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本發(fā)明涉及一種采用一個包括三個磁場傳感器和兩個傾斜采集設(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 場干擾的地磁場方向的方法。

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。裝甲車具有兩個鐵制物體，即炮塔和車體，它們相互可以繞 垂直軸轉(zhuǎn)動。磁針羅盤安裝在車體上，并且包括一個不擺動的三軸磁力 計。此磁力計給出表示磁力計所在部件的三個磁場分量的電磁信號。配 置了兩個傾角傳感器，它們給出表示具有傾角傳感器的車體的抑角和滾 動角的電信號。此外，角度測量設(shè)備給出一個表示兩個鐵制物體之間的 角度的轉(zhuǎn)角信號。在一個存儲中存儲著多個預(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)的磁場對磁力計對兩個鐵制物體之間的 轉(zhuǎn)角測量的影響。借助于一個計算機(jī)由電磁場信號和傾角傳感器信號實(shí) 時計算裝甲車行駛方向，這些信號通過儲存的修正系數(shù)對相應(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)測量。這里此車輛置 于至少兩個不同的、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相同的排列下進(jìn)行方位角、抑角和滾動角 的測量。為了能夠測量這些角度，例如需要一個經(jīng)緯儀、在校準(zhǔn)時假定 在測量部位的地磁場是已知的。這里由卡片材料可以獲得相應(yīng)測量部位 地磁場的磁傾角和磁偏角的數(shù)值。

在US4?539?760中描述了一個具有三個磁傳感器的電子磁針羅盤。 這些傳感器對包括地磁場和一個附加的與車輛有關(guān)的干擾場的磁場的 三個正交分量作出反應(yīng)。這些磁傳感器產(chǎn)生與這些分量相應(yīng)的電信號。 此外，若干傾角傳感器對車輛與水平平面的傾斜角作出反應(yīng)。采用一個 數(shù)據(jù)處理設(shè)備和一個存儲器存儲這些作為校準(zhǔn)修正值的、由測量傳感器 導(dǎo)出的信號，如果車輛為了磁針羅盤的校準(zhǔn)而轉(zhuǎn)動了一個圓。為了避免 干擾磁場的影響，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 值的情況下計算在車輛所在部位地磁場的修正值，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)值的情況下計算車輛行駛方 向的方位。在計算時由修正矩陣是對稱的這一點(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方向的 比較簡單的方法。

按照本發(fā)明此項任務(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量儀器進(jìn)行 特定的校準(zhǔn)測量。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。在每一個空間位置優(yōu)先確定三個磁場分量。這些磁場分量 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。借助于在每個空間位置附加測量的傾斜值、即傾角和滾動角、可以 由相應(yīng)的磁場分量中確定地場實(shí)際磁場矢量的方向。

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，而且還考慮到了制造容差以及各個傳感 器具有不同的靈敏度等。此外，有必要采用一個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矢量 之間的偏角在相應(yīng)的固定部位均與系統(tǒng)的瞬時位置無關(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發(fā)生器的一個裝置的 示意圖；

圖2示出與測量地磁場相關(guān)的矢量。

波松早在19世紀(jì)末就探討了這個問題，即如何確定實(shí)際存在的磁 場，如果在系統(tǒng)中放置了一個磁力針，而它本身具有磁場分量。描述這 一情況的波松方程指出，在這樣一種情況下所測量的磁場是實(shí)際存在場 的一個線性函數(shù)，它涉及到一個仿射性圖象。在這方面請參閱上述US4 686?772第2部分第26至30行。

對于一般情況可以說所測量的磁場是由測量位置被軟磁失真了的 地磁場和一個硬磁分量構(gòu)成的。在被軟磁失真了的地磁場中涉及到一個 通過地磁場感應(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)生在磁力計部位恒定的磁場。硬磁分量不受外部場改變的影 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＝所測量的磁場矢量

bE＝在測量部位實(shí)際的地磁場分量

ΔM＝軟磁場失真，就是說通過地磁場感應(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表示。這些矢 量一般是參照一個笛卡兒系統(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的測量 值。在圖2中示出與地磁場測量有關(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磁場傳感器和兩個傾斜傳感器，其中，前者 確定三個磁場分量，這些磁場分量不必相互正交。

永磁鐵和若干電流在磁場傳感器部位產(chǎn)生一個固定場，此固定場表 示由磁場分量形成的坐標(biāo)系統(tǒng)的零點(diǎn)偏移。

軟磁材料由已存在的場在行駛方向產(chǎn)生一個減弱或加強(qiáng)了的場以 及在與其垂直方向產(chǎn)生附加的場分量。這可以看作是場方向X、Y和Z 的“串?dāng)_”。

如果觀察一個磁力針，此磁力計具有三個不同靈敏度的三個非正交 磁場傳感器和零點(diǎn)偏移，例如一個由廠家提供的未經(jīng)校準(zhǔn)的“原始”磁 力計，則也可以得出上述相同的方程式。

采用這樣一個“原始”磁力針進(jìn)行磁場測量在數(shù)學(xué)上可以以如下方 式表示：

bgem，i＝fieibEi+oi；i＝x，y，z 其中fi為增強(qiáng)，ei為測量方向，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(bgem-bo)＝m(bgem-bo)1????(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 測量的磁場矢量bgem中每一次還清楚的知道地磁場矢量bE。矢量方程 (1)和(2)相應(yīng)表示未知的Mij以及mij和boi的一個線性方程線。 通過至少在4個不同幾何位置的測量在已知地磁場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 的值與磁力計所在部位不相關(guān)。如果正確的確定了mij和bo，則可以得 出地磁場矢量bE，此矢量在磁力計的每一個部位均具有相同的長度。 于是求得：

??????const＝bE2＝bETbE＝(bgem-bo)TmTm(bgem-bo)

????????????????＝(bgem-bo)TU(bgem-bo)

?????????????????????????????????????????????????(3) 其中UT＝U，這意味著U是一個對稱矩陣。

const為恒定值。

由此不難看出，由此方程(3)只能計算所求矩陣m的乘積U＝ mTm。只有假定此矩陣是對稱的并且假定對角線為正時才能計算此矩陣 的各項。第一種假定只有在很少的情況下才能出現(xiàn)，因為有可能意味著 是一個軟磁對稱，這種對稱在技術(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)，即在測量系統(tǒng)的每一個位置在相同的地理位置在 水平面和地磁場之間的角度、即磁傾角是恒定的。這一點(diǎn)顯然對萬有引 力矢量g的方向和地磁場矢量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的磁場分量

bE＝磁場矢量bE的長度

i表示磁傾角。

此方程表明，在地重力場方向的磁場分量，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值可以直接計算出來而無需測量場，如上 述US4?686?772所指出的，或者應(yīng)假定特定的對稱條件，如上述US?4?539 760所指出的。

待確定參數(shù)的數(shù)量為：

m＝3×3＝9

bo＝3

bg＝1

這樣我們就總共得出了9+3+1＝13個參數(shù)，確定這些參數(shù)至 少需要13個方程。

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?，其中恒定值也可以選擇為1。通過確定 比例參數(shù)的數(shù)量可減少1個，即現(xiàn)在只還剩12個參數(shù)，即還需要相同 數(shù)量的方程。在磁針羅盤初始校準(zhǔn)時需占有12個不同的幾何位置j＝ 1，……12，在這些位置上測量三個磁場分量和兩個傾斜角。

現(xiàn)在得到一個線性的方程組：

????bg＝gjTm(bgemj-bo)＝gjTmbgemj-gjTuo????(5) 其中Uo＝mbo并且例如bg＝1，其中明確得出：

????1＝gj1bgem，1?m11+gj1bgem，2m12?+…

?????…+gj1uo1+gj2uo2+gj3uo3

如果提供了12個以上的方程式，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矢量長度為恒定值(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)，因為在兩個方程中要用到每一次測量值。因此必要的測 量數(shù)量只有一半。為了實(shí)現(xiàn)此方法要求進(jìn)行統(tǒng)計平衡計算，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)計精確方法加以利用。

下面將進(jìn)一步闡述磁場傳感器信號Mij；i＝1，2，3和地磁場矢 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????(測量部位) ＝3個磁場傳感器在位置j的測量值 ＝分支和硬磁干擾場的矢量 ＝軟磁失真矩陣

bEj＝地磁場矢量

εj＝表示傳感器噪聲的偶然矢量

<εj>＝o；<εjεjT>＝σμ2l3；<εjεkT>＝o?j＝k；

<>＝統(tǒng)計預(yù)期值

地磁場矢量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，兩個傾斜傳感器表示歸一 化的萬有引力場矢量的各一個分量。

bEj＝sgj+cnj

s＝sin(i)；c＝cos(i)

|bEj|＝1??地磁場強(qiáng)度＝1

i＝地磁場的磁偏角

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)與一個空 間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角。

gj＝萬有引力矢量 ???|gj|＝1 $g_i=\left[\begin{array}{c}{g}_{1j}\\ g_{2j}\\ g_{3j}\end{array}\right];e_j={(1-{g_{1j}}^2)}^{-1/2}\left[\begin{array}{c}1-g_{1j}^2\\ -g_{1j}{g}_{2j}\\ -g_{1j}{g}_{3j}\end{array}\right];f_j={(1-{g_{1j}}^2)}^{-1/2}\left[\begin{array}{c}0\\ -g_{3j}\\ g_{2j}\end{array}\right]$

g1j，g2j：傾斜傳感器測量值，

參數(shù)M11…M33，μo1，μo2，μo3，α1…αN和I可以應(yīng)用已知的最 佳化計算確定，其中，要求統(tǒng)計和 $L(M,{\mu }_0,{\alpha }_1...{\alpha }_N,i)=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{({\mu }_j-{\mu }_0-{\mathrm{Mb}}_{\mathrm{Ej}})}^2$ 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時在數(shù)學(xué)方法上將顯著簡化。這種情況是不 考慮軟磁干擾場的存在。這時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)用兩個正交安 裝的編碼器。采用這些編碼器有可能與一個參照點(diǎn)相應(yīng)地進(jìn)行角度度測 量。在實(shí)際實(shí)施中可能應(yīng)采用一個固定裝配的支架，與此支架相比有可 能磁針羅盤和干擾系統(tǒng)轉(zhuǎn)動一個角度。

還有可能利用兩個在系統(tǒng)上配置的轉(zhuǎn)動率傳感器，就是說旋磁確定 所期望的傾斜角。通過此轉(zhuǎn)動率信息的積分可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)角。