${\cot \gamma }_N=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_N)}^2+{(y_G-y_N)}^2}}+V$其中，V为系统的观测残差，使用最小二乘准则估计各个磁传感器的位置，由于方程带有一定的非线性，因此需采用非线性最小二乘方法，利用初始值进行估计，得第i个磁传感器的平面坐标(x_i,y_i)。