CN112461262A - 一种校正三轴磁强计误差的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种校正三轴磁强计误差的装置及方法，所述装置至少包括星载计算模块(40)，所述星载计算模块(40)分别与星敏感器(10)、轨道测量组件(20)和三轴磁强计(30)分别建立通信连接，其中，所述星载计算模块(40)的校正方式为：基于由所述星敏感器(10)发送的姿态测量参数和由所述轨道测量组件(20)发送的轨道参数计算当前位置的标称地磁场参数；以所述标称地磁场参数为参考值，将由所述三轴磁强计(30)发送的第一地磁场参数基于最小二乘法拟合为校正的第二地磁场参数。本发明通过生成实时的磁补偿参数，有效的消除因卫星电磁环境实时变化引起的误差。

Description

一种校正三轴磁强计误差的装置和方法
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种校正三轴磁强计误差的装置和方法。
背景技术
近年来，三轴磁强计和MEMS陀螺仪广泛应用于有轨卫星中，然而受严苛的环境和制造工艺的限制条件影响，在实际的测量中，实际结果与理想数据有巨大的偏差。
磁强计是一种用来测量地磁场强度及方向的敏感器。卫星在进行姿态控制，角动量卸载时需要用到磁强计的测量结果。微小卫星中通常使用工业级磁强计，其价格低廉、体积小，重量低，但是也存在稳定性较差，环境适应性较差的缺点。因此为了应对复杂的空间环境，对其进行标定和补偿是很有必要的。
磁强计的误差主要包括自身的的非正交误差、刻度因子误差和零偏误差，以及载体的干扰磁场误差。卫星中的电磁环境比较复杂，卫星在进行磁阻尼时会用到磁力矩器，即使不和磁强计同时使用，磁力矩器使用后剩余磁场也必然对磁强计测量结果产生影响。除了剩磁干扰外，对于小卫星而言，由星上其他部件产生的感磁干扰也是比较大的。
常见的陀螺误差标定方法有基于最小二乘法估计器的磁强计校正方法，基于扩展卡尔曼滤波的磁强计校正方法，基于TLS算法对模型的参数进行估计等。
专利文件CN103885020B公开了一种基于自适应遗传算法的三轴磁强计误差校正方法，其方法包含四个步骤，步骤1：分析三轴磁强计在工作过程中三轴不正交对测量结果的影响，推导三轴矢量传感器的误差校正公式；步骤2：建立三轴磁强计固有误差参数辨识的最优化模型；步骤3：运用自适应遗传算法对固有误差参数辨识的最优化模型中的固有误差参数进行辨识求解，得到固有误差参数的向量值；步骤4：将得到的三轴矢量传感器的固有误差参数的向量值带入三轴矢量传感器的误差校正公式中，即可实现对测量误差的校正。
专利文件CN110515023A公开了一种微小卫星三周磁强计矫正方法，对磁强计的测量误差进行分析，对磁强计的测量原理进行数学建模并建立误差补偿模型，并基于该误差补偿模型在温度可变的磁线圈***中对磁强计进行测试，利用磁环境模拟器的磁场以及磁强计的输出电压，利用基于最小二乘意义下的伪逆原理求得磁强计的标定系数；对磁强计进行温度建模，对标定系数和温度进行线性拟合，对磁强计的测量进行温度补偿。
然而在现有技术中，在零磁实验室内模拟三轴磁场与真实的地磁场环境依然存在差异，标定的结果在卫星上天后可能发生变化。不仅如此，卫星内的电磁环境是变化的，温度也是变化的，地面标定的结果在卫星初入轨时可能拟合结果较好，卫星运行一段时间后误差就会增大。现有的技术方案依然不能够对正三轴磁强计在上天后的误差进行准确校正和实时更新。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供一种校正三轴磁强计误差的装置，至少包括星载计算模块，其特征在于，所述星载计算模块分别与星敏感器、轨道测量组件和三轴磁强计分别建立通信连接，其中，所述星载计算模块的校正方式为：
基于由所述星敏感器发送的姿态测量参数和由所述轨道测量组件发送的轨道参数计算当前位置的标称地磁场参数；
以所述标称地磁场参数为参考值，将由所述三轴磁强计发送的第一地磁场参数基于最小二乘法拟合为校正的第二地磁场参数。
优选的，所述星载计算模块基于最小二乘法校正第一地磁场参数的拟合模型为：Z＝AX+B；
其中，Z为航天器本体坐标系下的标称地磁场，A为误差系数阵，A0为3×3的单位矩阵；B为误差偏移量，B0＝[0 0 0]；X为磁强计测量值。
优选的，所述星载计算模块基于最小二乘法计算第一地磁场的校正系数的方式为：
以迭代的方式计算在K时刻的拟合系数阵，从而得到系数AK和BK；
Figure BDA0002766020240000031
其中，XK为3X4行矩阵；
AK为由XK拟合系数阵中的前三行数据构成的系数矩阵，BK为由XK拟合系数阵中的最后一行数据构成的系数矩阵。
优选的，XK+1＝XK+PK+1*H′K*(ZK-HK*XK)，
其中，XK+1表示在K+1时刻的拟合系数阵，XK表示在K时刻的拟合系数阵，AK表示在K时刻的误差系数阵，BK表示在K时刻的误差偏移量；PK+1表示在K+1时刻的P矩阵，HK表示在K时刻的磁强计测量值，ZK表示在K时刻由姿态测量参数和轨道参数计算的标称磁场。
优选的，PK+1＝PK-PK*H′K*(1+HK*PK*K′K)-1*HK*PK
PK+1表示在k+1时刻的P矩阵，PK表示在k时刻的P矩阵，P0为12×12的单位矩阵，HK表示在K时刻的磁强计测量值。
本发明还提供一种校正三轴磁强计误差的方法，其特征在于，所述方法至少包括：基于态测量参数和轨道参数计算当前位置的标称地磁场参数；
以所述标称地磁场参数为参考值，将第一地磁场参数基于最小二乘法拟合为校正的第二地磁场参数。
优选的，基于最小二乘法校正第一地磁场参数的拟合模型为：
Z＝AX+B；
其中，Z为航天器本体坐标系下的标称地磁场，A为误差系数阵，A0为3×3的单位矩阵；B为误差偏移量，B0＝[0 0 0]；X为磁强计测量值。
优选的，基于最小二乘法计算第一地磁场的校正系数的方式为：
以迭代的方式计算在K时刻的拟合系数阵，从而得到系数AK和BK；
Figure BDA0002766020240000041
其中，XK为3X4行矩阵；
AK为由XK拟合系数阵中的前三行数据构成的系数矩阵，BK为由XK拟合系数阵中的最后一行数据构成的系数矩阵。
优选的，XK+1＝XK+PK+1*H′K*(ZK-HK*XK)，
其中，XK+1表示在K+1时刻的拟合系数阵，XK表示在K时刻的拟合系数阵，AK表示在K时刻的误差系数阵，BK表示在K时刻的误差偏移量；PK+1表示在K+1时刻的P矩阵，HK表示在K时刻的磁强计测量值，ZK表示在K时刻由姿态测量参数和轨道参数计算的标称磁场。
优选的，PK+1＝PK-PK*H′K*(1+HK*PK*H′K)-1*HK*PK
PK+1表示在k+1时刻的P矩阵，PK表示在k时刻的P矩阵，P0为12×12的单位矩阵，HK表示在K时刻的磁强计测量值。
本发明的有益技术效果：
(1)基于磁强计在轨真实数据，拟合结果更为精确；
(2)利用轨道和姿态数据计算卫星本体系下的标称磁场作为最小二乘估计器的输入，可以将各种误差源统一，包括温度影响，电磁干扰等噪音都可以被消除。
附图说明
图1是本发明的校正三轴磁强计误差的装置的结构示意图；
图2是本发明的校正三轴磁强计误差的方法的逻辑示意图。
附图标记列表
10：星敏感器；20：轨道接收组件；30：三轴磁强计；40：星载计算模块；41：标称地磁场模块；42：磁场模块；43：数据处理模块；44：校正模块。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
现有技术虽然能对三轴磁强计进行校正，但是通过在零磁实验室内模拟三轴磁场与真实的地磁场环境依然存在差异，标定的结果在卫星上天后可能发生变化。本发明使用真实在轨参数进行标定，可以消除因实验环境引起的误差。
现有技术中，卫星内的电磁环境是变化的，温度也是变化的，地面标定的结果在卫星初入轨时可能拟合结果较好，卫星运行一段时间后误差就会增大。本发明针对该缺陷，在地面标定的基础上，对磁强计测量值进行实时补偿，以提高其测量精度。
实施例1
针对现有技术不足，本发明提供一种校正三轴磁强计误差的装置，至少包括用于对三轴磁强计的磁场参数进行校正的星载计算模块40，如图1所示。星载计算模块40分别与卫星上的星敏感器10、轨道测量组件20和三轴磁强计30建立通信连接。
星敏感器10用于将航天器的姿态测量参数发送至星载计算模块40。轨道测量组件20包括全球导航卫星***(GNSS)接收机或通过地面上注轨道参数的装置。轨道测量组件20用于将接收和/或采集航天器的轨道参数发送至星载计算模块40。三轴磁强计30用于测量包括磁感应强度的第一地磁场参数，并且将第一地磁场参数发送至星载计算模块40。
星载计算模块40用于基于最小二乘法校正第一地磁场参数为校正后的第二地磁场参数。星载计算模块40可以是具有数据计算处理能力的专用集成芯片、服务器、处理器以及服务器群组。
优选的，星载计算模块40至少包括标称地磁场模块41、磁场模块42和数据处理模块43。称地磁场模块41用于将接收的姿态测量参数和轨道参数计算处理还原航天器当前所在位置的标称地磁场参数。本发明通过对获得的三轴磁强计的在轨真实参数进行拟合，得到的拟合结果更精确。
磁场模块42用于对接收的第一地磁场参数进行预处理，筛除误差较大的错误参数。数据处理模块43用于以标称磁场参数为参考值，将第一地磁场参数基于最小二乘法进行拟合，获得校正后的第二地磁场参数。其中，本发明实时处理第一三轴磁强计采集的第一地磁场参数，实时生成磁补偿参数，能够有效的消除因卫星电磁环境实时变化引起的误差。
优选的，数据处理模块43内设置有磁强计磁场强度的拟合模型：
Z＝AX+B。
其中，Z为卫星本体坐标系下的标称地磁场，A为误差系数阵，A0为3×3的单位矩阵。B为误差偏移量，B0＝[0 0 0]。X为磁强计测量值。
其中，XK+1＝XK+PK+1*H′K*(ZK-HK*XK)
XK是3×4的校正系数矩阵，
Figure BDA0002766020240000071
其中，AK为XK矩阵的前三行系数构成的3×3矩阵，BK为XK矩阵的最后一行系数构成的矩阵。在第K次迭代计算得到XK，从而得到了AK和BK。
XK+1为k+1时刻的拟合系数阵，XK为k时刻的拟合系数阵，X0为地面标定的初始拟合参数。
其中，PK+1＝PK-PK*H′K*(1+HK*PK*H′K)-1*HK*PK
PK+1为k+1时刻的P矩阵，PK为k时刻的P矩阵，P0为12×12的单位矩阵。
HK为k时刻的磁强计测量值。H′K为HK矩阵的转置矩阵。
HK为12×3的矩阵，其形式如下：
Figure BDA0002766020240000081
其中，Bbx为x轴地磁场测量值，Bby为y轴地磁场测量值，Bbz为z轴地磁场测量值。
ZK为k时刻由姿态测量参数和轨道参数计算的第一地磁场参数。ZK的形式为：ZK＝[Brx Bry Brz]。
其中，Brx为x轴地磁场测量值，Bry为y轴地磁场测量值，Brz为z轴地磁场测量值。
通过多阶拟合的最小二乘法的拟合运算，得到校正系数矩阵或者校正系数。
基于校正系数对三轴磁强计测量的第一地磁场参数进行校正，得到准确的第二地磁场参数。
本发明利用轨道参数和姿态测量参数计算航天器体系下的第一地磁场参数作为数据处理模块43的输入信息，通过最小二乘法进行拟合，能够将各种误差源统一。例如，包括温度影响，电磁干扰等噪音都可以被消除。
优选的，本发明的星载计算模块还可以包括至少一个滤波器，以通过更高次数的多项式拟合来获得精确的第二地磁场参数。
优选的，本发明的星载计算模块还包括校正模块44，用于根据校正系数校正第一地磁场参数为第二地磁场参数。优选的，校正模块44还存储校正后的第二地磁场数据。
实施例2
本发明还提供一种校正三轴磁强计误差的方法，至少包括以下步骤：
S1：开始；
S2：接收或采集姿态测量参数、轨道参数和第一地磁场参数；
S3：基于姿态测量参数、轨道参数计算当前位置的标称地磁场参数；
S4：以标称地磁场参数为参考值，计算地磁场的误差系数；
S5：将第一地磁场参数基于最小二乘法进行拟合，获得校正后的第二地磁场参数。
基于姿态测量参数、轨道参数计算当前位置的标称地磁场参数的方法为：
(1)在已知近地微小卫星在J2000坐标系下的速度、位置，以及格林尼治年、月、日信息以及协调世界时UTC的前提下，通过岁差转换矩阵P和地球自转转换矩阵R求得由J2000坐标系到地心地固坐标系，简称ECEF，的坐标转换矩阵W，进而将微小卫星的速度、位置矢量在ECEF下表示出来；
(2)根据微小卫星在ECEF下的位置，利用反三角函数以及经纬度象限条件求得微小卫星所在位置的地心经度λ、地心纬度与地心距Rd；
(3)利用国际地磁参考场2010年更新的地磁场球谐系数，根据地磁场位函数理论，将地磁场的磁位表达出来；
(4)对地磁场的磁位求偏导，得到地磁场的北向分量、东向分量与垂直分量，将地磁场强度B在北东地坐标系下表达出来；
(5)利用J2000坐标系下微小卫星的位置和速度，解算出北东地坐标系与轨道坐标系之间的夹角α，可得北东地坐标系与轨道坐标系之间的坐标转换矩阵，进而得到微小卫星所在位置的地磁场强度在轨道坐标系下的表达式。
以标称地磁场参数为参考值，将第一地磁场参数基于最小二乘法进行拟合的方法为：设置磁强计磁场强度的拟合模型为：Z＝AX+B。
其中，Z为卫星本体坐标系下的标称地磁场，A为误差系数阵，A0为3×3的单位矩阵。B为误差偏移量，B0＝[0 0 0]。X为磁强计测量值。
其中，XK+1＝XK+PK+1*H′K*(ZK-HK*XK)
XK是3×4的校正系数矩阵，
Figure BDA0002766020240000101
XK+1为k+1时刻的拟合系数阵，XK为k时刻的拟合系数阵，X0为地面标定的初始拟合参数。
其中，PK+1＝PK-PK*H′K*(1+HK*PK*H′K)-1*HK*PK
PK+1为k+1时刻的P矩阵，PK为k时刻的P矩阵，P0为12×12的单位矩阵。
HK为k时刻的磁强计测量值。H′K为HK矩阵的转置矩阵。
HK为12×3的矩阵，其形式如下：
Figure BDA0002766020240000102
其中，Bbx为x轴地磁场测量值，Bby为y轴地磁场测量值，Bbz为z轴地磁场测量值。
ZK为k时刻由姿态测量参数和轨道参数计算的第一地磁场参数。ZK的形式为：ZK＝[Brx Bry Brz]。
其中，Brx为x轴地磁场测量值，Bry为y轴地磁场测量值，Brz为z轴地磁场测量值。
通过多阶拟合的最小二乘法的拟合运算，得到校正系数矩阵或者校正系数。
基于校正系数对三轴磁强计测量的第一地磁场参数进行校正，得到准确的第二地磁场参数。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种校正三轴磁强计误差的装置，至少包括星载计算模块(40)，其特征在于，所述星载计算模块(40)分别与星敏感器(10)、轨道测量组件(20)和三轴磁强计(30)分别建立通信连接，其中，
所述星载计算模块(40)的校正方式为：
基于由所述星敏感器(10)发送的姿态测量参数和由所述轨道测量组件(20)发送的轨道参数计算当前位置的标称地磁场参数；
以所述标称地磁场参数为参考值，将由所述三轴磁强计(30)发送的第一地磁场参数基于最小二乘法拟合为校正的第二地磁场参数。
2.根据权利要求1所述的校正三轴磁强计误差的装置，其特征在于，所述星载计算模块(40)基于最小二乘法校正第一地磁场参数的拟合模型为：
Z＝AX+B；
其中，Z为航天器本体坐标系下的标称地磁场，A为误差系数阵，A0为3×3的单位矩阵；B为误差偏移量，B0＝[0 0 0]；X为磁强计测量值。
3.根据权利要求2所述的校正三轴磁强计误差的装置，其特征在于，所述星载计算模块(40)基于最小二乘法计算第一地磁场的校正系数的方式为：
以迭代的方式计算在K时刻的拟合系数阵，从而得到系数AK和BK；
Figure FDA0002766020230000021
其中，XK为3X4行矩阵；
AK为由XK拟合系数阵中的前三行数据构成的系数矩阵，BK为由XK拟合系数阵中的最后一行数据构成的系数矩阵。
4.根据权利要求3所述的校正三轴磁强计误差的装置，其特征在于，
XK+1＝XK+PK+1*H′K*(ZK-HK*XK)，
其中，XK+1表示在K+1时刻的拟合系数阵，XK表示在K时刻的拟合系数阵，AK表示在K时刻的误差系数阵，BK表示在K时刻的误差偏移量；PK+1表示在K+1时刻的P矩阵，HK表示在K时刻的磁强计测量值，ZK表示在K时刻由姿态测量参数和轨道参数计算的标称磁场。
5.根据权利要求3所述的校正三轴磁强计误差的装置，其特征在于，
PK+1＝PK-PK*H′K*(1+HK*PK*H′K)-1*HK*PK
PK+1表示在k+1时刻的P矩阵，PK表示在k时刻的P矩阵，P0为12×12的单位矩阵，HK表示在K时刻的磁强计测量值。
6.一种校正三轴磁强计误差的方法，其特征在于，所述方法至少包括：基于态测量参数和轨道参数计算当前位置的标称地磁场参数；
以所述标称地磁场参数为参考值，将第一地磁场参数基于最小二乘法拟合为校正的第二地磁场参数。
7.根据权利要求6所述的校正三轴磁强计误差的方法，其特征在于，基于最小二乘法校正第一地磁场参数的拟合模型为：
Z＝AX+B；
其中，Z为航天器本体坐标系下的标称地磁场，A为误差系数阵，A0为3×3的单位矩阵；B为误差偏移量，B0＝[0 0 0]；X为磁强计测量值。
8.根据权利要求7所述的校正三轴磁强计误差的方法，其特征在于，基于最小二乘法计算第一地磁场的校正系数的方式为：
以迭代的方式计算在K时刻的拟合系数阵，从而得到系数AK和BK；
Figure FDA0002766020230000031
其中，XK为3X4行矩阵；
AK为由XK拟合系数阵中的前三行数据构成的系数矩阵，BK为由XK拟合系数阵中的最后一行数据构成的系数矩阵。
9.根据权利要求8所述的校正三轴磁强计误差的方法，其特征在于，
XK+1＝XK+PK+1*H′K*(ZK-HK*XK)，
其中，XK+1表示在K+1时刻的拟合系数阵，XK表示在K时刻的拟合系数阵，AK表示在K时刻的误差系数阵，BK表示在K时刻的误差偏移量；PK+1表示在K+1时刻的P矩阵，HK表示在K时刻的磁强计测量值，ZK表示在K时刻由姿态测量参数和轨道参数计算的标称磁场。
10.根据权利要求8所述的校正三轴磁强计误差的方法，其特征在于，
PK+1＝PK-PK*H′K*(1+HK*PK*H′K)-1*HK*PK
PK+1表示在k+1时刻的P矩阵，PK表示在k时刻的P矩阵，P0为12×12的单位矩阵，HK表示在K时刻的磁强计测量值。
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